虚拟仪器实验

虚拟仪器实验（精选11篇）

虚拟仪器实验 篇1

李沙育图形是将两频率信号的相位差在示波器上直观显示出来的图形, 利用李沙育图形能实现电感、电容等的相关技术指标的测量, 能用于对放大器等整机性能的测量[1], 也是相位差和频率比的测量原理。李沙育图形在学生初步进入大学物理或电子相关实验过程中, 非常重要的引导作用。

用示波器测量信号频率的方法很多, “李沙育图形法”就是其中用得最多的一种。“李沙育图形”又称波形合成法, 将被测频率的信号和频率已知的标准信号分别加至示波器的Y轴输入端和X轴输入端, 在示波器荧光屏上将出现一个合成图形, 这个图形就为李沙育图形。李沙育图形随两个输入信号的频率、相位、幅度不同, 所呈现的波形也不同[2]。

传统的李沙育实验是利用电子示波器进行测量。常用的有模拟相位差时的测量方法, 即利用R、C组成的串联电路相位差, 接入双综示波器进行李沙育输出波形的测试。用这种传统的方法, 在知识的传授过程中, 让学生抽象的理解测试过程, 而且学生注重了繁琐的测量的过程, 对测量结果的分析比较薄弱。

1 实验平台建设

利用Lab VIEW软件上的优势[3], 可以在课堂实验演示时达到更好的教学效果, 或者结合李沙育实验让实验在课堂上能动起来。

1.1 实验平台模型

如图1所示为实验平台的方框图:

图1中分别对设定的X轴信号和Y轴信号进行波形图的显示的同时, 还可选择是否自动新建与运行软件同一路径的两个EX-CEL文件 (数据保存X.XLS, 数据保存Y.XLS) 进行200以上任意个数据的保存, 所得实验数据准确, 减小测量误差。

1.2 实验平台程序

设两输入信号:

固定频率比:

相位差 (单位o) :

利用软件的优势, 实现三角函数的建立及所需质量指标的算法的转换, 实验平台程序如图2所示。

1.3 实验平台结果演示

如图3所示为几组特殊值时的李沙育图形码演示结果。

由图3可知, 影响李沙育图形主要是X和Y信号的频率比与相位差。当然这也是用示波器测量频率与相位差的重要依据。

还可根据需要, 自动建立两个自动保存实验数据的表格文件 (保存时间能在几秒钟内完成) , 这一特点是实验室无法从时间、准确度可以比拟的。

将程序生成后缀名为.exe文件[4], 安装容量小的引擎文件, 就可以通过多媒体放大演示出来, 让学生看得清楚, 理解李沙育图形的形成原理。这样的实验改革能激发学生的学习热情, 多元化教学元素。

2 结束语

通过李沙育实验的在Lab VIEW软件平台的建立, 简化了在实验室繁琐的测量过程, 让学生和老师在机械的操作中解脱出来, 有更多的经历和更理智的分析思考实验结论或实验的应用, 引入更深的知识。并且由这一结果可以进一步的应用到其它实验或相关学科, 挖掘出更多更有意义的学科知识。

参考文献

[1]毕凯军, 鹿文军.利用李沙育图形实现电子器件及产品性能快速检验[J].检验检疫科学, 2000 (29) :28-29.

[2]管莉.李沙育图形在测量中的意义[J].郑州铁路职业技术学院学报表, 2004 (1) :55-56.

[3]陈锡辉.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社, 2008.

[4]黄豪彩, 杨灿军等.基于LabVIEW的深海气密采水器测控系统[J].仪器仪表学报, 2011 (1) :40-44.

虚拟仪器实验 篇2

信 息 网 络 技 术 实 验 报 告

政治与公共管理学院

2016-03-17

实验名称 虚拟机上安装Linux系统并调试实验

实验编号

004

姓名

罗佳

学号

2014120101013

成绩

一、实验室名称

政管电子政务实验可视化办公室

二、实验项目名称

在虚拟机上安装Linux操作系统并设置调试实验

三、实验原理

虚拟机（Virtual Machine）不是一台真正的计算机，而是利用真正计算机的部分硬盘空间，通过虚拟机软件模拟出一台计算机。这台虚拟机拥有自己的CPU等外部设备，现在的虚拟机软件已经能让虚拟机的功能与真正的计算机没有什么区别。用户可以对虚拟机进行磁盘分区、格式化、安装操作系统等操作，而对本身的计算机没有任何影响。

四、实验目的

通过Linux操作系统安装、设置、调试等实验加深对网络操作系统中进程管理、存储管理、设备管理的理解和运用。

五、实验内容

实验2 RedHat Linux 9.0桌面环境的基本操作

Linux操作系统上最常用的桌面环境为GNOME和KDE，两种使用环境稍有差别，RedHat Linux9.0以GNOME作为默认桌面。

1、设置系统面板

1）设置底部任务栏面板隐藏 操作步骤

（1）以普通用户jkx身份登录系统，进入桌面环境；

（2）右击底部任务栏面板空白处，在快捷菜单中选择“属性”项，弹出“面板属性”对话框；（3）在“边缘面板”选卡中选中“自动隐藏”复选框，并选中“显示隐藏按钮”复选框，单击“关闭”按钮，底部面板即处于隐藏状态。观察操作前后底部面板的状态；（4）移动光标到桌面上端，底部面板出现；（5）再次设置底部面板，恢复默认设置。2）在窗口顶部创建菜单面板，并在上面添加、移动和删除对象

操作步骤

（1）右击底部任务栏面板空白处，在快捷菜单中选择“新建面板”项，选择“菜单面板”，屏幕的顶部将出现菜单面板；（2）右击菜单面板的空白处，依次选则“添加到面板”-“抽屉”，面板上将出现一个抽屉；

（3）在面板上单击抽屉图标，打开抽屉；移动抽屉到面板的其他位置；（4）选中抽屉图标，利用快捷菜单删除抽屉；删除抽屉将同时删除抽屉中的所有内容。

2、设置桌面 1）设置桌面背景

操作步骤

（1）右击桌面空白处，在快捷菜单中选择“改变桌面背景”项，弹出“背景首选项”对话框；

（2）根据对话框做相应设置，则所有工作区的背景都将发生变化，观察操作结果；（3）关闭对话框。2）设置屏幕保护程序

操作步骤

（1）单击任务栏最左端的主菜单，选择“首选项”-“屏幕保护程序”菜单，打开屏幕保护程序对话框的选卡“Display Models”；

（2）设置Model为“只使用一个屏保程序”，并在从屏保主题列表框中选择主题Anemore，列表的右侧可观察该主题的显示效果；（3）设置等待时间Blank After为1分钟；选中复选框，设置恢复屏幕时输入用户口令，关闭对话框；（4）等待1分钟观察屏保程序的效果。

3、设置桌面图标

1）新建“我的文档”文件夹图标 操作步骤

（1）右击桌面空白处，在快捷菜单中选择“新建文件夹”项，桌面将出现一个新的文件夹，名称默认为“未命名的文件夹”；（2）启动中文输入法（Ctrl+Space），修改文件夹名为“我的文档”。2）新建文本编辑器gedit的快捷图标 操作步骤

（1）右击桌面空白处，在快捷菜单中选择“新建启动器”项，弹出“新建启动器”对话框；（2）在“名称”栏输入“gedit”，在“命令”栏输入文本编辑器程序的路径“/usr/bin/geidt”，单击右侧“无图标”按钮为快捷项选择图标；（3）单击“确定”按钮，关闭对话框，桌面增加一个应用程序快捷图标。

4、设置主题 创建新主题 操作步骤

（1）依次选择“主菜单”-“首选项”-“主题”菜单，打开“主题首选项”对话框，左边列表是可供选择的已有主题；（2）单击“细节”，可在已有主题上创建具有个人风格的主题：“控件”选卡可选择主题、“窗口边框”可设置边框、“图标”选卡为自定义主题选择一个图标，选择时请注意观察标题栏、边框的显示状态，单击“关闭”按钮回到“主题首选项”对话框。（3）对话框左侧列表中出现一个“自定义主题”，可保存该主题以便将来继续使用。

5、增加启动项

启动桌面环境就自动启动文本编辑器gedit 操作步骤

（1）依次选择“主菜单”-“首选项”-“更多首选项”-“会话”菜单，打开“会话”对话框，并切换到“启动程序”选卡； 2）单击“添加”按钮，弹出“添加启动程序”对话框，在“启动命令”栏输入文本编辑器gedit的路径“/usr/bin/geidt”，并单击“确定”按钮，返回前一个对话框；（3）此时“会话”对话框的启动程序选卡列表中将出现文本编辑器命令行，关闭对话框；（4）注销系统退出当前用户，然后重新登录，检查是否自动启动文本编辑器。

6、使用文件管理器

1）基本文件操作，与Windows下的操作基本一致

操作步骤

（1）启动文本编辑器gedit，在编辑窗口中输入任意字符，保存为f1文件并退出；（2）双击桌面上的的用户主文件夹图标（如jkx的主文件夹），启动文件管理器，找到文件f1；

虚拟仪器实验 篇3

【关键词】LabVIEW；虚拟仪器；自动检测技术；实验教学

【中图分类号】G642.0【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0065-01

一、引言

随着信息时代的到来及计算机技术、信息技术和网络技术的发展， 自动检测技术及其应用也在飞速发展。在自动检测技术实验中，经常需要对一些工程领域常见的运动和性能参数进行测试与分析。如位移、应变、温度和振动的测试等。传统的传感器实验教学一般在CSY传感器系统综合实验台上完成，教学内容以验证性实验为主， 对传感器的输出信号的处理技术相当匮乏，只能了解一些简单传感器的工作原理，对应用及工程实践联系较少。那如何采用合适的教学方法和创新的教学手段来让学生通过实验真正做到深入理解相关理论，并将理论与实际有机地结合在一起呢？ 虚拟仪器技术的快速发展，为我们提供了可实现的工具。将虚拟仪器技术与CSY传感器实验仪相结合，在虚拟仪器系统平台下进行传感器实验，可有效地提高学生的实际动手能力和学习兴趣， 同时实现实验教学与工程实际应用的衔接。

