基于LabVIEW技術的電類虛擬實驗室應用研究

【摘要】虛擬實驗室對于高職院校解決實驗室及測試設備數量不足有著重要的作用。本文通過對虛擬實驗室結構及應用需求的分析，提出了一種基于LabVIEW技術的虛擬實驗室研究方法，經過前期實施，該系統具有一定的推廣價值。

【關鍵詞】LabVIEW；虛擬儀器；高職教育；實驗室

【基金項目】項目信息：[1]全國教育信息技術研究“十二五”規劃2014年度立項課題，編號：146242153，[2]2016年度寧波市教育科學規劃研究課題，編號：2016YGH098。

【中圖分類號】TM1-4；TN0-4；TP274；G642 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）19-0052-02

在電類課程中，實驗實訓是必不可少的內容，尤其是近幾年來，隨著高職教學導向的轉變，實踐操作更是成為課程教學的重點。在實踐操作中，儀器儀表的正確使用是保障實驗成功的基礎，但那些品種多樣、功能復雜的儀器/儀表卻也成了學生學習的門檻，如果不能比較好的掌握這些測試設備，是無法完成各項實驗內容的[1]。另外，隨著高職院校招生人數的不斷擴大，學校既有實驗室也無法滿足多個班級的授課需求，以浙江工商職業技術學院為例，目前有電類專業4個，班級數達到20個左右，而學校電子技術實驗室只有2個，電工技術實驗室只有1個。當這些班級都需要上同類課程時，學校目前的實驗室根本無法滿足需要。

虛擬儀器是一種功能意義上的測量和控制儀器，是具有儀器功能的軟件、硬件的組合[2]。它充分利用計算機技術，在基本硬件的支持下，通過調用相應的高級軟件模塊來完成數據的采集、控制、分析、處理以及結果儲存和顯示，從而實現各種傳統儀器的功能[3]。在通用計算機平臺上，根據測試任務的需要來定義和設計儀器的測試功能，充分利用計算機來實現和擴展傳統儀器功能，既可以減少實驗設備資金的投入，又能為學生做創新性實驗、掌握現代儀器技術提供了條件[4]。

一、建立虛擬實驗室對高職院校電類課程教學的作用

利用虛擬儀器技術構建虛擬實驗室對于高職院校實驗教學質量提升有著不可替代的作用，具體表現在如下幾個方面：

1.虛擬實驗室可有效解決高職院校實驗室數量不足的問題。高職院校辦學規模不斷擴大，招生數量逐年上升，而教學資源不能有效跟上辦學規模的擴展，通過對寧波及周邊地區部分高職院校的實地考察，在電類基礎實驗室建設方面，不少高校只能確保重點專業的實驗教學任務，其他需要使用該類實驗室的專業只能減少實驗教學課時，從而不能確保課程教學質量。

2.每個電類實驗室根據教學任務及人數配備需要一定數量的實驗儀器和設備，如果教學任務較重和人數較多時，設備數量就會成為制約實驗教學質量的關鍵問題了。同時，實驗室實物設備必然存在設備老化和損壞的問題，一個新建的實驗室過了若干年后一定會出現設備需要大量維修或更新換代的情況，這就需要學校每年投入金額不菲的實驗維修經費，對于高職院校本就緊張的辦學資金來講，是一個不小的壓力。利用虛擬儀器技術把實驗設備從“硬”變“軟”，從“一次性投入”變為“可持續利用”勢必能幫助高校解決資金緊張的問題。

3.利用虛擬儀器技術可構建創新實驗室，提高實踐教學質量。虛擬仿真實驗系統是一個融合了多種技術和思想的研究領域，將虛擬仿真實驗室概念與教學實驗相結合，是對常規實驗領域的開拓和發展。利用LabView平臺構建電類課程的實踐教學案例和教學素材比傳統的基于硬件模式實現的實驗、實訓，其效果更能令人向往。

二、基于LabVIEW技術的虛擬實驗室構建方法及內容

以浙江工商職業技術學院電子技術類實驗室為研究硬件載體，通過虛擬實驗系統構建，實現各類儀器的資源整合，有利于教師教學質量提升和學生課程學習的主動性加強。

根據NI對虛擬儀器的定義，虛擬儀器=計算機硬件資源+應用軟件資源+數據采集卡。儀器硬件指出現在計算機前端，是數據與計算機之間的接口硬件，負責原始數據的采集、預處理或調理、傳輸等，由A/D、D/A、數字I/O、定時器、信號調理等構成[5]。在這種理念與架構下，使用者通過編程的方式，將計算機硬件資源和儀器接口硬件有機地結合在一起，設計類似于儀表、儀器控制面板的圖形界面來操作計算機資源與儀器硬件資源，前端采集卡對測試信號進行采集、調理，計算機主要用于分析、顯示和數據處理等[6]。圖1為虛擬實驗系統結構：

根據構建虛擬實驗系統的任務與要求，利用LabView平臺完成虛擬實驗系統的設計，具體內容包括：

（1）信號調理電路的設計與調試，對信號調理電路的功能和主要信號調理芯片進行研究；

（2）數據采集電路的選擇和調試，根據虛擬儀器實驗系統的要求設計電路基本參數，選擇合適的數據采集卡并調試；

（3）典型虛擬儀器（虛擬示波器、虛擬信號發生器、虛擬頻率計）的設計；

（4）虛擬實驗平臺設計與開發；

（5）基于LabView的虛擬實驗教學案例與素材開發。

圖2為典型虛擬實驗室基本結構。在本結構中重點是虛擬系統的硬件與軟件設計，在硬件結構中通過DAQ數據采集卡實現數據采集，而在軟件設計中需要設計出各類可用于實驗測試的儀器儀表，如：示波器、信號發生器等。

三、結論

對虛擬實驗室系統的研究難點在于硬件電路與軟件平臺之間的銜接與協調問題，即系統整合。通過專用的信號采（下轉204頁）

（上接52頁）集卡和配套的數據通訊方式實現信號調理和采集工作，完成硬件與軟件之間的數據通信、處理及顯示。在這里，如何確保測試數據的完整性和正確性是比較難處理的，對此，需要對硬件電路進行精密設置，同時做到軟件設計無誤。

參考文獻

[1]孫連榮，姜元章，任玲.虛擬現實技術及其在高校教學中的應用[J].高等教育，2003，（5）：41-43.

[2]江偉，袁芳.虛擬電子實驗室的設計與應用[J].微計算機信息，2005，（3）：23-26.

[3]徐燕，孫曉娜.虛擬儀器技術在實驗室中的應用研究[J].河南師范大學學報（自然科學版），2003，（11）：103-107.

[4]胡廣書.數字信號處理--理論算法與實現[M].第2版.北京：清華大學出版社，2003.

[5]張黎，蔡亮.LabVIEW下虛擬頻譜分析儀的設計與實現[J].測控技術，2011，30（1）：24-29.

[6]黃萍，基于虛擬儀器測控系統的設計和研究，南京：南京理工大學，2002.1：67-68。

鐘曉強，男，講師，碩士，電子信息與自動控制技術及高等職業技術教育，浙江工商職業技術學院。endprint