虚拟仪器在物理实验的应用

虚拟仪器及其在中学物理实验中的应用
在对集成化、数字化、智能化电子仪器需求越来越迫切的形势下，采用计算机技术、仪器技术和通讯技术相结合，产生了具有里程碑意义的新一代仪器——虚拟仪器。

虚拟仪器的基本思想是利用计算机的强大功能，将传统仪器中某些硬件电路由软件功能实现，进而逐步代替仪器完成某些功能，如数据的采集、分析、显示和存储等。

回顾电子仪器的发展大约经历了四代：模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。

模拟仪器：基本结构为电磁机械式例如指针式电流表、电压表等；
数字化仪器：以数字形式显示输出结果，例如数字万用表、数字温度计等；
智能仪器：内嵌微处理器，既能自动测试又有一定的数据处理功能，可以代替部分脑力劳动，例如售货用电子称。

虚拟仪器：是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是电子测量仪器产业发展的重要方向。

一、虚拟仪器的构成
虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器硬件、数据分析处理软件、通讯软件及图形用户界面的有机结合，归纳起来包含硬件系统和应用软件系统两大部分。

1、硬件系统
计算机硬件平台：一般为PC机，它是硬件平台的核心。

计算机在显示、存储能力、处理性能、网络等方面的发展，导致了虚拟仪器系统的快速发展。

接口硬件设备：主要功能是被测信号的采集、放大、模数转换。

以适应不同总线情况，接口硬件主要有五种。

DAQ（Data AcQuisition）数据采集卡设备：适用PCI或ISA计算机总线，直接将数据采集卡插入计算机
空槽，充分利用计算机资源，增加了系统的灵活性和扩展性。

GPIB（General Purpose Interface Bus）接口总线设备：采用最早的计算机和仪器之间通信协议标准的GPIB总线。

VXI（VMEbus eXtension for Instrumentation）接口总线设备：采用在VME总线基础扩展的VXI仪器总线标准。

PXI（PCI eXtension for Instrumentation）接口总线设备：采用PCI基础上扩展的PXI仪器总线规范。

串口设备：利用计算机串口或USB接口可将仪器系统与多种计算机（台式机和笔记本电脑等）相连接。

图1 虚拟仪器硬件系统
传感器：传感器是虚拟仪器的重要部件，是把非电量或电量信号转换成标准电信号的装置，是测量系统获取原始信息的工具。

这些原始信息指电、磁、光、热、声、力、位移、流量、温度、湿度、浓度等测量量值。

传感器内包含敏感元件、转换元件。

敏感元件的作用是把不能直接转换为电量的非电量转换成为易于转换为电量的非电量，如把化学量、生物量转换为光学量；转换元件的作用是将非电量直接转化成电量，如热敏电阻、光电器件等。

传感器工作原理示意图如图2所示。

图2 传感器工作原理示意图
2、软件系统
虚拟仪器的核心思想是把本来需要机械或电路实现的测量技术软件化、虚拟化，最大限度地降低系统的成本，增强系统功能与灵活性。

图3 虚拟仪器的软件结构
虚拟仪器软件系统包括从低层到高层的三部分：VISA库（Virtual Instrumentation Software Architecture）、仪器驱动程序和应用软件，如图3所示。

VISA库：驻留计算机系统中、用来实现计算机与仪器间软件层连接的I/O 标准函数库。

仪器驱动程序的开发需调用该函数库。

仪器驱动程序：是对不同接口仪器进行控制和通信的软件程序，供用户在应用程序中调用。

应用软件：应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观、友好的操作界面，丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。

二、虚拟仪器与传统仪器的比较
由于虚拟仪器建立在有限的硬件基础上，通过软件实现仪器的各种功能，
在某些方面与传统仪器有明显的区别，见表1。

表1 虚拟仪器与传统仪器的比较
与传统仪器比较，虚拟仪器所具有的优势主要表现在以下几个方面：１、高智能化和处理能力
虚拟仪器具有高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘存储器和丰富的软件资源，这些配置突破了传统仪器在数据处理、显示和存储方面的限制，极大增强了仪器的功能，特别是数据分析、图形显示等方面更受到使用者的青睐。

２、重复使用性
虚拟仪器使用相同的基本硬件可实现多种不同功能的测量。

与计算机网络连接，还可使多个用户同时使用一台仪器进行数据测量。

３、灵活性强
虚拟仪器用户能够按照自己的需要来选用传感器、仪器的接口方式，开发自己的应用软件。

三、虚拟仪器的设计与实现步骤
1、根据实际需求确定仪器传感器、接口形式和驱动程序，如果没有驱动程序用户可以自己编写；
2、确定编写用户应用程序的编程语言，可以选择开发虚拟仪器编程语言Lab windows、Lab view，或通用编程语言VC、VB。