二、虚拟仪器的特点和组成

（1）虚拟仪器的特点

虚拟仪器是以计算机为基础 ，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口， 完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机化仪器系统。它利用计算机强大的图形环境建立虚拟仪器面板，以代替传统仪器完成对仪器的控制、数据分析和显示功能，彻底改变了传统仪器由生产厂家定义功能的模式，而由用户自定义仪器功能。[1]与传统仪器相比，虚拟仪器具有易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等特点，具体表现为：1、智能化程度高，处理能力强。用户可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、专家系统和人工智能技术应用于仪器设计。2、应用性强，系统费用低。虚拟仪器的设计思想是用相同的基本硬件构造多种不同功能的测试分析仪器，这样的仪器系统功能更开放、灵活、高效，费用更低，并且还可通过计算机网络实现虚拟仪器的分布式共享来增加使用价值。3、操作性强，易用灵活。虚拟仪器面板可由用户针对不同应用来设计定义，使仪器操作变得更直观、简便，同时测量结果不仅可以打印、显示报表或曲线，还可以直接进入数据库系统或者通过网络发送，大大提高了仪器的可操作性。

（2）虚拟仪器的组成

虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。其中硬件主要用于解决信号的调理及输入输出问题，一般由传感器、信号采集电路、数据采集设备以及计算机组成。虚拟仪器的输入输出由数据采集卡、GPIB卡、VXI/ PXI/LXI卡、串口和现场总线等硬件模块完成。软件是虚拟仪器的关键，主要用于是实现数据的读取、分析处理、显示和对硬件的控制等功能，主要包括虚拟仪器应用软件的开发平台、仪器驱动程序以及I/O接口软件。由于主要软件开发平台LabVIEW 采用图形化的编程语言（ G 语言），面向的是没有编程经验的用户， 所以十分适合工程类学生在基础实验课程中作为开发平台使用。

三、自动检测技术实验虚拟教学平台的设计方案

1、虚拟实验教学平台的创建思想[2]

自动检测技术课程实验一般开设的都是验证性实验，如应变片的全桥性能实验、差动变压器的性能和应用（ 振动测量） 实验和霍尔式传感器的位移特性实验等。这些实验是在CSY 998系列传感器与检测技术实验仪上完成的，该实验台大部分传感器的结构透明，调理电路标识清楚，使学生对信号的拾取、转换有较深刻的认识，但对于获取数据的分析、处理和存储无能为力，不利于学生的系统学习。

根据学校培养“一线工程师”的特色办学思想，我们以自动检测技术课程建设为契机，以学校当前实验条件和设备为基础，利用实验室已经配备的PC机和CSY 998系列传感器与检测技术实验仪和labview软件， 建立了一个适合自动检测技术课程和测控系统原理课程教学， 同时能够培养学生自主创新能力的实验教学平台。该平台不仅可对采集到的数据进行数据处理，减小误差，还可以把实验数据保存成电子版及打印实验报告需要的数据表，从而提高学生参与实验的积极性，取得了较好的教学效果。

2、虚拟实验教学平台的设计方案

虚拟仪器系统的硬件构成有多种方式，主要由所采用的硬件与接口决定。根据系统硬件和接口方式的不同，可以分为以插入式数据采集卡和信号调理电路为硬件的PC-DAQ系统，还有以GPIB、串行、PXI、VXI总线等为硬件接口方式组成的GPIP仪器控制系统、串行口系统、PXI仪器系统、VXI仪器系统等。[3]

在上述结构中，最简单、最廉价的形式是采用PCI总线的数据采集卡，或是基于RS-232或USB总线的便携式数据采集卡。本校实验室的CSY 998型传感器与检测技术实验仪内具有基于RS-232总线的便携式数据采集卡，为充分利用资源和节约成本，本自动检测技术创新实验教学平台通信方式采用串行通讯，利用CSY 998型传感器与检测技术实验仪的串行口通过串行总线与PC机的串行口相接，将待测信号送入计算机， 计算机通过串口对采集的输入信号进行传输、分析、处理和记录。系统结构框图如图1所示。

在确定了实验教学平台的硬件之后， 就可以通过LabVIEW软件来实现想要的功能，由计算机直接参与实验信号源的产生及对实验数据进行测量、分析、处理。虚拟仪器的软件设计主要包括仪器界面模块、输入输出接口模块、数据分析处理模块等部分组成。仪器界面模块、数据分析处理模块是建立在仪器驱动程序之上， 直接向用户提供友好的操作界面和进行数据分析与处理的应用程序， 由用户根据功能需要自行编制。数据分析处理程序主要用于对采集的实验数据进行分析、计算与显示。

四、结束语

在 CSY型传感器与检测技术实验仪的基础上建立基于虚拟仪器的传感器实验系统，不仅提升了实验设备的水平，在很大程度上节省了学校更新实验设备所需的资金， 还可以通过LabVIEW编程方便地与网络、外设连接，利用网络进行多用户数据共享，为实验系统网络化建立了基础。同时虚拟仪器在自动检测技术实验课程教学中的应用不但激发了学生的学习兴趣和探索精神，还拓展了学生的知识面，增加了学生动手机会和创新能力。

参考文献

[1] 舒筠佳.基于虚拟仪器技术的高校电子实验平台开发[J].上海电力学院学报，2009（6）：253-255

[2] 李学聪，万频， 等.基于虚拟仪器的检测技术创新实验教学平台[J].广东工业大学学报（社会科学版），2008，8（增刊）：140- 141

基于虚拟仪器的数字电路实验系统 篇4

虚拟仪器充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能式的功能,把传统仪器的专业化功能软件化,使之与PC机结合起来融为一体,这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同,同时又充分享用了PC机智能资源的全新的仪器系统。

本着“好学、好用、好懂”的原则进行开发,利用labview语言的良好人机交互优势极其方便的各种控件,开发出用于数字电路课程辅助教学的实验系统,充分发挥虚拟仪器的优点,通过各种控件形象地模拟逻辑信号,把抽象的理论感性化,改变了滞后的实验设备和死板的实验模式,特别是这套系统直接用在课堂教学上,调动了学生的主动性和创造性,使学生更容易理解相关的知识,其起始界面如图1所示。

系统内容基本涵盖了数字电路的全部内容,包括逻辑代数、组合逻辑电路、触发器、时序电路、脉冲产生整形与DA转换等。

1.1 逻辑代数实验模块

此模块主要包括逻辑代数的原理性知识,是整个数字电路课程的基础,能否掌握此部分知识关系到后续课程内容的理解和掌握。内容主要涉及基本逻辑运算及复合逻辑运算,基本公式及其它常用公式,真值表、表达式、逻辑图及最小项等逻辑函数表示方法,通过此模块学生可以加深对理论性知识的理解,为后续内容学习打下基础。

此部分通过labview的逻辑控件,以信号灯的形式模拟逻辑变量,用不同颜色代表不同的逻辑变量0或1,如红灯或绿灯代表1,白灯代表0。通过颜色变化加强学生的感性认识,以更好理解、掌握知识。

以基本逻辑运算为例,如图2所示,“与运算”输入两个逻辑量均为1(两个均为绿灯)时,输出为1(绿灯),“或运算”1个输入为1(绿灯),1个输入为0(白灯),则其输出为1(绿灯),“非运算”输入为1(红灯)则输出为0(白灯)。而且各种组合灯的变化和真值表相对应,增强了认识。

1.2 组合逻辑电路模块

此模块为组合逻辑电路,是数字电路的核心内容之一,内容包括组合逻辑电路分析、设计及常用集成电路,常用集成电路主要包括编码器、译码器、加法器、数据选择器、数值比较器等常用集成电路及其各种应用。

此模块中,通过模拟,提供了完整的实例,形象地展示了电路的分析和设计过程,加深了理解。特别对于各种常用集成器件,通过各种信号模拟,展示出各种集成器件的引脚、特征及应用情况,更形象、更直观,便于学生理解各种集成模块的功能,而又不必过分关注其内部结构。

典型示例数据选择器的扩展应用如图3所示。用不同颜色逻辑信号代表输入/输出变量及控制变量,形象表示出输入信号在不同控制信号变化下的输出情况,使抽象理论变得感性化,便于理解。

1.3 触发器模块

此模块内容主要包括基本RS触发器、同步触发器(同步RS触发器、D触发器及同步JK触发器)、主从JK触发器(主从RS触发器、维持——阻塞边沿D触发器、主从JK触发器、T触发器及T′触发器)。

触发器具有记忆功能,是构成时序电路的基础,掌握其内容是学习时序电路的基本要求,但部分触发器结构复杂难理解,因此,本部分主要从功能角度出发,弱化结构要求。

通过信号灯的变化描述触发器的变化过程,即触发器何时保持原态,何时置0、置1,何时进行状态翻转,结合触发器特征表,非常容易理解触发器功能及其实现条件,同时避免了死记硬背的弊端。

1.4 时序电路模块

此模块主要包括时序逻辑电路,是数字电路的核心内容之一,内容主要包括时序电路分析(同步时序电路分析和异步时序电路分析)、常用时序电路(主要包括寄存器、同步计数器、异步计数器和集成计数器及其应用)。

