虚拟实验室系统（精选12篇）
虚拟实验室系统 篇1
1 概述
实验教学在培养学生创新能力和工程实践能力方面起着不可替代的作用。近几年来, 随着网络技术、仿真技术、多媒体技术的快速发展, 网络虚拟实验应运而生。网络化的虚拟实验致力于构建一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境, 其优点是可以弥补实验设备、场地的不足, 彻底打破空间、时间的限制;通过计算机网络实现教育资源共享, 从而可以节省许多基础设施的低水平重复建设和仪器设备重复引进的资金投入, 有利于从整体上改善办学条件和提高教学水平;网络虚拟实验教学能够灵活地提供给学生系统化的实验教学内容, 学生可以根据实际情况自主确定学习内容和安排学习进程, 从而可以最大限度地满足学生的不同需要。
2 系统总体设计
系统总体设计包括网络虚拟实验管理平台和虚拟实验的开发。实验管理平台建设要求功能齐全、易于维护、方便操作、安全可靠。虚拟实验开发从实验内容上要紧扣教学大纲要求, 紧跟新型设备的发展;在技术上要求虚拟实验与实际实验过程相吻合, 并可实现人机对话, 自主选择实验项目和所需器材, 动态构建虚拟实验环境。
虚拟实验室系统采用模块化设计, 包含学习模块、实验模块、安全管理模块和服务模块, 如图1所示。
学习模块:用于网络实验教学的各个环节。通过文本、图片、音频、动画和视频等形式提供同步和异步学习。使用讨论区、白板、BBS和电子邮件等实现疑难解答、学习交流、作业发布、实验虚拟考核等功能。
实验模块:是系统的核心部分。能够通过网络模拟仿真实验的操作, 进行数据处理, 提交电子实验报告。该模块包括知识库、虚拟仪器库、附件库、工具库和事实库等资源。采用的关键技术有:面向对象编程技术、多媒体技术、Matlab仿真技术、数据库 (SQL Server2000) 技术等。通过以上技术解决了虚拟仪器、设备 (装备) 、附件、工具的调用以及实验逻辑推理和判断, 虚拟现实场景的构建, 模拟现场音效, 实验数据的分析与处理, 实现数据的存储与管理。
安全管理模块:主要采用C++Builder和VC++设计, 实现服务器端系统资料备份, 数据库增删加密和用户管理以及多屏监控、交流管理功能。
服务模块:通过Java Script设计, 用户可以按关键字、标题、内容描述等进行搜索查询, 并提供操作帮助和打印功能。
3 实现技术研究
3.1 Web网页的实现
由于此实验在网上运行, 并用IE或Net Scape进行浏览, 所以用到一些网页制作工具, 如Dreamwaver MMX是Macromedia公司推出的强有力的网页制作工具, 利用它将Java的Applet嵌入网页中, 省去了手工编写HTML代码的麻烦。利用它, 我们可以完成文本输入及图像布局等功能。此外。为了实现与用户的动态交互, 我们采用了ASP作为脚本开发语言。用ASP生成动态HTML页面和静态HTML页面共同组成基本网页。
3.2 实验程序设计
实验程序设计分为两个部分:第一部分是虚拟仪器软面板设计。在Java中, JAVA AMT和SWING提供了强大的图形设计功能, 如BUTTON (按钮) 、JDIA-LOG (对话框) 等。为此我们将仪器外观利用数码设备导入到计算机, 利用POTO-SHOP、FLASH等软件进行处理, 最后保存成*.gif图形文件供Java调用。
第二部分是实现具体的算法。在这-部分中, 我们充分利用Java面向对象这-特点, 将真实实验中每一个独立的元件抽象为一个对象, 对象作为独立的主体, 包含了自身所有的信息, 比如元器件的初始状态, 响应鼠标点击的方法, 与实验平台沟通的接口等。而对象内部状态对其它对象都是隐蔽的, 即所谓的封装。对象之间消息传递通过接口进行联系。另外通过继承, 只需变更少量的代码, 进行必要的扩展, 即可产生新的对象。对象又由变量和方法组成, 在虚拟实验中用到的变量一般有:物理变量、控制变量、同步显示变量;基本方法一般有:构造方法、外观绘制方法、消息相应方法、外部方法及其它辅助方法。
3.3 数据库的访问和连接
数据库与外界的连接通常由负责管理、提供通讯和提供应用程序的中间件来实现。中间件的实现方式有很多种, 经比较之后, ASP (Active Server Page) 是比较合适的。它具有程序易编写, 执行速度快, 交互性好等优点。因此, 在开发过程中, 利用ASP编写动态网页, 并利用ADO作为其内置的Active X服务器组件, 用于数据库的访问, 从而实现对数据库的各种操作。
4 几点体会
4.1 加大虚拟实验室的开发力度
由于虚拟实验室的开发较为复杂和费事, 使得很多人不愿意进行这方面的开发工作。目前虚拟实验室还处在一种初级阶段, 只是能够满足验证性和演示性的实验, 而真正可以让使用者自主设计的实验却是凤毛麟角, 从而浪费了有限的教学资源。我们认为应从立项上把好质量关, 避免无序发展和低水平重复, 对立项好、功能强、有发展前途的虚拟实验室进行重点建设, 以期带动该类课程的实验教学改革。
4.2 网络虚拟实验与传统实验应相辅相成, 优势互补
网络虚拟实验虽然有许多优点为传统实验所不及, 但它不是万能的, 更不可能完全代替传统实验。首先, 虚拟实验主要是人机交流, 学员面对的是毫无感情的电脑, 而教员的言传身教, 人格力量被削弱了。其次, 虚拟实验室的实验环境变的相对狭小、单一, 紧张的信息加工将冲击沸腾的感性实践, 虚拟的情景毕竟不能创造出真实的感受。第三, 虚拟实验目前比较缺乏, 而学校自行开发又受到技术和经费等因素的制约。
4.3 虚拟实验室的开发需要一批高素质、复合型的专业教学人员
网络虚拟实验室的开发, 是对从事专业课教学人员的一个巨大挑战, 同时也是提高自身素质的良好机遇。因为机电实验室的开发不仅需要相关的专业知识, 更要熟悉计算机程序语言。例如制作网页时会涉及到Dreamweaver、Asp、Flash等软件, 而开发虚拟实验时则会用到Java、Matlab、WorkBench等软件。另一方面, 设计出的软件并不是一成不变的, 随着技术水平的提高, 实验所要达到的目标也会越来越高, 而采用的构建方法的技术含量随之提高。这就要求专业人员除继续深入研究实验的理论、方法外, 还要进一步学习和掌握计算机程序设计的内蕴和外延, 使得虚拟实验室更加智能化, 一体化。
4.4 网络虚拟实验室的开发有利于培养学员的创新能力
开发网络实验室, 不仅仅是教员的事情, 更多的是让学员也参与其中。使他们通过虚拟实验的开发与制作, 不仅对所涉及的实验有彻底的认识, 而且还可以在此基础上进行内延或外展, 设计开发出更加新颖的实验。我们在毕业设计中尝试采用了这种做法, 收到了良好的效果。
摘要：从网络虚拟实验室的总体设计和实现技术两方面论述了虚拟实验室系统的构建, 并就开发虚拟实验室谈了几点体会。
关键词：网络虚拟实验室,实验,面向对象技术
参考文献
[1]Java编程思想第二版 (Thingking in Java) , (美) Bruce Eckel著, (台湾) 侯捷译[M].北京:机械工业出版社, 2002, 9.
[2]Java2图形设计卷Ⅰ:AWT卷Ⅱ:SWING (Graphic java2Mastering the JFC Volume) , (美) David M.Geary著, 李建森蒋欣军等译, [M].北京:机械工业出版社, 2000, 2.
