緒論：寫作既是個人情感的抒發，也是對學術真理的探索，歡迎閱讀由發表云整理的11篇虛擬儀器技術論文范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發。

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挑戰：

中國的手機市場發展迅猛，世界各大手機廠商競相爭奪手機用戶。在如此激烈的競爭中，手機的功能日趨豐富，比如攝像頭、MP3、FM調頻收音機等等。同時，手機通訊協議也層出不窮，GSM、CDMA、GPRS、CDMA2000、EDGE、WCDMA等等。為了應對產品的不斷變化，工程師面臨著提高效率并縮短產品市場化時間的挑戰，他們需要一個靈活而強大的通用測試平臺。我們先來看一個通用測試平臺針對手機通訊協議的變化而表現出來的優勢。大家知道，2G的協議比如GSM和CDMA都已被成功地運用于市場了，而3G的協議比如WCDMA，CDMA2000等等是未來的必然趨勢。在從2G到3G的轉變中，面臨客戶群、設備置換、技術的成熟度風險等等問題。運營商希望能夠進行平滑的過渡，在不丟失已有手機用戶的情況下，首先升級交換網絡部分，這使得用戶可以使用過渡期的2.5G產品，然后等時機成熟時再升級無線網絡部分達到3G的標準。2G的測試儀器已經比較成熟，3G的測試產品正在加緊開發，2.5G的專用測試設備卻由于傳統儀器制造商考慮到研發成本和市場前景的問題而匱乏。

一家著名的手機制造商制造了支持EDGE(EnhancedDataratesforGSMEvolution)協議的2.5G手機產品，需要針對這一產品的測試方案。EDGE是一個專業協議，由于它的出現時間比較短，了解它的人也比較少，要在短期內構建一個EDGE測試系統是一個巨大的挑戰。為了在市場上與同行競爭，需要在一個月內能夠使用這套測試設備。

應用方案：

利用TestStand模塊化，兼容性強，可自定義的特點，根據生產測試的需要對其進行修改與完善，并結合LabVIEW，GPIB卡，以及相應的測試儀器，創建百分之百符合自己需要的CDMA基站測試系統。

使用的產品：

硬件上整個系統包含了一個PXI機箱，其中有：

NIPXI-8186

2.2GHzIntel奔騰4處理器的嵌入式PC，預裝WindowsXP操作系統

NIPXI-5660

2.7GHzRF信號分析儀，9kHz到2.7GHz，20MHz實時帶寬，80dB真實動態范圍

NIPXI-5670

RF信號源，250kHz到2.7GHz，16位，100MS/s任意波形發生，22MHz實時帶寬

NIPXI-5122

14位數字化儀，100MS/s實時采樣，2GS/s隨機間隔采樣，100MHz帶寬

NIPXI-4070

6位半數字萬用表，6ppm精度

其中，NIPXI-5660被用作矢量信號分析儀，NIPXI-5670被用作射頻信號源，NIPXI-5122被用作示波器，NIPXI-4070被用作數字萬用表。

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一、問題的提出

隨著計算機、通信、微計算機技術的不斷發展，以及網絡時代的到來和信息化要求的不斷提高，網絡技術應用到虛擬儀器領域中是虛擬儀器發展的大趨勢【1】。在國內網絡化虛擬儀器的概念目前還沒有一個比較明確的提法，也沒有一個被測量界廣泛接受的定義。其一般特征是將虛擬儀器、被測試點以及數據庫等資源納入網絡，共同完成測試任務。使用網絡化虛擬儀器，可在任何地點、任意時刻獲取數據信息的愿望成為現實。網絡化虛擬儀器也適合異地或遠程控制、數據采集、報警等。

論文的目的是基于虛擬儀器的概念，使用目前最為流行的虛擬儀器軟件開發環境－LabVIEW，進行虛擬實驗儀器的開發；搭建虛擬儀器軟硬件平臺。

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1.引言

傳統示波器是電子工業、科學研究和教學實驗領域中一種必備的儀器，并且都在這些領域中占有重要的地位。在高速發展的現代科技技術下，對傳統測控儀器提出了新的技術要求，主要包括智能化、自動化、多樣化等等[1]。傳統儀器跟其他傳統測控儀器一樣，越來越不能滿足這些新技術的要求，與此同時，新儀器的開發對開發商與用戶都帶來了更大的挑戰。基于上述原因，新型的測控儀器設備的出現是當務之急，虛擬儀器這個概念變得不再陌生。

虛擬儀器的開發基于強大的計算機軟件和硬件，把傳感器技術，自動化控制技術等有效的融合在一起[2]。軟件設計平臺的靈活性，依據用戶不同的特殊需求創建出人機友好操作界面，實現并取代各類特殊、昂貴的測試儀器的功能。

實現用戶友好操作界面的軟件操作平臺有很多，例如，Labview軟件，MATLAB軟件，Visual Basic軟件，JAVA軟件等，本文將對實現虛擬示波器用戶操作界面的開發性軟件進行比較。

2.虛擬儀器的發展

2.1 國外發展狀況

近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發了不少的虛擬儀器開發軟件，方便了開發商利用這些開發軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統，并編制測試軟件，最具影響力的是NI公司的Labview和Labwindows/CVi開發軟件，美國HP公司的HP-VEE和HPTIG平臺軟件，美國Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS軟件以及HEM Data公司的Snap-Master平臺軟件等都是國際上公認的優秀虛擬儀器開發平臺[3]。從1988年陸續有虛擬儀器產品面市，當時有五家制造商推出30種產品。此后，虛擬儀器產品每年成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠已達95家共生產1000多種虛擬儀器產品，銷售額達2.93億美元，占整個儀器銷售額73億的40%。美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國，生產虛擬儀器的主要廠家有HP公司目前生產100多種型號的虛擬儀器，Tektroflix公司目前生產約80多種型號的虛擬儀器。

2.2 國內發展狀況

國內虛擬儀器的開發和研究起步相對比較晚，清華大學，重慶大學，西安交大以及東方震動和噪聲技術研究等高校和公司對虛擬儀器的產品和設計平臺以及NI產品做了大量的研究工作，所研究和開發的結果在某些方面都得到了很好的應用，比較突出的是重慶大學測試中心所研究的虛擬儀器，目前，部分院校的實驗室也引入了虛擬儀器系統，包括上海復旦大學，上海交通大學，華中科技大學等[4]。于此，又開發了一批新的虛擬儀器系統用于教學和科研，其中華中科技大學機械學院所開發出的Inventor可重構虛擬實驗臺、深圳藍津信息技術有限公司開發出的DRVI快速可重組虛擬儀器平臺等影響力比較大，中國農業大學的研究人員利用虛擬儀器開發平臺開發了用于精密播種機性能檢測的實驗室自動化系統。山東大學醫學院基于虛擬儀器技術研究了胸雙極立體心電圖及其三維可視。

2.3 未來的發展趨勢

虛擬儀器正在持續且迅速地發展，它即將取代測量技術在傳統領域的各類儀器，使儀器的功能和技術性能方面具有了靈活性和經濟性，因而更適應當代科學技術迅速發展和科學研究所提出的更高更新的測量需求[5]。并且隨著計算機技術、儀器技術和網絡通信技術的不斷完善，虛擬儀器技術也會在向網絡化方向發展，即基于網絡的虛擬儀器。網絡技術和虛擬儀器技術相結合，產生了基于網絡的虛擬儀器，使用的網絡化虛擬儀器，可以在任何地點，任何時間獲取測試的數據，因此圖像化編輯平臺的發展將帶動和完善虛擬儀器的發展。國內專家預測未來的幾年內我國將有50%的儀器為虛擬儀器，國內將有大批企業使用虛擬儀器系統對生產設備的運行狀況進行實時監測。

3.幾種虛擬示波器常用開發環境的特點

3.1 基于Labview的虛擬示波器

Labview是一種基于圖形編程語言的可視化優秀開發平臺，它與傳統編程語言最大的區別是使用圖形語言，以框圖的形式編寫程序[6]。它與VisualC++、visual basic、LabWindows/CVI等編程語言不同，是使用圖形化程序設計語言G，而不是基于文本語言的程序代碼，用方框圖代替了傳統的程序代碼，一個Labview程序主要包括前面板、框圖程序、圖標/接線端口3部分[7]。為用戶提供一個便捷、輕松的設計環境，利用它設計者可以像搭積木一樣，輕松組建一個測量系統或數據采集系統，并可以任意構建儀器面板，而無須進行任何繁瑣的計算機程序代碼的編程，從而可以大大簡化程序的設計。

