導(dǎo)語：虛擬儀器電子實驗室的設(shè)計及實現(xiàn)一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:為提高電子實驗室的使用質(zhì)量及效率，對電子實驗室進行設(shè)計。在對電子實驗室現(xiàn)狀進行分析的基礎(chǔ)上，詳細闡述了虛擬儀器電子實驗室的整體結(jié)構(gòu)，以及基本硬件電路和軟件程序的實現(xiàn)路徑，硬件部分通過PCI總線同計算機相連。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，目前在提高實驗室實驗質(zhì)量及效率的同時降低投入成本成為高校建設(shè)與改革實驗、實訓(xùn)室的主要目標?？焖侔l(fā)展完善的計算機技術(shù)及儀器儀表技術(shù)，促使傳統(tǒng)儀器向虛擬儀器發(fā)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)備進行充分運用。

1需求分析

隨著高校招生規(guī)模的不斷擴大以及各專業(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)量及數(shù)量要求隨之增加，而通常實驗儀器設(shè)備的使用及維護管理成本較高，并且部分設(shè)備技術(shù)更新速度較快，導(dǎo)致部分高校實驗室硬件資源緊缺問題日益突出?？焖侔l(fā)展的虛擬現(xiàn)實技術(shù)為電子測量、設(shè)計、實驗等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)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)通過計算機與儀器硬件間的有效結(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成本，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成本得到顯著降低?；谔摂M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，進而幫助學(xué)生驗證電路原理、鞏固理論知識。實驗過程中的常見問題主要包括:因元器件燒壞影響了實驗的正常進行;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)而忽視了對電路的分析;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)計，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)實驗室的不足，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)計。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)實驗部分的硬件電路設(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計算機軟件和外圍硬件電路完成，相關(guān)數(shù)據(jù)由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，虛擬儀器基本結(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，并對信號進行進一步檢測(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)動硬件電路工作的驅(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，并在此基礎(chǔ)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基本設(shè)備(如發(fā)生器、示波器等)對儀器進行調(diào)試，避免因儀器精度不準而導(dǎo)致的實驗數(shù)據(jù)誤差，節(jié)約實驗室建設(shè)及使用成本［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服務(wù)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，該處理過程要求服務(wù)器具備多線程狀態(tài)及較高的計算能力。實驗硬件可位于遠端，用于分析和處理數(shù)據(jù)的軟件則在客戶服務(wù)器端運行，通過此種方式實現(xiàn)了使用客戶端網(wǎng)頁對遠程教師服務(wù)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服務(wù)器，完成遠程實驗操作［6］。基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享(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成本。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程數(shù)據(jù)采集和實時，支持數(shù)據(jù)在不同客戶機應(yīng)用軟件間的共享，該技術(shù)主要由DataSocket服務(wù)器及服務(wù)管理器構(gòu)成。作為一種獨立運行的程序，DataSocket服務(wù)器主要對不同權(quán)限客戶端間的數(shù)據(jù)交換過程進行管理，提供自由的數(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)進行直接傳送(由客戶端采集)。服務(wù)管理器主要負責(zé)對用戶的權(quán)限、服務(wù)器最多客戶機可連接數(shù)量進行設(shè)置，完成用戶和用戶組的創(chuàng)建。DataSocket服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)實驗儀器的遠程共享。只有授予權(quán)限的用戶才能進行實驗，選擇完對應(yīng)實驗后，按下開始實驗按鈕即可進入各參數(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)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，需通過虛擬實驗鞏固學(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行測試，對比實際數(shù)據(jù)結(jié)果(物理硬件電路)和實驗仿真測試結(jié)果，分析引起數(shù)據(jù)誤差的原因，幫助學(xué)生完成電路仿真設(shè)計實驗，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)量的實驗平臺提供給電氣及相關(guān)專業(yè)學(xué)生使用，通過硬件資源共享有效擴展了傳統(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)的可擴展性，并且可異地在線檢測和遠程控制，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

目前隨著高校招生規(guī)模的擴大，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)建虛擬電子實驗室能夠為學(xué)生提供良好的實驗環(huán)境，進而提高其綜合設(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，在降低實驗室使用成本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展性，通過網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)遠程在線及控制功能，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。

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作者:劉娜 單位:西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機工程學(xué)院