虚拟实验室研究和探索

虚拟实验室研究和探索[摘要] 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。

虚拟实验作为传统实验的一个必要的有益补充，既能节约大量的教育经费，也使实验在时间和空间上得到有效的延伸。

它在教育、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，是当前实验教学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。

[关键词] 虚拟仪器LabVIEW系统设计[Abstract] Virtual Laboratory appears with the devel- opment of computer technique and Virtual Instrument technique. As an essential and benefic- ial supplement to the traditional experiment, virtual experiments not only save a lot of education funds, but also extend the experiments in time and space effectively. It has the vast applied foreground in the education and research realm. Virtual Laboratory is a new development direction of the experiment teaching as well as an active research topic recently. Therefore, the development of the virtual laboratory of network is very necessary.[Keywords] Virtual Instrument LabVIEW System Design传统的实验室是资源高度密集的实验系统，具有实验设备资金投入量大、实验体系的完善和实验教学的实施所需人力物力投入量大的特点。

实验室常规设备有的己经老化，有的技术上有些落后，在当前实验经费紧缺的情况下，如果大量购置常规仪器仪表，学校财力难以支付。

又由于基础实验室是面向所有的工科专业，任务异常繁重，实验室常常只能应付学生按教学大纲的要求做一些最简单的验证性实验，学生很少有机会去反复熟悉常用仪器仪表的使用，更少有机会去做设计性实验。

这对调度学生学习积极性，培养创新精神，加强实践动手能力都十分不利。

而虚拟实验室具有开放、安全、经济、更新快等优点，使实验教学方法和手段得到突破与创新[1]。

一、虚拟仪器技术的由来所谓虚拟仪器[2]（Virtual Instrument），是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，其仪器的大部分测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。

仪器的面板由显示在计算机上的软面板来代替，信号的获取和信号的分析、处理、存储及打印等功能完全由软件来实现。

其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口通信设备完成信号的采集与传输，最终完成各种测试功能。

二、虚拟仪器在国内高校实验教学应用情况目前国内已有部分高校的个别实验室装备了虚拟仪器实验平台,但都或多或少地存在着通用性较差，灵活性不强、交互性差的问题。

其中比较出色、比较有代表性的是清华大学虚拟仪器电工教学实验平台。

清华大学电机系将虚拟仪器用于对传统电工教学实验的改造和更新,已开发出若干个基于虚拟仪器环境的电工实验。

在这些新开实验中,被测对象是实际的电路或系统。

另外，国内许多大学和研究所都已经开始研制和提供远程仿真实验。

例如，北京大学计算机系所设计的基于万维网的网上虚拟实验室——3WNVLAB就是一种支持较大计算量和交互式的网上虚拟实验室的通用基本框架[3]。

它是一个基于浏览器和Web服务器的虚拟实验室。

在该系统中，用户平台采用JA V A编写，用户可通过界面选择实验种类，并将用户的实验设计通过Internet传送到服务器端。

服务器端是虚拟实验室的核心，用来完成客户端要求的实验内容，并将可信的实验结果返回客户端。

客户收到实验结果后，可评价自己的实验设计，从而对自己的能力进行判断。

北京邮电大学远程教育学院的网络课程中就包括了虚拟物理实验、虚拟电子电路实验等。

这些实验是用Flash和HTML等技术建设的，因此可以在网络上传播，算是构建真实感很强的、具有良好交互性的虚拟实验室。

三、虚拟仪器所具备的优点传统仪器下的高校实验教学，严重滞后于信息时代和工程实际的需要。

其根本原因在于实验教学内容依附于课程设立，基本处于割裂状态，仪器设备不可能实现资源共享。

特别需要一些测试速度快、实时性好的人机界面，虚拟仪器正可以实现这些要求。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下优点：(1) 性能高：虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。

此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。

(2) 扩展性强：这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再受限于当前的技术中。

得益于软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。

(3) 开发时间少：在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。

设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。

(4) 除了以上几点之外，虚拟仪器研制周期较传统仪器大为缩短，且成本低廉；具有开放性和灵活性，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联等优点。