此模块主要包括数字电路的另一类电路时序逻辑电路,由于时序概念的抽象性,学生掌握起来难度较大,因此,通过信号的模拟,加大感性认识,使学生更好理解知识内容。

典型示例74LS160置数法如图4所示,用不同颜色逻辑信号代表输入/输出变量及控制变量,通过软件的运行,显示了数字循环变化的完整过程,通过变化可以看出数字何时开始增加,何时通过置数重新开始计数,同时可以观察到数字变化过程中时钟信号的变化,使学生在掌握计数器工作过程的同时更深入理解了时序的概念。此外,可以通过改变输入变量,模拟任意进制数字。

1.5 脉冲产生整形与模/数及数/模转换模块

模块包括555集成电路、模/数及数/模转换,由于脉冲的产生整形与模/数及数/模更为抽象,理解起来难度更大,因此,通过形象化的模拟,使学生能够理解其概念、意义及过程,达到预期目标。

典型示例D/A及A/D转化如图5所示。通过信号模拟,可以形象看出A/D转换过程是通过采样、保持、量化、编码四步完成,同时可以把数字量和模拟量进行对应观察,更容易理解两者的关系。设置了正弦波、三角波、锯齿波、方波信号,通过多种不同信号的变化加深理解。通过对信号频率的设置,体现出频率的变化对信号采集的影响,充分理解采样频率。

2 结论

《数字电路》课程是很多工科专业的基础课,但由于高职院校学生的基础比较薄弱,理论往往强调以够用为度,加之实践课时不多,对课程内容理解存在一定难度,因此,为更好引导学生学习,应用Labview语言,开发了一套数字电路实验系统进行辅助教学,通过开发出的虚拟实验系统辅助教学,把抽象的理论同丰富的模拟信号结合起来,增强了学生的感性认识,在理解的基础上掌握课程内容。

此外,系统具有开放性,除教师作为演示实验用外,学生还可具体操作,通过程序的修改,自己设计部分实验,提高了学生的兴趣,激发了学生的积极性和主动性,取得了较好的效果。

摘要：为更好的引导学生学习数字电路课程,利用LabVIEW(实验室虚拟仪器工程平台)语言开发了数字电路实验系统,其内容基本涵盖了数字电路的全部内容,包括逻辑代数、组合电路、触发器、时序电路、脉冲产生整形与数模、模数转换等,通过此实验系统,加强了学生的感性认识,提高了学习兴趣,取得了较好效果。

虚拟仪器实验 篇5

针对传统实验教学中存在的成本高、教学方法单一、知识学习和实验动手操作相互分离、学生缺乏主动性和创造性等问题，北京邮电大学文福安教授提出了开放式虚拟实验教学系统的解决方案。在国家科技支撑计划项目的支持下，北京邮电大学和北京润尼尔网络科技有限公司通力合作，开发出了能够配合教学并在网上开展的基于B/S架构的虚拟实验教学系统，对我国实验教学的改革具有重要意义。

分工有序 各司其责

虚拟实验教学系统是一种运用虚拟现实技术模拟现实实验的计算机教学软件。它采用多媒体技术在计算机上建立虚拟实验室环境，提供分立的可自主操作的虚拟实验仪器，使学生在互联网上通过接近现实的人机交互界面完成实验，同时提供网络实验教学的一体化管理功能。

文福安介绍说：“虚拟实验教学系统分为虚拟实验平台、虚拟实验教学管理、辅助教学三个部分，可以支持跨学科的多门课程。通过这个系统，学生既可以动手操作实验，也可以学习相关理论知识，还能方便地与教师、同学交流。系统对学生的学习过程提供引导、控制、管理和帮助。”

那么，學生在学习中具体是怎样操作的呢？文福安给我们做了演示。学生点击某实验任务，就会出现相应的实验要求和报告表格。学生可以在器材栏中选择实验需要的器材和设备，自己动手连接、调节，使用它们在实验区进行实验。文福安比喻说：“虚拟实验室就像一个没有围墙的现实实验室。”除实验任务外，系统允许学生根据平台上提供的器材自由搭建任意合理的实验系统，这一点是其区别于一般实验教学课件的重要特征。

文福安还介绍说：“在实验之前，学生可以先学习与本次实验相关的预备知识，实验过程中如果遇到困难可以看指导、看课件或者问老师，实验完成后提交实验结果和报告，实验后还可以进行复习。教师负责搭建典型实验或调取实验案例，给学生制定预习计划、布置实验任务，提供实验指导和帮助，在实验结束后查看学生的实验结果，对实验报告进行批改，给出实验成绩和评价。”

要开展虚拟实验教学，还需要网上实验教学管理功能。在文福安及其团队开发的虚拟实验教学管理系统中，老师和学生可以通过答疑交流系统，采用语言、文字和图形图像进行实时的或非实时的互动交流。教师从中可以得到及时的实验教学反馈信息，以便调整实验教学的进度和深度。与国际上同类学科的仿真软件相比，虚拟实验教学系统具有面向教学、易于管理等特点。

突破关键技术 成功应用推广

面对虚拟实验教学系统取得的成功，文福安及其团队的每一个人心里都很欣慰，可是在成功背后，他们付出的艰辛是常人想象不到的。他说：“想要做出一套能够模拟接近现实实验室环境的虚拟实验教学系统，那么虚拟的实验仪器设备的物理特性就必须与现实的器材相一致，同时还要具备很强的交互性、实时反馈特性以及较高的智能化特性。”突破这些关键技术是不小的挑战。

文福安说：“构建这套虚拟实验教学系统需要运用到的关键技术包括：仿真技术、Web应用技术、设计模式和图形绘制的优化，虚拟实验教学系统对其中任何一种技术都要求精益求精。”

虚拟实验系统在应用推广上可谓是捷报频传，而北邮自然就是文福安的第一块“试验田”。2006年底，在北邮网络教育学院河南工程硕士班进行了应用，86名学生参加了首次教学体验，取得了理想效果，推广第一站完美收官。2008年秋季学期在北邮网络教育学院“计算机网络”、“Linux操作系统”等多门课程上成功应用；2009年秋季学期在大连理工大学继续教育学院“电路分析”等课程应用中赢得赞赏。

目前虚拟实验教学系统支持的课程已经涵盖了计算机网络、Linux操作系统、模拟电路、电路分析、高频电子线路、数字电路、信号与系统、通信原理等多门课程。使用虚拟实验系统的教学站点多达264个，覆盖了北京、石家庄、大连、上海、广州和贵州、广西、山西等地的多个城市。系统应用于北京邮电大学、大连理工大学、中国石油大学、武汉理工大学、解放军理工大学等20余所院校。文福安及其研究团队也获得多项奖励证书，《科技日报》、《科学中国人》等媒体纷纷对此进行了专题报道。

完善技术 推进教育创新下一浪潮

实践教学是国家实施素质教育和高等教育质量工程、全面提高教育质量的重要内容。《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中提到要在2010年至2020年间加快教育信息化进程，加强优质教育资源开发与应用，加强网络教学资源体系建设，引进国际优质化数字教学资源，开放网络学习课程，建立数字图书馆和虚拟实验室的规划。虚拟实教学也已经得到了全国实验室建设指导委员会等相关单位的高度重视。2008年，“虚拟实验教学环境关键技术研究与应用推广示范”项目被确定为“十一五”国家科技支撑计划重点项目。

尽管虚拟实验室的发展得到了国家相关措施的支持，在各地推广中也取得了相当不错的成绩，但文福安教授认为当前虚拟实验教学系统仍然存在有待进一步完善的地方，并指出如何在教学中更好地发挥虚拟实验的作用、如何把实验动手和知识学习有机融合、如何增强学生的学习兴趣和信心、如何将实验教育和实际应用相结合、如何减少教师和管理人员的工作量、如何通过信息技术规范实验教学的管理等问题将逐步研究并解决，实验增强的教学环境将是团队下一步的研究方向。

开放式的虚拟实验教学系统突破了时间、空间和设备数量的限制，培养了学生的创新意识、创新能力和动手操作能力；同时还具有实验过程中易获得相关学科知识，实验结果便于保存，实验教学过程容易控制，实验教学指导更有效、容易与其他教学相结合等优势。文福安激动地说：“这将会是教育创新的下一个浪潮。”提起对虚拟实验教学系统未来的展望，文福安希望学生进入实验室的门槛更低、得到的指导更快捷；期待未来实验教学管理更加规范，实验教学的效果评价更加科学。

虚拟仪器实验 篇6

在数字电路的教学过程中, 实验是一个重要的环节。传统的实验教学主要依赖价格昂贵的实验设备, 存在前期投入大、后期维护费用高、实验设备功能单一、不宜扩展等问题。同时, 在实验开展中还受到时间、地点和人力等方面的限制, 致使实验教学不能有效地开展, 从而影响教学质量。针对传统的数字电路实验教学中存在的上述问题, 文章研究利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件队数字电路实验进行仿真设计, 开发能够满足现代实验教学要求的仿真实验系统。

1 虚拟仪器与LabVIEW

虚拟仪器是指以通用计算机为核心的硬件平台上, 由用户设计定义, 具有虚拟面板, 测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。用户通过鼠标或键盘操作虚拟面板上的旋钮、开关或按键来设置各种工作参数, 启动或停止仪器, 如同在真实仪器上的操作一样直观、方便, 测量结果也在虚拟面板显示输出。

LabVIEW是美国国家仪器公司推出的图形化虚拟仪器应用软件开发平台, 具有直观易学、编程效率高等优点, 用它来仿真各种仪器及虚拟电路具有独到之处。一个典型的LabVIEW程序由前面板、框图程序两个部分组成。在LabVIEW功能模板中包含着各种数字运算和逻辑运算模块, 如“与、或、非”等, 可以很方便地设计数字电路的仿真实验。