在設計虛擬示波器時，程序包括數據采集，波形顯示，信號處理，波形存儲和回放幾個模塊。因而硬件部分的主要功能就是采集外部的信號，可以是PCI、USB、DAQ等數據采集裝置，然后是信號調理，目的就是完成信號緩沖、放大、濾波等功能[8]，Labview開發平臺自帶的函數具有強大的信號處理功能，充分發揮Labview的優勢所在。在它的前面板上可以非常直觀地顯示出旋鈕，開關，波形等示波器應有的界面設置，參數設置，可以根據開發者的想法自行定義，具有很強的靈活性[9]，真正的操控系統的是后面板，建立功能模塊，元器件的連接，按鍵功能的實現等等，模塊化的實現使虛擬示波器的功能更加完善。

3.2 基于MATLAB的虛擬示波器

MATLAB是Matrix和Labortaty前三個字母的縮寫，意思是“距陣實驗室”[10]。是一套功能十分強大的計算機輔助和設計教學軟件，MATLAB具有以下的主要功能：數值計算功能，符號計算功能，圖形處理功能及可視化功能，可視化建模及動態仿真功能。

基于MATLAB平臺設計的虛擬示波器可以充分發揮它的數據分析功能，不僅方便了實驗研究，也可以為控制系統的設計與優化提供了有效的途徑[11]?；贛ATLAB的虛擬示波器硬件系統主要是完成數據采集系統的設計，主要有MCU、數字I/O、A/D、數據通信接口，以及電源部分組成。而對計算機串口以及數據輸入的控制，由MATLAB軟件的儀器控制工具箱中的函數來完成。通過調用MATLAB的數據采集，畫圖程序來完善虛擬示波器的功能。MATLAB是很好的數據分析處理軟件，而將其與Labview相結合編程可以極大的提高系統的數據采集、分析、故障診斷的能力，具有很強的技術提升空間。

3.3 基于Visual Basic的虛擬示波器

Visual Basic簡稱VB，是Microsoft公司推出的一種Windows應用程序開發工具。在界面設計、文件處理、多媒體應用、數據訪問等方面提供了有力的幫助，具有易懂、易學的優點。對于虛擬示波器開發而言，VB在數據處理和圖形顯示方面不如Labview。在使用VB開發工業測量與控制系統應用軟件時，需要對待測量信號進行實時采集、顯示、以及實時處理等VB并不擅長。對此類應用程序的開發，最為理想的解決方案是將VB的圖形用戶界面開發及其他方面的優勢和LabVIEW在數據采集、顯示與處理方面的優勢結合起來[12]，互相取長補短，從而開發出功能更加強大的測控軟件系統。

MATLAB與VB的結合主要有兩種方式。其一是在VB中引入MATRIXVB，使得VB可以調用MATLAB函數。其二是將在MATLAB中編寫的文件編譯成VB可以調用的DLL文件。通過混合編程，利用VB和MATRIXVB，快速、簡潔地生成虛擬儀器[13]。

3.4 基于JAVA的虛擬示波器

JAVA是由Sun Microsystems公司推出的JAVA程序設計語言和平臺的總稱。面向對象的一次編譯隨處運行的高級語言，提供了強大的網絡支持，用Java實現的HotJava瀏覽器跨平臺、動感的Web、Internet計算的功能。推動了Web的迅速發展，常用的瀏覽器均支持Java applet[14]?；贘AVA開發網絡化的虛擬測控系統具有強大的網絡和跨平臺的優勢。

基于JAVA的網絡化虛擬示波器，利用socket和多線程技術實現，使用雙緩存技術解決了波形顯示時的閃爍問題，由系統啟動用戶界面線程，同時啟動不斷偵聽對客戶連接請求的線程。如果偵聽到客戶的連接請求，就開辟一個新的線程來處理其連接請求。與此同時還要查詢數據是否已經傳送完畢，一旦完成便要通知用戶界面線程更新界面。

除了上述的幾種開發平臺外，還有C++ Bulider，Visual ，VC等都可以是結合多種軟件的虛擬儀器開發平臺，另外國內也有一些虛擬儀器開發系統，如吉林大學自主研發的圖形化虛擬儀器開發平臺LabScene，重慶大學研制的虛擬儀器開發系統VMIDS等等[15]。并在相應領域取得了一定的成果。

4.結束語

在各領域的應用中，虛擬儀器正在取代著傳統儀器，它的優勢也是顯而易見的，它的出現是儀器界的一次革命，具體表現為：智能化程度高，處理能力強;復用性強，系統費用低;可操作性強等等。對于虛擬儀器的設計而言，軟件設計是核心，對于每一種虛擬儀器的開發平臺都有它自己的特色與缺陷，MATLAB是一款數字處理與圖形化處理的強大軟件，在設計虛擬示波器時可以發揮它強大的數據處理功能，對于Visual Basic而言，它的缺陷是存在的，但它是一款作為結合型開發軟件的好處;利用JAVA的開發的虛擬儀器是現在乃至未來的重要開發平臺，它是儀器朝著網絡化的發展，就目前而言，Labview是虛擬示波器開發軟件的首選，它的圖型化編程語言使用戶和開發者都能比較容易理解。在實際應用中，我們不僅僅局限于單種軟件開發工具，可以將它們結合起來使用，取長補短，各抒其長，會使所開發的虛擬儀器得到更全面的設計。再者在實施方案前，對開發平臺進行分析探討、比較，最終選擇適合的虛擬平臺，對之后的工作會帶來更多的便利。

參考文獻

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[12]宋波，陳一民.關于虛擬儀器開發工具的比較與選取[J].國外電子測量技術，2006，25（8）：1-5.

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1 引言

力傳感器是目前廣泛使用的傳感器，在長期使用過程中，由于使用環境、本身結構的變化，需要對其進行標定，以此保證測量的精度。近年來，隨著虛擬儀器技術的出現和發展，越來越多的技術人員開始基于該技術來開發自動化測量設備。博士論文，標定。虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發展的一個重要方向[1]。而在眾多的虛擬儀器開發平臺中，美國國家儀器公司（NI）的LabVIEW應用最為廣泛。本文主要介紹了基于LabVIEW的力傳感器標定程序的設計。

2 標定的原理

所謂標定（或現場校準）[2]就是指用相對標準的量來確定測試系統電輸出量與物理輸入量之間的函數關系的過程。標定是測試中極其重要的一環。標定除了能夠確定輸入量和輸出量之間的函數關系之外，還可以最大限度地消除測量系統中的系統誤差。

傳感器的校準采用靜態的方法，即在靜態標準條件下，采用一定標準等級（其精度等級為被較傳感器的3~5倍）的校準設備，對傳感器重復（不少于3次）進行全量程逐級加載和卸載測試，獲得各次校準數據，以確定傳感器的靜態基本性能指標和精度的過程。為簡化系統的設計，此處標準量采用砝碼加載的方式獲得。

3 系統組成

3.1硬件組成

系統的硬件組成如圖1所示：

圖1 系統硬件組成

由圖可以看出，系統主要包括計算機、力傳感器，數據采集卡、接線盒等。本系統中，力傳感器采用電阻應變式壓力傳感器，四個應變片采用全橋的工作方式。數據采集卡采用NI公司的PCI-6221，該采集卡的主要參數如下：它具有16個模擬輸入端口，2個模擬輸出端口，24個數字輸入輸出端口，采樣速率最高可達到250kS/s。接線盒采用NI公司的SC-2345，此接線盒直接與數據采集卡相連，接線盒上有SCC信號調理模塊插座。SCC模塊是NI公司提供的信號調理模塊，其上面包含信號調理電路，可以將傳感器處采集的信號轉換成適合數據采集卡讀取的信號。本系統所用的SCC模塊為SCC-SG04，此模塊適用于連接采用全橋工作方式的電阻應變式壓力傳感器。

