虛擬儀器電子實驗室的設(shè)計及實現(xiàn)

1、虛擬儀器電子實驗室的設(shè)計及實現(xiàn)摘要: 為提高電子實驗室的使用質(zhì)量及效率，對電子實驗室進(jìn)行設(shè)計。在對電子 實驗 室現(xiàn)狀進(jìn)行分析的根底上，詳細(xì)闡述了虛擬儀器電子實驗室的整體結(jié)構(gòu)，以 及根本硬 件電路和軟件程序的實現(xiàn)路徑，碩件局部通過 PCI 總線同汁算機相連。 通過在電子實 驗室引入虛擬儀器技術(shù)， 實現(xiàn)了對實驗環(huán)境的有效模擬以及電子測 量中電路設(shè)計和相 關(guān)實驗仿真，在提高學(xué)生實踐能力的同時節(jié)約了教育資金。關(guān)鍵詞:虛擬儀器 ;虛擬環(huán)境;開放型虛擬電子實驗室；電路設(shè)計隨著各行業(yè)及高校對學(xué)生實踐能力重視程度不斷提高，各高校尤其是工科類 院 校教學(xué)計 ?劃中的實踐教學(xué)占比不斷提高，意在通過實踐與理論的有效

2、結(jié)合，全 面提 升學(xué)生的綜合能力。實踐教學(xué)在提高實踐創(chuàng)新能力方面發(fā)揮著重要作用， U 前在提高 實驗室實驗質(zhì)量及效率的同時降低投入本錢成為高校建設(shè)與改革實驗、 實訓(xùn)室的主要 標(biāo)?？焖匍_展完善的計算機技術(shù)及儀器儀表技術(shù)，促使傳統(tǒng)儀器 向虛擬儀器開展， 通過引入虛擬儀器技術(shù)及平臺完成虛擬儀器電子實驗室教學(xué)系 統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用， 已成 為高校改革和完善實驗、實訓(xùn)教學(xué)工作的有效手段，建設(shè) 虛擬儀器電子實驗室的重點 在于對構(gòu)成虛擬儀器設(shè)備進(jìn)行充分運用。1 需求分析隨著高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及各專業(yè)對實驗實訓(xùn)需求的不斷提高，作為 高 校教學(xué)及課題研究的重要場所， 實驗室教學(xué)過程對相關(guān)測試儀器及設(shè)備等的質(zhì)

3、量及數(shù) 量要求隨之增加，而通常實驗儀器設(shè)備的使用及維護(hù)管理本錢較高，并且 局部設(shè)備技 術(shù)更新速度較快，導(dǎo)致局部高校實驗室硬件資源緊缺問題日益突出。 快速開展的虛擬 現(xiàn)實技術(shù)為電子測量、設(shè)汁、實驗等領(lǐng)域創(chuàng)新開展提供了技術(shù)支 撐，在數(shù)據(jù)存儲、分 析及顯示方面虛擬儀器技術(shù)具備較大的優(yōu)勢， 虛擬儀器技術(shù) 通過計算機與儀器碩件間 的有效結(jié)合，實現(xiàn)了計算機數(shù)據(jù)處理同現(xiàn)場測量、控制 儀器硬件功能的有效結(jié)合，在 提高儀器性能的同時降低了儀器使用本錢，此種儀 器模式具備優(yōu)越的性價比，受到各 高校實驗室的青睞，在改造、建設(shè)高校實驗室 過程中通過虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用可使實 驗室的使用及維護(hù)本錢得到顯著降低。 基 于虛