2 钟控R-S触发器的仿真实验设计

在数字电路中, 钟控R-S触发器是比较典型的时序逻辑电路, 通过对钟控R-S触发器进行仿真实验设计, 说明基于虚拟仪器对数字电路进行仿真实验的方法。

2.1 钟控R-S触发器的功能

对于钟控R-S触发器, 当CP=0时, 不论输入信号R和S如何变化, 基本触发器输入信号全为1, 触发器保持原状态不变。当CP=1时, 输入信号R和S可以使触发器状态发生变化, 且与基本触发器具有相同的逻辑功能。钟控R-S触发器的特征方程如式1所示。

2.2 钟控R-S触发器的仿真实验设计

2.2.1 钟控R-S触发器的前面板设计

虚拟仪器的前面板和传统仪器一样直接面向用户, 用户通过面板上的各种按钮、开关等控件进行操作。钟控R-S触发器的前面板主要包括3个布尔型输入控件, 分别代表输入端R、S和停止按钮, 2个数值型输入控件, 分别代表时钟频率和占空比, 2个布尔型显示控件, 分别代表输出端Q和Q', 以及1个数字波形图, 用来输出仿真实验的结果。

2.2.2 钟控R-S触发器的程序框图设计

虚拟仪器编程软件LabVIEW不同于其他文本式的编程语言, 使用图形化的G语言编写程序, 用连线、图标等代替语法结构完成编程, 产生的程序是框图和流程图的形式, 这种编程方式能够大大提高开发程序的效率。在进行钟控R-S触发器的程序框图设计时, 首先要编写两个重要的子vi:时钟脉冲.vi和RS触发器.vi。

(1) 时钟脉冲.vi, 在时序电路中, 希望输入信号的翻转受时钟来控制, 在前面板添加输入时钟开关控件、输出时钟指示灯控件、时钟频率和占空比两个数值控件。然后, 在程序框图中添加条件结构, 将输入时钟作为条件, 将输入时钟的非运算结果作为输出。另外添加一个“等待”函数, 每过一定时间, 进入循环下一步后就将移位寄存器值翻转, 每一步中的等待时长可以由占空比计算得出。

(2) RS触发器.vi, 实现基本R-S触发器的逻辑特性。在前面板添加3个布尔型输入控件, 分别代表输入端R、S和时钟信号CP, 以及2个布尔型显示控件, 分别代表输出端Q和Q'。在程序框图中需添加一个条件结构, 将选择器连接至时钟信号CP。在时钟信号CP为真的条件分支内, 添加必要的逻辑门函数, 按照基本R-S触发器的特性方程进行连线, 在时钟信号CP为假的条件分支内保持寄存器输出值不变。

接下来在主程序框图中设置一个While循环结构, 将时钟脉冲.vi和RS触发器.vi这两个子vi添加到这个循环结构中, 并为循环结构添加一个布尔型的移位寄存器来寄存时钟脉冲信号。将移位寄存器的CP值以及R、S、Q和Q'的值通过自动索引功能输出到循环结构外, 与数字波形图相连接, 作为输出图的纵轴数据, 设置“等待”函数的输出值, 同样通过自动索引功能输出到循环结构外, 作为输出图的横轴时间数据。

3钟控R-S触发器的仿真实验运行和结果

打开钟控R-S触发器的仿真实验程序, 首先设置前面板的输入时钟频率和占空比与时钟脉冲.vi中的数值相同。接下来, 点击LabVIEW中运行程序的按钮开始仿真实验。在虚拟前面板上点击两个输入端R、S的按钮调整不同的输入状态, 就能即时地从前面板的两个输出端Q和Q'的指示灯上观察到亮暗变化, 在数字波形图上显示输出端Q和Q'的状态波形。最后单击停止按钮, 仿真实验程序运行结束。经过实验, 仿真结果对应输入的CP、R、S值, 输出Q和Q'的状态波形是完全正确的, 从而证明文章的仿真实验方法切实可行。

将传统的数字电路实验方法和文章的仿真实验方法进行对比分析如下表1所示, 可以发现基于虚拟仪器的数字电路仿真可以从很多方面改善传统的实验方式所存在的不足。

4结束语

利用虚拟仪器技术和LabVIEW软件, 对数字电路的仿真实验进行了研究, 对典型的数字电路即钟控R-S触发器进行仿真实验设计, 并给出了仿真结果。仿真结果表明, 采用虚拟仪器技术替代传统的实验设备进行数字电路的仿真和实验, 减少了对硬件设备的依赖, 降低了成本, 提高了实验的灵活性和学生的参与程度, 可以广泛应用于课堂的教学演示和数字电路实验室中。

参考文献

[1]候国屏, 王珅, 叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社, 2005:5-25.

[2]杨颂华.数字电子技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2000:130-135.

[3]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京:电子工业出版社, 2003:5-20.

[4]戎舟.基于LabVIEW的虚拟示波器及其远程测控[J].微计算机信息, 2004, 20 (5) :66-67.

虚拟仪器实验室的建设与研究 篇7

测控技术和计算机技术相结合产生的虚拟仪器技术, 经过二十多年的发展现在已经广泛应用于各个测试领域, 成为当代测量技术发展的一个重要方向。虚拟仪器系统可以由用户自己定义、自己设计仪器, 一台虚拟仪器可以完成数台甚至成套仪器所能完成的全部功能, 成本低, 通用性好、易于升级与扩展, 操作使用与传统仪器基本相同。采用虚拟仪器技术来加强实验室建设, 不但可以节约仪器设备的经费投入, 还能提高教学科研的质量与效率, 跟踪国际先进水平, 争创学科实验教学新优势。

一、虚拟仪器的开发、研究现状

虚拟仪器系统可以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药和工业生产等各种领域。目前, 虚拟仪器在发达国家已经十分普及。在美国虚拟仪器系统及其图形编程语言, 已作为各大学理工科学生的一门必修课程。美国的斯坦福大学的机械工程系要求三四年级的学生在实验时直用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。

目前国内高校已有超过100所大学开始了Lab VIEW及虚拟仪器技术的课程, 超过50所学校创建了以NI公司的Lab VIEW及其硬件为基础的虚拟仪器实验室, 其中包括NI公司与部分学校的联合实验室。随着微型计算机的发展, 虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。

二、虚拟仪器的结构体系

虚拟仪器的结构体系如图1所示, 虚拟仪器主要由两大部分构成, 即软件和硬件。其中软件又分为两部分:仪器驱动程序和测试应用软件。仪器驱动程序主要是由模块化仪器厂家提供, 但是用户也可以根据实际需要进行二次开发;测试应用软件由用户自行开发设计。硬件也分为两大部分:计算机硬件平台和基于各种总线的模块化仪器。

其中计算机和仪器硬件又称为VI的通用仪器硬件平台.硬件平台是基于“数据采集 (ADC—信号分析与处理 (DBP) —输出 (DAC) 及显示”的结构模式。插卡式数据采集卡 (DAQ) 主要是指基于PCI总线式的插卡仪器, 虚拟仪器用户在装有LV环境的计算机中装上PCI数据采集卡, 再安装上仪器驱动, 用户根据需要加以简单的外围电路和相应的虚拟仪器应用程序, 就可以形成各种各样的虚拟仪器。它既利用了计算机的总线、机箱、电源及软件的便利, 又受PC机机箱内噪声电平较高、插槽数目不多, 插槽尺寸较小, 机箱内无屏蔽及电源功率不足等限制。但是由于PC机数量庞大, 所以插卡式仪器最便宜, 适合于教学部门和各实验室使用。

Lab VIEW是实验室虚拟仪器集成环境 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 的简称。是美国国家仪器公司 (NATIONAL INSTRUMENTS, 简称NI) 开发的图形化的虚拟仪器软件开发平台, 也是目前较为流行的虚拟仪器软件开发环境。Lab VIEW主要特点:图形化的编程环境、内置测量和控制函数、多种编程开发工具、适用于多种计算机平台, 由其编制的测试应用软件简称为VI。

三、虚拟仪器实验室的建设与研究

虚拟仪器实验室的建设步骤和内容:

1. 设备的购置:

院系设备采购相应的人员完成, 目前我们的检测技术实验室有计算机、函数信号发生器、万用表、数字示波器、传感器实验台。

2. 虚拟仪器实验内容的确定:

根据预先的实验室的功能定位, 主要从三个方面来建设虚拟仪器实验室。

(1) 检测技术专业虚拟仪器课程实验:讲台计算机上的实验程序主要是根据虚拟仪器专业课程相关知识点编制的, 用于向学生演示讲解虚拟仪器软件编译环境的各种编程知识;学生计算机上的虚拟仪器程序是学生根据讲台机上实验程序的演示和教师对虚拟仪器相关知识的讲解而自行编制的。

(2) 检测技术专业虚拟仪器课程设计:教师根据实验室的设备情况设定相应的虚拟仪器设计题目, 题目是关于电子技术相关课程的实验的虚拟仪器实现, 或者是虚拟仪器工程实际应用。

(3) 毕业设计:教师从社会承接虚拟仪器技术相关的课题, 根据学生知识水平, 可以将项目分解成几个部分让几个学生分别或组成小组在教师的指导下完成, 对于复杂部分则由教师完成。教师也可以通过社会调研确定相应毕业设计课题, 这些课题完成后, 可以转入社会应用或者下一阶段课题研究的预研。