3.2軟件組成

本系統軟件基于LabVIEW 8.2來開發。LabVIEW是一種圖形化的編程語言。博士論文，標定。博士論文，標定。與其他開發工具不同，用LabVIEW編程的過程不是寫代碼，而是畫“流程圖”。這樣可以使用戶從煩瑣的程序設計中解放出來，而將注意力集中在測量等物理問題本身。它主要針對各個領域的工程技術人員而設計，非計算機專業人員[1]。博士論文，標定。

因為所用的力傳感器屬于應變式電阻傳感器，其電阻變化率與應變可以保持很好的線性關系，即輸入與輸出量之間呈線性關系，所以可以用一條直線對校準數據進行擬合。此直線就稱為擬合直線，所求得的方程為擬合方程。圖2所示為傳感器標定程序的采樣頁面。

此程序采用LabVIEW的事件驅動編程技術進行編制的。事件[3]是對活動發生的異步通知。事件可以來自于用戶界面、外部I/O或程序的其它部分。在LabVIEW中使用用戶界面事件可使前面板用戶操作與程序框圖執行保持同步。事件允許用戶每當執行某個特定操作時執行特定的事件處理分支。

圖2 標定程序采樣頁面

圖3 采樣程序

直線擬合的方法[2]有很多種，比如最小二乘法、平均選點法、斷點法等等。其中，最小二乘法精度比較高，此處利用它進行直線擬合。根據最小二乘法，假定是一組測量值，是相應的擬合值，mse為均方差，則擬合目標可以表達為，期望mse最小。

LabVIEW中的分析軟件庫提供了多種線性和非線性的曲線擬合算法，例如線性擬合、指數擬合、通用多項式擬合等等。本程序選擇Linear Fit.Vi 來實現最小二乘法線性擬合。

標定子程序的工作流程如下：用戶先通過多次采樣，獲得各個輸入量對應的輸出量，通過While循環的移位寄存器保存這些值。博士論文，標定。采樣完成后，把這些值輸入Linear Fit.Vi進行擬合，擬合的曲線在Graph控件中顯示出來，同時該Vi自動求出方程y=ax+b中的斜率a和截距b，這樣，輸入輸出量之間的函數關系就可以確定下來了，如圖4所示。

圖4 標定程序擬合前面板

4 小結

基于虛擬儀器的力傳感器標定程序能夠方便地對力傳感器進行標定。博士論文，標定。該系統具有人機界面友好，靈活方便，自動化程度高等特點。

參考文獻：

【1】.候國屏;王珅;葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設計[M].清華大學出版社.2005

【2】.張迎新等.非電量測量技術基礎[M].北京航空航天大學出版社，2001

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1.虛擬儀器

1986年美國國家儀器公司（National Instruments Corporation，NI）研發推出了圖形化編程環境的開發平臺——LabVIEW軟件，并首先提出了虛擬儀器（Virtual Instruments，VI）的概念。作為以計算機軟件為核心的新型儀器系統，虛擬儀器具有功能強、測試精度高、測試速度快、自動化程度高、人機界面優異、靈活性強等優點，通常被認為是第三代自動測試系統的同義語[1]。使用虛擬儀器系統可以避免儀器編程過程中的大量重復性勞動，從而大大縮短復雜程序的開發時間，并且客戶可以用不同的模塊構造自己的虛擬儀器系統。虛擬儀器技術經過二十多年的發展，如今正沿著總線與驅動程序標準化、硬/軟件模塊化、編程平臺的圖形化和硬件模塊的即插即用方向發展。LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實用的開發軟件，它整合了諸如GPIB、VXI、PXI、RS232、RS485及數據采集卡等硬件通信的全部功能，而且具有很強的分析處理能力。虛擬儀器的開發廠家為了擴大虛擬儀器的功能，在測量結果的數據處理、表達模式及其變換方面做了許多工作，建立了數據處理的高級分析庫和開發工具庫，使虛擬儀器發展成為組建得極為復雜的自動測量系統[2]。

隨著PC、半導體和軟件功能的進一步更新，虛擬儀器的功能和性能不斷提高，如今在許多應用中它已成為傳統儀器的主要替代方式。虛擬儀器的各種優點讓用戶可以放心地舍棄舊的傳統測量設備，接受更新型、以計算機為基礎的虛擬儀器系統。由于計算機的性價比不斷提高，虛擬儀器的價格更為大眾化，用戶不再受限于傳統儀器的使用限制和昂貴價格，進一步降低了使用成本，減少了開發費用和系統的維護費用。此外，新型筆記本電腦把虛擬儀器的便攜性和強大功能推向一個新的水平。所有這些必將加快虛擬儀器的發展，它的功能和應用領域將不斷增強和擴大。

2.虛擬儀器在教學中的應用

隨著虛擬儀器系統的廣泛應用，越來越多的教學部門開始用它建立教學系統，不僅大大節省開支，而且由于虛擬儀器系統具有靈活、可重用性強等優點，使得教學方法更靈活。教育的核心是素質教育，實施素質教育的重點是“培養學生的創新精神和實踐能力”。隨著高校擴招及學生實踐動手要求的提高，出現了一些新的實驗教學問題：（1）基于傳統儀器實驗教學的不足。當前大多數高校的實驗教學仍然是基于傳統儀器的教學方式，這種方式在一定程度上限制和阻礙了素質教育在實驗教學中的實施，主要表現在如下幾個方面：①學生需花費較多的時間組織、連接甚至搬動、更換儀器設備，一方面沒有把實驗課的時間完全用于實驗能力的培養提高，另一方面增加了儀器設備的損壞機會；②實驗基本上都是驗證型實驗，設計型、綜合型實驗少，需要學生發揮主觀能動性的少；③由于實驗設備的更新跟不上儀器工業的發展，實驗教學與工程實際脫節。虛擬儀器在實驗教學中的應用為解決這一問題提供了一條有效途徑。（2）虛擬儀器技術在教學中的應用。虛擬儀器系統是測控技術和計算機技術相結合的產物，它是全新的儀器概念，打破了傳統儀器的局限，在儀器的研究與制造中引起了一次重大的革新，是未來儀器產業發展的重要方向，目前在測試、控制等領域已被廣泛應用[3]-[5]。虛擬儀器的特點主要在于其強大的數據分析與處理功能，并且，隨著計算機硬件技術與接口技術的發展，虛擬儀器的實時數據采集與控制功能不斷提升。一些高校對虛擬儀器在實驗教學中的應用進行了開發，其中應用得較為廣泛的有“ZK-3VIC型虛擬測試振動與控制多驗裝置”和“DRVI快速可重組虛擬儀器平臺”等。不論哪種虛擬實驗系統，歸結起來，虛擬儀器應用于實驗教學主要采用如下兩種方式：一種方式是純軟件的虛擬儀器實驗，如圖1所示，即從信號的產生到信號的分析、處理和存儲全音都由虛擬儀器進行仿真模擬，這種方式主要應用于理論驗證性實驗。

圖1 虛擬實驗方式之一

另一種方式的實驗系統由“虛擬儀器+數據牙集卡+實測信號”組成，如圖2所示。這種方式適用于操作性實驗，對實驗設備要求較高，除了PC機之外，還必須具備數據采集卡、實際被測對象和傳感鍬等。學生利用虛擬儀器平臺構建掃頻信號發生器、數據采集記錄分析儀等虛擬書器，通過數據采集卡控制激振器和采集傳感器的輔出信號，經過記錄、分析，得出結論，完成實驗。

圖2 虛擬實驗方式之二

3.虛擬儀器的教學方法

“虛擬儀器”作為一門應用技術課，其教學目標是要求學生了解虛擬儀器技術及其在各領域的應用，掌握虛擬儀器系統的基本構成及設計思想，學會系統軟件開發工具LabVIEW，掌握虛擬儀器在測量儀器、過程控制、信號分析、遠程控制等方面的應用技能，具有利用硬件設備快速構建研究、開發工作中需要的測試、實驗系統的能力。虛擬儀器具有軟件開發與硬件設計結合緊密、應用性強、涉及專業知識廣等特點，采取合適的教學方法是完成課程教學任務、提高教學質量的重要途徑[6]-[8]。