四、虚拟仪器的组成虚拟仪器一般由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成[4]。

（1）虚拟仪器硬件平台：虚拟仪器的硬件一般包括计算机和外围硬件设备。

PC 机可以选择各种类型的通用计算机，它是硬件平台的核心。

目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB 仪器控制系统、VXI 仪器系统以及这三者之间的任意组合。

主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换及数/模转换和信号输出控制等。

其中，PC-DAQ测量系统是构成VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。

（2）虚拟仪器软件系统虚拟仪器软件由两大部分构成，即应用程序和I/O接口仪器驱动程序。

应用程序实现虚拟面板功能的前面板的软件程序；定义仪器测试功能的流程图软件程序。

I/O接口仪器驱动程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。

输入/输出(I/O)接口软件存在于仪器(即I/O接口设备)与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据操作，对VXI 背板总线与器件作测试和控制，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件层，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。

五、虚拟仪器的功能及特点（1）虚拟仪器的功能:虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示。

目前虚拟仪器广泛应用于电子测量、电力工程、矿质勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。

虚拟仪器的基本功能有以下三点：(1) 信号调理与采集功能：此项功能主要是由虚拟仪器的硬件平台完成的。

仪器硬件可以是插入式数据采集卡及必要的外围电路，或者是带标准总线接口的仪器，如GPIB,VXI,PXI,STD,PCI总线仪器和网络化仪器等。

(2) 数据分析与处理功能：虚拟仪器充分利用了计算机的高速存储功能、运算功能，并通过软件实现对输入信号的分析处理，如数字滤波、统计处理、数值计算、信号分析、数据压缩、模式识别等数字信号处理。

(3) 参数设置和结果表达功能：虚拟仪器充分利用计算机的人机对话功能，完成仪器的各种工作参数的设置，如功能、频段、量程等参数的设置，对测量结果的表达与输出有多种方式，如屏幕显示，电、磁、光存储，绘图打印，网络传输等。

（2）虚拟仪器的特点虚拟仪器技术就是基于PC技术的、用户自定义的测试和测量解决方案，其四大优势在于：性能强性价比高、扩展性强、开发时间短，以及出色的集成功能[5]。

(a) 性能强性价比高：以软件为主的测量系统，充分利用了常用台式计算机及工作平台的计算、显示和互联网等的强大功能。

由于传送的信号大多是数字信号，数据的处理几乎是软件实现的，从而大大降低了环境干扰和系统误差的影响。

(b) 扩展性强：虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。

为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不必购买一个全新的系统，大大有利于测试系统的功能扩展。

(b) 开发时间短：在驱动和应用两个层面上，优秀虚拟仪器开发平台已经将其高效的软件构架与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起，给用户提供最方便的、最灵活的操作以及强大的功能，让用户轻松地配置、创建、部署和维护高性能、低成本的测量和控制解决方案。

(d) 出色的集成：随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，虚拟仪器软件平台为大部分I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

六、虚拟示波器设计实例虚拟示波器主要是对信号发生器模块产生的测试信号进行分析与处理。

它可以完成以下功能：测试信号经滤波、加窗处理后，进行时域分析、频域分析以及谐波分析。

可以进行各种参数设置，包括采样设置、滤波器类型选择及其参数设置、窗函数类型选择等。

该程序可对输入信号进行FFT、自相关谱、功率谱、相位谱、互相关谱等的分析[6]。

通过这些频谱的分析,我们可以非常详细的了解所分析信号的多方面的详细的信息。

虚拟示波器界面如图1。

LabVIEW提供了丰富的函数及子程序库,从基本的数学函数到高级分析库(包括信号处理、函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合、傅立叶变换、小波分析等),通过这些函数及子程序库,可以实现各种仿真波形的处理。

其主要处理方法包括时域分析、频域分析。

七、结论仪器技术发展至今，经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器以及单台仪器、层叠式仪器系统阶段，从20世纪80年代进入虚拟仪器系统时代。

虚拟实验仪器设备，可以应用于实验室的辅助教学，具有开放、安全、经济、更新快等优点，使实验教学方法和手段得到突破与创新。