3. 根据调研购买相应的模块化数据采集卡, 购买虚拟仪

器软件开发平台Lab VIEW, 编制相应的虚拟仪器软件并设计相应的接口电路。

四、虚拟仪器实验室的结构体系

利用基于PCI总线的数据采集卡所构建的虚拟仪器实验室结构如图2所示。虚拟仪器实验室的测试测量仪器应该主要是虚拟仪器, 但是对于虚拟仪器专业的学生, 在其进行虚拟仪器专业课程的实验时, 需要用到一些传统的测试测量仪器进行测试结果的验证、比较。对于虚拟仪器专业学生的实验, 学生可以通过网络共享讲台虚拟仪器的硬件平台, 设计相关虚拟仪器, 然后教师再通过网络可以利用讲台计算机对学生设计的虚拟仪器进行检查和课堂问题讲解。对于非虚拟仪器专业的学生, 学生可以在教师的指导下利用编制好的虚拟仪器进行电子技术相关课程的课程试验。

五、利用凌华多功能数据采集卡所设计的实验室部分虚拟仪器

通过我校虚拟仪器实验室的建设, 说明在高职院校建设虚拟仪器的实验室具有可行性, 也是高职院校部分实验室建设与发展的一种趋势。以通用计算机为平台, 加以模块化的数据采集卡, 利用虚拟仪器软件开发平台Lab VIEW编制相应的虚拟仪器软件, 就可以构建各种虚拟仪器。实验人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行, 就象在使用一台专门设计的电子仪器, 完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成等, 因此非常适宜于实验教学。

摘要：本文旨在通过虚拟仪器实验室的研究, 为高职教育检测技术专业提供专业课程的学习环境, 充分利用虚拟仪器的优点加强高职院校实验室的建设。

关键词：虚拟仪器技术,高职教育,实验室建设

参考文献

[1]余小燕.基于LabVIEW的虚拟仪器进人实验教学的研究[J].煤炭技术, 2003, 2

[2]张文.基于虚拟仪器的实验室建设研究[J].内江师范学院学报, 1999, 2

虚拟仪器实验 篇8

一、实验教学的重要性

知识经济时代对人才提出了新的要求, 为了适应社会需求, 以培养学生的创新精神和实践能力为重点的素质教育成为各大高校人才培养的主要目标, 为了达到这一目标, 实验教学担当了重要角色。通过实验教学可以增强学生的动手操作能力和协作精神, 培养学生的创新能力。通过实验教学不仅可以加深学生对课堂内容的理解, 巩固学到的理论知识, 而且能够培养学生理论联系实际的能力和分析问题、解决问题的能力。对于活跃思维、开阔思路、提高创新能力起着积极的作用[1]。因此, 加强实验教学是提高教学质量的必然要求, 是重要的教学环节。

二、实验教学现状[2~3]

近年来, 随着教学改革的不断深入发展以及计算机技术的发展及深入应用, 教学条件有了很大的改善, 但是由于一些主客观原因, 实验教学仍然存在着许多不尽人意的地方, 主要表现在以下几个方面:

1. 实验教学地位重视不足

现在高校普遍存在的问题是重课堂教学而忽视实验教学, 学生大多数时间都在进行理论学习。实验是理论的验证和进一步深化, 特别是工科学生, 如果没有足够的实验就像是纸上谈兵, 学生对所学知识没有一个感性认识, 从而不会有创造的灵感和基础。

2. 实验设施不能满足实验需求

在实验设施方面的不足主要表现在:一方面, 现在实验室大多采用是一些传统的实验仪器与设备, 这些仪器与设备功能单一、技术落后、通用性很差, 不能适应学科的发展。另一方面, 不断扩大的学生数量与现有的实验设备数量之间的矛盾已经非常明显, 许多普通院校都没有足够的经费购置大量的实验设备, 如何在不降低教学质量的前提下使学校以最少的经费投资达到最优的教学效果, 保证每个学生都有机会很好地完成实验教学成了许多高校面临的重要问题。

3. 实验环节设计的功能单一、适应面窄, 不利于发挥学生的创造性

有许多实验设计不很合理, 验证性实验太多, 学生只能按照实验指导书上的步骤和内容去做, 不利于发挥学生的主观能动性和创造性。如何把学生推到实验主体的位置上, 充分挖掘和发挥学生的主动性和创造性, 引导他们向自己的未知领域迈进, 是至关重要的。另外, 有些实验太专, 只能针对某一课程而不能兼顾其他课程达到综合训练的效果。

4. 实验资源不能有效利用, 开放程度较差, 管理维护不便

传统的实验设备具有固定的硬件构成, 只能进行特定的实验项目和实验操作, 当需要增加新的功能时就需要更新硬件或者购买新的实验设备, 投资较大, 而且系统不便维护。

因此, 如何改革实验教学, 使学生能够利用最先进的技术去积极主动地学习, 培养学生的创造性思维, 提高实验教学质量是每个高校都面临的问题, 探讨新的实验教学方法和手段是目前教育形式的必然要求, 是“全面推进素质教育, 以培养学生的创新精神和实践能力为重点”的教学指导思想得以落实的必然途径。

三、实验教学改革实践

1. 虚拟仪器技术及其优势

虚拟仪器 (Virtual Instruments, 简称VI) 的概念, 是美国国家仪器公司于1986年提出的。虚拟仪器技术最核心的思想, 就是利用计算机的硬/软件资源, 使本来需要硬件实现的技术软件化, 以便最大限度地降低系统成本, 增强系统的功能与灵活性, 真正体现了“软件就是仪器 (The software is the instrument) ”的口号。虚拟仪器是以通用计算机为核心的硬件平台, 用户可根据自己的需要通过编制不同的测试软件来构成各种功能的测试系统, 其中许多硬件功能可直接由软件实现, 系统具有极强的通用性和多功能性。虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能, 使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替[3]。所以软件是整个系统的关键, 当基本硬件确定以后, 就可以通过不同的软件实现不同的功能。它突破了传统仪器在数据处理、显示存储等方面的限制, 实现了部分仪器硬件的软件化, 增加了系统的灵活性。应用虚拟仪器技术不仅能够降低系统的开发与维护费用, 而且能够节省综合系统的组建时间。同时, 友好的人机交互界面技术使人感觉像操控真实的仪器一样, 具有身临其境的感受, 另外, 其方便的网络功能, 能够实现资源共享。

2. 虚拟仪器技术及其应用于实验教学的实例

下面以我系机械系统创意组合及参数可视化分析实验台的实验教学改革为例, 探讨虚拟仪器技术在实验教学中的应用, 以期为实验教学改革提供思路。

(1) 现有实验系统结构及其不足

现有实验台整体结构如图1所示:

(1-直流电动机2-装配平台3-立式装配平台4-传动部件5-负载装置6-数据采集箱7-联机计算机)

本实验台主要由驱动装置、传动装置、模拟加载装置等部分组成。实验系统提供有各种标准硬件模块, 包括模块化的传动部分 (联轴器、轴承、离合器、变载荷以及减速器、带、链、三角带轮、链轮库等组成) 、驱动源及模拟负载。其布置形式可呈平面和空间两种形式。在实验时学生可以根据需要按一定的形式组合成不同的机械传动系统[4~6]。

该实验台是以单片机作为数据采集前端, 主要完成机械传动效率的测定。实验台由软件和硬件组成, 实验功能的扩展不仅包括硬件的改变而且包括软件的功能升级, 该实验台的主要不足在于:

(1) 实验台上位机软件采用VB开发而成, 而我系学生没有开设该门课程, 所以学生只能按该软件现有功能来完成实验任务, 不利于学生进行二次开发。

(2) 实验台虽然具有一定的开放性, 使学生能够自己完成传动部分的设计和组装, 但是开放程度不够, 例如数据采集部分采用单片机, 驱动采用直流电机等。但实际上, 数据采集可以有多种方式, 比如采用PC-DAQ方式采集数据, 驱动部分还可以用步进电机或其它类型的电机。

(3) 没有实现网络实验, 不能达到资源共享。

(2) 虚拟仪器技术引入实验教学的改革

通过对实验台的分析, 为了改善实验教学, 将虚拟仪器技术引入实验教学中, 对现有实验教学平台进行了改善, 实验系统方案如图2所示。在实验系统软件上设计了如图3所示七大功能模块, 使学生能够利用实验系统提供的实验指南及帮助功能模块自己动手设计并组装传动系统, 并利用Lab VIEW软件对实验功能进行进一步扩展。

本实验系统从以下几个方面改善了实验教学:

(1) 引进了虚拟仪器技术, 使学生进行二次开发成为可能。由于虚拟仪器软件目前在各工科院校已普遍开展, 学生具备一定的开发能力, 特别是Lab VIEW是一种图形编程语言, 简单易学, 形象生动, 因此, 选择虚拟仪器软件Lab VIEW作为上位机开发软件, 当实验系统硬件发生改变或者增加新的功能时, 只需要修改现在软件功能模块或者增加新的软件功能模块即可, 非常方便。

(2) 为学生提供更大的开放空间。学生可以尝试采用不同的驱动源和数据采集方式, 负载及执行部分除了以磁粉制动器作为模拟负载外, 还可以利用学生的毕业设计或者课程设计作更深入的设计, 例如设计由传动装置直接驱动的连杆机构或者其它执行装置, 并进一步对连杆机构进行运动和动力分析, 从而使实验台不仅能完成机械传动效率的测试, 而且能够进行动态负载特性和系统机械特性分析, 进一步扩展后还可以完成对其他机构的运动和动力分析, 使实验范围和功能得到极大的扩展。