3.1課程內容的模塊化設置。教學方法是針對教學內容制定的，教師要根據課程內容的特點采用不同的教學手段，將課程內容劃分為三個模塊：基礎編程、應用開發、創新教學?；A編程模塊：在介紹虛擬儀器的基本概念、構成和最新發展方向的基礎上，把虛擬儀器前面板設計和程序框圖設計、程序結構、圖形顯示、字符串與文件I/O、數據采集等作為教學的主要內容。應用開發模塊：課程的主要內容從理論講述轉變為應用，以操作性、應用性項目為主，設計出測試、應用等一系列實驗模塊。創新教學模塊：采用項目驅動教學方式，[1]-[3]教學內容取材于實際工程項目，根據知識點將整個項目分解開來，由簡單到復雜、由局部到整體、由分立到綜合。在整體結構上，將知識點與具體實例應用相融合，應用針對性更強。

3.2教學方法的選用。課程教學手段是否合理，直接影響學生對課程的學習興趣與學習效果。鑒于“虛擬儀器”課程實踐性強的特點，把課程教學由課堂搬到實驗室，把講授與學生動手實踐靈活地融合在一起，讓學生在實踐過程中提高技能技巧，從而提高學習效率。根據課程內容的三個模塊，以教、學、做為主線，以培養學生的實際動手能力為目標。

3.2.1講授模式：主要針對課程中的理論教學，包括虛擬儀器技術背景知識、圖形化編程語言原理、數據采集原理、硬件配置、儀器控制及軟件工程，其目的是講明講透虛擬儀器的基本理論、基本知識和基本方法，使學生知其所以然。（1）講練結合法，就是把教師講授和學生練習有機結合起來，使講和練互相促進，迅速而有效地實現教學目標。（2）實例教學法。實例教學法在教學過程中始終強調學以致用，在應用中學習。[4]根據教學內容和教學要求，設計多個精選實例，將所要學習的知識、操作、技能等融入實例中，通過對實例的分析、演示、講解、討論、學生練習及總結等環節，加深學生對基本概念、原理、方法的理解，提高學生的實際操作技能。

3.2.2實踐實練：在課程教學中樹立“理論重實踐、實踐重體驗”的教育思想。綜合能力的培養以一系列使用性、操作性、應用性項目為主，設計出認知、使用、測試、集成、應用等一系列實驗和練習模塊，讓學生自己完成編程，教師指導學生自己發現和解決問題，提高學生自主學習和主動探究的積極性，提高學生的動手和創新能力。在整個環節中，任務書是關鍵性開始，既要有明確的實驗目的和實驗內容，又要給出各種規范要求、數字信號處理的新技術等。

3.2.3項目教學法：通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，其目的是在教學過程中把理論與實踐教學有機結合起來，充分發掘學生的創造潛能，提高學生解決實際問題的綜合能力。項目教學法的內容要求有綜合性、創新性和吸引力，因此，項目必須是精心設計和挑選的開放式課題，具有應用性或研究性，學生需要查閱資料、設計方案、軟硬件設計、提交報告、演示匯報等完成本項任務。

4.虛擬儀器考試方式改革的探索

針對虛擬儀器課程的特點，結合本課程在我院幾年來授課及考試方式的探索，通過對以往考試方式的改革，總結出以下幾種考核方式，可以針對不同情況進行選擇。

4.1上機操作考試。針對虛擬儀器課程操作性強的特點，首選上機操作考試，既能測試學生對軟件的掌握程度，又能培養學生的創造性思維，充分體現實踐動手能力培養的目的。如果班級比較多，而電腦臺數不足，就可以分上下場考試，每場間隔10分鐘，即第一個班級考完后，集體下課，第二個班級馬上進入考場，使學生之間沒有交流的可能性，保證考題的保密性。當一次上下場考試不能滿足需求時，可出多套難度相當的考題解決漏題問題。

4.2半開卷考試形式。針對學生過多而機器過少的情況，在上機考試沒有辦法保證保密性時，可選擇半開卷形式?？闪顚W生在一頁A4紙正反面上，以手抄寫的形式記載自己不熟悉內容，可供答題參考，期間不再提供任何形式的參考資料，該方式能夠杜絕學生為了一個公式而發生考試舞弊行為。在出題上，以機動靈活的題目為主，充分培養學生分析與解決實際問題的能力，既有嚴謹性又有機動靈活性。

4.3采用課程論文。這種方式能夠培養學生利用因特網、數據檢索、處理資料及應用所學知識分析問題的能力。課程論文以設計性題目為主，以解決實際工程中的案例為主，可以使學生多方面多角度地對工程實際提出多種解決方案，發揮學生理論聯系實際的能力。不足之處是學生相互抄襲現象嚴重，可通過答道形式進行區別及判定。

4.4閉卷考試形式。這種考試形式有利于考查考生的識記、理解和應用能力，也是對考生多方面基本能力素質的考查，有利于培養學生思維的敏捷性和流暢性。閉卷考試側重考查的識記、理解、理論應用諸方面的能力水平只能體現在書面表達和文字陳述之中，難以培養學生的創造力，學習的知識容易造成書本化。

5.結語

《虛擬儀器》的課程建設及教學實踐、課程的教學方式及考核方法都需要具體分析，機器多學生少時宜采用以上機為主、重點培養學生的實踐動手能力的方式；機器少學生多時，宜采用以理論教學為主，上機操作相輔的方式。教學實踐證明，考核成績可以從多方面著手，平時成績體現學生對課程的學習態度和對基本知識點的掌握程度；實驗成績反映學生的實際操作能力和對知識點的靈活應用設計能力；課程大作業反映學生的綜合分析能力和創新能力等。通過教學改革與嘗試，都取得了較好的教學效果。

參考文獻：

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計算機技術與儀器的結合是當今儀器發展的一個重要方向，這種結合有兩種方式，一種方式是將計算機裝入儀器中，這就是所謂的智能化儀器，隨著計算機功能的日益強大和體積的日趨縮小，這類儀器的功能越來越強大，有著廣泛的應用前景。另一種方式是將儀器裝入計算機中，充分利用計算機的軟硬件資源和操作系統實現各種儀器功能，這就是所謂的虛擬儀器。

一、虛擬儀器技術在實驗教學中的應用優勢

虛擬實驗室具有易于構建，易于實現試驗硬件及測試數據共享，便于異地在線檢測和遠程測控等特點，這些特點使得虛擬儀器在學校實驗室中可以發揮重要作用。運用虛擬儀器技術，可以應用現有設備搭建功能強大的實驗系統，從而節省大量的購置設備費用，可以提高儀器界面的人機交互能力和可視化程度，給實驗者提供更好用的儀器。與傳統實驗室相比，虛擬實驗室具有獨特的優點：1.能充分利用計算機現有資源；2.容易實現技術更新；3.自動化、智能化程度高；4.功能齊全、靈活、方便。這些優點在實踐教學中產生了不可忽視的作用，能夠彌補傳統實驗室的不足。虛擬儀器最簡單的應用就是代替常規的儀器，如函數發生器、示波器等，對實現信號產生及波形記錄，可以取得較好的效果。用計算機虛擬出的函數發生器，其波形、頻率、幅值等都可用鍵盤或鼠標進行設置，完全能代替常規的儀器使用。學生可以利用這種虛擬儀器及時進行數據處理，觀察和分析實驗結果。虛擬儀器的設計和使用，大大提高了學生的實驗興趣、實驗效果和效率，鞏固了他們對該課程和理論知識的掌握。

二、改變實驗教學模式，培養創新人才

有關“測試自動化”方面的傳統實驗大多數以驗證性為主，實驗內容單一，學生無需思考，按部就班地按照實驗步驟就可以做完實驗，缺乏設計性和創新能力的培養。引入虛擬儀器系統，就可靈活地增加各種設計性實驗內容， 使學生根據實驗要求，自行設計各種軟面板，定義儀器的功能，以各種形式表達輸出檢測結果，實時進行分析。因此，虛擬儀器設計不僅能鍛煉學生的獨立構思和設計能力，而且能激發學習的興趣。