虚拟实验室系统 篇2
摘要：虚拟技术的发展使电子线路的分析设计过程得以在计算机上轻松、准确、快捷地完成。这样，一方面克服了实验室在元器件和规格上的限制，避免了损坏仪器等不利因素，另一方面使得实验不受时间及空间的限制，从而促进电子线路实验教学的现代化。
关键词： 电子线路EDA技术多媒体技术虚拟实验 1．电子线路虚拟实验概述
虚拟技术是近年发展起来的，利用计算机模仿真实过程的实用技术。电子线路虚拟实验是利用计算机构造一个实验模拟环境，通过电路的建立和对数据与电路功能的分析，达到实验效果和目的的一种新的实验方法。EDA技术是一种以计算机为基本工作平台，以高级语言描述、具有系统级仿真和综合能力的软件工具。软件有多种，其中Multisim软件是较常见的电子技术设计和实训的工具。通常工具软件的元器件库储存有许多大公司的晶体管、阻容元件、集成电路和数字门电路芯片等元器件，仪器库则有万用表、示波器、信号发生器、扫频仪、逻辑分析仪、数字信号发生器、逻辑转换等仪器，接通开关就可以进行和实物实验一样的测试分析了。但这类软件的缺点是元件均是以电路符号实现的,与实物试验差别很大.我们所完成的多媒体电子技术实验系统软件的突出优点是:元件及仪表均以实物形式重现,直观性强,可操作性高。
2．电子线路虚拟实验的实现 2.1实行虚拟实验的必要性
电子线路是一门较为抽象的理论型课程。在学习电路理论时必须理论联系实际，抓好教学中的实验环节，让学生能根据自己的实际情况，结合教师的教学要求进行实验操作，验证所学到的电路原理。但是，学生在实验中出现的种种现象又不尽人意，暴露了传统实物实验的一些固有缺陷。例如：
（1）学生不熟悉电路连接，还没有掌握好锡焊技术，所以连接电路时极易出错。
（2）电路连接错误，易造成电子元器件及测试仪器的损坏。学生不熟悉仪器操作也是造成仪器容易损坏的原因。
（3）学生不能根据自己的学习进度安排实验时间，更不能像做家庭作业一样在课余时间进行练习。有限的教学时数与学生技能的提高矛盾突出。
（4）实验的元器件离散性大，环境变化引起的温漂、干扰等因素会造成实验数据的偏差。（5）传统的电子技术实验是以实物为主的，设备易磨损老化，需要定期更新；教学实验室的设备配置与教学大纲的教学要求相对应，随着教学要求的提高及电子技术的飞速发展，实验设备的技术水平也不断提高，数量也要有所增加，这要消耗我们有限的教学经费。EDA技术恰好能够弥补实验的不足。它的优点是：
（1）在计算机上即可完成和实现电路的电气连接，检测电路的电性能。例如，显示检测点的电压电流波形及对电路进行直流分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析等多种分析，及时获得实验结果。
（2）评估元器件参数变化（包括故障）对电路造成的影响。分析一些较难测量的电路特性，如进行噪声（Noise）、频谱（Fourier）、器件灵敏度（Sensitivity）、温度特性（Temperature）分析等。
（3）可以在短暂的实验时间里快速完成较复杂的电路连接、测试工作。（4）可以很容易地实现对学生的量化评估。
2.2实验室的建构
作为传统电子技术实验的补充，使学生初步掌握仿真软件技术，可使实验内容紧密联系课本内容，比较全面地概括和反映部分所学的知识点，将课堂内容具体化。一方面继承实物
实验可操作性、参与性强的优点，另一方面又可利用计算机优势，发挥其直观、动态模拟、迅速准确、资源共享、资金投入量少等特点，从而建立一种新型的实验教学方式，进一步提高教学效率。系统配置是：一台多媒体计算机+多媒体电子技术实验系统应用软件。
3．虚拟实验示例
现以“单管基本电压放大器”为例，说明具体实验在虚拟实验室中是怎样开展的。实验中进行了一系列参数设置、波形观察和数据读取，以验证虚拟实验的可操作性。
首先计算机装上具有电子技术实验系统功能的软件，然后利用软件提供的元件和仪器在屏幕上搭建单管电压放大电路，如图1所示。
图1单管电压放大电路
图中信号发生器的输出信号频率为1kHz，幅度为VP-P=20mV的正弦波；万用表用于测量各点的工作电压；示波器用于测量各点的波形。
接通虚拟直流电源开关，调整电位器Rw，使电路处于最佳放大状态，示波器就显示出波形失真最小、输出信号幅度最大的反相放大波形；Rw调至阻值最大时，三级管接近截止，输出幅度较小的截止失真波形；调至阻值最小时，三级管接近饱和，输出饱和失真波形。图1中显示为三极管放大状态时示波器面板显示图。
通过一系列电路的测试和数据的读取分析与实物实验所得结果进行比较，得出基于EDA软件的电子线路虚拟实验能完整、准确、快速地达到所有电子线路课程的实验要求和实验目的的结论。
4虚拟实验在教学中的应用 4.1功能作用
a.辅助课堂教学
传统的电子线路教学往往是理论教学和实验部分分开进行。教师在教室内用粉笔、黑板传授抽象的理论知识，在黑板上画电路图，给学生分析电路特性，分析电路随着某一元件的
变化而变化的情况。教师讲得辛苦，却得不到理想的效果；学生听课吃力，往往不得要领，很难对有关理论留下深刻的印象。进行实验，其主要目的就是为了检验课堂上传授的理论知识，加深对理论的理解和记忆。但是我们很难将一个实验搬到课堂中来，倘若有虚拟实验室，便可以很方便地利用其在课堂上进行演示，让抽象的理论及时得到检验，给予学生感官上的认识，达到从感性认识到理性认识的有机过渡。
b.代表实物实验中理论的验证、电路分析和数据获取等部分的操作 辅助实验教学的开展，为学习者提供一个检验电子线路理论和知识的环境。充分利用计算机快速准确将繁琐的计算公式通过编制程序计算出结果，画出精确仿真图线，帮助学生理解和分析复杂的电路。学生可以独立使用自己计算机中构建的虚拟实验室，主动设疑、实验，不断地得到实验结果；并且可以修改参数，在不必担心损坏仪器的情况下，迅速进行实验仿真，检验自己对所学知识的掌握情况，这对提高学生的学习积极性，提高教学水平是有益处的。
c.便于学生发挥创造性思维
教育的目的在于提高学生的分析能力、判断能力及创新能力，提高学生的综合素质。我们知道用实物设计制作复杂一点的电路，单是搭建时准备零件、制作电路板、焊接就要花费不少功夫；接好电路后，为了使电路处于满意的工作状态，不断地更换零件、调整参数也是十分费时费工的。学生要运用自己学到的知识设计制作新颖的电路是一件很困难的事。现在，虚拟实验室给学生创造一个优良环境，学生可以充分发挥他们的智慧，展现他们的才华。
d.完善电子线路的远程教学 实验虚拟化，把实验室搬到了网络，对于电子线路这门操作性很强的课程来说，更加完善了电子线路的远程教学。
4.2运用基础
与传统实验一样，实验仿真软件在设置实验时，首先明确该实验要解决什么问题。这就要求教学人员不仅要对课程内容和教学任务做系统深入的研究，认识该学科的特点，划分知识点，尤其是重点、难点，而且还要充分考虑学生的学习特点，在此基础上确定实验内容，编写实验指导书，让学生在具备电子线路基本知识的基础上开展虚拟实验。
4.3工作流程
在虚拟实验室中做实验的基本流程程序结构（如图2所示）。
图2实验基本流程方框图
因为我们的教学主要是理论传授，不需要去开发和设计电路，所以上述的实验流程并不包括电路设计开发部分。但是EDA软件在极大地满足我们的实验要求的基础上，还有非凡的应用潜力，这无疑是个广阔的天地。
在计算机辅助教学实践中，学生上机普遍存在两个问题：一是面对众多的计算机，教师难以准确、全面地掌握学生练习的实际情况，及时进行个别辅导；二是难以做到上机时学生之间、师生之间进行情况交流，使上机操作变成学生自己的活动，影响教学。因此就要求建立一种虚拟试验的教学模式，使教学信息交流双向化。
4.4虚拟实验室课堂的教学模式
由于虚拟实验室加入了教学的环节，打破了传统教学的流程，势必要求制定出新的教学模式以适应发展的需要。根据建构主义理论和教学设计理论的有关知识，可建立以下两个教学模式（如图3所示）：
图3a实物实验教学模式方框图图
图3b虚拟实验教学模式方框图
第一种模式是先做1~2次实物实验，学生有了形象体验后再做虚拟实验，对于从事没有实物操作经验或抽象思维能力、形象化能力较差的人，这样做效果会好些；理工科的学生关于电子实物制作一般都已有所接触，所以第一、二种教学模式他们都能较好地接受。教师可根据教学和实验效果适当变更。
5建立虚拟实验室，推广电子线路远程教学
在信息社会中，知识的更新速度很快，各学科间的相互交叉渗透更为普遍，一次性的学校学习将不能满足信息社会对人才的需求。这就使得各层次的教育必须面向社会，以服务于不同需求的社会人群。这个教学任务是传统的教学手段所不能胜任的。Internet的飞速发展和普及，使这一教学任务的实现成为可能。
教学软件与Internet接轨才能在人们广泛的继续教育、培训教育乃至终身教育中显示其优势性能，充分发挥重要作用。本软件就是让电子线路实验教学与Internet接轨的良好工具。使用本技术的虚拟实验室可以有效地配合网上电子线路理论教学，原有的电子线路CAI加上虚拟实验将使网络教学更加完善，便于推广电子线路教学的远程化。
虚拟实验室系统 篇3
关键字：VRML 虚拟仪器 虚拟机床
1.引言
智能化、自动化、集成化的先进制造模式是现代机械制造业的发展方向。目前，虚拟现实技术凭借自身的直观性和自然的人机交互性等特征，在传统的加工仿真技术中的人机交互方面的薄弱环节中提供了全新的思维和解决方式，对数控机床虚拟操作的实现奠定了坚实的基础。对于数控机床来说，其虚拟操作主要包括实际的数控加工过程中相仿的各项手工操作，而且必须借助于人机交互技术，才能实现用户指令的接收和传递等问题，解决了进行多页面的信息传递问题。
虚拟现实技术（VRML）主要是利用计算机并且通过多种传感器借口来制造出一种逼真的技术所要求的模拟环境，用户可以与此虚拟环境进行交互并且可以融入到此模拟环境中的一种技术。虚拟现实技术是一个跨多门学科的技术，包括众多的计算机、媒体技术等，像传感器技术、计算机图形学、网络技术以及多媒体技术等都和虚拟现实技术有关联，虚拟现实技术是以上技术的集成和渗透，沉浸性、交互性和想象性是虚拟现实技术最主要的三个特性。
2.数控机床虚拟加工的关键技术分析
所谓数控机床虚拟操作功能实质上是一种人机交互方式，是加工仿真系统中的一种。它具有操作便捷，操作过程更直观、更具体的特点。通过数控加工操作习惯的形式，进而实现各项参数的人机交互功能。数控机床的虚拟加工技术主要有三个关键技术，分别是数控程序的检查与翻译、刀补的计算和工件切除过程的显示。在下面的文章中，将对数控机床虚拟操作和实现方法进行详细的介绍。
首先，数控程序是指控制机床进行加工作业的特定代码，其中包含着各项运行的信息，主要是刀位信息和工艺信息。数控程序是数控机床在加工过程中的信息来源，所以在进行具体的运行时，必须先对已知的数控程序进行一些处理，提取出数据中的关键数据即数控程序中的工艺信息和刀位信息，进而生成数控程序锁描述的具体加工过程。数控程序包括预处理和翻译两大过程，在数控程序的预处理过程中要进行词法分析和语法检查两个工作；数控程序的翻译过程主要包括工艺及刀位信息提取过程和运动控制指令生成过程两个方面。
其次，对于刀补的计算方面。在编写数控程序时，必须明确数控机床所控制的事刀具中心的运动轨迹，也就是说在加工过程中是使用刀尖和刀刃来完成的，而不能仅仅按照所需零件的外貌轮廓进行加工程序的编写。如若没有对此加以明确，而仅仅依靠零件的轮廓进行程序编写，往往会出现加工轨迹和零件的实际轮廓不一致的情况。为了解决这一问题，在编写数控程序时，必须明确数控机床所控制的对象是刀尖或刀刃，在刀具中心与刀具切削点之间进行位置偏置。根据所需零件轮廓和刀具中心偏移量，计算出刀具中心运行轨迹的功能即是刀具的补偿功能。
最后，对于工件切除过程的显示。工件切除过程的显示，即消隐算法的实现，在进行虚拟机床仿真设计时，我们不仅要保证虚拟过程的高效性、易实现性和稳定性，同时还要确保VRML的某一内部节点能对工件模型进行描述。在这里可以采用基于Z-map结构的材料切除方法，这种方法不仅简单易行，实现方便，而且占用内存少，不用重新设计原型节点。Z-map是一种非参数化的表示方法，采用离散的方式对三维模型的特征进行记录，所以为了实现Z-map结构模型的仿真过程，工件的实体模型必须要转换成Z-map结构表述的离散化的模型。
3.系统仿真设计分析
对于整个系统的设计，我们可以采用VRML+JavaApplet+JavaScript的一种整合型的系统，这样可以把VRML构造的三维虚拟场景以及虚拟机床、虚拟场景控制中心的JavaApplet以及JavaScript共同整合到同一个Html文件里面，这样不仅能实现平台的独立性，而且对网络环境下来说更为适合。整个的数控机床虚拟仿真系统包括三个模块：人机交互模块、三维场景模块和三维场景监听模块。
首先，人机交互模块。这一部分主要是接收用户发送的指令，对于接收后的制定进行一系列的处理，然后把处理后的数据、结果等返回给用户。
其次，三维场景控制模块。这是系统中最重要的核心部分，人机交互模块接收到的NC代码、手动操控指令等的各种信息会在这一模块中进行解释，然后向人机交互模块发出相应的指令进行控制，这样就可以实现虚拟场景视角切换和机床运动控制等的功能。
最后，三维场景监听模块。对于这一模块来说，主要是获得VRML场景的刀具位置、冷却液状态以及刀具的进给速度等的数据信息，然后对所获得的数据进行分析变换在返回给人机交互模块，通过这一步骤，用户可以知道虚拟机床目前的运行状态。
4.总结
对于VRML虚拟制造来说，数控加工仿真技术是其关键技术之一，采用数控加工仿真技术不仅能降缩短产品开发周期，降低开发成本，而且还能避免或者降低在数控机工过程中出现的欠切、碰撞以及过切、碰撞等情况。在以后的研究中，我们可以对数控机床的虚拟操作进行更深入的研究，可以把真实的数控机床系统和虚拟操作系统连接起来，这样就可以通过虚拟的系统对真实的数控系统进行远程控制，及时发现运行过程中的错误信息等。
参考文献：
[1]张怀宇.基于VRML的数控加工仿真系统的研究和实现，四川大学，2002：8-9.