(3) 引进了组件技术和模块化设计理念。本实验系统利用Active X控件技术和Lab VIEW提供的测试专用函数或控件设计了数据处理组件、报表生成与处理组件、数据采集组件、仪器面板组件及网络组件。数据采集组件将各种硬件仪器的驱动程序模块封装在组件中, 当测试要求改变需要更换新的仪器硬件时, 只需更新相应的驱动程序模块, 并且保证它对上层的接口保持不变, 那么新的仪器硬件就能在原来的系统中正常运行。数据分析与处理组件封装有常用的数据处理方法, 仪器面板组件可以将更加形象的面板以组件形式封装, 报表生成与处理组件封装有不同的报表格式及其生成方式, 网络组件主要针对不同的网络协议下的网络功能进行封装。将所有这些组件组成组件库与典型测试任务数据库、测试数据信息数据库及其他相关数据库一起放入数据库, 在实验时就可以根据不同的测试任务、不同的硬件模块和不同的功能要求选择相应的组件进行实验系统的搭建。当实验方案发生变化, 需要完成另外的测试任务时, 只需对典型测试任务库和需要扩充的组件进行任务添加, 或者对原来组件库的组件进行适当的修改, 则仍然能够使用这些组件构成新的实验系统。因此, 利用这些组件使学生可以像堆积木一样能够快速地搭建实验系统, 进行实验功能的扩展[7,8,9]。

(4) 增加了网络实验功能。Lab VIEW在网络应用方面具有强大的优势, Lab VIEW5.1及以后的版本集成了各种通信协议, 提供了丰富的网络化组件, 通过Lab VIEW可以不需要了解任何网络协议就能编写复杂的分子式应用程序, 它提供了多种网络通信方式供用户灵活选择。例如可以通过读写远程计算机的文件实现数据共享, 也可以通过V I服务器来调用或控制远程V I[10]。本实验室通过Remote Panel技术对网络实验进行了初步改革 (如图4所示) , 为学生在远程客户端利用浏览器打开的实验台界面, 利用Lab VIEW的Remote Panels不仅可以观看, 而且可以在Lab VIEW的环境中或浏览器上加以控制。打破了学生必须在实验室做实验的实验模式, 只要有网络就能实验, 从而达到了资源共享, 有效利用了实验室的现有设备。

3. 实验教学改革的效果

(1) 强化了不同的理论知识间的联系, 锻炼了学生的综合实践能力

将虚拟仪器技术应用于上述实验教学中, 使学生不仅锻炼了学生应用虚拟仪器软件进行编程的能力, 而且该实验有到了传感器技术、机械设计及机械原理等众多课程的内容, 通过对该实验台的改革, 达到了综合运用学生所学专业知识进行综合实践能力训练的目的。

(2) 充分发挥了学生的主观能动性

实验台所采用的开放式结构, 使实验灵活多样, 给学生留下很大的创造空间, 学生可以按照自己的思路进行发挥, 从而激发了学生的求知欲, 提高了学习兴趣, 发挥了学生的主观能动性。

(3) 实现了资源共享, 提高了实验设备的利用率。

四、结束语

实验教学改革是一项长期的工作, 它需要与时俱进, 需要不断地探索。虚拟仪器技术应用于实验教学是现在各大高校都在研究的焦点, 是实验教学发展的趋势。

摘要：实验是教学中的一个重要环节, 为了提高实验教学的开放性和灵活性, 适应现代实验教学的需要, 通过对实验教学现状的分析, 提出了将虚拟仪器技术应用于实验教学的思路, 并通过实验教学改革实践探讨了将虚拟仪器技术应用于实验教学的优势, 分析了实验教学改革的效果。通过分析发现将虚拟仪器技术应用于实验教学, 不仅拓展了实验范围和空间, 而且能够发挥学生的主动性和创造性, 是实验教学的一个重要发展方向。

关键词：探讨,实验教学,改革,虚拟仪器技术

参考文献

[1]李耀刚, 石国英, 王宏志.改革实验教学培养创新能力[J].实验室研究与探索, 2007 (11) :92-94

[2]曾秋菊.试论高校实验教学的问题与对策[J].中国现代教育装备, 2005 (9) :48-49

[3]魏宏波.基于虚拟仪器技术的测控教学实验室的构建[J].仪器仪表用户, 2008 (1) :108-109

[4]JZCS-III型机械系统创意组合及参数可视化分析实验台使用说明书[M].湖南:长沙嘉锐科技发展有限公司.2000

[5]周又平, 梅长彤.虚拟仪器教学实验平台在电子技术类课程的应用[J].实验技术与管理2006 (3) 73-75.

[6]邓晓红.虚拟仪器在实验教学中的运用[J].机床与液压, 2004 (8) 148-149.

[7]施寿生, 党裕民.虚拟仪器技术与实验教学应用探究[J].乐山师范学院学报, 2004 (12) :43-46

[8]魏宏波.组件化虚拟仪器技术在实验教学中的应用研究[J].中国现代教育装备, 2008 (5) :115-117

[9]万相奎, 秦树人.组件技术与虚拟仪器的开发[J].中国机械工程, 2004 (2) :143-145

虚拟仪器实验 篇9

作为测量和仪器科学领域唯一的本科专业, 测控技术与仪器专业的课程包括传感器技术、信号检测、信号分析与处理、测试技术、自动控制技术等, 几乎包含了从信号的获取、放大、传输、处理、应用和控制的全过程。目前测控技术与仪器专业已经发展成为当今信息科学技术学科领域的重要分支, 是研究信息的获取和预处理, 以及对相关要素进行控制的理论与技术;是集机、光、电、自动控制技术、计算机技术与信息技术多学科相互融合和渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。专业综合实验课程是测控技术与仪器专业的一门独立设课的必修课, 它集计算机技术、传感器技术、光电检测技术、信息处理技术与控制技术等于一身, 通过相应的综合实践环节, 使学生的计算机能力、设计能力、创新能力、工程实践能力等综合能力和素质得到强化和全面发展。可以说, 专业综合实验是对本专业学生专业课程的一次串联, 因此, 专业综合实验课程教学改革的重要目标之一就是将传统的“验证性实验教学模式”改为“结合实际应用的设计、综合性实验模式”, 重点培养学生的学习兴趣和综合设计能力, 提高学生的应用水平, 培养适应社会需求的人才。为了加强实验的实践效果, 本文提出了将虚拟仪器技术应用于专业综合实验教学, 不仅拓宽了实验范围, 更丰富了实验教学内容, 使实验内容灵活化、层次化, 解决了传统实验中存在的各种问题, 为培养教育工作者为学生的综合素质和综合能力创造了有利条件。

二、传统专业综合实验存在的主要问题

1. 实验内容单一, 验证性实验学时多, 测控专业的

专业综合实验教学的目标是培养本专业学生对大学所学专业知识的应用能力、动手能力及综合设计能力。教师预先设计好实验内容, 甚至预先编写好程序, 学生只要按照实验指导书的步骤进行操作, 按部就班完成相关实验内容, 其实验环节设计简单, 实验内容缺乏综合性和设计性, 各实验之间缺乏系统性和相关性, 远远不能很好地把所学的专业课程进行有效的串联, 无法让学生获得系统完整的实践综合设计技能训练, 束缚了学生的创造力, 学生不能够得到综合的实践训练。

2. 实验内容与就业需求联系不紧密。

专业综合实验, 旧的培养方案设定的实验项目主要注重光机等几何量的测量, 基本停留在计算机模拟仿真上。很多学生在学校时成绩很好, 理论知识掌握得很系统, 可到了工作中却发挥不了作用, 主要是因为学生没有更多的机会和自由进行综合性、设计性实验, 实验内容与学生就业需求联系不紧密, 使得学生动手能力和实践能力得不到很好的锻炼, 严重影响学生的工程实践能力。

3. 实验设备陈旧, 设备数量少。

原先专业综合实验的设备主要是基于80年代建校时设置的精密仪器专业需求购进的光学仪器, 设备台套数少, 开设计的实验仅限于几何量的检测, 与目前本专业的培养方案的测、控等要求相差甚远。另一部分虚拟仪器设计只能在装有Lab V IEW软件的计算机上照着试验指导书作一下验证, 学生实验的内容远远与社会需求脱节。由于设备的原因, 实验内容严重受到硬件条件限制, 这严重影响到实践效果。

三、虚拟仪器在专业综合实验中实施的优势 (基于虚拟仪器技术的实验教学改革探讨)

1. 虚拟仪器技术。

虚拟仪器是美国国家仪器公司于1986年提出的一种新型仪器, 它将传统的测量仪器硬件软件化, 利用计算机系统强大的数据处理能力, 在基本硬件的支持下, 软件平台可以完成传统仪器需要硬件完成的部分功能, 利用软件可以完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等, 通过软、硬件的配合可以实现传统仪器的各种功能。虚拟仪器系统能够最大降低系统成本, 增加系统功能及灵活性, 用户可以根据自己的需求在计算机平台上任意定义和设计系统功能, 其核心技术是虚拟仪器软件。Lab V IEW (Lab virtual Instrum ent Engineering W orkbench) 是N I公司自1986年开始推出的实验室虚拟仪器工程平台, 它是具有图形化编程的开发平台和运行平台, 集成了大量的生成图形界面模板, 并有丰富的数值分析、数字信号处理功能, 以及多种硬件设备驱动功能, 广泛应用于理论教学、原理研究、工程设计等领域。利用Lab V IEW可以方便地建立自己的虚拟仪器, 使用图形编程的方式可以节省大约80%的程序开发时间, 其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。

2. 虚拟仪器技术应用于专业综合实验。

专业综合实验教学改革旨在从被控对象到传感器信号获取、信号采集、信号分析和处理、反馈控制的一体化整体解决方案, 为学生提供丰富的工程测控对象和各种可供选择的实验方案, 同时还必须有良好的扩展功能以适应学生不同的需求, 通过对多门专业知识的串联, 加强学生对所学知识的综合运用能力。2009年以前, 由于受较陈旧的传统实验设备的限制, 为期两周的专业综合实验分两部分, 一部分以基于机、光、电进行的几何量测量各类实验为主, 另一部分只局限Lab V IEW纯软件仿真性、验证性实验项目, 这远远不能很好地把所学的专业课程进行有效的串联, 学生也不能够得到综合的实践训练。2009年以后, 依托共建实验室购买的新设备, 借助测控专业实践教学环节的教学改革, 以虚拟仪器为主, 利用多功能转子实验台、位移工作台、直线距离和位移运动实验台、环形输送线实验台上的各类传感器, 进行基于机、光、电、计算机的测量、检测实验。实验改革完善的过程, 如图1所示。