三、提高實驗室水平，滿足實驗教學的新要求

虛擬儀器技術包括：信號調理技術、數據采集技術、數據處理技術、數據輸出和傳輸技術等，也就是說，虛擬儀器技術使過去互不相干、獨立分散的許多技術領域，相互影響，相互融合，并形成新的技術方法和規范。這就要求從事實驗教學的教師具有綜合實驗能力和雄厚的理論基礎，能夠緊跟現代科學技術的發展步伐，能夠不斷更新和調整實驗方法和手段，使實驗室的實驗教學設備保持其先進性。虛擬儀器的引入對人力資源的建設提出了更高的要求，而唯有人力資源得到有效的開發，才能使虛擬儀器發揮出應有的作用。

四、可以顯著降低試驗成本和提高實驗效率

傳統臺式儀器價格相對較貴，若購進一套新型的完整的測試設備少則幾萬元，多則幾十萬元，另外，還具有占用空間大、更換不方便的缺點。而虛擬儀器很大程度節約了經費，提高了試驗效率。虛擬儀器已在學生的畢業論文實驗中開始推廣使用，這種訓練不僅加強了學生對虛擬儀器的工作原理、使用方法及功能的認識，而且開闊了學生的思路和眼界，提高了處理問題和解決問題的能力。因此，開發和利用虛擬儀器系統是改革實驗教學的一個新的發展方向，必將在我校實驗領域開辟新的天地。

建設現代化的教學、科研實驗室是一項具有挑戰性的工作。虛擬儀器的產生和發展推動了試驗方式的改革，將虛擬儀器引入實驗室教學，不僅可更新實驗設備，降低實驗儀器費用，還可減少實驗測量中的人為誤差，提高實際測量的準確度，實驗效率較高。此外，在激發學生自主學習的積極性，增加單位時間的實驗內容，促進學生動手能力的提高和創新意識的培養等方面也收到了良好的效果。

五、結束語

虛擬儀器克服了傳統儀器自成系統，功能單一，體積龐大，儀器繁多，操作次數過多出現滑絲、指示不準等機械故障所導致的測量誤差。不僅虛擬儀器工作平臺的PC機可以一機多用，就是實驗室也可以一室多用，節省了大量的設備購置費，可緩解實驗室空間不足，又使現有的計算機資源得到充分利用。

將虛擬儀器技術引入實驗教學，不僅可更新實驗設備，降低實驗儀器費用，還可減少實驗測量中的人為誤差，提高實際測量的準確度，實驗效率較高。此外，在激發學生自主學習的積極性，增加單位時間的實驗內容，促進學生動手能力和創新意識等方面也收到了良好的效果。參考文獻：

[1]趙茜,夏慶觀.多功能虛擬測試儀的設計[J].電測與儀表.2005.

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1.引言

由于傳統測控設備一般只能獨立完成一項功能，而虛擬儀器可以將原來多種傳統測控設備集中于一套系統中，同時它的開放與靈活性能使之與計算機技術保持同步發展[1]。虛擬儀器的硬、軟件具有開放性、模塊性、可重復使用及互換性等特點。為提高測試系統的性能，可以方便地加入一個通用儀器模塊或更換一個儀器模塊，而不用購買一個完全新的系統，有利于測試系統的擴展[2]。本文主要基于PXI-5152板卡利用LabVIEW進行信號進行采集和分析的設計。

2.數據采集系統的設計

由于LabVIEW是基于模塊化程序設計思想，故在開發過程中也是基本上遵循這一基本思想。在總體方案確定后，根據所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后再集成和調試。創建虛擬儀器的過程的過程分為三步：

（1）編寫虛擬儀器流程圖。

（2）設計虛擬儀器的前面板。

（3）確定虛擬儀器的圖標和連接[3]。

采用模塊化的軟件設計思想編寫，每個功能的實現由一個模塊完成，系統軟件總體包括數據采集、參數測量、相位、幅頻分析、數據存儲和回放等模塊，最終實現數據采集、處理、記錄、顯示等功能。系統軟件組成框圖，軟件設計整體界面分別如圖1，圖2所示：

圖1 軟件組成框圖

圖2 PXI-5152多功能示波器前面板

2.1 信號采集模塊

LabVIEW集成了功能強大的數據采集函數庫Data Acquisition。NI公司也設計了NI-SCOPE模塊，使得編程更加簡潔化[4]。本設計應用的PXI-5152板卡所采用的軟件編寫設計模塊正是NI-SCOPE模塊。使用NI-SCOPE模塊數據采集函數建立采集程序非常簡單，其流程如圖3所示，基本過程如下：

參數設置如圖4所示，采樣方式選擇普通采樣（Normal），采樣率為200MHz，采集通道（channels）為通道0和通道1，記錄長度為1000，輸入阻抗為1歐姆，電壓耦合（vertical coupling）選擇DC方式即直接耦合，參考位置選擇50%，電壓偏移（vertical offset）為0，電壓幅值（vertical range）為10V。

圖3 數據采集程序流程圖

圖4 配置參數

觸發參數選擇如圖5所示：觸發耦合選擇DC耦合，觸發類型選擇Immediate即直接觸發，觸發源選擇0通道，即采集為1通道，觸發延遲為0s，觸發極性選擇正極，觸發電平為5V。

圖5 觸發選項

2.2 數據讀取和數據存儲模塊

LabVIEW有豐富的文件操作函數庫，本設計由于采樣率的提高，使用傳統的編寫程序可能會導致采樣點數的丟失，為了使采集到的數據能實時的讀取和存儲起來，本設計所采用TDMS模塊對數據進行實時采集和存儲，更好的保證了數據的準確性[5]。

采集時數據的讀取、存儲程序如圖所示。新建一個“.tdms”文件夾以便對采集數據進行存儲，打開TDMS，TDMS屬性設置，TDMS數據讀取（接入隊列進行對數據進行同步采集），關閉TDMS。程序圖如圖6所示。

圖6 數據讀取、存儲程序圖

3.實驗設計及結果

本設計所做實驗室為了研究，鋁板的裂紋深度不同時，檢測到的反射信號的某一特征量呈現規律性變化，即研究裂紋深度與信號特征量之間的單調關系。

實驗過程如下：實驗裝置框圖如圖7所示，激勵激光器采用150mJ能量激勵，經過聚焦透鏡后照射到標準試件上，光斑直徑為0.9mm，由燒蝕效應產生超聲波，通過表面波探頭探測信號，經數據采集系統采集、記錄實驗數據。

圖7 實驗裝置框圖

實驗過程：本次實驗采用的鋁板尺寸為200mm×50mm×8mm，表面裂紋距鋁板左邊界左側80mm，裂紋規格分別為無損、0.1×0.3mm、0.1×0.5mm、0.1×0.7mm、0.1×0.9mm（寬度×深度），由于加工誤差，實際規格為0.111×0.302mm、0.130×0.536mm、0.13×0.70mm、0.15×0.872mm。本次實驗目的是探測反射波，激勵源距裂紋10mm，在鋁板上激勵出超聲波，傳播到裂紋位置處，超聲波會在裂紋位置處發生反射，反射的超聲波被距激勵源右側10mm的超聲探頭接收。通過采集系統初步觀察并記錄數據波形，采集系統參數設置如下：采樣率：200MHz，采樣時間：50us，采用外部觸發，觸發位置：50%。為了減少實驗誤差，不同深度的裂紋分別做五次實驗并保存數據。

實驗結果中的一組數據（有裂紋時的反射及相應的頻域圖）經過MATLAB軟件進行進一步的分析，放大之后所得到的波形圖如圖8所示。

圖8 有裂紋時反射波形

4.結論

實驗結果表明：

（1）本文所設計的PXI-5152多功能示波器能高效的對數據進行采集和存儲;

（2）通過對實驗所采集到的波形分析能反應出其數據的正確性，即反應出程序設計的正確性;

