發(fā)布時間：2023-03-21 17:08:48
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的虛擬儀器技術(shù)論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
【關(guān)鍵詞】Labview軟件;MATLAB軟件;Visual Basic軟件;JAVA軟件;優(yōu)缺點
1.引言
傳統(tǒng)示波器是電子工業(yè)、科學(xué)研究和教學(xué)實驗領(lǐng)域中一種必備的儀器，并且都在這些領(lǐng)域中占有重要的地位。在高速發(fā)展的現(xiàn)代科技技術(shù)下，對傳統(tǒng)測控儀器提出了新的技術(shù)要求，主要包括智能化、自動化、多樣化等等[1]。傳統(tǒng)儀器跟其他傳統(tǒng)測控儀器一樣，越來越不能滿足這些新技術(shù)的要求，與此同時，新儀器的開發(fā)對開發(fā)商與用戶都帶來了更大的挑戰(zhàn)。基于上述原因，新型的測控儀器設(shè)備的出現(xiàn)是當(dāng)務(wù)之急，虛擬儀器這個概念變得不再陌生。
虛擬儀器的開發(fā)基于強大的計算機軟件和硬件，把傳感器技術(shù)，自動化控制技術(shù)等有效的融合在一起[2]。軟件設(shè)計平臺的靈活性，依據(jù)用戶不同的特殊需求創(chuàng)建出人機友好操作界面，實現(xiàn)并取代各類特殊、昂貴的測試儀器的功能。
實現(xiàn)用戶友好操作界面的軟件操作平臺有很多，例如，Labview軟件，MATLAB軟件，Visual Basic軟件，JAVA軟件等，本文將對實現(xiàn)虛擬示波器用戶操作界面的開發(fā)性軟件進(jìn)行比較。
2.虛擬儀器的發(fā)展
2.1 國外發(fā)展?fàn)顩r
近年來，世界各國的虛擬儀器公司開發(fā)了不少的虛擬儀器開發(fā)軟件，方便了開發(fā)商利用這些開發(fā)軟件組建自己的虛擬儀器或測試系統(tǒng)，并編制測試軟件，最具影響力的是NI公司的Labview和Labwindows/CVi開發(fā)軟件，美國HP公司的HP-VEE和HPTIG平臺軟件，美國Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS軟件以及HEM Data公司的Snap-Master平臺軟件等都是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺[3]。從1988年陸續(xù)有虛擬儀器產(chǎn)品面市，當(dāng)時有五家制造商推出30種產(chǎn)品。此后，虛擬儀器產(chǎn)品每年成倍增加，到1994年底，虛擬儀器制造廠已達(dá)95家共生產(chǎn)1000多種虛擬儀器產(chǎn)品，銷售額達(dá)2.93億美元，占整個儀器銷售額73億的40%。美國是虛擬儀器的誕生地，也是全球最大的虛擬儀器制造國，生產(chǎn)虛擬儀器的主要廠家有HP公司目前生產(chǎn)100多種型號的虛擬儀器，Tektroflix公司目前生產(chǎn)約80多種型號的虛擬儀器。
2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r
國內(nèi)虛擬儀器的開發(fā)和研究起步相對比較晚，清華大學(xué)，重慶大學(xué)，西安交大以及東方震動和噪聲技術(shù)研究等高校和公司對虛擬儀器的產(chǎn)品和設(shè)計平臺以及NI產(chǎn)品做了大量的研究工作，所研究和開發(fā)的結(jié)果在某些方面都得到了很好的應(yīng)用，比較突出的是重慶大學(xué)測試中心所研究的虛擬儀器，目前，部分院校的實驗室也引入了虛擬儀器系統(tǒng)，包括上海復(fù)旦大學(xué)，上海交通大學(xué)，華中科技大學(xué)等[4]。于此，又開發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研，其中華中科技大學(xué)機械學(xué)院所開發(fā)出的Inventor可重構(gòu)虛擬實驗臺、深圳藍(lán)津信息技術(shù)有限公司開發(fā)出的DRVI快速可重組虛擬儀器平臺等影響力比較大，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員利用虛擬儀器開發(fā)平臺開發(fā)了用于精密播種機性能檢測的實驗室自動化系統(tǒng)。山東大學(xué)醫(yī)學(xué)院基于虛擬儀器技術(shù)研究了胸雙極立體心電圖及其三維可視。
2.3 未來的發(fā)展趨勢
虛擬儀器正在持續(xù)且迅速地發(fā)展，它即將取代測量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器，使儀器的功能和技術(shù)性能方面具有了靈活性和經(jīng)濟性，因而更適應(yīng)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究所提出的更高更新的測量需求[5]。并且隨著計算機技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷完善，虛擬儀器技術(shù)也會在向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，即基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器，使用的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，可以在任何地點，任何時間獲取測試的數(shù)據(jù)，因此圖像化編輯平臺的發(fā)展將帶動和完善虛擬儀器的發(fā)展。國內(nèi)專家預(yù)測未來的幾年內(nèi)我國將有50%的儀器為虛擬儀器，國內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備的運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)測。
3.幾種虛擬示波器常用開發(fā)環(huán)境的特點
3.1 基于Labview的虛擬示波器
Labview是一種基于圖形編程語言的可視化優(yōu)秀開發(fā)平臺，它與傳統(tǒng)編程語言最大的區(qū)別是使用圖形語言，以框圖的形式編寫程序[6]。它與VisualC++、visual basic、LabWindows/CVI等編程語言不同，是使用圖形化程序設(shè)計語言G，而不是基于文本語言的程序代碼，用方框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼，一個Labview程序主要包括前面板、框圖程序、圖標(biāo)/接線端口3部分[7]。為用戶提供一個便捷、輕松的設(shè)計環(huán)境，利用它設(shè)計者可以像搭積木一樣，輕松組建一個測量系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并可以任意構(gòu)建儀器面板，而無須進(jìn)行任何繁瑣的計算機程序代碼的編程，從而可以大大簡化程序的設(shè)計。