编程时要按照仪器功能决定软件采用的算法、处理分析方法和显示方式；
3、调试运行应用程序。

用数据或仿真的方法验证仪器功能的正确性，调试运行仪器。

四、虚拟仪器在中学物理实验中的作用
在教学实验领域，虚拟仪器已经进入大学实验室，如何在中学物理中引入虚拟仪器开展实验教学活动，目前还在探讨之中。

根据有关人员的初步探索，虚拟仪器在中学物理实验中具有广阔的应用前景。

采用虚拟仪器进行物理量测量，观察物理现象，探索物理规律，能够获得传统仪器不能达到的实验效果，具有明显的优势。

下面，笔者根据教学实践谈谈虚拟仪器在中学物理实验中的几点作用。

1、采用虚拟仪器改善实验效果，提高实验效率
（1）取代精度低、操作复杂的传统仪器
例如在中学物理实验中经常利用打点计时器来研究物体的运动情况。

使用打点计时器获取数据要从安装的纸带上测量点距后，再按照推导公式计算物体运动参数，操作烦琐、费时费力，实验数据误差大。

如果实验中引入虚拟仪器，采用光电门、加速度传感器，精确算出数据，整个过程减少了复杂的操作，实验数据会更加准确。

同样在类似实验中，虚拟仪器可以代替大部分测量仪器和某些实验设备。

目前在常用的近300种中学物理实验仪器设备里，近60种能用虚拟仪器代替，可替代量超过了20% 。

（2）建设虚拟仪器网络实验室
将物理实验室的虚拟仪器连接计算机网络，在实验中将学生测得的数据送入计算机处理，及时做出实验报告。

虚拟仪器网络避免了学生在实验课上进行繁杂计算和填写数据占用大量时间，除满足实验课外，也适合实验操作
考试。

2、虚拟仪器可以加深理解某些物理概念
（1）利用图象显示功能
在声学课程中，学生对声音的响度、音调和音色等概念的理解往往比较困难。

如果采用虚拟仪器，由传感器把声波转换成电信号，观察其图象可以清楚地看到响度与声波的振动幅度有关；音调与声波的频率有关；音色的不同与其频谱有关。

利用虚拟仪器的图象还能演示“波的合成”、“电容充放电”等其它不易做的物理实验。

（2）将定性实验改为定量实验
由于条件的限制，动量守恒、能量守恒定律实验以往只能演示物体碰撞现象，而不能测到准确速度参数。

使用位移、光电门等传感器，虚拟仪器可测得物体碰撞前后的速度。

把定性实验改为定量实验，用实验数据验证定律，帮助学生学习动量守恒、能量守恒定律。

除此之外，还有许多类似实验也可用虚拟仪器来完成。

3、配备虚拟仪器为探索性学习创造条件
新的教育理念强调学生开展探索性学习，虚拟仪器正是这种学习的有力工具。

由于学生、老师自己提出的探究性课题具有不确定的方面，以往的实验仪器无法满足实验需求。

虚拟仪器在一定程度上可以解决这些实验。

例如，学生研究电能和机械能转换及效率时，利用虚拟仪器对瞬时速度测量的优势，完成测量和计算。

探究性学习的其它课题像“比较材料的保温性能”、“传感器作用与应用”等都可以直接使用虚拟仪器完成。

五、开发中学物理实验用虚拟仪器需要注意的几个问题
1、配备多种的传感器
这是物理实验使用虚拟仪器与其它专业测量的不同点。

中学物理课程涵盖力、电、电磁、声、光、热等知识，虚拟仪器应该具备在种类、测量范围与之配套的传感器，比如力传感器、位移传感器、温度传感器、气体压强传感器、声传感器、光强传感器、电压传感器和光电门等。

2、考虑中学教学实验特点
虚拟仪器的计算机接口采用串行口连接。

在专业测量领域对大量数据进行高速处理分析，需要选用专用标准的并行接口，而物理实验测量不同于专业现场实时测试，测量数据简单、数量较少，采用串行口连接既可以降低仪器价格，又能让用户使用方便。

3、实验仪器平台应具有通用性强的特点，为用户提供灵活的使用空间
由于实验的测量物理量多，测量方式灵活，要求实验平台能够满足老师学生根据自行设计的实验方案去构建实验环境、连接仪器、组织数据处理分析和显示等需求。

总之，虚拟仪器为中学物理实验提供了新的实验手段，改进了实验方式，能够提高实验的效果和效率，同时促进了物理实验教学活动的深入展开，对学生了解掌握物理知识、提高动手实践能力具有很大的帮助，虚拟仪器的使用将会极大地推动中学物理实验教学改革的深入开展。