虚拟实验室系统 篇4
关键词：网络,虚拟实验室,虚拟仪器,LabVIEW,远程测试
1 前言
实验是高等工科教学活动中不可缺少的环节, 对于培养学生的综合素质和实践技能都至关重要。网络虚拟实验室是虚拟仪器技术、数据库技术和网络技术等的有机结合, 是对传统实验教学模式的改革, 打破传统实验教学模式的局限性, 提高了实验教学质量, 可降低教学、科研成本和节省经费, 提高现有仪器的使用效率, 实现贵重仪器的资源共享, 可迅速高效组建实验系统, 实验系统功能易于扩展和管理, 实验范围和科目扩大;远程实验的出现, 彻底打破了传统实验教学模式, 能使学生充分发挥自己能力, 提高学习的主动性和研究性。
2 网络虚拟实验室实现方案
2.1 系统特点与系统模型
网络虚拟实验室, 利用互联网技术, 将所提供的虚拟仪器、实验项目及内容放入建立的网站上, 达到软件资源与硬件资源的共享, 具有全交互特性、资源共享特性、安全性等特点。用户只需通过网络浏览器, 就可登录到虚拟实验室的服务器上。选择实验项目、仪器以及仪器设置功能, 然后开始实验操作, 用户可以根据具体实验的要求来设置仪器。
典型的网络虚拟实验室使用客户端/服务器/数据库/应用程序结构, 其原理如图1所示。网页服务器主要作用是提供Web接入服务、用户认证管理、开放式交互实验环境以及动态网页的生成;应用服务器主要作用是控制和管理实验仪器、处理实验数据;数据库的主要作用是配合用户账户的管理、动态网页的生成以及实验数据的存储和管理。在以上分析的基础上, 将对系统的功能进行详细的规划设计。如图2所示。
2.2 系统实现方案
常用的网络服务器模式有客户机/服务器 (Client/Server, 简称C/S) 结构和浏览器/服务器 (Brow s e r/Se rve r, B/S) 结构。采用B/S模式, 用户只需打开浏览器输入网址就可通过登录虚拟实验室网站, 进行相关实验操作, 对客户端的要求降到最低。并且采用这种结构, 将实验的实现过程与表现分开, 在后期的维护和扩展时只需更改相应的模块就可以实现整个虚拟实验室的更新。对于本系统所要实现的目标来说, B/S模式比客户机/服务器模式更适合、更易实现。
3 系统各主要功能模块设计
3.1 用户 (学生身份) 功能
用户 (学生身份) 登录需要实现四大功能:选择和使用仪器、虚拟实验、实验报告的填写与提交以及在线留言。学生身份登录要实现的功能如图3所示。
3.2 教师身份功能
教师身份登录需要实现仪器和实验的添加与发布、实验报告的处理以及回复网上留言板用户的提问三大功能。图4为教师身份登录须实现的功能。
3.3 管理员身份功能
管理员除了教师所拥有的功能外还要对用户和实验室资源和整体运作进行管理, 包含以下功能模块:用户管理、留言管理、实验管理及资源和数据的管理。图5显示了管理员身份登录须实现的功能关系。
4 系统流程
用户输入用户名和密码, 经登录认证后方可进入虚拟实验室。因为本系统维护依靠教师, 所以在本设计中教师与管理员是同一级别, 因此教师还可以对用户、实验数据和留言进行管理。图6为系统登录流程图。图7为网站主页, 图8为后台管理页面。
5 总结
本文介绍了Lab VIEW与网络技术、数据库技术相结合构建基的网络虚拟实验室, 该实验室可实现远程控制、软件资源与硬件资源共享、数据共享, 不仅可以节省大量仪器设备的经费投入, 而且为教学提供了一种全新的现代化教学手段。本文在具体设计时, 从系统的总体目标和功能入手进行分析, 明确各组成部分的结构和功能, 然后分别具体设计和实现。到目前为止, 本系统网站模块功能皆运行良好。
参考文献
[1]陈锡辉, 张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通.北京:清华大学出版社, 2007.
[2]肖巍, 王伯雄, 罗秀芝.基于网络的实验硬件远程控制系统的开发.清华大学学报, 2000.
虚拟实验室的教学应用 篇5
实验在普通高等教育中占有非常重要的地位.随着计算机技术、虚拟仪器技术的发展,虚拟实验室应运而生.虚拟实验在教育、科研等领域中具有广阔的应用前景,是实验教学的一个新的发展方向,是当前研究的`热点课题之一.因此,虚拟实验室的构建具有重要的现实意义.
作 者：张建碧 作者单位：重庆城市管理职业学院,中国重庆,400055 刊 名：科技信息 英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： “”(1) 分类号：G71 关键词：计算机技术 虚拟仪器 虚拟实验室 教学应用 构建
虚拟实验室系统 篇6
[摘 要]为满足我校液压专业液压系统微机控制课程的理论和实验教学需要，可以设计一套液压系统PLC控制可视化虚拟教学实验系统。该系统可实现从虚拟操作台操作到PLC梯形图运行、电气元器件动作和虚拟液压系统动作的实时全联动，能够直观、逼真地显示真实液压系统微机控制中内部控制信号间相互作用和传递的全过程，解决学生学习过程中对隐藏于控制系统硬件内部的控制信号感觉抽象、难以理解的问题。
[关键词]液压系统；可视化；PLC；虚拟教学实验系统
[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）09-0137-03
虚拟实验从20世纪80年代开始，在国外实验教学方面逐步得到应用和推广。国外的一些大学目前已经建立了较完善的虚拟实验室。国内开展虚拟教学实验起步较晚，高丽萍等在组态软件MCGS的基础上，研究提出了虚拟PLC系统的方案[1]；叶力等设计了基于GX与MCGS的全虚拟PLC控制系统，解决了GX与MCGS的通信问题[2]；王海涛等借助于易控组态软件，构建一种全虚拟PLC控制系统，以工业清洗机的控制系统为例，给出了全虚拟PLC系统应用的方法[3]；任丰兰开发了基于组态王和PLC软件虚拟仿真的教学实验系统，建立了虚拟仿真的教学实验系统的三个模型，并运用PLC和组态王软件对其进行了仿真[4]；陈海生等开发了一种面向全虚拟PLC的远程试验系统，模拟上下位机的实际PLC系统，并通过Web发布将平台与各个终端机相联实现资源的远程共享。[5]目前，国际和国内各高校所开发的虚拟教学实验系统存在以下主要问题。
1.开发的虚拟教学实验系统都是针对自己学校有关专业实验教学相配套的虚拟教学实验系统，通用性不强。
2.所开发的虚拟实验系统的实验过程，一般只包括在虚拟实验操作台上操作和对应操作下的虚拟被控对象的模拟动作显示，而隐藏在整个控制系统硬件里面的内部控制信号之间是如何传递、相互影响和作用等知识内容，在已有的虚拟实验系统中都无法表示出来，而且这些知识内容即使真实的液压系统微机控制实验设备实验时也无法直观看到和学到。但是这些知识内容却是学习液压系统微机控制的关键核心内容，也是学生在学习液压系统微机控制课程中感觉抽象、无法理解的东西。为了解决这些问题，本项目组设计了一套液压系统PLC控制可视化虚拟教学实验系统。
一、虚拟教学实验系统方案
本虚拟教学实验系统方案由虚拟液压系统模块、虚拟操作台模块、虚拟PLC模块、通讯模块、实验管理模块五部分构成。
其中虚拟液压系统模块用来模拟各种真实的液压系统在控制信号作用下的控制动作过程；虚拟PLC模块通过在计算机中模拟一套真实的PLC，对编写的控制程序进行下载和运行的实时监控；虚拟操作台模块是用来模拟真实控制系统操作台上的各种按钮，开关来接收实验操作者的输入指令；通讯模块用来实现虚拟PLC模块、虚拟操作台模块和虚拟液压系统模块三者之间的信号通讯，实现操作者操作、PLC控制和被控液压系统之间的实时全联动；实验管理模块主要负责实验操作者登录、实验项目调用、实验数据处理、打印等工作。
二、虚拟实验系统各模块的实现
本虚拟实验系统各个模块的功能是依靠计算机上安装的组态王组态软件、三菱PLC编程软件GX Developer、三菱PLC仿真软件GX Simulator和提供OPC服务的MX OPC Server等软件来实现的。
（一）组态王软件的应用
1.建立虚拟液压系统模块。可通过Flash动画制作软件或Pro/E三维设计软件建立虚拟二维或三维液压系统动作模型，在组态王软件中根据虚拟PLC输出控制信号进行相应动作的编程调用。图1为在Pro / E中设计的液压振动台三维模型。
2.建立虚拟操作台模块。在组态王的画面设计中通过调用图库中的各种按钮、开关、指示灯等来搭建与真实电气控制操作台功能相同的各种类型虚拟操作台。图2为建立的虚拟操作台的工作界面。
3.建立实验管理模块。实验管理模块是在组态王软件下根据不同的实验调用相对应的实验操作台模块和虚拟液压系统模块来模拟虚拟液压系统PLC控制的实验过程和实验结果。图3是为本虚拟实验系统设计的实验项目管理界面。
（二）GX Developer+Simulator的应用
虚拟PLC模块的实现是依靠三菱PLC软件GX Developer和GX Simulator来实现的。GX Developer主要提供PLC程序的图形化编辑平台，在GX Developer中可完成三菱全系列PLC的编程、监控、调试和维护工作，支持梯形图、指令表、SFC、ST及FB编程。编写好的PLC控制程序通过调用GX Simulator实现已编控制程序的下载和虚拟PLC的模拟运行。梯形图的编写和虚拟PLC的模拟运行如图4所示。
（三）MX OPC Server的应用
虚拟PLC模块与组态王软件里的虚拟液压系统模块和虚拟操作台模块三者之间不能直接进行信号传输，它们之间通讯由MX OPC Server来完成。
1.MX OPC Server与虚拟PLC模块通讯。在MX OPC Configurator中通过建立虚拟实验系统通讯数据库来连接虚拟的PLC以及对虚拟PLC的输入、输出变量进行定义。在MX OPC Configurator中连接虚拟PLC（名称为XuNiPLC）及输入、输出变量的定义如图5所示。