改革后的试验项目如图2所示。首先设置一部分少学时, 让学生熟悉Lab V IEW软件, 并设计一些综合性的应用程序, 能够借助数据采集卡完成数据采集任务。在这个基础上, 大部分学时是综合设计性的实验。学生可以根据自己的系统设计要求, 依据被控对象自行选择传感器, 对所有来自传感器检测到的信号或者直接由信号发生器产生的各种信号, 经过预处理, 都可以由N I数据采集卡的输入通道完成数据采集, 虚拟仪器软件LabV IEW进行程序设计, 对所采集到的数据进行数据处理, 可以实现信号的存储、显示等功能, 再通过N I数据采集卡的输出通道对被控对象进行控制。这样改革后使学生能够从信号的发生、采集、处理、显示及控制整体的系统设计得到训练, 真正使学生的计算机能力、设计能力、创新能力、工程实践能力等综合能力和素质得到强化和全面发展, 适应目前社会岗位的需求。

以其中一个实验项目———超声波测距实验为例说明改革后的实验过程。借助位移工作台上的超声波传感器, 其输出信号通过PCI-6221数据采集板卡送入装有虚拟仪器软件的上位机平台, 通过软件编程, 实现对距离信号的测量、处理、存储和显示。超声波测距LabV IEW程序前后面板设计如图3所示。

利用运动控制台使障碍物移动一段距离, 点击“运行”, 出现距离监测界面窗口, 点击“停止”, 测得距离为118.974m m, 如图4所示。

3. 专业综合实验教学改革的效果。

(1) 能够做到所有实践环节串联进行, 使学生实践能力能够进行循序渐进、全面综合的锻炼和提高。通过对测控专业培养方案的分析, 改善了实验教学, 在有限的教学资源下将虚拟仪器技术的强大功能应用于专业综合实验教学中, 进行立体化实验, 变抽象思维为形象思维, 不仅锻炼了学生应用虚拟仪器软件进行编程的能力, 而且对传感器技术、虚拟仪器、工程测试技术、信号采集与处理、传感器的原理与自动控制原理等多门课程的知识点综合到一起, 把所学知识串联起来, 通过对现有实验教学平台的改革, 重新对实验内容和教学方法进行设置, 达到了综合运用学生所学专业知识进行综合实践能力训练的目的。 (2) 紧密结合实际应用, 提高学生学习兴趣, 采用实验对象、传感器和测控手段结合计算机技术构建专业综合实验平台, 能够让学生可以接触实际应用中的测控对象, 自己动手搭建测控系统并进行综合组合, 提高其学习兴趣和认知、动手能力, 给学生一个充分发挥自己想象力、创造力和展现才能的空间, 有利于提高学生的综合素质。并且借助Lab V IEW开发工具良好的人机界面和强大的仿真功能, 对于理论性强、概念抽象、难于理解的环节, 采用虚拟案例设计及仿真, 能够取得事半功倍的效果。

虚拟仪器是现代计算机技术与仪器技术相结合的产物, 基于虚拟仪器的专业综合实验满足了测控专业各个实验环节的衔接, 能够满足从信号采集到信号调理、数据处理、显示、传送、存储、通讯及控制等各个方面的需求, 能够根据学生自己的设计目的随时变换自己的设计方案, 将抽象的概念变得清晰明了, 增强了学生学习的积极性、主动性和创造性, 是学生实验教学的一个方向。

摘要：测控技术与仪器专业设置的专业综合实验课是本专业理论教学的一个重要辅助环节。为了提高专业综合实验教学的综合性、开放性和灵活性, 适应现代实验教学的需要, 通过对测控专业培养方案的分析, 提出了将虚拟仪器技术应用于实验教学的思路, 并通过专业综合实验教学改革实践, 探讨了将虚拟仪器技术应用于实验教学的优势, 分析了实验教学改革的效果。通过两届学生的实践发现融入虚拟仪器技术的专业综合实验更拓宽了实验范围, 使实验体系层次化、实验内容灵活化, 能全面训练学生的综合能力, 达到了良好的实验效果。

关键词：虚拟仪器,综合实验,实验教学,教学改革

参考文献

[1]邬华芝, 周祥才.测控技术与仪器专业应用型人才培养研究与实践[J].常州工学院学报, 2004, (8) :74-77.

[2]魏宏波.基于虚拟仪器技术的实验教学改革探讨[J].中国现代教育装备, 2009, (11) :92-94.

浅析虚拟实验与教学应用 篇10

关键词：虚拟实验 教学应用 创新能力

中图分类号：G4文献标识码：A文章编号：1674-098X（2012）12（b）-0-01

该文围绕虚拟实验系统以及其教学应用问题展开分析，主要内容分为以下几个部分。

1 虚拟实验原理

1.1 含义和特征

虚拟实验系统是以数学理论、相似原理、信息技术、系统技术以其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，采用“面向对象”思想创建的，能够实时操作的、非实在的实验空间，在此环境中，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种预定的实验项目。

它可以打破时间、空间的限制，拓展我们实验的空间，可以虚拟生命起源、地球的形成之类的实验，可以虚拟地壳之内、太空之外的实验，甚至可以虚拟人类心理活动的实验，向我们展示我们从未感受过的时空景象。由于虚拟实验具有上述优势，人们很快发现它不仅可以应用于科学研究和科学实验，也可以将它引入教育教学活动。

1.2 虚拟与真实连结的纽带

众所周知，现实世界与虚拟世界是整体的客观实在世界的两个相互补充的方面，一方面人们不能没有对自然界的深刻体验，同样另一方面也离不开对生活空间的想象。那么在虚拟实验环境中究竟要怎样学习？怎样与实践活动相联系？怎样分析虚拟世界与真实世界之间的关联，并从经验和人的感知觉等角度探讨虚拟实验与真实世界的联系，以便学生较好地掌握虚拟实验中的相关因素，进行真正意义上的自主学习，从而获得自身能动性的最佳延伸。

教育教学改革的不断深化对实验教学在培养学生的科学研究能力和综合素质等方面提出了更高的要求。相对于理论教学，传统的实验教学的教学内容、模式和方法亟待革新与完善。依据人们的认识规律和教学规律，借助于计算机等技术，有机地将教学内容、虚拟实验设备和学生操作紧密结合起来，更具有直观性、实践性、综合性和创新性等特点。随着虚拟实验越来越广泛地被各种教学活动所采用，这类实践活动越来越迫切地需要理论的指导；而随着实践经验积累得越来越多，也为系统地开展关于虚拟实验及其教学应用问题提供了可以依赖的基础。

2 虚拟实验系统的具体应用

2.1 概念与技能掌握

在概念学习中，奥苏贝尔认为概念的获取主要有两种方式，一是概念形成，二是概念同化。事实上，学生掌握的许多科学概念都是从日常概念中发展而来的。实验教学中概念掌握，应该从感知具体的物质和现象开始，从已有的知识出发，通过实验或推理，由表及里、由浅入深，有层次地由感性认识上升到理性认识。

而实验教学过程中的技能训练是使学生把已获得的知识运用于实践在实践活动中指导学生动手操作，把知识转化为能力，从而获得应用知识的本领。

2.2 探索与合作学习

实验活动强调探索与合作，是创造性的活动，不仅能引导和培养学生勤于思考、善于发现和提出问题，而且能培养学生观察、分析和解决问题的能力。特别是，在虚拟实验环境中学生之间的探索与合作学习，有助于培养学生认真负责的精神和合作的意识，不同的智慧水平、知识结构、思维方式的学习者之间可以互补，是一种有效传授知识技能的方式。协作式虚拟实验系统已经成功地应用于宇航员训练中。

总之，虚拟实验所提供的任务整合了多重的内容和技能，学生可以尝试着从接近日常的角度来观察世界，突出其中的特定规律，有助于学生意识到他们所学知识的相关性和意义性。因而在虚拟实验环境中，可以帮助学生从简化的世界中获得关于真实世界里的各种现象和科学知识。值得一提的是，虚拟训练系统不可能与真实训练环境完全一样，所以要重视培养学生掌握解决问题的模式和策略，启发学生把虚拟训练中学到的知识和技能运用于实践。

3 虚拟实验系统结构

3.1 系统设计

电脑游戏之所以能吸引参与者，在于它能及时提供反馈，参与者并不因达不到目标而失掉兴趣，相反更具有挑战性。如果虚拟实验系统具有游戏的性质，则实验环境更能丰富学生的经验，引导学生探索，尝试新的解决方法。因此，虚拟实验内容与组织的设计首先应该考虑的是如何激发学生的兴趣，以达到实验目的。虚拟实验系统设计和开发的相关原则如下：一致性原则、开放性原则、交互性原则、冗余原则和合用准则。

3.2 环境架构

构建虚拟试验系统的方法有很多，但基本思想应该是一致的，即用软件方法来模拟硬件设备的功能。虚拟实验系统一般由用户界面、实验处理系统、控制管理系统和系统中的其他库（如数据库、案例库、规则库、知识库、模型库部分）等共同构成。

虚拟实验的教学过程是建立在一般实验教学活动过程、学生的认知过程和实践活动以及教学的基本规律的基础之上的。虚拟实验系统的过程模型有4个，分别是①用户界面②情境设置③过程模拟④总结评价。这四个方面构成了一个较完整的体系，系统根据实验者所示定的参数，将实验过程中发生的变化和实验结果直观地呈现出来，以便实验者对自己的操作有一个整体的把握。在实验教学的实际应用中，根据学生的特点和实验需要出发，有针对性地运用虚拟实验系统，更好地体现“学生为主体”这一教学思想，培养学生的科学素养和创新

能力。

在虚拟环境中，实验的成功与否，当然与学生的认知活动密切相关，同时也离不开虚拟实验系统所提供的实验环境。了解虚拟实验系统的实际及常用的开发工具，可以根据实际的实验需要，开发新的虚拟实验系统，或者改进已有的虚拟实验系统，用来提高学生的实验兴趣，从而提高实验教学的针对性和实

效性。

随着相关技术和学习理论的发展，虚拟实验系统将更为完善和人性化，更加适应实验教学发展的需要。使用虚拟实验系统辅助实验教学在某种程度上改善实验教学条件，但是也有可能限制学生能动性的发挥。教师要发挥重要作用，不仅要提高学生对虚拟实验的概念、原则和技术的认识，又要结合实际情况考虑虚拟实验的组织与实施以及存在的问题。总之，要因地制宜，既要考虑学习目标、实验内容，也要考虑学生特点、教师态度、实验环境等因素，都是为了更好地采用合理的实验教学组织形式，满足不同学生的不同学习要求，从而实现实验教学的个性化。

参考文献

[1]皮连生.智育心理学[M].北京：人民教育出版社，1996：151-152.