在設(shè)計虛擬示波器時，程序包括數(shù)據(jù)采集，波形顯示，信號處理，波形存儲和回放幾個模塊。因而硬件部分的主要功能就是采集外部的信號，可以是PCI、USB、DAQ等數(shù)據(jù)采集裝置，然后是信號調(diào)理，目的就是完成信號緩沖、放大、濾波等功能[8]，Labview開發(fā)平臺自帶的函數(shù)具有強大的信號處理功能，充分發(fā)揮Labview的優(yōu)勢所在。在它的前面板上可以非常直觀地顯示出旋鈕，開關(guān)，波形等示波器應(yīng)有的界面設(shè)置，參數(shù)設(shè)置，可以根據(jù)開發(fā)者的想法自行定義，具有很強的靈活性[9]，真正的操控系統(tǒng)的是后面板，建立功能模塊，元器件的連接，按鍵功能的實現(xiàn)等等，模塊化的實現(xiàn)使虛擬示波器的功能更加完善。
3.2 基于MATLAB的虛擬示波器
MATLAB是Matrix和Labortaty前三個字母的縮寫，意思是“距陣實驗室”[10]。是一套功能十分強大的計算機輔助和設(shè)計教學(xué)軟件，MATLAB具有以下的主要功能：數(shù)值計算功能，符號計算功能，圖形處理功能及可視化功能，可視化建模及動態(tài)仿真功能。
基于MATLAB平臺設(shè)計的虛擬示波器可以充分發(fā)揮它的數(shù)據(jù)分析功能，不僅方便了實驗研究，也可以為控制系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供了有效的途徑[11]?；贛ATLAB的虛擬示波器硬件系統(tǒng)主要是完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計，主要有MCU、數(shù)字I/O、A/D、數(shù)據(jù)通信接口，以及電源部分組成。而對計算機串口以及數(shù)據(jù)輸入的控制，由MATLAB軟件的儀器控制工具箱中的函數(shù)來完成。通過調(diào)用MATLAB的數(shù)據(jù)采集，畫圖程序來完善虛擬示波器的功能。MATLAB是很好的數(shù)據(jù)分析處理軟件，而將其與Labview相結(jié)合編程可以極大的提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、分析、故障診斷的能力，具有很強的技術(shù)提升空間。
3.3 基于Visual Basic的虛擬示波器
Visual Basic簡稱VB，是Microsoft公司推出的一種Windows應(yīng)用程序開發(fā)工具。在界面設(shè)計、文件處理、多媒體應(yīng)用、數(shù)據(jù)訪問等方面提供了有力的幫助，具有易懂、易學(xué)的優(yōu)點。對于虛擬示波器開發(fā)而言，VB在數(shù)據(jù)處理和圖形顯示方面不如Labview。在使用VB開發(fā)工業(yè)測量與控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件時，需要對待測量信號進(jìn)行實時采集、顯示、以及實時處理等VB并不擅長。對此類應(yīng)用程序的開發(fā)，最為理想的解決方案是將VB的圖形用戶界面開發(fā)及其他方面的優(yōu)勢和LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、顯示與處理方面的優(yōu)勢結(jié)合起來[12]，互相取長補短，從而開發(fā)出功能更加強大的測控軟件系統(tǒng)。
MATLAB與VB的結(jié)合主要有兩種方式。其一是在VB中引入MATRIXVB，使得VB可以調(diào)用MATLAB函數(shù)。其二是將在MATLAB中編寫的文件編譯成VB可以調(diào)用的DLL文件。通過混合編程，利用VB和MATRIXVB，快速、簡潔地生成虛擬儀器[13]。
3.4 基于JAVA的虛擬示波器
JAVA是由Sun Microsystems公司推出的JAVA程序設(shè)計語言和平臺的總稱。面向?qū)ο蟮囊淮尉幾g隨處運行的高級語言，提供了強大的網(wǎng)絡(luò)支持，用Java實現(xiàn)的HotJava瀏覽器跨平臺、動感的Web、Internet計算的功能。推動了Web的迅速發(fā)展，常用的瀏覽器均支持Java applet[14]?；贘AVA開發(fā)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬測控系統(tǒng)具有強大的網(wǎng)絡(luò)和跨平臺的優(yōu)勢。
基于JAVA的網(wǎng)絡(luò)化虛擬示波器，利用socket和多線程技術(shù)實現(xiàn)，使用雙緩存技術(shù)解決了波形顯示時的閃爍問題，由系統(tǒng)啟動用戶界面線程，同時啟動不斷偵聽對客戶連接請求的線程。如果偵聽到客戶的連接請求，就開辟一個新的線程來處理其連接請求。與此同時還要查詢數(shù)據(jù)是否已經(jīng)傳送完畢，一旦完成便要通知用戶界面線程更新界面。
除了上述的幾種開發(fā)平臺外，還有C++ Bulider，Visual ，VC等都可以是結(jié)合多種軟件的虛擬儀器開發(fā)平臺，另外國內(nèi)也有一些虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)，如吉林大學(xué)自主研發(fā)的圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺LabScene，重慶大學(xué)研制的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)VMIDS等等[15]。并在相應(yīng)領(lǐng)域取得了一定的成果。
4.結(jié)束語
在各領(lǐng)域的應(yīng)用中，虛擬儀器正在取代著傳統(tǒng)儀器，它的優(yōu)勢也是顯而易見的，它的出現(xiàn)是儀器界的一次革命，具體表現(xiàn)為：智能化程度高，處理能力強;復(fù)用性強，系統(tǒng)費用低;可操作性強等等。對于虛擬儀器的設(shè)計而言，軟件設(shè)計是核心，對于每一種虛擬儀器的開發(fā)平臺都有它自己的特色與缺陷，MATLAB是一款數(shù)字處理與圖形化處理的強大軟件，在設(shè)計虛擬示波器時可以發(fā)揮它強大的數(shù)據(jù)處理功能，對于Visual Basic而言，它的缺陷是存在的，但它是一款作為結(jié)合型開發(fā)軟件的好處;利用JAVA的開發(fā)的虛擬儀器是現(xiàn)在乃至未來的重要開發(fā)平臺，它是儀器朝著網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，就目前而言，Labview是虛擬示波器開發(fā)軟件的首選，它的圖型化編程語言使用戶和開發(fā)者都能比較容易理解。在實際應(yīng)用中，我們不僅僅局限于單種軟件開發(fā)工具，可以將它們結(jié)合起來使用，取長補短，各抒其長，會使所開發(fā)的虛擬儀器得到更全面的設(shè)計。再者在實施方案前，對開發(fā)平臺進(jìn)行分析探討、比較，最終選擇適合的虛擬平臺，對之后的工作會帶來更多的便利。
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【關(guān)鍵詞】虛擬儀器 實驗教學(xué) 創(chuàng)新能力