2.MX OPC Server与组态王的通讯。首先在组态王软件的OPC服务器中选择由MX OPC Server提供的Mitsubishi.MXOPC.1OPC服务器；其次在组态王软件数据词典中建立相应的变量并与0PC服务器中虚拟的PLC对应的变量进行连接，同时可对变量的名称、类型、连接设备、采集频率以及寄存器和读写属性等进行设置。建立变量X6及OPC连接如图6所示。
三、液压系统PLC控制虚拟实验系统设计实例
机床工作台液压系统是比较典型的液压传动系统，几乎所有的液压传动教材都对其工作原理进行了详细介绍。因而机床工作台液压系统的PLC控制是液压专业学生学习液压系统微机控制课程最恰当、最适宜的液压系统PLC控制应用实例。
（一）机床工作台液压系统PLC控制原理
根据其液压工作原理和控制过程要求，对该液压系统的PLC控制进行PLC选型和端子分配，共需要8个输入点，6个输出点，选用三菱FX2N系列PLC可以满足上述需求，电路外部接线图如图7所示。具体控制过程如下：按下启动按钮SB3，电机带动液压泵启动；旋转开关QS2转到加压位置，电磁溢流阀线圈得电，液压泵加载给工作台供油；当QS1处于手动模式时按下左移按钮SB1，电磁换向阀线圈YA0通电，换向阀给液压缸右腔供油，液压缸带动工作台左移，当工作台左移碰触到行程开关SQ1后线圈YA0断电工作台停止左移；按下右移按钮SB2，电磁换向阀线圈YA1通电，换向阀给液压缸左腔供油，液压缸带动工作台右移，当工作台右移碰触到行程开关SQ2后YA1断电工作台停止右移；当QS1切换到自动模式时工作台自动执行上述左移、右移的动作；按下停止按钮SB4时所有电磁铁失电，油泵卸荷，工作台停止运动。
（二）机床工作台液压系统PLC控制虚拟实验系统的设计与运行
1.在组态王软件下依照机床工作台液压原理图和PLC控制接线图建立虚拟机床工作台液压系统和虚拟操作台，并用信号线将虚拟液压系统及虚拟操作台上的接线端子与PLC图片上的X、Y对应端子相连；把虚拟机床工作台液压系统和虚拟操作台的变量与组态王数据词典中已定义的变量进行关联。在组态王中建立的机床工作台虚拟实验系统如图8所示。
2.确保在OPC Server中建立的虚拟实验系统通讯数据库处于活动状态，同时运行GX Developer和组态王对机床工作台液压系统PLC控制过程进行虚拟实验。下面以手动左移为例，介绍控制信号的整个传输过程。当按下左移按钮时，控制信号流入PLC的X2端口；同时在GX Developer梯形图中X2接通，线圈Y0得电，PLC的Y0端口内部继电器闭合，控制信号从PLC的Y0端口流向电磁换向阀右电磁铁YA0，电磁铁得电给油缸右腔供油，工作台左移。此时组态王中PLC的端口X2、X4、X5、Y0、Y1、Y2、Y4处于高电平状态，相应的指示灯点亮，同时连接信号线变成红色表示有控制信号流过。操作台、液压系统和PLC之间的控制信号传输见图9所示，PLC内部梯形图概念电流流向如图10所示。
四、总结
本文将虚拟现实技术、计算机信息技术应用于液压系统微机控制课程的可视化虚拟实验教学中，其主要特色如下。
1.利用组态技术、虚拟现实技术和二、三维建模和动画制作技术，实现液压系统PLC控制从操作台操作到被控液压系统响应的整个控制动作全过程的可视化，同时实现虚拟实验台操作、梯形图运行、虚拟液压系统动作之间的实时全联动，将隐藏在整个控制系统硬件内部的控制信号相互作用和传递的全过程直观、形象、逼真、生动地显示出来，达到较好的教学试验与应用效果，同时加深学生对理论教学的理解。
2.虚拟教学实验系统在实验项目的设置上，既考虑我校液压学生毕业就业领域及非电类专业学生学习PLC控制的特点，又兼顾真实液压系统微机控制实际工程项目的设计开发流程，非常有针对性和实用性。
3.利用本虚拟教学实验系统，不仅可以开展虚拟被控对象（虚）+虚拟PLC（虚）模式实验，也可开展虚拟被控对象（虚）+实物PLC（实）模式实验，用PLC实物实验验证虚拟实验的正确性。
4.本虚拟实验系统具有开放性和极好的扩展性，后续可开发出其他被控系统（如水泵系统、风力机系统等）微机控制虚拟实验项目，可满足我校其他专业学生控制类课程的实验教学需求。
[ 参 考 文 献 ]
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虚拟实验室系统 篇7
关键词：单片机,虚拟实验,Proteus,Keil
单片机具有功能强, 集成度高, 结构简单, 应用灵活, 易于掌握, 可靠性高, 价格低廉等优点, 在机电一体化、工业控制、家用电器及职能仪表等很多领域得到了广泛的应用, 已成为机电产品设备升级改造智能化实现的重要手段。相关的单片机课程也是高校电气信息类及其相关专业的必修课, 具有较强的综合性和实践性。该课程以微型计算机原理、数字电子技术、模拟电子技术、电路原理及电机和电器等领域的相关理论, 同时要求学生能够通过设计软件进行相关硬件电路的设计、编写调试相关程序、采用软硬件结合的方式来构建具有相应功能的单片机系统。早期的单片机试验系统功能单一, 设备比较陈旧, 无法满足目前教学实验的要求。
1 单片机虚拟实验系统组成
虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境, 实验者可以像在近似真实的环境中一样完成各种预定的实验项目。随着计算机技术和仿真软件的发展, 虚拟仿真技术得到了广泛的应用。EDA软件PROTEUS除了其具有和其它EDA软件工具一样的原理图输入系统 (ISIS) 、布图/编辑 (ARES) 、混合模型仿真功能外, 其革命性的功能是, 它的电路仿真是互动性, 针对微处理器的应用, 还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程, 并实现软件源代码级的实时调试, 如有显示及输出, 配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等, 还能看到运行后输入输出的效果。采用PROTEUS软件的原理图输入功能可以搭建单片机硬件控制系统, 结合单片机开发软件Keil u Vision4能够实行基于源代码级的调试。Keil调试器具备全速、单步、设置断点等调试功能, 同时可以观察各个变量、寄存器的当前状态, 并且通过设置可与Proteus联机调试单片机系统。另外, 利用互联网相关技术可以实现实验室虚拟系统的资源共享, 学生可以在教室, 图书馆甚至宿舍随时访问单片机虚拟实验系统, 进行一些创新性实验。
2 单片机虚拟实验模块电路与软件设计
单片机课程是一门实践性较强的课程, 围绕课堂教学内容, 需要配套相关实验来巩固和强化, 从而培养学生观察力和实际动手能力。单片机虚拟实验首先包括仿真软件PROTEUS和编程软件Keil u Vision4综合仿真的技巧和方法, 其次是仿真功能模块原理图设计, 然后是相关功能软件编程, 最后是仿真调试。虚拟仿真软件在单片机课程教学中会结合教学内容进行集体授课, 学生可以在自己的电脑上进行学习和演练。根据一些电路原理在PROTEUS设计相关功能的电路, 在Keil u Vision4中编写单片机C语言控制程序。在掌握这些软件的基础上, 进行相关模块的实验设计。配合教学内容, 首先是单片机输入输出控制实验。实验内容包括键盘输入、跑马灯控制、数码管驱动技术及继电器控制等。先让学生从简单的功能着手, 先搭建单片机最小系统, 保证仿真系统能够有效正常运行, 通过键盘输入控制跑马灯显示, 观测实验效果, 通过编程改变跑马灯的运行状态。在数码管驱动实验中, 让学生掌握静态和动态显示技术。由于虚拟仿真系统实验结果能立刻直观在电脑屏幕上显示, 一些相关和创意等马上得到体验, 学生们的积极性很高, 也极大增加了他们的学习兴趣。除了一些基本实验模块外, 我们还设计了一些数据采集模块, 例如基于SPI总线和IIC总线的A/D转换和DAC模拟量输出模块。让学生数字在51系统中如何模拟这两种总线机制, 为以后其它芯片的总线驱动打下基础。显示模块中除了常规的数码管显示外, 还增加了LCD显示驱动。通讯模块中包括串行通讯模块和多机通讯模块。实验仿真系统模块中除了包含课堂教学重点知识点外, 还增加各种其它应用模块, 同学们可以根据自己感兴趣的方向选择相关模块。所有这些模块都提供相关硬件原理图、软件模块函数, 具有很好的移植性。当需要时, 可以直接拷贝调用。
3 单片机虚拟实验系统的优势
采用PROTEUS和Keil u Vision4联合仿真实验系统, 具有比较明显的优势。1) 控制程序可以用Keil u Vision4进行汇编或者C51来调试, 灵活方便。对于硬件电路设计可以方便进行移植, 克服传统实验教学试验中不能更改、实验内容固定等局限性, 可以发挥学生的创造性和学习的积极性;2) 硬件投入少, 更新方便。传统实验设备功能非常单一, 实验条件有限。只能实现固定内容的实验。采用PROTEUS所提供的元件库, 能够方便搭建各种功能实验, 也可以进行创新实验, 不用担心硬件额外开销和设备损坏。大大减少实验耗材的消耗。采用虚拟系统的升级也较为方便, 只需要定期进行相关软件升级, 减少升级周期和节约成本;3) 开放性创性实验, 锻炼解决实际工程问题的能力。学生可以通过网络访问虚拟实验室的相关资源, 进行各种创新性试验, 实际工程问题也可以通过虚拟仿真进行验证, 再进行硬件的投入, 这样既省时又省力而且减少投入, 极大地提高了学生的积极性。
4 结论
虚拟试验系统主要采用的软件技术并不能完全代替实物, 在单片机课程设计中, 学生虚拟完成的控制系统, 需要做成实物并得到正确的验证。同时在此期间还有各种电子设计大赛, 科研立项以及全国大学生电子设计大赛等, 通过这些实际环节的锻炼能有效解决仿真与实际的不足, 极大地提高了学生的单片机实际应用能力。
参考文献
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[2]张秀国.单片机虚拟实验室的建设与使用[J].中国现代教育装备, 2010 (19) .