（3）采集程序運行時體現了程序設計的合理性和流暢性，運行界面具有工整性、簡潔性和實用性。

虛擬儀器將所有的儀器控制信息均集中在軟件模塊中，可以采用多種方式顯示采集的數據、分析的結果和控制過程。這種對關鍵部分的轉移進一步增加了虛擬儀器的靈活性;虛擬儀器價格低，而且其基于軟件的體系結構還大大節省了開發和維護費用;由于虛擬儀器關鍵在于軟件，硬件的局限性較小，因此與其他儀器設各連接比較容易實現;虛擬儀器可實時、直接地對數據進行編輯，也可通過計算機總線將數據傳輸到存儲器或打印機。這樣做一方面解決了數據的傳輸問題，一方面充分利用了計算機的存儲能力，從而使虛擬儀器具有幾乎無限的數據記錄容量。

參考文獻

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2虛擬實驗的實現技術

目前實現虛擬實驗技術有很多,各有特點,要根據不同的實驗類型及要求,采用不同的相關技術。

2.1VRMLVRML是一種虛擬現實建模語言,用來進行三維場景的描述性語言,是在Internet網上實現全新的虛擬世界空間的關鍵性技術,具有分布式、交互式、平臺無關、三維、多媒體集成等特性,被稱為“第二代WEB”。其基本目標是建立Intemet上的交互式三維多媒體,將VRML融合到虛擬實驗室中,可以大大增強虛擬實驗室的表現力。

2.2JAVAJava是一種廣泛使用的網絡編程語言,它具有面向對象、分布式、安全跨平臺及可移植等特性,并且最大限度地利用了網絡,用Java語言開發的軟件可以具有可視化、可聽化、可操作化的特點。另外,Java還提供了豐富的類庫,使程序設計者可以很方便地建立自己的系統。本文前面所提到的國內外的虛擬實驗室,大多數都采用了Java語言編程實現。

2.3FlashFlash作為一種矢量多媒體技術,可以用于網絡交互動畫,它可以開發出具有很強功能交互式網絡動畫。Flas支持物體拖動操作,可用于虛擬實驗室中物體的移動,用Flash制作的虛擬實驗交互性非常強。

2.4LabVIEWLabVIEW是美國國家儀器公司(NI公司)推出的功能十分強大的虛擬儀器圖形化編程平臺,采用圖形化編程語言一一G語言,具有面板控件,有數據采集、分析、顯示的功能,因而容易實現虛擬儀器的軟件功能,還可以實現虛擬儀器的,通過Web瀏覽器中可以打開和運行虛擬儀器,直接控制服務器端程序的運行,獲得實驗運行結果。

3虛擬實驗在儀器分析教學中的應用

虛擬實驗在很大程度上緩解了由于實驗條件不足和儀器設備缺乏產生的限制,學生可以利用計算機反復操作儀器,不用擔心實驗設備的損耗,學校也不必擔心設備超負荷運轉導致資源浪費。虛擬技術可以將音樂、聲效、動畫界融合為一體,實現了每個儀器分析實驗操作的仿真性和實踐性,每一步的操作流程都具有形象直觀的特點,充分發揮了相較于傳統實驗教學方法的優勢,使學生能夠充分理解和掌握實驗操作。

虛擬實驗還能夠更好地為其他專業服務,集共享性和開放性于一體,各個院系之間都可以進行資源共享與開放,也方便學生利用課余時間開展開放性試驗、創新性試驗等項目總之“虛擬實驗室”在分析儀器,尤其是大型儀器設備中的模擬功能是其他技術所無法比擬和替代的,因此,它對各類院校實驗課程,尤其是儀器分析的教學,具有顯著、有效的補充和促進作用。

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中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（a）-0068-02

1 簡介

《大學物理實驗》課程是高等理工科院校對大學生進行科學實驗基本訓練的必修通識課程，是學生進行物理課程學習以及專業課程學習的基礎。它具有多樣化的實驗方法和手段以及綜合性很強的基本實驗技能訓練，對于培養學生嚴謹的科學思維、創新能力和理論聯系實際能力，引導學生確立正確的科學思想和科學方法，提高學生科學素質以適應科技發展與社會進步等方面有著十分重要的意義。

高校擴招及社會對高校實驗教學提出更高要求，使得各高校實驗教學方面的缺陷凸顯，學校面臨實驗設備的質量和數量不足，無法為廣泛的實驗教學提供有效的支持，學生實驗能力培養欠缺等嚴峻形勢。2001年，教育部提出了積極開展網絡實驗室建設的建議，鼓勵各大高等院校搭建網絡實驗室，實現資源的共享與互補。

基于虛擬儀器的仿真實驗系統及網絡實驗室是利用虛擬儀器技術和互聯網技術的實驗平臺，整個實驗系統由客戶端、實驗管理服務器、互聯網、實驗單元和實驗儀器單等部分組成，具有良好的資源共享性、互動操作性、擴展性和安全性，允許多用戶、多實驗同時進行，可以讓學生在任何時候、從任何地點訪問實驗室，從而大大提高實驗教學的伸縮性和適應性。

虛擬仿真實驗系統在實驗方式上可以彌補普通教學中的實驗教學環節不足或輔助實驗教學；在教學模式上可綜合利用計算機技術，完成傳統教學中無法實現的實驗條件和實驗內容，突破傳統的實驗教學模式，提高實驗教學質量，因而在各高校的實驗教學中得到了長足的發展，在《大學物理實驗》課程教學中也得到了廣泛的應用。

在對大學物理虛擬仿真實驗的使用過程中，我們發現了一些虛擬仿真實驗值得改進和加強的地方，在此提出，以供商榷，期望虛擬仿真實驗能日臻完美，更貼近《大學物理實驗》課程教學的要求，在課程教學及創新人才培養方面發揮更大作用。

2 大學物理實驗教學對虛擬仿真實驗的更多期待

2.1 虛擬儀器更趨真實

虛擬仿真實驗及網絡實驗室的基礎是虛擬儀器。虛擬儀器是在美國國家儀器公司1986年提出的“軟件就是儀器”這一口號的基礎上發展起來的，其概念是用戶在通用計算機平臺及必要的數據采集硬件的支持下，根據測試任務的需要，通過軟件設計來實現和擴展傳統儀器的功能。與廠家設計并定義好功能的、有固定的輸入輸出接口和操作面板的、只能實現一類特定測量功能的傳統儀器不同，虛擬儀器的用戶可以根據自己的需求設計儀器系統，并可通過修改軟件來改變或增減儀器的功能，真正體現“軟件就是儀器”這一概念。

虛擬儀器應用于物理實驗教學將有助于改革傳統的實驗教學，充分利用網絡資源開展網上實驗，并可開出符合課程內容的許多新實驗，改變實驗技術跟不上新技術的局面，使學生的創新能力及掌握新技術、新知識的能力得以提高。但目前虛擬實驗儀器模型的種類比較缺乏，無論就外觀還是功能而言，其真實性與實驗室的具體實驗器材相比都還存在欠缺之處，這會導致學習者在現實環境下進行實驗操作時產生疑問，無所適從，不利于知識的遷移。比如光學中的邁克耳遜干涉儀實驗，不同廠家生產的儀器在外觀、調節部件及功能等方面有較大的差別，如果學生在虛擬實驗中接觸的儀器與實際操作所使用的儀器相去甚遠的話，學生的困惑是可想而知的。因此，完善虛擬元件模型，豐富虛擬器材品種，增強虛擬儀器的仿真效果，是一般認知過程的需要，它既可加深學生對儀器本身設計原理的理解，也有助于學生發現實驗設備設計的優勢和缺陷，激勵學生探索性思維。

2.2 包含更豐富的實驗原理

《大學物理實驗》課程教學的主要任務是培養與提高學生科學實驗基本素質，確立正確的科學思想和科學方法；培養與提高學生創新思維、創新意識、創新能力；培養與提高學生的科學素養。課程教學的基本要求是學生具有理論聯系實際和實事求是的科學作風，嚴肅認真的工作態度，主動研究的探索精神，遵守紀律，團結協作和愛護公共財產的優良品德。要完成上述教學的主要任務和基本要求，教學過程的一個基本出發點就是學生要對實驗原理有一個比較正確、全面和清晰的認識理解。