計算機技術(shù)與儀器的結(jié)合是當(dāng)今儀器發(fā)展的一個重要方向，這種結(jié)合有兩種方式，一種方式是將計算機裝入儀器中，這就是所謂的智能化儀器，隨著計算機功能的日益強大和體積的日趨縮小，這類儀器的功能越來越強大，有著廣泛的應(yīng)用前景。另一種方式是將儀器裝入計算機中，充分利用計算機的軟硬件資源和操作系統(tǒng)實現(xiàn)各種儀器功能，這就是所謂的虛擬儀器。
一、虛擬儀器技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢
虛擬實驗室具有易于構(gòu)建，易于實現(xiàn)試驗硬件及測試數(shù)據(jù)共享，便于異地在線檢測和遠(yuǎn)程測控等特點，這些特點使得虛擬儀器在學(xué)校實驗室中可以發(fā)揮重要作用。運用虛擬儀器技術(shù)，可以應(yīng)用現(xiàn)有設(shè)備搭建功能強大的實驗系統(tǒng)，從而節(jié)省大量的購置設(shè)備費用，可以提高儀器界面的人機交互能力和可視化程度，給實驗者提供更好用的儀器。與傳統(tǒng)實驗室相比，虛擬實驗室具有獨特的優(yōu)點：1.能充分利用計算機現(xiàn)有資源；2.容易實現(xiàn)技術(shù)更新；3.自動化、智能化程度高；4.功能齊全、靈活、方便。這些優(yōu)點在實踐教學(xué)中產(chǎn)生了不可忽視的作用，能夠彌補傳統(tǒng)實驗室的不足。虛擬儀器最簡單的應(yīng)用就是代替常規(guī)的儀器，如函數(shù)發(fā)生器、示波器等，對實現(xiàn)信號產(chǎn)生及波形記錄，可以取得較好的效果。用計算機虛擬出的函數(shù)發(fā)生器，其波形、頻率、幅值等都可用鍵盤或鼠標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，完全能代替常規(guī)的儀器使用。學(xué)生可以利用這種虛擬儀器及時進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，觀察和分析實驗結(jié)果。虛擬儀器的設(shè)計和使用，大大提高了學(xué)生的實驗興趣、實驗效果和效率，鞏固了他們對該課程和理論知識的掌握。
二、改變實驗教學(xué)模式，培養(yǎng)創(chuàng)新人才
有關(guān)“測試自動化”方面的傳統(tǒng)實驗大多數(shù)以驗證性為主，實驗內(nèi)容單一，學(xué)生無需思考，按部就班地按照實驗步驟就可以做完實驗，缺乏設(shè)計性和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。引入虛擬儀器系統(tǒng)，就可靈活地增加各種設(shè)計性實驗內(nèi)容， 使學(xué)生根據(jù)實驗要求，自行設(shè)計各種軟面板，定義儀器的功能，以各種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果，實時進(jìn)行分析。因此，虛擬儀器設(shè)計不僅能鍛煉學(xué)生的獨立構(gòu)思和設(shè)計能力，而且能激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。
三、提高實驗室水平，滿足實驗教學(xué)的新要求
虛擬儀器技術(shù)包括：信號調(diào)理技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、數(shù)據(jù)輸出和傳輸技術(shù)等，也就是說，虛擬儀器技術(shù)使過去互不相干、獨立分散的許多技術(shù)領(lǐng)域，相互影響，相互融合，并形成新的技術(shù)方法和規(guī)范。這就要求從事實驗教學(xué)的教師具有綜合實驗?zāi)芰托酆竦睦碚摶A(chǔ)，能夠緊跟現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展步伐，能夠不斷更新和調(diào)整實驗方法和手段，使實驗室的實驗教學(xué)設(shè)備保持其先進(jìn)性。虛擬儀器的引入對人力資源的建設(shè)提出了更高的要求，而唯有人力資源得到有效的開發(fā)，才能使虛擬儀器發(fā)揮出應(yīng)有的作用。
四、可以顯著降低試驗成本和提高實驗效率
傳統(tǒng)臺式儀器價格相對較貴，若購進(jìn)一套新型的完整的測試設(shè)備少則幾萬元，多則幾十萬元，另外，還具有占用空間大、更換不方便的缺點。而虛擬儀器很大程度節(jié)約了經(jīng)費，提高了試驗效率。虛擬儀器已在學(xué)生的畢業(yè)論文實驗中開始推廣使用，這種訓(xùn)練不僅加強了學(xué)生對虛擬儀器的工作原理、使用方法及功能的認(rèn)識，而且開闊了學(xué)生的思路和眼界，提高了處理問題和解決問題的能力。因此，開發(fā)和利用虛擬儀器系統(tǒng)是改革實驗教學(xué)的一個新的發(fā)展方向，必將在我校實驗領(lǐng)域開辟新的天地。
建設(shè)現(xiàn)代化的教學(xué)、科研實驗室是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。虛擬儀器的產(chǎn)生和發(fā)展推動了試驗方式的改革，將虛擬儀器引入實驗室教學(xué)，不僅可更新實驗設(shè)備，降低實驗儀器費用，還可減少實驗測量中的人為誤差，提高實際測量的準(zhǔn)確度，實驗效率較高。此外，在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，增加單位時間的實驗內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生動手能力的提高和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)等方面也收到了良好的效果。
五、結(jié)束語
虛擬儀器克服了傳統(tǒng)儀器自成系統(tǒng)，功能單一，體積龐大，儀器繁多，操作次數(shù)過多出現(xiàn)滑絲、指示不準(zhǔn)等機械故障所導(dǎo)致的測量誤差。不僅虛擬儀器工作平臺的PC機可以一機多用，就是實驗室也可以一室多用，節(jié)省了大量的設(shè)備購置費，可緩解實驗室空間不足，又使現(xiàn)有的計算機資源得到充分利用。
將虛擬儀器技術(shù)引入實驗教學(xué)，不僅可更新實驗設(shè)備，降低實驗儀器費用，還可減少實驗測量中的人為誤差，提高實際測量的準(zhǔn)確度，實驗效率較高。此外，在激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，增加單位時間的實驗內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識等方面也收到了良好的效果。參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞：虛擬仿真實驗 大學(xué)物理 實驗教學(xué)
中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）08（a）-0068-02
1 簡介