汽车教学虚拟实验系统应用研究 篇8
我们可以直观的看到汽车硬件的相互关系, 了解各个部件的关系和作用。但是, 电子控制部件间相互关系却不是我们可以直接了解和掌握的, 就算我们可以通过电路图来分析其工作管理, 但其信号关系和逻辑知识却不是我们仅凭图纸就可以完全理解的。
目前的教学特点多数都是以理论课程为主, 实践课程较少。尽管学校也知道实践教学的重要性, 但现在的教学条件普遍很差, 现有的教学器材很难满足教学需要。例如:汽车发动机的台架数量较少, 新投入台架成本较高, 学校为了节约成本, 采用购买旧的发动机台架, 结果带来了性能差、维修增多等问题, 这样不仅没有节约教学成本, 更影响了教学效率。
虚拟实验教学可以很好的解决以上问题, 它不仅可以融合理论知识, 更可以实现教学实践。让虚拟实验代替真实实验, 不仅可以感受真实操作的兴奋感, 也节约了教学成本, 更提高了教学效率, 正是一举多得。
2 虚拟实验系统的组成及其安全功能
我们了解一下虚拟实验系统的工作原理, 它是借助计算机软件来实现虚拟操作的。这个系统是由计算机, 连接器, 采集器组成, 软件是其连接的桥梁, 计算机根据软件来判断干扰信号, 进而实现操作。这样不仅节省了教学成本, 而且维修起来也很方便。
计算机系统是需要提高其可靠性的, 这就需要计算机系统有其自身的判断和辨别能力。软件滤波和中断处理都能很好的提高计算机的安全性。在面对干扰信号, 软件滤波可以对其进行采样分析, 并把它进行转换, 最后得出结论。其常用的滤泡分析法有以下几种:低通法、程序判断法等。
中断处理也是软件必须具备的功能, 它可以在断电的情况下自我备份并保存信息。从而提高系统的安全和稳定性。
3 维护虚拟实验系统安全的方法
3.1 保持计算机及相关设备的散热, 控制好室内温度, 做好通风处理, 避免机器设备暴晒, 必要时安装空调等设备。
3.2定期除尘, 做好防尘。对计算机和机器设备要及时打扫、清洁。对机器内部灰尘要定期用毛刷或相关工具进行清理。避免机器设备电路元件被腐蚀或损坏, 以减少设备的使用寿命。
3.3传感器是重要的设备组件, 其敏感度很容易受到积尘和湿度的影响, 及时处理这些外在因素是保持其正常工作的关键, 一定要加以排除异常因素, 保证其正常工作。
3.4要勤观察计算机温度, 遇见计算机工作缓慢或者出现死机现象要及时处理, 检查风扇工作情况, 过滤器积尘情况, 避免计算机内部温度过高烧坏CUP及相关硬件, 在过滤器的清理工作中要注意过滤网要定期清尘, 以免等到过滤器堵塞时造成清理困难, 还有计算机温度要控制在55度以下, 如果温度居高不下, 一定要继续检查, 直到找到问题所在, 及时解决。
3.5 系统安全也要得到保护, 计算机要按照备份和杀毒软件, 这样可以保证计算机数据安全, 保证虚拟实验系统的正常运转。
4 介绍虚拟实验系统各组成部分的工作原理
图1显示了虚拟实验系统的组成框架, 这里其中显示了信号的采集过程。我们看出采集器的工作原理, PC机可以显示工作的状态, 当计算机连接汽车时, 软件可以记录数据, 保存数据;当计算机处于不连接状态时, 软件处于离线状态, 只显示工作原理。
(1) 连接器。它可以采集信号, 并不损害原车线束, 它的接口设计就是为了方便与车体连接。
(2) 采集器。这个设备还可以记录各传感器的电压, 传感器频率, 喷油器的脉冲宽度, 开关汽车的状态。这些检查结果可以发送给PC机。
(3) 虚拟实验系统软件。它可以分析和设计软件, 测试工程信号, 可以快捷的设计软件界面。不管发动机的变化多快, 该软件都可以迅速的记录实时变化, 这些结果可以被记录到系统中。在教学过程中可以不用连接车体就能观看发动机参数变化, 可以实现虚拟实验教学。
5 结语
虚拟实验系统不仅可以融合理论知识, 还可以实现教学实践;不仅可以对发动机的工作状态进行监控, 还可以诊断发动机的故障;不仅操作起来简单方便, 更不用投资过多的资金。该系统在教学应用中发挥着重要的作用, 我们一定要大力推广, 充分的利用其教学价值, 为更多的教学工作服务, 提高教学效率。
参考文献
[1]杨彦明, 魏振钢, 吴为团, 迟忠惠.一种智能化电路与电子技术虚拟实验系统[A].2004计算机应用技术交流会议论文集[C].2004
虚拟实验室系统 篇9
1 虚拟实验室
虚拟实验室相对于真实实验室而言, 它是基于计算机创造的仿真实验环境来模拟现实实验中的设备和仪器, 最大化的模拟和再现真实的实验场景, 使得使用者有身临其境的感觉。通过虚拟实验室的模拟操作, 使用者能较全面的认识各种实验设备, 熟练实验操作流程, 并能对实验结果进行数据分析, 加深理论知识的理解与消化。虚拟实验与真实实验类似, 可供学生自己动手调节和使用实验仪器设备。教师也可利用虚拟器材库中的器材和典型实验案例进行教学, 在计算机中真实重现整个实验流程。与现实实验室相比, 虚拟实验室是现代教育技术的一个重要应用领域, 它具有许多优势和特点:
(1) 开放性。虚拟实验可以彻底打破空间的限制, 在任何地点任何时间给实验者提供实验环境;
(2) 经济性。传统实验需要借助于具体的实验设备, 损耗大, 实验成本高。而虚拟设备不存在磨损、破坏的问题, 可反复使用, 既满足了教学要求, 又能节省实验经费;
(3) 交互性。在虚拟实验中实验者可以根据自身的需要利用虚拟实验室提供的虚拟器材搭建、设计实验。
2 信号与系统虚拟实验室设计思想
信号与系统课程是理工科院校电类专业的一门核心基础课程, 课程内容与数学联系较紧密, 概念较抽象, 理解起来较困难。很多设计性和综合性试验不易开设, 即使能开出一部分, 也存在在实验台上修改参数、更换元件、实际测量等操作较困难问题。建设信号与系统虚拟实验室, 实现实验资源的网络共享, 学生通过浏览器即可进行实验操作, 将抽象的概念形象化, 也易于实验内容的扩展、平台升级换代和维护, 以解决实验设备不足、型号落后、更新换代慢的困难等问题。
3 虚拟实验室系统设计
3.1 系统功能模块
从功能上, 信号与系统虚拟实验室可以划分为三个部分。
3.1.1 网络服务
该部分实现了虚拟实验室的网络功能。用户可以通过互联网登录系统, 注册个人信息。登录后学生可以自主选择将要进行的实验, 完成实验的预习、模拟仿真和实验操作以及实验报告提交等。如图1所示。
3.1.2 实验部分
该部分主要实现帮助学生了解实验目的、实验原理, 并进行模拟仿真, 增加对理论知识的了解, 然后联系实际仪器进行具体的实验操作。如图2所示。
3.1.3 交流区
交流区是为师生提供了交流平台, 学生在实验过程中可能会遇到各种问题, 也可能通过实验会对理论知识产生疑问, 通过交流区可以随时与教师进行交流。如图3所示。
3.2 虚拟实验设计
根据信号与系统课程内容的安排, 以及知识点的难易程度, 虚拟实验主要分成四部分:时域实验、频域实验、复频域实验以及综合实验。如图4所示。
4 虚拟实验实例
以时域实验中的零输入响应和零状态响应实验为例, 设计了完整的实验过程。在实物实验中, 一般只进行零状态响应的实验操作, 而在虚拟实验中, 学生可以对零输入响应和零状态响应有充分的了解。
(1) 首先学生登录网站后, 可以浏览本实验的目的, 了解实验原理。如图5所示。