4、擬儀器的電子實驗室通過相關(guān)軟件的優(yōu) 化與完善，可有效提高高校實驗教學(xué)質(zhì)量 1。2虛擬電子實驗室的構(gòu)建當(dāng)前虛擬電子實驗室在實際教育教學(xué)應(yīng)用過程中有待進(jìn)一步完善。高校實驗 室 普遍存在儀器設(shè)備陳舊老化導(dǎo)致參數(shù)發(fā)生較大變化的問題，因受到資金、管 理水 平等的限制而難以及時更新， 傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式受實驗室質(zhì)量的影響限制 了實驗教 學(xué)作用的充分發(fā)揮，不利于提高學(xué)生的自主實踐學(xué)習(xí)能力，難以滿足應(yīng) 用型人才的培 養(yǎng)需求。本文主要以實踐性較強的電路分析課程作為研究對象，通 過設(shè)計一種虛擬儀 器電子實驗室實現(xiàn)利用已有實驗設(shè)備完成相關(guān)實驗操作， 進(jìn)而 幫助學(xué)生驗證電路原理、 穩(wěn)固理論知識。實驗過程中的常見問題主

5、要包括：因元 器件燒壞影響了實驗的正常進(jìn) 行; 學(xué)生在連接電路操作上花費時間較多，注重得 到正確的實驗數(shù)據(jù)而無視了對電路 的分析 ; 實驗所用元件因參數(shù)離散程度較高， 導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，降 低了儀器測量的準(zhǔn)確度，無法獲得相應(yīng)結(jié) 論。根據(jù)電子實驗室建設(shè)及使用需求，利用 虛擬儀器技術(shù)完成虛擬電子實驗室的 設(shè)汁，使課程實驗及電路設(shè)計的教學(xué)需求得到有 效滿足 2。虛擬電子實驗室可 有效彌補傳統(tǒng)實驗室的缺乏，提高實踐教學(xué)效率和 質(zhì)量，通過建立一種新的實驗 教學(xué)方法，將實驗內(nèi)容與理論緊密聯(lián)系起來，幫助學(xué)生 掌握實物實驗操作過程及 仿真軟件技術(shù)，具體分解、分析實驗過程，同課堂理論教學(xué) 內(nèi)容有效

6、銜接。針對 具體實驗內(nèi)容，通過虛擬環(huán)境完成動態(tài)模擬分析過程。虛擬電子 實驗室在實現(xiàn)不 同實驗測試流程時，可以教學(xué)實驗內(nèi)容為依據(jù)，結(jié)合 PC 機和虛擬儀 器技術(shù)完成 對應(yīng)測量儀器的設(shè)汁。虛擬電子實驗室的總體架構(gòu)示意圖如圖 1 所示。 EDA 電子 設(shè)計自動化系統(tǒng)實驗局部的碩件電路設(shè)計主要通過使用仿真軟件完成， 通過系 統(tǒng)仿真完成測試過程 ; 電子測量試驗的虛擬儀器界面的搭建主要通過運用訃算 機 軟件和外兩硬件電路完成， 相關(guān)數(shù)據(jù)山傳感器完成采集與測量， 經(jīng)分析獲取相應(yīng) 的 數(shù)據(jù)和波形，提交和生成實驗報告 3。3 開放型虛擬電子實驗室的實現(xiàn)3. 1虛擬儀器的應(yīng)用。虛擬儀器可實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的虛擬技

7、術(shù)，虛擬儀器 作為 一種新型儀器，正是通過綜合運用相應(yīng)硬件及專用軟件實現(xiàn)了傳統(tǒng)儀器的功 能，具備 易操作、靈活方便等優(yōu)勢，虛擬儀器根本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，硬件電路模 塊的主要功能 包括對外部模擬信號進(jìn)行檢測使用傳感器完成，完成檢測信號到 對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn) 換，并對信號進(jìn)行進(jìn)一步檢測使用信號檢測電路完成，然后使 用數(shù)據(jù)采集卡將經(jīng) 放大、濾波處理得到的可用電信號的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換、 采集和處理。軟件部 分主要包括虛擬示波器及驅(qū)動碩件電路工作的驅(qū)動程序設(shè) 計，信號采集驅(qū)動程序如圖3所示，通過PCI總線的接口電路實現(xiàn)同 PC機間的 數(shù)據(jù)通信4。使用虛擬軟件圖 形完成對虛擬界面的設(shè)計，通過設(shè)置相