目前，主流的仿真虛擬軟件在知識導航的設計上基本上延續了傳統多媒體課件的導航模式，通過使用圖片、動畫、語音等多媒體元素，以線性結構展示整個實驗的過程。這種模式不僅使學生比較難于在短時間內掌握實驗的整體框架和關鍵操作要領，而且忽略了實驗原理對實驗的主導及指導作用，不利于學生對實驗原理的認知和理解。虛擬仿真實驗如果能充分利用易于被學生接受的視覺及聽覺技術來展示實驗原理，并在整個實驗過程中貫穿實驗原理這一條主線，讓學生認識到全部的實驗都是基于實驗原理進行的，都是在實驗原理的框架下完成的，學生對實驗原理的認識和理解無疑會更上一層樓，對科學思想和科學方法方面的領悟會更深入，對理論聯系實際能力的培養也會更有效。

2.3 能夠再現復雜具體的實驗環境

實驗是人類認識萬千世界的重要方法。實驗研究和理論研究作為兩種相輔相成的科學研究方法，是推動社會進步和科技發展的重要力量。實驗教學以其直觀性、實踐性、創造性等優點，在培養學生學習基礎知識、提高動手能力、掌握科學研究方法等方面發揮著重要作用。虛擬實驗將計算機技術、軟件技術以及網絡技術和傳統實驗儀器結合起來，改變了實驗系統的構建模式，可提升實驗儀器的整體性能，突破實驗操作的時空限制，是傳統實驗的變革。

虛擬實驗的最終目的是為了認識現實世界，也就是說，虛擬實驗最終是要回到復雜具體的真實實驗環境中的。我們從虛擬世界獲得的知識，其在現實世界中的有用，或者說有效程度，取決于虛擬對現實的模擬程度。目前的虛擬大學物理實驗基本上都是理想化的：儀器是標準的，方法是正確的，環境是理想的，結果是完美的，一切都是無誤差的，因為都是由設計好的程序來實現的。但真實的實驗環境卻是復雜而具體的：實驗儀器需要組裝、調試和校準，同一套實驗方法的施行也會因人而異，實驗環境會因時因地而改變，實驗結果也就包含了多方面的誤差在內。所以，如果能在虛擬大學物理實驗中增加對一些對常見環境變化的模擬，考慮一些可預知的人的因素，使其所虛擬的實驗更加接近真實，其教學效果或許會更加優秀。仍以邁克耳遜干涉儀實驗為例，如果能把底座不水平、兩端鏡距離過大（即超出相干長度）、兩鏡不平行時如果夾角逐漸增大或減小、沒放置補償板等情況都模擬實現的話，該虛擬實驗與真實情況的差距即可得到進一步的改善。

2.4 對創新實驗能力的更多培養

培養與提高學生創新思維、創新意識和創新能力是《大學物理實驗》課程教學的主要任務之一。與所有的實驗教學一樣，創新能力的培養在《大學物理實驗》課程教學中尤為重要。在傳統實驗教學過程中，開展探索型實驗是使學生獲得創新能力培養鍛煉的有效方式之一。

與傳統實驗一樣，虛擬實驗也可分為演示型實驗、動手操作型實驗和探索型實驗。在探索型實驗中，學生要經歷從實驗設計到實驗結果的整體過程，他們必須自己思考如何選擇及操作實驗儀器，如何實施及改進實驗過程，如何判斷實驗數據的準確性和誤差程度，如何總結規律或發現問題等等。所以這類虛擬實驗應該具備極強的交互能力：虛擬儀器應具有真實設備的所有功能屬性；實驗操作應該可以自主調整；測量結果應反映真實情況等。如此，學生方可通過虛擬而探索出真知，達到對創新能力培養的目的。

3 結語

在《大學物理實驗》課程教學中，為了利用虛擬實驗，達到較好的教學效果，期望虛擬實驗能在虛擬儀器的真實性、對實驗原理的更好體現、對實驗環境的模擬，及對創新能力的更多培養等方面做得更多更好。

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0 引言

某發射機構作為導彈武器系統的重要發射控制部件，其性能的好壞直接影響武器系統的總體戰術指標。因此發射機構在研制過程中和投入生產后需進行嚴格的測試，進行常溫測試、高低溫測試和交付試驗等，檢測發射機構在常溫及高低溫狀態下的性能。論文寫作。通過測試，暴露出發射機構各分組件、部件、分部件及有關元器件的制造缺陷，可及早將這些問題予以排除，提高發射機構工作的可靠性，以完成產品的調試生產、質量控制、驗收交付等任務。

1 問題的提出

發射機構測試系統是根據生產任務要求研發的，原有測試軟件是用C語言在DOS下開發的，界面簡單，操作復雜。隨著計算機硬件的升級，WindowsXP已經成為主流的操作系統，研制在Windowsxp新的測試軟件是非常必要的。

2 策劃

2.1硬件設計

本測試系統主要由工藝發射機構產品、信號處理電路、數據采集板卡、工控機以及軟件平臺等組成。發射機構的一些數據被數據采集板卡測得；各項狀態則通過信號處理電路進行調理后，引入工控機；軟件系統根據測試要求輸出控制信號，經過處理電路后來實現對產品的控制。工控機內裝有研華公司的PCI-1710卡和PCI-1721用來控制產品狀態和讀取測試數據，系統結構如圖1所示：

圖1 發射機構測試系統硬件框架

2.2 系統的軟件設計

發射機構測試系統的軟件采用NI公司的LabWindows/CVI進行設計開發。該軟件是面向計算機測控領域虛擬儀器軟件開放平臺，是以ANSI C為核心的交互式虛擬儀器開發環境，將功能強大的C語言和測控技術有機結合，具有靈活編程方法和豐富的函數庫，為開發人員建立檢測系統、自動測試環境、數據采集系統、過程監控系統等提供了理想的軟件開發環境，是實現虛擬儀器及網絡化儀器的快速途徑。

為了提高測試模型組合的靈活性和通用性，采用模塊化設計的原則，將測試系統分為數個模塊。本測試系統軟件功能的結構框圖如圖2所示。

圖2 軟件系統結構框圖

系統狀態控制模塊可進行測試系統自檢狀態和測試狀態的轉換；

狀態監控模塊可監控發射機構的供電、開鎖，切除等狀態并顯示到面板的指示燈；

發射機構狀態控制模塊可通過測控電路控制發射機構各種測試狀態；

板卡控制模塊可對PCI－1710和PCI－1721板卡進行控制和測試數據的采樣；

功能測試模塊可對發射機構的各個測試項目進行測試并記錄測試結果；

數據記錄模塊可將測試數據導入到EXCEL電子表格并可打印輸出；

3 實施方案

3.1 硬件設計方案：在測試系統中，除了要處理模擬量輸入、輸出信號外，還要處理開關量和脈沖量信息，以便及時反映開關量狀態并執行監視、控制的功能。硬件中采用光電隔離技術，使用光電隔離不僅可以使計算機的控制輸出通道與被控負載之間在電氣上完全隔離而達到良好的抗電磁干擾技術指標，也使這些控制指令具備足夠的功率驅動能力，進而可靠實現驅動繼電器等部件的目的。

3.2 測控軟件設計方案：測試軟件主界面主要完成的功能是實現測控系統的功能選擇和系統的測試數據管理，測試系統主界面如圖3所示：

圖3 測試系統軟件主界面

從圖中可以看出，用戶界面是一個有機的界面系統。主要包括：

A. 測試信息區域，用于輸入和顯示本次測試的產品編號、操作者、檢驗員等信息。

B. 測試項目區域，配合快捷按鍵可測試中的各項參數，便于測試人員在測試過程中更加直觀地觀察測試過程。

C. 測試狀態指示區域，用來指示發射機構的各個測試狀態。

D. 測試過程消息區域，用來指示測試過程現在進行到那個步驟，并給出該測試步驟的狀態信息。

E. 測試電壓監視區域，主要在測試過程監測發射機構供電電壓。

F. 測試信號波形指示區，在測試過程中顯示測試信號的波形。

G.自動測試按鈕，按下該按鈕，可實現自動測試的功能。論文寫作。

3.3 軟件測試流程圖如圖4所示：

3.4 關鍵技術:

3.4.1信息信號和制導指令信號的模擬輸出技術：

在本測試系統中，需要模擬導彈產生的信息信號和制導指令信號。測試軟件采用DMA技術利用PCI－1721板卡產生各路波形信號。主要函數定義如下：

void SetMultiToOneBuffer(USHORTusEnabledChannel, int count)；

voidSetRealBuffer(float far *lpBuf, long num, LPSWAVE lpWave)；

voidUserThread()；

voidadInterruptEvent()；

voidadBufChangeEvent()；

voidadOverrunEvent()；

voidadTerminateEvent()；

voidMyFreeBuffer()；

int Inf_Out(intnum,long rate,float Magnitude0,float Magnitude1,float Magnitude2,floatMagnitude3)；

通過上述函數將需要產生的波形先存入緩沖區，在啟動PCI－1721的DMA數據傳送的功能啟動線程，即可產生需要的各種信號波形。

3.4.2 測試系統要求實時監控產品的各項狀態。

由于使用Timer定時器時所發送的定時消息受到消息隊列和系統時鐘頻率等因素的影響，不能使得定時消息得到及時的響應和處理。同時，測試流程中需要進行一定的延時等待，因此，不能使用Timer定時器。在此，使用異步定時器控件來實現實時監控的問題。異步定時器通過加載驅動位于toolbox中的 asynctmr.fp來實現調用。與定時器控件相比，異步定時器控件由于使用獨立線程，與程序主線程無關，能夠提供可靠的定時精度，不會受到主載荷的影響。異步定時器的建立、刪除和設置，分別通過調用函數 NewAsyncTimer()、DiscardAsyncTimer()和SetAsyncTimerAttribute()來實現。定時響應函數的聲明為：IntCVICALLBACK MyTimerCallback (int reserved, int theTimerId, int event, void*callbackData,int eventData1,int eventData2);

在測試系統軟件啟動以后，建立一個定時器；然后設置定時器的定時時間和響應函數；在軟件退出時，刪除定時器；在定時響應函數中，調用板卡控制模塊提供的讀取數據函數，來實現實時狀態監測的功能。論文寫作。

2.效果和結論：

測試軟件現已經過調試和嚴格的測試，運行良好，測試結果可靠，操作界面友好，使用方便，測試結果準確，測試過程簡潔優化，大大提高自動化檢測水平。該測試系統現已經過檢驗驗收，達到交付的狀態，完全滿足了發射機構自動測試的需要。

參考文獻

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[2]孫曉云，郭立煒，孫會琴．基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設計與應用[M]．北京：電子工業出版社，2005．

[3]張毅剛，喬立巖等．虛擬儀器軟件開發環境LabWindows/CVI6.0編程指南[M]．北京：機械工業出版社，2002．

[4]周磊，滕克難，施建禮．基于LabWindows/CVI高精度定時[J].電子測量技術，2004，4：29-30．

篇（11）

【中圖分類號】G40-057　【文獻標識碼】A　【論文編號】1009-8097(2012)08-0113-04

引言

實驗教學是在教師指導下學生運用相應的儀器設備進行獨立作業，觀察事物和過程的發生變化，探求事物的規律，以獲得知識和技能的一種教學方式。實驗教學的儀器設備水平常被作為學校教學、科研水平的重要標志。因此實驗室建設應立足于高起點，跟蹤國際先進水平，運用新技術、新知識，創造優良的實驗環境，才能培養出高素質、具有創新能力的人才。

教育技術學科的有關課程實驗，作為重要的教學方式貫穿在整個教育技術學科的教學體系中，推動著知識深化、實踐應用與創新發展。但因學科課程的實驗教學大多依附于理論課程體系，課時較少，實驗教學內容相對陳舊，削弱了學生對實驗教學的興趣，難以調動學生學習的積極性和主動性。在信息時代知識經濟和創新教育的大環境下，社會要求教育技術學科培養出理論功底扎實，具有較強實踐科研能力和創新精神的人才。這就必須改革學科課程的實驗教學模式，培養學生創新意識，提高實驗教學效果。而學習和掌握LabVIEW開發平臺，對于學生全面掌握理論知識并融入實踐，提高動手能力，培養科學思維方式及創新能力有著深遠影響。本文首先對LabVIEW開發平臺作簡要的介紹，然后深入探討與教育技術學科的部分課程進行融合的重要意義與實現的可行性。

一　LabVIEW開發平臺

1　LabVIEW(Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench)

LabVIEW是由美國國家儀器公司(NationalInstruments，簡稱M)開發，采用數據流編程方式，由圖標替代文本命令創建應用程序的圖形化編程語言，目前最新版本為2011。與傳統程序根據語句和指令的先后順序決定執行順序的方式不同，如圖l的程序框圖中，節點或圖標之間的數據流向決定了Ⅵ及函數的執行順序。LabVIEW的圖形化源代碼類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼或G代碼。程序框圖是圖形化源代碼的集合，決定了Ⅵ的運行方式，利用圖形化表示的函數來控制前面板對象。前面板對象在程序框圖上顯示為圖標接線端，連線將輸入控件和顯示控件的接線端與Express Ⅵ、Ⅵ和函數相互連接，數據從輸入控件沿著連線流向Ⅵ和函數，最終流向顯示控件。Ⅵ即虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。有著類似于實物儀器的外觀和操作，通過對其屬性的設置可對數據進行采集、顯示、分析及存儲，幫助用戶減少編程中的差錯。Ⅵ的前面板由用戶創建的各種輸入控件和顯示控件界面構成，輸入控件對應實物儀器的按鍵、旋鈕和開關等部件，顯示控件對應實物儀器顯示屏中的波形、刻度和發光二極管、數碼管等部件。用戶創建自定義界面時，通過添加各種圖標而生成代碼，達到控制前面板對象。由于LabVIEW的接口遵循國際標準，因而可與大多數硬件設備進行通信。

2　模塊組成

LabVIEW主要包含六大類近50種的模塊及工具包，涵蓋了多種行業，如電子電氣工程、計算機工程、機械工程、生物工程、物理、化學工程等工程領域中的測試測量和自動化等領域的應用，見表1，全球財富500強中85％的生產制造企業都采用Ⅻ的虛擬儀器技術，其中包括IBM、Intel、SIEMENS、HP、MicrosoR等知名企業。

3 LabVIEW的優勢

與許多價值昂貴的傳統儀器設備相比，LabVIEW軟件及與其相關的硬件優點在于：

(1)開發平臺易學易用、資源豐富，能縮短開發虛擬儀器的周期。

(2)由用戶使用軟件平臺自主開發更有針對性的虛擬儀器，靈活性強，性價比高。

(3)通用的數據接口使數據更易處理與交換。

(4)軟件平臺的性能隨著計算機硬件配置的提升而提升，是虛擬儀器運行速度的保障，不受測量設備硬件生產廠商的限制。

其高性價比為其廣泛應用奠定了良好的基礎。

二　教育技術學科的實驗課程設置

1　教育技術學科課程的總體狀況

根據學科的專業性質和教學計劃，教育技術學科畢業生的培養目標應是教育信息化的實踐者、管理者和研究者。在專業實踐方面，能夠承擔教學與培訓設計、資源開發、環境建設與管理等具體工作，并通過不斷學習能把握教育信息化發展的趨勢，勝任新的要求。在促進學科發展方面，能夠與教育界同行進行有效交流，共同推動現代科技條件下教育事業的發展。還應根據各校培養規格的實際情況，去進行教學設計。研究型培養計劃的學時分配，應適當向基礎課、專業基礎課傾斜，實踐教學環節要注重學生創新能力的培養；應用型培養計劃的學時分配，應適當向傳授專門應用技術的專業課傾斜，實踐教學環節注重培養學生應用所學專業知識的能力。

2　具有實驗的課程介紹

以教育技術學科師范類本科專業為例，學生四年內最低修讀164.5學分(含教育實習、畢業論文的25學分)。其中課程中具有實驗的統計見表2。

在進行統計的41門課程中與計算機相關的課程占絕大多數?？捎心康挠兄攸c的在教學計劃中挑選一些課程作為與LabVIEW軟件融合的例子，并將它們分成電子類和計算機相關課程類，其中電子類的課程包括電視原理與系統、電子線路、數字電路、數字電視，計算機相關課程類包括c程序設計、計算機網絡、人工智能概論、數據庫原理、網絡工程、微機原理、網絡教學資源與應用。這些課程的理論學時數與實驗學時數堆積圖如圖。