(2) 然后进入模拟仿真页面, 通过设置系统的相关参数, 观察系统响应波形, 并与理论结果相比较。如图6所示。
(3) 在实验操作阶段, 学生可以进行实验连线, 进行数值测量, 观察实验结果。并且结合实际仪器, 例如示波器, 实验过程中学生可以与真实仪器一样设置示波器的显示, 帮助学生更好地熟悉仪器使用。如图7所示。
(4) 最后, 完成实验操作后, 根据具体实验内容, 学生完成实验报告, 并在线提交。学生提交报告后, 教师可以登录后下载报告查看。如图8所示。
5 总结
基于网络的labview虚拟实验室为教师和学生提供了一种新的实验方法, 它不受时空限制, 在一定程度上节约了元器件的损耗, 开拓了实验范围, 可以帮助学生更好地掌握知识。虚拟实验系统的应用范围很广, 因它的种种优点, 它更可以广泛应用于各种实时的仿真流程及工业生产当中。对虚拟实验室的研究需要综合运用多方面的知识和经验, 而本文的研究也只算是起步阶段, 接下来将进一步完善系统功能, 加强实验效果, 给学生提供更多地学习帮助。
参考文献
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虚拟实验室系统 篇10
实验教学在高等院校教学环节中有着举足轻重的地位, 是开展素质教育、创新精神、培养学生实践能力和创新思维的重要途径和手段。基于传统仪器的自动控制实验教学设备一般数量有限、成本高、灵活性差, 因此, 用代表着仪器发展新潮流的虚拟仪器系统来加强高校实验室建设。虚拟仪器概念的核心是以计算机为仪器的硬件支撑, 充分利用计算机独具的智能控制、运算、存储、回放、调用及显示等智能化功能, 把传统仪器的专业化功能软件化, 使之与计算机融为一体, 充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。随着计算机技术、电子技术的发展, 采用计算机设计的虚拟仪器不仅具备传统仪器功能, 已融入对实验系统控制功能, 虚拟仪器实验系统由于其低成本、高实用性必然成为高校实验系统的发展方向。
自动控制实验教学的主要功能是演示控制算法及其在控制参数改变时得到不同控制效果。本文所描述的基于虚拟仪器的自动控制实验系统能够通过计算机实时改变控制参数并将控制结果实时显示, 从而灵活高效地达到实验目的。
1 实验系统构成
实验系统组成如图1所示。自动控制教学实验系统执行部件选择的是直流电机, 驱动系统负载由弹性轴和转盘组成, 弹性轴主要模拟实际传动系统的弹性环节, 转盘模拟实际负载, 这样能够较好地模拟实际系统;电机驱动控制采用PWM (脉宽调制) 控制, 电机驱动控制和PC机的连接采用USB。图1中虚框是单机实验系统, 将一定数量的单机系统通过网络可以组成一套完整的实验系统。本文主要描述单机实验系统的设计。在实际使用中可以根据需要组成系统。
2 实验系统设计
系统硬件见图2。实验系统是一个以高速SOC (片上系统) C8051F320为控制核心的装置, 它是集成在一块芯片上的混合系统级单片机, 具有8051内核, 运行速度为普通8051的12倍。该芯片内部528字节RAM和2 048字节XRAM为数据缓冲和程序运行提供充足的空间, 并扩展了丰富的功能模块。利用该单片机设计的电机控制实验系统外围电路较简单。
实验系统中利用单片机中可编程计数器阵列PCA0产生电机控制的PWM控制信号源、电机的电流和速度信号通过调理电路后进入单片机中进行A/D转换, 在单片机中完成数字化电流、速度双闭环控制。
C8051F320中集成了全速/低速USB功能控制器, USB功能控制器USB0由SIE (串行接口引擎) 、USB收发器 (包括匹配电阻和可配置上拉电阻) 、1 kB FIFO存储器和时钟恢复电路 (可以不用晶体) 组成, 不需要外部元件, USB功能控制器和收发器符合USB规范2.0版。
2.1 USB接口[2,3]
采用C8051F320作为控制CPU, 简化了USB硬件部分的设计, 与主机的连接如图3所示。
USB硬件接口简单, 但软件接口开发相对要复杂得多, 这也是USB设计应用的难点。其应用软件设计主要包含3部分:USB外设端的单片机固件程序、主机操作系统上的驱动程序、主机应用软件。Cygnal公司开发工具软件包中提供了固件程序及驱动程序的例程, 减小了开发的难度。根据实验系统需求, USB的传输方式采用中断传输模式, 这种模式并不是真正意义上的定时中断传输, 只发生在主机轮询设备时进行传输, 没有保障的传输速率, 但能够保证传输不超过固定的时间, 因此, 设计单片机应用程序和上位机应用程序设计时需要注意这一点。USB的时钟源采用单片机内的可编程内部振荡器, 它提供单片机工作时钟及USB的工作时钟, 在USB全速工作模式下, 利用其内部时钟乘法器进行4倍频后作为USB的工作时钟。
2.2 电机控制
利用单片机片内捕捉/比较模块的PCA (可编程计数器阵列) , 配置为8位脉宽调制器工作模式。PCA的8位脉宽调制器原理图见图4。每个捕捉/比较模块都可在对应的CEX端口引脚产生PWM输出。PWM输出信号的频率取决于PCA时基, 主要根据功率器件的开关频率需求设定, 捕捉/比较寄存器CPA0CP决定PWM输出信号的占空比, 通过控制功率器件的占空比最终控制电机的电流。当PCA0与PCA0CPn中的值相等时, CEX的输出被置“1”;当PCA0溢出时, CEXn的输出被置“0”。系统控制单元实时更新PCA0CP, 即可得到占空比可变的PWM输出信号, 实现对电机的控制。
2.3 控制软件设计
单片机固件程序及上位机驱动程序见相关文献, 以下主要介绍控制程序设计。单片机应用程序实现对电机的控制及数据采集, 完成与上位机数据交换。自动控制实验设备的主要任务是通过对控制参数的修改演示系统运行情况。因此, 单片机软件通过USB接口接收上位机命令及参数, 并向上位机提供采样值 (速度、电流等) 。图5是典型电机双闭环控制, 虚框是单片机中实现的控制算法, 将不同控制算法编程下载到单片机中, 接收虚拟仪器通过USB传来的数据作为控制参数, 并将反馈数据 (速度、电流及其他控制中间变量) 通过USB传输到虚拟仪器, 以实现实验目的。
USB即使采用中断传输也不能保证定时传输, 因此实时控制电机运行是在单片机中完成的, 需注意单片机与上位机间的数据交换, 简单的数据传递可能造成数据丢失, 利用单片机中的RAM模拟FIFO对数据进行缓存, 避免有效数据丢失, 传递流程见图6。
上位机软件采用VC++编写, 利用Windows API提供了3个与设备交换数据的函数:ReadFile、WriteFile、DeviceIoControl。图7给出上位计算机虚拟仪器控制简单界面、通过虚拟仪器控制界面传递不同的速度回路控制参数所得到不同的控制结果。
3 结束语
本文描述的基于USB的虚拟仪器实验系统, 利用了C8051F320的强大功能, 所需外围电路少、设计简单、硬件成本低、开发灵活性高, 对于控制算法可再开发, 因而具备广泛的实用价值。
参考文献
[1]赵伟军.基于PCI总线的虚拟示波器的设计与实现[J].现代雷达, 2007, 29 (1) :41-43.
[2]萧世文, 等.USB2.0硬件设计[M].北京:清华大学出版社, 2006.