8、關(guān)參數(shù)使 用圖形化編程語言完成實現(xiàn)對虛 擬儀器的控制過程，并在此根底上完成實驗處 理過程。虛擬儀器控制功能通過對硬件 電路的操控來完成， 傳統(tǒng)儀器的測試功能 通過虛擬儀器軟件與各類虛擬集成子塊實現(xiàn)， 圖 4 為相應(yīng)的數(shù)據(jù)變化及處理過程。 運用電子實驗室提供的根本設(shè)備如發(fā)生器、示 波器等對儀器進(jìn)行調(diào)試，防止因 儀器精度不準(zhǔn)而導(dǎo)致的實驗數(shù)據(jù)誤差，節(jié)約實驗室 建設(shè)及使用本錢 5。 3. 2 虛擬實驗室通信功能的實現(xiàn)。開放型虛擬電子實驗室通過 網(wǎng)絡(luò)完成實驗動態(tài)數(shù)據(jù) 的獲取以及控制信號到效勞器的傳送， 虛擬電子實驗室信號處 理過程示意圖如圖 5所示，該處理過程要求效勞器具備多線程狀態(tài)及較高的計算能力。

9、實驗硬件可 位于遠(yuǎn)端，用于分析和處理數(shù)據(jù)的軟件那么在客戶效勞器端運行，通過此種 方式實 現(xiàn)了使用客戶端網(wǎng)頁對遠(yuǎn)程教師效勞器的實時控制， 經(jīng)客戶端分析后的實驗數(shù) 據(jù) 可根據(jù)實際需要生成實驗報告并提交給教師效勞器， 完成遠(yuǎn)程實驗操作 6?；?于 虛擬儀器的電子實驗室實現(xiàn)了大量高額的硬件資源的共乍包括具體的測量數(shù)據(jù)，使實驗室面臨的實驗設(shè)備短缺問題得以有效解決， 在顯著提高硬件實驗儀 器利用率的 同時降低實驗室的綜合本錢。 該電子實驗室支持相關(guān)數(shù)據(jù)及實驗分析 結(jié)果的遠(yuǎn)程采集 和上傳，本文通過使用 DataSocket 技術(shù)實現(xiàn)了虛擬電子實驗室 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和實 時發(fā)布，支持?jǐn)?shù)據(jù)在不同客戶機應(yīng)用軟件間

10、的共享，該技術(shù) 主要由 DataSocket 效勞 器及效勞管理器構(gòu)成。作為一種獨立運行的程序，DataSocket 效勞器主要對不同權(quán)限客戶端間的數(shù)據(jù)交換過程進(jìn)行管理，提供自山的數(shù)據(jù)傳輸功能，通過優(yōu)化和管理TCP/IP 實現(xiàn)了對 Internet 通信方式的有效簡 化，可對各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接傳送 山 客戶端采集。效勞管理器主要負(fù)責(zé)對 用戶的權(quán)限、效勞器最多客戶機可連接數(shù)量進(jìn) 行設(shè)置，完成用戶和用戶組的創(chuàng)立。DataSocket效勞器能夠?qū)崿F(xiàn)實驗儀器的遠(yuǎn)程共享。 只有授予權(quán)限的用戶才能進(jìn)行 實驗，選擇完對應(yīng)實驗后，按下開始實驗按鈕即可進(jìn)入 各參數(shù)測量環(huán)節(jié)，實現(xiàn)基 本錄入、實驗參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)