《大學(xué)物理實驗》課程是高等理工科院校對大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的必修通識課程，是學(xué)生進(jìn)行物理課程學(xué)習(xí)以及專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。它具有多樣化的實驗方法和手段以及綜合性很強的基本實驗技能訓(xùn)練，對于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維、創(chuàng)新能力和理論聯(lián)系實際能力，引導(dǎo)學(xué)生確立正確的科學(xué)思想和科學(xué)方法，提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)以適應(yīng)科技發(fā)展與社會進(jìn)步等方面有著十分重要的意義。
高校擴招及社會對高校實驗教學(xué)提出更高要求，使得各高校實驗教學(xué)方面的缺陷凸顯，學(xué)校面臨實驗設(shè)備的質(zhì)量和數(shù)量不足，無法為廣泛的實驗教學(xué)提供有效的支持，學(xué)生實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)欠缺等嚴(yán)峻形勢。2001年，教育部提出了積極開展網(wǎng)絡(luò)實驗室建設(shè)的建議，鼓勵各大高等院校搭建網(wǎng)絡(luò)實驗室，實現(xiàn)資源的共享與互補。
基于虛擬儀器的仿真實驗系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)實驗室是利用虛擬儀器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實驗平臺，整個實驗系統(tǒng)由客戶端、實驗管理服務(wù)器、互聯(lián)網(wǎng)、實驗單元和實驗儀器單等部分組成，具有良好的資源共享性、互動操作性、擴展性和安全性，允許多用戶、多實驗同時進(jìn)行，可以讓學(xué)生在任何時候、從任何地點訪問實驗室，從而大大提高實驗教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性。
虛擬仿真實驗系統(tǒng)在實驗方式上可以彌補普通教學(xué)中的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)不足或輔助實驗教學(xué)；在教學(xué)模式上可綜合利用計算機技術(shù)，完成傳統(tǒng)教學(xué)中無法實現(xiàn)的實驗條件和實驗內(nèi)容，突破傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，提高實驗教學(xué)質(zhì)量，因而在各高校的實驗教學(xué)中得到了長足的發(fā)展，在《大學(xué)物理實驗》課程教學(xué)中也得到了廣泛的應(yīng)用。
在對大學(xué)物理虛擬仿真實驗的使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)了一些虛擬仿真實驗值得改進(jìn)和加強的地方，在此提出，以供商榷，期望虛擬仿真實驗?zāi)苋照橥昝?，更貼近《大學(xué)物理實驗》課程教學(xué)的要求，在課程教學(xué)及創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面發(fā)揮更大作用。
2 大學(xué)物理實驗教學(xué)對虛擬仿真實驗的更多期待
2.1 虛擬儀器更趨真實
虛擬仿真實驗及網(wǎng)絡(luò)實驗室的基礎(chǔ)是虛擬儀器。虛擬儀器是在美國國家儀器公司1986年提出的“軟件就是儀器”這一口號的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其概念是用戶在通用計算機平臺及必要的數(shù)據(jù)采集硬件的支持下，根據(jù)測試任務(wù)的需要，通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。與廠家設(shè)計并定義好功能的、有固定的輸入輸出接口和操作面板的、只能實現(xiàn)一類特定測量功能的傳統(tǒng)儀器不同，虛擬儀器的用戶可以根據(jù)自己的需求設(shè)計儀器系統(tǒng)，并可通過修改軟件來改變或增減儀器的功能，真正體現(xiàn)“軟件就是儀器”這一概念。
虛擬儀器應(yīng)用于物理實驗教學(xué)將有助于改革傳統(tǒng)的實驗教學(xué)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源開展網(wǎng)上實驗，并可開出符合課程內(nèi)容的許多新實驗，改變實驗技術(shù)跟不上新技術(shù)的局面，使學(xué)生的創(chuàng)新能力及掌握新技術(shù)、新知識的能力得以提高。但目前虛擬實驗儀器模型的種類比較缺乏，無論就外觀還是功能而言，其真實性與實驗室的具體實驗器材相比都還存在欠缺之處，這會導(dǎo)致學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實環(huán)境下進(jìn)行實驗操作時產(chǎn)生疑問，無所適從，不利于知識的遷移。比如光學(xué)中的邁克耳遜干涉儀實驗，不同廠家生產(chǎn)的儀器在外觀、調(diào)節(jié)部件及功能等方面有較大的差別，如果學(xué)生在虛擬實驗中接觸的儀器與實際操作所使用的儀器相去甚遠(yuǎn)的話，學(xué)生的困惑是可想而知的。因此，完善虛擬元件模型，豐富虛擬器材品種，增強虛擬儀器的仿真效果，是一般認(rèn)知過程的需要，它既可加深學(xué)生對儀器本身設(shè)計原理的理解，也有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗設(shè)備設(shè)計的優(yōu)勢和缺陷，激勵學(xué)生探索性思維。
2.2 包含更豐富的實驗原理
《大學(xué)物理實驗》課程教學(xué)的主要任務(wù)是培養(yǎng)與提高學(xué)生科學(xué)實驗基本素質(zhì)，確立正確的科學(xué)思想和科學(xué)方法；培養(yǎng)與提高學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力；培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。課程教學(xué)的基本要求是學(xué)生具有理論聯(lián)系實際和實事求是的科學(xué)作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度，主動研究的探索精神，遵守紀(jì)律，團結(jié)協(xié)作和愛護公共財產(chǎn)的優(yōu)良品德。要完成上述教學(xué)的主要任務(wù)和基本要求，教學(xué)過程的一個基本出發(fā)點就是學(xué)生要對實驗原理有一個比較正確、全面和清晰的認(rèn)識理解。
