信息工程专业实验课中虚拟仪器的运用

　　摘 要 为适应现代信息工程类实验教学人才培养的需要，提高实验的多样性、综合性和尖端性，探讨了基于LabVIEW软件和数据采集卡构成的虚拟仪器技术，运用到实验教学中去，通过对实际实验过程和结果的分析，表明了该技术具有操作简单、测量结果误差小、易于扩展实验内容以及节约成本等优点，可在实验教学中广泛推广和应用。
　　
　　关键词 虚拟仪器技术 实验教学 LabVIEW 数据采集卡。
　　
　　在信息技术高速发展的时代，计算机在科研、教学实验以及工程实践中广泛应用。利用计算机的高集成性、数据处理高速性、系统稳定性以及可扩展性等特点，研究开发出虚拟仪器技术来替代部分传统仪器。虚拟仪器可使用通用的数据采集卡和软件编程平台 LabVIEW,只需随时更新集成卡芯片和软件程序则可开发出不同的功能，这一特点也使得虚拟仪器在高等学校信息工程类实验教学中发挥重要作用。
　　
　　1 虚拟仪器技术介绍

      虚拟仪器是将 LabVIEW 软件平台和高性能的硬件相结合，构成功能齐全又易于扩展的基于计算机的测量系统。虚拟仪器主要特点是测量端是在计算机上显示，可用 LabVIEW 软件随意设置测量的参数和分析数据测量结果，如需提高测量精度，则只需更换数据采集卡中核心芯片即可，更新升级方便。
　　
　　虚拟仪器基本组成包括 PC 机、LabVIEW 软件、硬件采集模块等。硬件采集模块主要解决数据的输入和输出，软件主要把输入的数据进行分析并用相应的图形显示出来，具体显示何种图像需要在后台进行编程。虚拟仪器应用软件集成了传统仪器的数据采集、系统控制、结果分析和显示界面等功能，使传统仪器或者部分功能都被虚拟仪器所取代。
　　
　　虚拟仪器把传感器、信号图像处理、电子、通信、仿真、单片机、网络等多项技术相结合，具备强大的集成性功能，其主要优点表现在：（1）改变传统仪器无法更改的现象，用户可自定义，根据实验需求随时添加、删除仪器，或改变仪器部分功能；（2）可以改变传统仪器不能及时的进行数据处理、显示、传输的功能；（3）可减少人为误差、使数据测量精度和测量速度大大提高；（4）传统实验设备只能固定完成设置好的几个实验内容，而虚拟仪器可根据需求随时更换不同的实验内容，扩展方便；（5）可以进行远程监控、测量，实现单台仪器同时对多个不同对象进行远程实时检测；（6）目前国内高校使用的高档数字示波器、高频信号源、频谱仪几乎都是进口设备，且价格昂贵，采用虚拟仪器技术然后配备相应的数据采集卡可弥补这些不足，不仅能达到实验效果还极大地节约了实验室建设经费。
　　
　　2 虚拟仪器技术解决实验教学中存在的问题

      当前企业对理工科毕业生的实际操作能力要求越来越高，而在校学生的动手能力主要是通过实验操作来锻炼，所以对于应用型高校，实验教学的地位甚至高于理论课教学。通过调查研究出传统实验教学中存在的普遍问题，利用虚拟仪器技术可得到极大的改善，具体表现在：
　　
　　（1）数字电路、模拟电路等用实验箱完成的实验课程，由于具体电路已经焊接并封装到实验箱中，每学期开展的实验项目就是一成不变的，极大地阻碍了学生的创造性思维。而引入虚拟仪器后，学生可以分组任意组合电路，实现课程项目的多样化。
　　
　　（2）高频电子线路实验、通信原理实验等专业性强，难度大的课程，因为人为的操作，外界环境和影响，较难实现理想的实验现象，学生就不能通过实验来验证理论知识，而虚拟仪器软件中包含有调制解调工具包，包含有模拟和数字两种调制方法，学生可以任意设计调制解调代码和参数，观察调频和鉴频、调幅和检波以及时域和频域波形。
　　
　　（3）单片机、嵌入式技术实验等内容更新频繁的实验课程，由于计算机运算速度不断加快、单片机外围设备不断集成化、平均 2 到 3 年就有新技术产生，伴随有新的单片机芯片的新，而虚拟仪器技术只需更新数据采集卡就能和新的单片机芯片兼容进行实验测量。
　　
　　（4）目前，国内很多高校由于实验场所有限，专业性较强的实验室建设较少，这样学生无论是对理论课知识理解和动手能力的培养都难以达到效果。而把虚拟仪器技术引入实验室后，只需更改后台程序和数据采集卡，就可以把多门实验课程集合到一个实验室，不仅能大大提高实验室的利用率，还节约了成本。
　　
　　3 虚拟仪器技术实验教学中的应用实例

      RLC 串联谐振频率的测量是电路基础实验中综合性较强的一个实验项目，下面以本实验为例，来具体说明虚拟仪器的使用方法。
　　
　 （1）按要求连接好RLC串联谐振电路，将R两端分别连接到数据采集卡的信号线和 GND;
   
    （2）把数据采集卡和计算机通过USB接口连接通信，无需安装驱动，可适应多个操作系统，直接由USB供电，简单方便，如图 1 所示；

　 （3）打开 LabVIEW 软件，根据需要添加测试仪器的前面板，本实验添加的是虚拟示波器和虚拟频谱仪，然后进行后台编程，如图 2 所示；

　 （4）通过调节输入端信号源的频率，用虚拟仪器显示谐振频率为 10Hz,和用实物仪器测量结果一致，如图 3 所示。

　　
　　4 结束语

      信息工程类课程不仅要求学生了解电路的工作原理和参数计算，更重要的是对学生动手操作、设计以及创新能力等综合素质的培养。而虚拟仪器正是因为其灵活性、集成性和共享性等优点，改变传统实验仪器按部就班的模式，对培养学生的学习兴趣和创新思维能力有极大的帮助，在今后的实验教学中会发挥更加重要的作用。
　　
    参考文献

[1] 伍星华，王旭。国内虚拟仪器的应用技术研究现状及展望[J].现代科学仪器，2011.8（4）：112-116.
[2] 张毅刚。虚拟仪器介绍[J].国外电子测量计算，2006.25（6）：1-6.
[3] 路亚峰等。虚拟仪器技术研究现状与展望[J].理论与方法，2010.29（11）：1-3.
[4] 朱岩，余愚。虚拟仪器技术研究现状与展望[J].现代制造技术与装备，2008（6）：12-14.