11、顯示及存儲等功能 7。4 虛擬儀器在電路分析實驗中的應(yīng)用理論性較強的電路分析課程包含了大量的定理、電路分析方法和概念，不利于學(xué)生的理解，需通過虛擬實驗穩(wěn)固學(xué)生對理論知識的理解，采用測量儀器搭建電路，獲取所需實驗數(shù)據(jù)及對應(yīng)分析結(jié)果。利用虛擬儀器電子實驗室完成電路分 析實驗，實 現(xiàn)對實驗過程方便、直觀的演示，可有效縮短搭建實驗電路所需時間 , 在完成數(shù)據(jù)測 量的同時幫助學(xué)生掌握電路的結(jié)構(gòu)、工作原理及相關(guān)問題，在已配 備相應(yīng)計算機的電 路分析實驗室安裝 Multisim 虛擬仿真軟件，實驗的整個操作 過程包括組裝電路并對 電路進(jìn)行測試，比照實際數(shù)據(jù)結(jié)果 ( 物理硬件電路 )和實驗 仿真測試結(jié)果，分析

12、引起數(shù) 據(jù)誤差的原因，幫助學(xué)生完成電路仿真設(shè)訃實驗，對 電路實驗深入理解。教師可設(shè)置 電路故障，引導(dǎo)學(xué)生完成電路故障的排查，以便 更好地掌握相關(guān)知識，提高學(xué)生的實 驗操作能力。電子實驗室將更高質(zhì)量的實驗 平臺提供應(yīng)電氣及相關(guān)專業(yè)學(xué)生使用，通 過硬件資源共審有效擴(kuò)展了傳統(tǒng)實驗儀 器的使用范圍，顯著提高了硬件儀器使用率， 使用虛擬儀器技術(shù)縮短了實驗室的 構(gòu)建周期，提升了實驗室系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，并且可 異地在線檢測和遠(yuǎn)程控制，學(xué) 生可根據(jù)所需掌握的知識訪問該實驗室的硬件資源，自 主選擇實驗內(nèi)容，設(shè)計實 驗方案，進(jìn)行獨立分析并解決實際問題，從而提高綜合運用 所學(xué)知識的能力 8。5 結(jié)束語LI 前隨著高校

13、招生規(guī)模的擴(kuò)大，實驗室包括實驗儀器在內(nèi)的硬件資源在數(shù)量 和 質(zhì)量上普遍難以滿足需求，在開展以學(xué)生為主體的教學(xué)模式過程中，通過創(chuàng)立 虛擬電 子實驗室能夠為學(xué)生提供良好的實驗環(huán)境， 進(jìn)而提高其綜合設(shè)計能力及實 踐動手能力。 本文完成了基于虛擬儀器的電子實驗室的開發(fā)， 實現(xiàn)了開放性實驗 室的虛擬實驗功能， 學(xué)生借助虛擬環(huán)境完成包括綜合電路設(shè)計與分析等在內(nèi)的實 驗操作過程， 在降低實驗 室使用本錢的同時顯著提升了電子實驗室的使用質(zhì)量及 效率，該虛擬儀器具備較好的 開放性及可擴(kuò)展性，通過網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程在線及 控制功能，可有效緩解高校硬件緊 張的問題， 完成實驗室硬件設(shè)備的訪問及實驗任務(wù)操作，提高學(xué)生的科研和動手能力。參考文獻(xiàn)： 1 朱建紅，吳曉 . 工程設(shè)計能力培養(yǎng)曰標(biāo)下教學(xué)資源改良研究 以電工電子實習(xí)為例J.中國教育技術(shù)裝備，2021(4):63-65.2 倪元相，張曉亞，李欣雪，等 . 應(yīng)用型本科院校電工電子創(chuàng)新實驗室 建設(shè)的探索J.機械研究與應(yīng)用,2021(2):194-196.3 全大英，劉恒良，孔維太，等 . 一種基于軟件無線電的頻譜掃描技術(shù)J. 中國計量大學(xué)學(xué)報 , 2021(3):380-387.4 尹暉，張曉鳴，李小祥，等 . 基于視頻監(jiān)測的輸電線路舞動信息提取與頻譜分析J.高電壓技術(shù),2021(9) :2889-2895.5 周芳芳，曾媛，趙穎，等 . 無線電頻譜與無線