目前，主流的仿真虛擬軟件在知識導(dǎo)航的設(shè)計上基本上延續(xù)了傳統(tǒng)多媒體課件的導(dǎo)航模式，通過使用圖片、動畫、語音等多媒體元素，以線性結(jié)構(gòu)展示整個實驗的過程。這種模式不僅使學(xué)生比較難于在短時間內(nèi)掌握實驗的整體框架和關(guān)鍵操作要領(lǐng)，而且忽略了實驗原理對實驗的主導(dǎo)及指導(dǎo)作用，不利于學(xué)生對實驗原理的認(rèn)知和理解。虛擬仿真實驗如果能充分利用易于被學(xué)生接受的視覺及聽覺技術(shù)來展示實驗原理，并在整個實驗過程中貫穿實驗原理這一條主線，讓學(xué)生認(rèn)識到全部的實驗都是基于實驗原理進(jìn)行的，都是在實驗原理的框架下完成的，學(xué)生對實驗原理的認(rèn)識和理解無疑會更上一層樓，對科學(xué)思想和科學(xué)方法方面的領(lǐng)悟會更深入，對理論聯(lián)系實際能力的培養(yǎng)也會更有效。
2.3 能夠再現(xiàn)復(fù)雜具體的實驗環(huán)境
實驗是人類認(rèn)識萬千世界的重要方法。實驗研究和理論研究作為兩種相輔相成的科學(xué)研究方法，是推動社會進(jìn)步和科技發(fā)展的重要力量。實驗教學(xué)以其直觀性、實踐性、創(chuàng)造性等優(yōu)點，在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識、提高動手能力、掌握科學(xué)研究方法等方面發(fā)揮著重要作用。虛擬實驗將計算機技術(shù)、軟件技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳統(tǒng)實驗儀器結(jié)合起來，改變了實驗系統(tǒng)的構(gòu)建模式，可提升實驗儀器的整體性能，突破實驗操作的時空限制，是傳統(tǒng)實驗的變革。
虛擬實驗的最終目的是為了認(rèn)識現(xiàn)實世界，也就是說，虛擬實驗最終是要回到復(fù)雜具體的真實實驗環(huán)境中的。我們從虛擬世界獲得的知識，其在現(xiàn)實世界中的有用，或者說有效程度，取決于虛擬對現(xiàn)實的模擬程度。目前的虛擬大學(xué)物理實驗基本上都是理想化的：儀器是標(biāo)準(zhǔn)的，方法是正確的，環(huán)境是理想的，結(jié)果是完美的，一切都是無誤差的，因為都是由設(shè)計好的程序來實現(xiàn)的。但真實的實驗環(huán)境卻是復(fù)雜而具體的：實驗儀器需要組裝、調(diào)試和校準(zhǔn)，同一套實驗方法的施行也會因人而異，實驗環(huán)境會因時因地而改變，實驗結(jié)果也就包含了多方面的誤差在內(nèi)。所以，如果能在虛擬大學(xué)物理實驗中增加對一些對常見環(huán)境變化的模擬，考慮一些可預(yù)知的人的因素，使其所虛擬的實驗更加接近真實，其教學(xué)效果或許會更加優(yōu)秀。仍以邁克耳遜干涉儀實驗為例，如果能把底座不水平、兩端鏡距離過大（即超出相干長度）、兩鏡不平行時如果夾角逐漸增大或減小、沒放置補償板等情況都模擬實現(xiàn)的話，該虛擬實驗與真實情況的差距即可得到進(jìn)一步的改善。
2.4 對創(chuàng)新實驗?zāi)芰Φ母嗯囵B(yǎng)
培養(yǎng)與提高學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力是《大學(xué)物理實驗》課程教學(xué)的主要任務(wù)之一。與所有的實驗教學(xué)一樣，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)在《大學(xué)物理實驗》課程教學(xué)中尤為重要。在傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中，開展探索型實驗是使學(xué)生獲得創(chuàng)新能力培養(yǎng)鍛煉的有效方式之一。
與傳統(tǒng)實驗一樣，虛擬實驗也可分為演示型實驗、動手操作型實驗和探索型實驗。在探索型實驗中，學(xué)生要經(jīng)歷從實驗設(shè)計到實驗結(jié)果的整體過程，他們必須自己思考如何選擇及操作實驗儀器，如何實施及改進(jìn)實驗過程，如何判斷實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和誤差程度，如何總結(jié)規(guī)律或發(fā)現(xiàn)問題等等。所以這類虛擬實驗應(yīng)該具備極強的交互能力：虛擬儀器應(yīng)具有真實設(shè)備的所有功能屬性；實驗操作應(yīng)該可以自主調(diào)整；測量結(jié)果應(yīng)反映真實情況等。如此，學(xué)生方可通過虛擬而探索出真知，達(dá)到對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目的。
3 結(jié)語
在《大學(xué)物理實驗》課程教學(xué)中，為了利用虛擬實驗，達(dá)到較好的教學(xué)效果，期望虛擬實驗?zāi)茉谔摂M儀器的真實性、對實驗原理的更好體現(xiàn)、對實驗環(huán)境的模擬，及對創(chuàng)新能力的更多培養(yǎng)等方面做得更多更好。
參考文獻(xiàn)
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論文摘 要：隨著時代的進(jìn)步和信息化時代的到來，我國的網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)得到了跨越式的發(fā)展。傳統(tǒng)的教學(xué)實驗室已不能滿足當(dāng)代教育發(fā)展的需要，被虛擬實驗室所替代已逐步成為發(fā)展潮流。本文通過對電工電子虛擬實驗室的概述和思考，分析電工電子虛擬實驗室的重要功能，旨在與同行交流，以適應(yīng)新時代下的教學(xué)實驗需求。
我國中職學(xué)校在電工電子教學(xué)過程中，不僅應(yīng)注重中職學(xué)生基本知識、基本技能和基本方法的培訓(xùn)，也注重中職學(xué)生自主實驗的要求。這就要求必須配備相應(yīng)的實驗室，因為它是用于培養(yǎng)中職學(xué)生的創(chuàng)新能力和發(fā)展復(fù)合型人才的基本教學(xué)和科研場所。而傳統(tǒng)的電工電子實驗的投資相對較大、硬件設(shè)施依賴性強、運行與維護成本過高且效率不高，又由于受到實驗課數(shù)、實驗室的開放和環(huán)境等因素的影響，導(dǎo)致我國中職學(xué)校的電工電子教學(xué)效果不理想。因此，加強對電工電子虛擬實驗室的功能探究，對虛擬實驗室建設(shè)的認(rèn)識具有十分重要的意義。
一、概述
隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的普及與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷完善，我國中職學(xué)校在虛擬實驗室的建設(shè)方面得到了一定的普及。虛擬實驗室的本質(zhì)意義就是泛指計算機系統(tǒng)中，集虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)庫、虛擬儀器、計算機網(wǎng)絡(luò)與計算機實時監(jiān)控等技術(shù)為一體的虛擬實驗環(huán)境，用戶通過一些渠道把控制信號和參數(shù)指令發(fā)送至仿真對象或物理設(shè)備，然后把實驗結(jié)果通過文檔、圖片、視頻和動畫等形式發(fā)給用戶，滿足用戶通過遠(yuǎn)程服務(wù)進(jìn)行實驗。虛擬實驗室是集Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、儀器控制技術(shù)和通信技術(shù)于一體的虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，用戶只需擁有一臺電腦，通過因特網(wǎng)就能訪問這一虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，在Web頁面上挑選有關(guān)實驗實現(xiàn)遠(yuǎn)程操縱實驗所需的儀器設(shè)備，并進(jìn)行實驗操作，另外用戶還可以直接從網(wǎng)上獲取實驗數(shù)據(jù)，動態(tài)監(jiān)控實驗結(jié)果。目前很多中職學(xué)校的虛擬實驗室的構(gòu)造都是客戶端在web的基礎(chǔ)之上，運行在瀏覽器之中，由Web服務(wù)器自動下載用戶系統(tǒng)所需的客戶端程序；隨后客戶端程序與現(xiàn)實意義的服務(wù)器端的應(yīng)用程序建立一個即時通信平臺并進(jìn)行實驗。這個虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)是由實驗設(shè)備、客戶端和服務(wù)器端組合而成。
二、關(guān)于電工電子虛擬實驗室的思考
隨著教學(xué)體制的改革，實踐環(huán)節(jié)成為中職學(xué)生深刻理解理論知識的一個重要環(huán)節(jié)，實驗成為教學(xué)環(huán)節(jié)中不可缺少的重要組成部分。許多中職學(xué)校的實驗室存在教學(xué)設(shè)備陳舊、教育資金不足，難以滿足日益增長中職學(xué)生的需求和跟上技術(shù)日新月異發(fā)展的步伐。并且有些實驗危險性大，在實驗室難以開展，使中職學(xué)生難以親眼觀察實驗現(xiàn)象及結(jié)果。隨著計算機的性價比和易用性的提高，使得虛擬實驗室在教學(xué)、科普教育和技術(shù)研究領(lǐng)域應(yīng)用將越來越廣泛。在虛擬實驗室中，實驗者有逼真的感覺，他似乎是在真正的現(xiàn)實實驗室里近距離進(jìn)行現(xiàn)場操作。多媒體計算機技術(shù)與儀器技術(shù)的結(jié)合構(gòu)成了虛擬實驗室實現(xiàn)的基礎(chǔ)，中職學(xué)生可以在計算機屏幕上通過場景式圖形界面擁有自己的實驗室。虛擬儀器技術(shù)與認(rèn)知模擬方法的結(jié)合也賦予虛擬實驗室智能化特征，通過網(wǎng)絡(luò)中職學(xué)生可以身臨其境地觀察實驗現(xiàn)象，并可以觀察各實驗儀器的詳盡情況，不受時間和空間的限制。
近年來，隨著電工電子虛擬實驗室的不斷發(fā)展。虛擬實驗室表現(xiàn)在人們可以自主地、靈活地模擬操作各種實驗儀器，完成各種分析測試任務(wù)，評價實驗者的操作水平與實際能力。但是現(xiàn)在很多中職學(xué)校的電工電子虛擬實驗室的實現(xiàn)和播放課件方式相似，中職學(xué)生只能通過虛擬實驗室進(jìn)行簡單的瀏覽及實驗結(jié)果曲線的動畫顯示。中職學(xué)生沒有身臨其境的感覺，沒有真正動手通過實驗儀器的操作而顯示實驗結(jié)果，而只是簡單對實驗數(shù)據(jù)的輸入產(chǎn)生實驗結(jié)果。
三、電工電子虛擬實驗室的重要功能
我國中職學(xué)校的傳統(tǒng)電工電子實驗室一般有電工電子技術(shù)實驗室、電路實驗室和高頻電路實驗室等實驗室。它們的主要功能是用于開設(shè)基礎(chǔ)訓(xùn)練課目，培養(yǎng)中職學(xué)生了解和使用常用實驗儀器設(shè)備的使用方法和技術(shù)，使中職學(xué)生具備最基本的實驗?zāi)芰?，加以鞏固理論課中的所學(xué)的電路工作原理，進(jìn)一步證明理論的準(zhǔn)確性。中職學(xué)校可以利用多媒體軟件、電路仿真軟件和虛擬儀器軟件組建電工電子虛擬實驗室，不僅可以解除實驗教學(xué)的空間限制，還能使實驗教學(xué)的實際內(nèi)容和形式變得豐富多彩，從而提高實驗教學(xué)的效果、培養(yǎng)中職學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們學(xué)會利用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，通過不斷實踐和學(xué)習(xí)，逐步擺脫傳統(tǒng)實驗室?guī)淼臅r間、地點、設(shè)備和內(nèi)容等方面的束縛。所以，中職學(xué)校應(yīng)注意電工電子虛擬實驗室在基礎(chǔ)性實驗、綜合型設(shè)計實驗和演示型實驗教學(xué)中的重要作用。
（一）基礎(chǔ)性實驗
基礎(chǔ)性實驗的重要意義就在于能夠培養(yǎng)中職學(xué)生了解和使用常規(guī)的儀器設(shè)備，并對理論課中的所學(xué)的電路工作原理進(jìn)一步驗證和鞏固。借助電工電子虛擬實驗室，中職學(xué)生通過一臺計算機就可以熟悉常用儀器設(shè)備的性能及使用注意事項，分析電路的性質(zhì)，從而提高中職學(xué)生的自學(xué)能力，減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，考驗中職學(xué)生獨立思考能力、分析問題能力和解決問題的能力。
（二）綜合型設(shè)計實驗
借助電工電子虛擬實驗室進(jìn)行課程設(shè)計。例如，在設(shè)計電路時，可以讓中職學(xué)生先檢驗自己設(shè)計的電路能否符合仿真檢驗電路的性能要求，只有符合仿真檢驗電路的性能要求，才能輸?shù)絧rotel進(jìn)行電路板繪制工作，完成電路板制作、焊接與測試。從而大大節(jié)省設(shè)計時間、節(jié)約設(shè)計成本。
（三）演示性實驗
對于一些開設(shè)成本高、儀器設(shè)備復(fù)雜的教學(xué)實驗只能進(jìn)行演示性實驗。比如調(diào)頻、調(diào)幅收發(fā)機的實驗就十分復(fù)雜，不僅有高頻電路，也有低頻電路；不僅有時域分析，也有頻域分析，在傳統(tǒng)的實驗室內(nèi)是難以完成綜合性強的實驗。因此，只有借助于電工電子虛擬實驗室進(jìn)行實驗演示，才能使中職學(xué)生掌握綜合性復(fù)雜實驗，逐步意識到虛擬實驗室的重要作用。
總之，在中職學(xué)校的教學(xué)實踐工作中，所構(gòu)建的電工電子虛擬實驗室應(yīng)具備為實驗教學(xué)提供重要的技術(shù)支持和服務(wù)，從而推動實驗教改，替代傳統(tǒng)的教學(xué)實驗儀器設(shè)備，降低辦學(xué)成本，助推學(xué)校健康和諧的飛速發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)03-0691-02
LabVIEW是由美國NI公司研制的以框圖形式產(chǎn)生程序的虛擬開發(fā)平臺，簡明、直觀、易學(xué)易用，在虛擬儀器技術(shù)得到廣泛利用的今天有著重要地位。但它的不足之處是修改程序比較麻煩，不如文本語言方便。然而，C語言具有功能豐富、表達(dá)能力強、使用靈活方便、應(yīng)用面廣、目標(biāo)程序效率高、可移植性好的特點。
本文中，作者就通過LabVIEW的CIN接口來調(diào)用C語言程序，結(jié)合兩種軟件的長處，實現(xiàn)工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的數(shù)值積分的運算。