虚拟实验室系统 篇11
[关键词] 虚拟现实； 虚拟实验； 学科领域知识
[中图分类号] G434 [文献标志码] A
[作者简介] 孙江山（1978—），男，山东东营人。讲师，硕士，主要从事新技术教育应用研究。E-mail：jssun@deit.ecnu.edu.cn。
一、引 言
当前，有关教与学的理论与技术的不少有价值的研究成果未能有效地向教学迁移，未能产生教育教学改革的预期效益，方兴未艾的虚拟实验系统的开发与应用也面临同样的困境。在现实的实验教学过程中，由于教师考虑实验安全隐患、需要花费时间和精力甚至教师信心不足等问题的存在，实验教学的效果一直未曾充分显现(Walton，2002)，虚拟实验系统应用在课程学习中的重要性也没有得到足够的重视(Saka，2002)，教学效果不尽如人意，达不到教学目标规定的要求。[1]英国“学习与绩效技术中心”统计，由教学专家们评选出的前100名最优秀的E-learning 工具排名中，截至2011年6月，虚拟实验系统难觅其踪。
随着具有视觉输入反馈功效的触控设备等虚拟现实建模技术和传感技术的日趋成熟，虚拟实验系统的诸多问题得到了进一步的改进和革新，如增强现实技术的教学实验应用等。[2]虚拟实验系统也越来越突现出了虚拟现实的特性，[3]如图1所示为虚拟微观化学分子结构及实验现象科学假设仿真。国内外的相关研究在涉及科学、技术和教育领域中的概念改变、抽象思维的发展和促进认知发展都给出了很高的认可，如基于三维世界的空间学习。[4][5][6]它在熟悉真实实验环境、消减实验焦虑、提高实验操作信心方面效果显著，[7]并且在当下实验教育资源匮乏和分配不平衡的情况下，虚拟实验教学突现利用率高、易维护和低成本等诸多优点，更体现了虚拟实验在实验教学实践中的应用价值。
以往研究主要侧重描述如何应用虚拟现实软件开发具体的实验项目、介绍新兴和常用实现技术，以及从计算机图形学的角度优化三维建模算法。笔者将从学科领域知识的角度研究如何设计有效的虚拟现实实验系统，以达到预期的教育目标。在整个虚拟现实实验系统设计过程中，不仅要考虑虚拟现实系统的软件功能模块、兼容性、可扩展性和使用成本等技术特征，更要从学科内容的特点（知识属性）和知识学习的心理规律（认知特性）两个方面审视虚拟实验设计的理论探索和开发实践。
二、基于学科领域知识的虚
拟现实实验系统的设计
学科学习可以看作是一个引导学生从新手认知向专家认知发展的过程。本文旨在通过对结构良好和功能完善的学科领域知识进行重新表征，构建基于学科领域知识的虚拟现实实验系统，以提高学科教学的有效性和学生学习的效率。学科领域知识是指学生所拥有的关于某个特定学科范围内的所有知识，是关于某一学科中的那些具有一定相关性、逻辑性、操作性的知识，按其知识属性、认知特性而加以组织形成的知识组块和认知操作图式。[9]从其结构上看，学科领域知识的三维结构包括了学理内容、认知过程和问题条件三类知识。其三维结构不仅涵盖了陈述性知识和程序技能，也包括了在认知操作中具有核心作用的元认知策略成分。它将原来教学实验中只考虑知识本身、内在关系的知识系统转变为将知识和认知相结合的领域知识。每一个学习者所获得的所有知识都可包含在这三类知识中，并且学科领域知识的三个组成部分是截然不同的。例如，学习者掌握化学制取二氧化碳气体的实验知识，就不仅要求具有制取二氧化碳气体需要准备什么和注意什么事项的学理知识，还要掌握实验仪器组装、药品添加及实验观察分析等认知过程知识，同时还要知道在什么条件下执行什么实验程序的限制性条件（即条件性知识）。这样，才能置换出二氧化碳，只有掌握了这三类知识，学习者才真正掌握了制取二氧化碳的完整知识。
（一） 学理知识的表征
虚拟现实实验系统按照学科领域知识的具体与抽象的逻辑关系，透过具体的实验现象的展示，揭示出具体的科学原理，帮助学习者突破思维上的难点和疑点。如“化学实验制取气体”，虚拟试验装置可逼真地模拟实验的仪器组装过程，演示实验的现象，如加热、生成气泡。突破了真实实验的某些局限，如实验时间跨度太长或太短不利于现象观察，实验过程变化的细节不便直观感受，科学假设受限于实验条件和设备的高要求无法验证。这样的虚拟现实建模虽然一般能帮助学习者清晰地了解具体的实验场景与现象，但是学习者观察过后未必能把握具体现象与抽象科学规律间的关系，也就难以达到运用规律解决新问题的有意义学习目标。如制取气体的虚拟实验现象要揭示的科学规律是化学制取气体的原理，为什么特定化学药品被混合时会产生气体？气体生成的化学反应过程的规律是什么？现实生活中的应用又如何？这些都是构建基于学科领域知识的三维虚拟实验知识单元模型要考虑的关键因素。
一个实验任务的成功完成是在考虑学生已有知识水平与学生在学习活动中的认知特点的基础上，同时考虑一系列相互关联的实验知识单元，组建实验知识单元学习序列。而虚拟现实三维建模能够全息表征实验知识单元内容，它借助几何建模、运动建模、物理建模等，构建可视化虚拟学习对象外观、运动和物理特性的数据模型。作为虚拟实验活动过程中传递学科知识信息的基本单元，具体包括概念、原理、关系、规则等反映事物的知识内容。
实验知识单元是学科实验知识学习的基本内容。本文根据SCORM内容聚合模型的设计思想，结合学科领域知识相关理论，引入一种基于学科知识库的三维虚拟实验知识单元模型。[10]在该实验知识单元模型中，描述学科知识库的核心元素Organization不是单纯地用于聚合实验内容或实验活动，还要用于描述学科知识体系、实验知识单元及其逻辑结构关系；元素Item用于描述实验知识单元，允许嵌套子元素Item；子元素Metadata用于描述有关实验知识单元的元数据，包括实验知识单元之间的组织结构关系。该模型中包含的数据，不单是特定实验项目中可视化场景所需的具体实验数据，而是要包括可视化3D模型及相关描述信息。在虚拟现实实验系统中，基于该知识单元模型的结构化数据可以实现直接扩展和迁移，实现在学科知识体系中的查询和获取，从而得到重复使用。如图2所示为基于该知识单元模型的中学化学虚拟实验实例的内容组织结构图。
1. 实验项目描述
包含三项内容：实验项目名称、项目设计者、项目概述。这些简短说明文字用于标识和命名虚拟模型数据库中的实验项目。
2. 属性栏
设置特定实验项目所需观察实验数据的属性呈现，如试剂、温度计、PH计等属性栏，化学反应过程动态属性值变化显示等。
3. 化学药剂
药剂的化学分子式、化学结构式表征和化学属性设置。状态选择分为气体、固体、稀溶液、液体等。化学属性如摩尔质量、量浓度和质量分数，以及药剂的颜色和温度设置等。
4. 化学反应方程式
指定特定实验项目的化学反应方程式，并标识出反应物和生成物。
5. 实验项目配置
定制实验项目的方案，包括配置实验所需的仪器装置（烧瓶、烧杯及铁架台等），指定所需的实验化学药剂和用量等详细的数据。
（二）认知过程知识与虚拟现实人机交互
认知过程知识是指在学习过程中，关于认知活动过程性和操作性的知识。它是学科领域内的一套关于知识获取、认知操作和问题解决的规则或程序，调节和控制着学生在实验教学中对已有知识的使用和新知识的构建。好的虚拟现实交互设计应该遵循认知活动规律，根据学科实验教育的目标和学习者的认知水平，分析学习者的需求，然后根据具体学科实验任务及步骤，结合实验操作的特点，在知识获取的相关交互活动中，提升实验学习效果。
认知过程的关键是知识重构，即知识的重组和加工。人类信息加工容量有限性的观点认为人类只能同时对有限数量的信息加以接受并保持其活跃，即认知加工容量是有限的，可同时利用的心理资源是有限的。[11]据此，三维空间交互界面设计应围绕该有限性的两个主要方面展开：
1. 学习者注意的选择性
人类通过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉、前庭系统和本体觉七大感觉系统来获取信息。自然的感官体验减少了不必要的信息加工过程，有助于避免可能加重认知负荷的情况发生。三维虚拟实验场景通过多视角的观察，及一系列的仿自然感官体验的用户操作和反馈，达到掌握实验装置构造、原理、步骤、方法等认知目标。
虚拟实验系统设计要发挥计算机交互方面的优势，使学习者有更多精力去完成无可取代的复杂认知活动。人机交互界面的基本功能包含漫游和自由度（DOFs）操控。它们的实现通过使用专用感知设备，像ImmersaDesk和PHANTOM，也有PC支持的周边设备，常见的有三维鼠标、摄像头、数据手套、头戴式显示器和体三维显示器等。它们可以实现3D对象选择和3D对象方位变换，让学习者及时地、没有限制地观察三维空间内的全息事物，以利于培养学习者的空间想象能力以及理解抽象的知识和技能的实践运用。另外，通过镜头控制实现多角度观察，用户可以调整视角的方位，实现全局或局部场景的漫游，延伸用户感知信息的能力。
3D应用程序(如3D游戏)利用富有特色的物理建模和行为建模，在虚拟实验的特定任务情境中，如装置组装的碰撞测试、虚拟环境的自适应行为等，实现了更具真实感的人机交互，即对虚拟物体产生的感觉和真实世界一样，像在真实世界中一样对待虚拟世界中的物体。
减少实验问题解决和学理知识学习中的认知负荷，让学习者不必同时注意太多冗余信息，也是学习注意选择性的考虑因素。比如，可视化3D模型与其文本标签等实验数据同时提供，把它们布局整合在一起，场景模型应该把那些不重要的信息，或可有可无的信息从全息景像中清除掉，以免影响学习速度。
2. 工作记忆信息容量的有限性
实验过程要求严格遵循实验工作流程，实验内容单元呈现序列可按照实验步骤提供清晰的信息路径图。该一维实验序列是在时间轴上的学习路径，考虑各知识单元的层级关系和相关度，并以学习者的已有知识水平和行为作为起点，根据实验项目内容的逻辑结构，或者通过解释结构模型法，借助计算机程序生成各个实验知识单元间的教学序列。
实验内容属于操作性较强的学习内容，每一个学习者在实验学习过程中的问题或多或少都存在着差异。在这样的情景下，个别辅导对学习者的管理、引导和启发会发挥不可替代的作用。智能向导作为学习伙伴的化身，通过会话的方式与学生交流，提示操作步骤，检验操作的正确性，在很大程度上会促进学习者的知识获取和意义建构。比如化学实验需要加热药品时，也有严格规范要求，不但对药品的用量、火焰的部位、倾斜的角度有着明确的要求，更不容忽视安全操作，像液体物质加热时一定要做到“先均匀、后集中、管口万勿对着人”。在出现操作失误时，会禁止下一步骤的执行，并给出错误提示信息。[12]再者，在实验教学序列中引入探究问题，以引导学习者思维的方向。如用锌粒和盐酸制取的气体中含有杂质吗？若有，会是什么？如何除去这些杂质？通过引入净化装置知识单元，使得学习者深入理解净化实验环节相关知识和操作方法。
（三）问题条件知识的虚拟演示