[2]潜立标.网络虚拟实验室的研究与开发[J].浙江工商职业技术学院学报，2005（2）.

虚拟仪器在高校实验室中的应用 篇11

随着虚拟仪器技术的发展，将传统实验设备以虚拟仪器的形式出现，不但可以扩展传统测试仪器的功能，同时还能大大降低实验室的经济投入。虚拟仪器是一个全新的仪器概念，它通过选取基本的测试硬件模块，利用软件构造出不针对具体测试对象的仪器[2]。它实现了测量仪器的智能化、多样化、模块化，在相同的硬件平台下，虚拟仪器完全由用户自己定义，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的测试仪器，即“软件就是仪器”，虚拟仪器以其特有的优势显示了强大的生命力[3]。一套虚拟仪器系统仅需要一台PC机和一台实验室自制的信号发生器即可。随着计算机的普及，实验室每年都要配备及更新大量的计算机，计算机的高速更新导致过多的旧机型如486、586被淘汰下来，甚至奔1也被闲置在一边，不能充分发挥其作用，这正好为虚拟仪器的开发使用提供了充实的硬件保障。除此之外，虚拟仪器还具有良好的灵敏性和精确度、易于升级和更新、界面操作简单等优点。

在对微弱信号进行测量的场合，锁相放大器是常用的检测设备，它具有灵敏度高，抗干扰能力强等优点[4]。它不仅可测量信号电压的大小，而且可检测信号电压和参考电压之间的相位差。利用待测信号和参考信号的相关检测原理可以实现对信号的窄带化处理，这样就能有效地抑制噪声，从而实现对信号的检测和跟踪。因此，在要求对信号的相位进行检测的场合，锁相放大器得到了广泛的应用[5]。学生理解和掌握锁相放大技术原理及应用具有重要的意义。

本文针对高校物理实验室中锁相放大器在学生实验中的重要作用，通过Labview开发了这套测试系统———L-I-100型光信号锁相检测实验仪，利用已有的PC机资源，造价低，性能价格比高，使其充分发挥作用。

1 基于Labview的锁相放大器的开发

本文研制的虚拟仪器-基于Labview的锁相放大器，采用多功能数据采集卡将待测数据作模数转换，并采用锁相放大算法来处理实验数据，处理转换完成后由计算机对其作归类并存储，要求采集速度大于100KHz，存储长度大于10M，信噪比比原来提高10倍到100倍。

1.1 虚拟锁相放大器的设计要求

由于数字式锁相放大器具有带宽大、工作稳定、截至频率低、响应速度快等功能，基本能精确地测量被淹没在噪声和干扰背景中的正弦波或方波微弱信号[6]。因此，要大大提高仪器的过载能力和动态范围，减小直流漂移。同时该虚拟仪器要有一定的检测灵敏度。

设计的虚拟锁相放大器要能够采集待测数据，并将其放大，作模数转换，然后再进行处理并滤除噪声。

1.2 设计方案

基于锁相放大器的设计要求，将整个虚拟锁相放大器分为七大模块，即：采集卡模块、锁相放大模块、数据分析模块、数据处理模块、数据显示模块、数据分类存储模块、存储数据查看模块。各个模块的功能及设计介绍如下：

1）采集卡模块：

此模块通过数据采集卡对从信号发生器传来的信号进行处理，通过A/D转换将模拟信号转换成数字信号;此模块通过数据采集卡的驱动及系统自带的VI对数据进行处理。

2）锁相放大模块：

此模块是对采集来的数据通过锁相放大算法进行处理，即针对周期性信号在所选择的某点上重复多次取样进行乘法、低通滤波、并使信号放大，从噪声湮没的信号中将所需的微弱信号提取出来。

3）数据分析模块：

此模块用来分析取样放大后的数据是否符合题目的要求，即速度大于100KHz，存储长度大于10M，信噪比比原来提高10倍到100倍，采集符合要求的信号并舍掉不符合要求的信号，并且去除50Hz的噪声;编写一个VI，通过if和else语句分析信号并进行处理。

4）数据处理模块：

此模块将由数据分析模块分析后得到的数据进行分析，通过调用输入数组函数Array、最大值函数Max和最小值函数Min进行最大值最小值的测量;调用Labview的Buneman Frequency Estimator分析函数来测量电压频率;电压有效值的测量则是由交直流分量估计节点DC&AC Estimator.vi来完成测量.

5）数据显示模块：

此模块用于将分析处理后得到的数据波形显示出来;通过在面板上设计一个波形显示图标，显示实验所得到的波形图。

虚拟锁相放大器设计工作的一个重要内容就是波形图的显示，Labview为此提供了丰富的函数与控件功能[7]。在此模块中，利用Waveform Chart控件，将采集卡传输过来的正弦波信号实时地显示出来。把数据引入到数据显示的控件当中之后，正确地设置各个Digital Indicator控件的属性参数，是保证数据能够实时的必要条件。

6)数据分类存储模块:

分类存储数据分析模块的关键数据。由程序对数据进行分析比较后，将其分类存储在若干个文件中，需要调用存储文件路径节点file path、存储字符串节点character string和记录存储方式节点append to file。为便于合理的管理数据和后期的查看，数据存储是以时间为基准进行追加记录方式存储，按照数据存储的先后顺序依次追加到其同类数据之后，在存储数据的同时还要将数据存储的时间信息也存储到对应的文件中。

7）存储数据查看模块：

该模块可读取数据存储文件的记录，按查询条件显示在窗口界面中，通过对数据的查看和对比，使学生能更详尽、细致的对数据进行分析，得出正确的实验结果。

模块的接口是数据在系统中流动的传输通道，数据的接口设计是进行系统功能扩展的重要方法。本设计使用的是代码接口节点(Code Interface Node，简称CIN)技术，将需调用的代码编译成Labview可识别的格式后与CIN节点相连，实现了大数据量传输和数据共享。

1.3 设计原理图

在Labview中开发的程序称为虚拟仪器VI。VI既可以在Labview环境下运行，也可被编译为独立的可执行文件[8]。通过以上各个模块的设计及程序流程图，最终得到由Labview开发的锁相放大器源程序VI如图1所示。

1.4 测试结果

为了证实文中所述算法的有效性，本设计的数据采集模块采用的是SCXI-1600型数据采集卡，采用USB接口，高达352个通道、16位AI的模块，最高200 ks/s采样率。采集了正弦波形的信号，学生在PC机上进行调节虚拟锁相放大器面板中的相位调节、交流放大倍数、积分时间常数等参数，观察锁相放大器对混有噪声信号的测量实验结果。正弦波形经过不同的波形处理后的结果如图2所示，图2中的八个波形图分别是采集的正弦波形、噪音信号波形、将噪音信号加在采集到的信号上以后的波形、待测信号与参考信号相乘后的波形、正弦信号经除法器后输出的波形、从数字信号转换成模拟信号后输出的波形、经锁相放大器后的结果1和经锁相放大后的结果2。

经锁相放大后的两个结果波形的显示效果不同是由于滤波阶数不同：第七个滤波阶数小所以振幅小，但是不够稳定;第八个滤波阶数大，所以振幅大，但是比较稳定。两者各有优缺点。因此学生在实验中对信号处理的各个阶段的波形都做了显示和分析，从而可以更好的处理实验数据，这是普通的实验仪器所无法做到的。

2 结论

本课题开发的教学型L-I-100型光信号锁相检测实验仪在长春理工大学专业物理实验室和实际中得到了广泛的应用。基于Labview开发平台，借助虚拟仪器技术扩展性强、界面友好，使用方便，功能灵活，升级简便，维护简单，安全可靠等特点，我们又不断的扩充了该系统的多种实验仪器功能，提高了学生的实验能力和学习兴趣，达到了理想的教学效果。

摘要：文中利用虚拟仪器开发软件Labview来仿真高校物理实验室中的锁相放大器,研制成功了教学型L-I-100光信号锁相检测实验仪,通过七大功能模块和面板的设计,实现了锁相放大器的全部功能,由测试数据的结果分析验证了该系统的实用性和准确性,测量精度达到了纳伏级,同时能够实现如自动校零、自动量程切换、非线性校正、作图、自动报警等多种普通仪器无法实现的智能化功能。

关键词：虚拟仪器,锁相放大器,智能化教育,Labview,仿真

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[6]程佩青.数字信号处理教程[M].3版.北京:清华大学出版社,2007.

[7]刘君华,贾惠芹.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.