1 LabVIEW與C語言的接口――CIN
1.1 CIN概述
CIN即“Code Interface Node”的簡稱，是LabVIEW與C語言的接口，在遇到一些LabVIEW軟件難以實現(xiàn)的功能或者調(diào)試過程中可能需要大量修改的程序時，就可以通過CIN圖標(biāo)來將C語言編寫的源代碼引入LabVIEW，從而提高LabVIEW數(shù)據(jù)處理功能和程序修改的便捷性。
工作原理：通過輸入、輸出端口實現(xiàn)兩種語言之間的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)LabVIEW的程序運行到CIN節(jié)點時，數(shù)據(jù)就會從CIN的輸入端口傳遞給C語言源代碼，程序就會去執(zhí)行C源代碼，執(zhí)行完畢后得到的數(shù)據(jù)結(jié)果再由CIN的輸出端口返回給LabVIEW顯示。1.2 CIN圖標(biāo)調(diào)用路徑
在程序框圖面板，點擊鼠標(biāo)右鍵，執(zhí)行函數(shù)>>互連接口>>庫與可執(zhí)行程序>>代碼接口節(jié)點（如圖1）。1.3 CIN圖標(biāo)的端口參數(shù)設(shè)置
將初始CIN圖標(biāo)根據(jù)所需的具體情況設(shè)置，在本文中，將它設(shè)置為如圖2所示，有四個輸入和輸出端口，其中最后一個輸入端口設(shè)置為無效。CIN的輸入、輸出端口的參數(shù)類型由連接在該端口上的空間的數(shù)據(jù)類型所決定。
圖1 CIN圖標(biāo)對話框
2 LabVIEW調(diào)用C語言實現(xiàn)數(shù)值積分運算的設(shè)計步驟
本論文是在WindowsXP下，運用LabVIEW 8.5通過CIN接口來調(diào)用Visual C++6.0為平臺編寫的C語言代碼來實現(xiàn)數(shù)值積分的運算的。2.1生成C源代碼框架
首先在LabVIEW 8.5中設(shè)計出如圖3所示的前面板，同時在它的程序框圖（圖4）中添加CIN端口，并做如圖的設(shè)置和連接，命名為jifen.vi并且保存。
接著，鼠標(biāo)右鍵點擊程序框圖中的CIN圖標(biāo)，在菜單中選擇“創(chuàng)建.c文件”
項，在彈出的儲存對話框中，將該文件存為“jifen.c”，則會有C的文件源代碼如下：
/* CIN source file */#include "extcode.h"
MgErr CINRun(LStrHandle fX, float64 *b, float64 *a, float64 *result); MgErr CINRun(LStrHandle fX, float64 *b, float64 *a, float64 *result)
{/* Insert code here */ return noErr; }
2.2源代碼添加
在上述中的“/* Insert code here */”位置添加已經(jīng)編寫好的數(shù)值積分運算的C源代碼。這里用最常見的復(fù)化梯形公式：
{/* Insert code here */t=h*(f(a)+f(b));
#include do
#include { t0=t;#define e 1e-5g=0;
#define a 0//積分下限afor (i=1;i
#define b 1//積分上限bg+=f((a+(2*i-1)*h));
#define f(x) (x/((3*x*x*x)+(x*x)+5)) //被積函數(shù)f(x)t=(t0/2)+(h*g); //復(fù)化梯形公式int main();n*=2;{ int i,n;h/=2; }
double h,t0,t,g;while (fabs(t-t0)>e); n=1;printf("%.8lf",t); h=(double)(b-a)/2;return 0; }
2.3 C源代碼文件的編譯
啟動VC++6.0，進(jìn)行如下步驟的編譯：
1）新建一個DLL工程文件，命名為jifen，并保存；
2）在工程文件中執(zhí)行Project>>Add to Project>>Files操作，找到LabVIEW 8.5安裝文件cintools文件夾中的中的cin.obj，labview. lib，lvsb.lib，lvsbmain.def四個文件和源代碼文件jifen.c；
3）執(zhí)行Project>>Setting對源代碼文件進(jìn)行編譯前的設(shè)置。
a.將Setting for設(shè)置為All Configuration；
b.打開C/C++標(biāo)簽，在Category下選擇Preprocessor，在Addition Include Directories中添加LabVIEW的cintools文件夾路徑，例如在這里是“：D:\LabVIEW 8.5\cintools”。
c.同樣在C/C++標(biāo)簽，在Category下選擇Code Generation，將Struct Merber Alignment設(shè)置為1Byte；將Use Run-time Zibrary設(shè)置為
Multithreaded DLL。
d.打開Custom Build標(biāo)簽，在Commands中輸入命令D:\LabVIEW 8.5\cintools\lvsbutil$(TargetName)-d"$(WkspDir)\$(OutDir)"；在Output中輸入命令$(OutDir)$(TargetName).lsb。
4）打開jifen.c源文件，進(jìn)行編譯，如有錯誤，按給出的提示修改程序，再次編譯，直至沒有錯誤。最后對原文件進(jìn)行組建，即生成可執(zhí)行文件jifen.lvb。2.4裝載、程序運行
在LabVIEW8.5的程序框圖窗口中，鼠標(biāo)右鍵CIN圖標(biāo)，選擇“加載代碼資源”，選擇jifen工程文件中Debug文件夾下的jifen.lsb文件。最后，即可運行程序，改變上下限b、a的值或者被積函數(shù)（fx）的表達(dá)式，觀察輸出顯示。
3結(jié)束語
LabVIEW雖是功能強大的圖形編程工具，但也存在一定缺陷，遇到一些需要大量修改，或是LabVIEW難以實現(xiàn)的功能時，就可
以通過它的CIN接口來調(diào)用C的源代碼來更方便的解決問題。本文就以復(fù)化梯形公式求解數(shù)值積分為例，敘述通過CIN圖標(biāo)在LabVIEW中引入C語言源代碼，從而增強其整體功能。
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關(guān)鍵詞：電子測量；教學(xué)改革；創(chuàng)新型人才
作者簡介：顧明亮（1963-），男，江蘇無錫人，江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，教授；魏明生（1976-），男，山東濟寧人，江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，講師。（江蘇?徐州?221116）