问题条件知识是指在特定的学科问题情境中，进行问题解决时使用已有知识的限制条件。对于专家与新手在解决问题上的差异的研究表明，新手会汇集大量的加工信息用于缩小当前认知状态和目标认知状态之间的差异，但问题解决的重要部分（如实验内容中的问题结构、方程及定理等）的表征就会被延缓，不利于知识的获得与专长的发展。基于样例教学模式的实验演示是一种不错的模式，与从做中学相比，探究所需的时间少，有较好的迁移效果，让学习者更多地注意实验问题的特征，以及在什么情境下使用哪些原理、规则等。这种模式强调的是专家知识的构建，通过利用与展现专家专长与认知优势让学生在实验教学中受益，实现从新手向专家的认知转变。
三、中学化学虚拟现实实验
“二氧化碳制取”实例
本文以义务教育化学新课程标准规定的中学化学实验制取气体中的“二氧化碳制取”专题为例，分析虚拟实验教学内容的三类知识在其中的相互联结，以及基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的构建策略。实验要求知道制取二氧化碳的化学原理，解释确定气体发生装置和收集装置时应考虑的因素，然后通过药品的选择、装置的设计等体验科学探究的方法，使学生初步学会组装实验室中制取二氧化碳的装置，培养实验设计、观察和评价能力。
（一）实验笔记
基于学科领域知识的虚拟现实实验系统的一个基本的问题就是如何可视化表征学理知识。因为在学科学习中，学生依赖领域知识的引导与学习环境中的各种信息发生交互作用。如果缺乏学科领域知识或者对特定领域的概念结构理解不足，学习者将无法在学习过程中获得足够的引导，很难对学习环境中的各种信息进行分辨和有效组织。在虚拟实验“二氧化碳制取”中以三维虚拟实验知识单元模型表征的学理知识可以形象地称之为实验笔记，包括实验项目相关学理知识的表征以及实验报告的展示。如图3所示，实验笔记不仅便于检索查阅，还能够直观地描述在模拟实验过程中可视化模型和场景所需的实验数据的呈现。
（二）三维实验场景的人机交互
三维空间交互设计的最大挑战是能否支持快速有效的用户操作和反馈控制，保证动作任务的顺利完成。虚拟现实关键特点就是为用户提供自然的交互，在虚拟现实实验中就是给学习者完成虚拟实验任务提供便利的交互空间和操作方式。
在交互式的三维空间场景中，会提供一系列的用户操作和反馈工具。平移、旋转、缩放等漫游和自由度（DOFs）操作等工具，一般都加有限制性控制，目的是防止出现漫游过程中穿越实体对象如实验台，或者游离出实验场景以外。[13]前置的二维悬浮操作提示，如工具图标上的文本标签,使得三维虚拟实验系统的新用户可以及时找到所需的操作控制方式，有效地完成交互操作。
实验过程导航设计贯穿于整个虚拟实验组织架构，呈现各个实验知识单元的学习序列。问题导入式的导航设计按照实验步骤顺序步步深入，“可以通过哪些方法来获取二氧化碳”引入实验项目文本描述；“实验室制取二氧化碳的理想药品是什么”提醒进入到实验药剂部分；“能设计或组装一套制取二氧化碳的装置吗”链接到了实验项目配置方案；“应该怎样把二氧化碳收集起来，如何检验所收集的气体是二氧化碳，如何检验二氧化碳是否充满集气瓶”又将注意力转移到观察实验演示样例中。
提供已组装成的实验仪器的线框图，标注组装步骤及各个实验仪器的方位信息。另外，第二辅助视角可以帮助学习者准确把握各个实验仪器的方位，在装置组装过程中，使学习者不至于迷失方位。
（三）实验演示样例设计
虚拟实验“二氧化碳制取”采用了基于样例教学模式的实验演示，包括三部分：问题、解决问题的方法、评论。特定实验场景设置的实验演示可将解决来自不同感觉通道的实验问题所需信息聚集在一起，同时对其表征加工，使得学习者加快认知过程知识的重建。具体实验任务和实验步骤通过可视化三维交互场景、动画和文本符号等形式呈现。比如，虚拟实验中导入样例问题 “你觉得下一步骤应该是怎么做”，或者 “这样解决实验问题的根据是什么”，同时解决相应问题方案的三维实验场景凸现显示。评论则是以智能向导通过讲解的方式与学习者交流，提示操作的关键步骤。如此一来，实验演示样例与技能训练搭配，加强了学习者的学习迁移。
四、总 结
结构良好的、丰富的学科领域知识是创建有效虚拟实验系统的基础，这既要求系统科学地反映学科知识体系，还要为学习过程的开展和认知策略的应用提供充足的学习资源。基于三维虚拟实验知识单元模型，根据学科领域知识的属性和学习者在认知学习中的心理特征，对实验内容单元进行表征。这充分考虑了不同知识在特定问题情境中的作用，还体现了知识结构的动态性特点。
Mayer认为有意义的学习取决于认知活动而不是物理行为，如实验操作。而有意义学习强调学习过程的实质是新旧知识结构的重组，是对所学知识的同化与吸收。基于学科领域知识的虚拟现实实验系统实现了有意义的感知，进而理解、领悟实验内容。
针对本文的研究，须强调两点，一是样例学习方式让学习者通过研习样例而习得专家的问题解决方法，但要充分发挥其对学习的促进作用，除了要有设计良好的样例这一首要外部条件外，还需要学生的内部条件，即学生对样例的自我解释，[14]但这需要进一步完善实验系统的共享和交流功能；二是虚拟现实实验相比于真实实验，缺乏某些感官的充分体验，比如嗅觉和触觉，接下来的研究工作将会针对如何增强现实感知来丰富交互体验，强化学习者的参与程度。
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虚拟实验室系统 篇12
关键词：虚拟仪器,LabVIEW,信号与系统,实验系统
实验对于培养学生的实际操作能力和解决分析问题的能力至关重要。而对于多数工科课程,实验需要配置多套仪器设备,而且投资巨大,这对于经费紧张的普通院校难以满足,因此造成仪器设备缺乏和陈旧等现象,严重影响实验教学[1]。随着计算机和网络技术的发展,由美国NI公司推行的虚拟仪器技术得到了广泛的应用,虚拟仪器逐渐取代传统测试仪器已成趋势。信号与系统是通信、仪器仪表和电子信息类专业的基础课,重点研究确定性信号经线性时不变系统传输与处理的基本概念和基本分析方法[2]。在实践性较强的信号与系统课程中运用虚拟仪器技术,以计算机为硬件系统,构建集成化信号与系统虚拟实验系统,代替传统仪器仪表,利用其强大的信号分析与处理功能和友好的用户界面不仅可节省仪器设备的经费投入,也有助于提高实验教学水平[3]。
1 虚拟仪器技术及LabVIEW简介
虚拟仪器技术由美国国家仪器公司NI(Nation Instruments)提出,其核心思想是“软件即是仪器”,就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件完成各种测试、测量和自动化的应用。结合计算机硬件、软件开发系统、接口硬件构成虚拟测试系统,与传统仪器相比,具有充分利用计算机资源,开发和维护成本低、开发效率高、易于实现自动化、智能化和网络化等优点[4]。
美国NI公司推出的LabVIEW(Laboratory Virtual Instrumention Engineering Workbench)是一种图形化编程语言的开发环境,被广泛地应用与工业、学术和实验室,被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW使用的是图形化编辑语言C语言编写程序,产生的程序是框图的形式[7]。
2 虚拟实验系统设计
以计算机为硬件平台,以LabVIEW8.6为软件平台,开发一个“信号与系统”的虚拟实验系统。
2.1 结构框图
虚拟实验系统能够完成信号产生、滤波、频谱分析、调制解题、卷积和抽样等,即包括3个大模块:(1)典型信号产生。(2)信号时域分析。(3)信号频域分析[5]。其结构框图如图1所示。
设计的虚拟实验系统主要包括8个实验,点击对应的布尔控件即可进入实验子模块,同时实验系统主界面还包括登录框、系统简介、帮助、退出系统控件,以及运行指示、登录状态的指示灯。虚拟实验系统的主界面如图2所示。
2.2 程序设计
本次设计的虚拟实验系统包括8个实验模块,现在主要介绍4个实验模块。
2.2.1 虚拟信号发生器
信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器,本设计的虚拟信号发生器包括周期信号和非周期信号,其中周期信号包括正弦波、三角波、锯齿波、方波,而且其幅值、频率、相位、方波的占空比可调;非周期信号包括斜坡信号、冲激信号、Sinc信号、脉冲信号,幅值等参数可调,而且公式信号可以根据输入波形公式产生任意波形;另外,设置了是否添加噪声的布尔控件,噪声幅值可调,而且设置了均匀白噪声、高斯白噪声、泊松噪声、周期性随机噪声等,通过下拉列表可以选择添加噪声类型。该虚拟示波器可以可以用于信号发生器的认识、信号及信号类型的认识等教学实验,操作方便、能够直观地观察到各种波形[6]。虚拟信号发生器的前面板如图3所示。
2.2.2 信号调制与解调
在通信系统中,信号从发射端传输到接收端,为实现信号的传输,往往需要进行调制与解调。载波信号的幅值、频率、相位可以随信号成比例的改变,因而对应就有振幅调制、频率调制、相位调制。本实验模块是振幅调制,面板如图4所示。
2.2.3 验证采样定理
在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率fs·max≥信号中最高频率fmax的2倍时,采样后的数字信号能够完整地保留了原始信号中的信息,一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍,这就是采样定理,又称奈奎斯特定理。设计的验证采样定理模块一方面直观地再现了模拟信号到数字信号的转换过程,即经过了抽样信号离散化;另一方面验证了抽样定理,即设定固定的模拟信号幅值和频率,更改采样频率,当采样频率fs和信号频率f满足fs≥f时,才能得到正确的离散信号。验证抽样定理模块的前面板如图5所示。
2.2.4 滤波器
巴特沃斯滤波器是滤波器的一种,其采用的是巴特沃斯传递函数,有低通、高通、带通、带阻等多种滤波器类型。设计的滤波器是巴特沃斯滤波器,根据下拉列表可以选择低通、高通、带通、带阻等滤波器类型。使用了LabVIEW自带的仿真信号源,添加噪声后得到仿真信号,然后选定滤波器类型,并且设置低截止频率、高截止频率,得到滤波后的信号的波形。滤波器模块的前面板如图6所示。
2.3 生成应用程序
为了开发的虚拟实验系统脱离LabVIEW开发环境,方便安装使用,将labVIEW文件生成应用程序。即保存labVIEW文件,新建项目,导入文件;右键点击生成应用程序规范,在源文件栏将文件加入,并且将子VI,dll等文件都一起导入,点击生成应用程序。
3 结束语
利用计算机硬件和LabVIEW8.6软件,设计了“信号与系统”的虚拟实验系统,该虚拟实验系统可以用于课程的实验教学,实现学生对信号的认识以及了解信号处理的方法。该虚拟实验系统利用虚拟仪器技术,充分利用计算机资源,将虚拟仪器技术用于实验教学,一方面降低了实验成本,另一方面生动直观的实验操作也将提高教学水平。
参考文献
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