基金項目：本文系中國高等教育學(xué)會“十一五”教育科學(xué)研究規(guī)劃課題（課題編號：06AIJ0090048）、江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題重點項目（項目編號：C-b/2011/01/15）的研究成果。
中圖分類號：G642.0?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?????文章編號：1007-0079（2012）23-0048-02
培養(yǎng)具有實踐創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才是當(dāng)今高等教育的培養(yǎng)目標(biāo)之一，課程教學(xué)改革是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的根本措施?！半娮訙y量技術(shù)”是現(xiàn)代科學(xué)獲取信息的重要手段，是從事現(xiàn)代電子科學(xué)研究的必備基礎(chǔ)，該課程也是電子信息、電氣自動化和機械電子等專業(yè)的骨干專業(yè)必修課程，旨在提高學(xué)生所學(xué)專業(yè)課程中的專業(yè)基礎(chǔ)理論和單元技術(shù)知識及獨立設(shè)計、構(gòu)建、調(diào)試儀器與檢測系統(tǒng)的能力，強化學(xué)生對儀器與檢測系統(tǒng)工程的感性認(rèn)識。本課程是實踐性非常強的一門專業(yè)課程，近年來，隨著科技迅速發(fā)展，特別是隨著自動化技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用，電子測量技術(shù)在測量技術(shù)的研究、生產(chǎn)測試方法、信號處理方法和技術(shù)等方面發(fā)生了一系列的變革。為了配合高等學(xué)校培養(yǎng)實踐創(chuàng)新性人才的需要，同時也為了培養(yǎng)的人才能適應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，教研室人員對“電子測量技術(shù)”課程的授課內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方法等進(jìn)行了一系列的改革探索，教學(xué)中的實踐證明該課程的一系列改革取得了良好的教學(xué)效果。
一、課程內(nèi)容的改革
由于目前科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子測量技術(shù)正從傳統(tǒng)的電子測量儀器向智能化、復(fù)雜化自動測試儀器和虛擬儀器等方向發(fā)展，使得當(dāng)前的“電子測量技術(shù)”課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前人才培養(yǎng)的新要求。其主要缺陷包括電子測量技術(shù)教材建設(shè)的滯后，該課程內(nèi)容未及時全面反映技術(shù)新發(fā)展而導(dǎo)致體系陳舊等。因此，電子測量技術(shù)教材應(yīng)與時俱進(jìn)，在講述傳統(tǒng)測量內(nèi)容的前提下應(yīng)補充智能化儀器、虛擬儀器和復(fù)雜自動測試系統(tǒng)等一些新的技術(shù)理論，以及先進(jìn)的儀器設(shè)計方法和操作方法，而且授課內(nèi)容應(yīng)全面反映現(xiàn)代測量技術(shù)的新方向和新技術(shù)。
在該課程教學(xué)內(nèi)容的改革中，主要以電子測量技術(shù)的教學(xué)大綱為主要依據(jù)，以該課程的原理、結(jié)構(gòu)和測量系統(tǒng)為主要體系，從電子信息科學(xué)的角度來理解和觀察該課程，突破以往教學(xué)中就器件論器件的傳統(tǒng)教學(xué)方式，努力做到思路開闊，層次清晰，闡述準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)科學(xué)合理。按照“理論教學(xué)模塊”和“實踐教學(xué)模塊”相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行授課，課堂教學(xué)主要采取理論教學(xué)模塊，重點講授該課程教學(xué)大綱基本要求的內(nèi)容。內(nèi)容主要分為：檢測系統(tǒng)的誤差理論部分，非電量檢測方法及智能儀器設(shè)計應(yīng)用部分，信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集技術(shù)部分和檢測儀器系統(tǒng)設(shè)計部分。輔以實踐教學(xué)模塊，主要以實驗教學(xué)、調(diào)研論文、智能儀器及虛擬儀器測試技術(shù)綜合設(shè)計為主。
根據(jù)學(xué)生的專業(yè)方向選取不同的授課教材，并且根據(jù)不同的專業(yè)實際情況自編講義加以補充，主要對教材中沒有涉及的內(nèi)容和講解不充分的內(nèi)容進(jìn)行補充。還可以聯(lián)系社會熱點問題，如社會上地溝油問題出現(xiàn)之后，教師隨時給學(xué)生補充探討地溝油的測量方法，這樣課堂和現(xiàn)實生活緊密聯(lián)系在一起，使學(xué)生感覺到課堂授課內(nèi)容的重要性和實用性，提高了學(xué)生課堂聽課的積極性。
為了在授課中縮短理論與技術(shù)實踐的差距，在課堂授課中，通過運用案例教學(xué)，大大提高了學(xué)生解決客觀實際問題的能力，教學(xué)過程中進(jìn)行校際合作，提高教學(xué)效果。讓學(xué)生從教學(xué)內(nèi)容融入到實際科研項目中去，比如講到電磁檢測時，給學(xué)生列舉一些在研的省部級科研項目，使學(xué)生了解管道泄露的不同檢測方法，使學(xué)生認(rèn)識到某一種物理量不同測量方法，讓學(xué)生體會到檢測一些物理量的新方法、新思路，引發(fā)學(xué)生思維，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識，取得了很好的教學(xué)效果。
為適應(yīng)創(chuàng)新型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)實際，在實驗課程的教學(xué)中，把理論教學(xué)和實驗教學(xué)結(jié)合起來，適當(dāng)增加設(shè)計型實驗和綜合型實驗對學(xué)生能力的鍛煉，共設(shè)計了4個驗證性實驗和3個設(shè)計性實驗。實踐教學(xué)中一方面為了使學(xué)生理解電子測量技術(shù)的基本原理保留了基礎(chǔ)性的實驗，另一方面，開發(fā)了新的工程應(yīng)用性綜合性實驗，可以對高年級各專業(yè)學(xué)科之間的學(xué)生因材施教。
二、教學(xué)方法的改革
1.重視第一堂課的教學(xué)
關(guān)鍵詞：LabVIEW；可燃?xì)怏w；遠(yuǎn)程測控方案；測控
中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2013）04-0022-03
0 引 言
近年來，全國燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣等易燃、易爆、有毒氣體的種類和應(yīng)用范圍都顯著增加，它們易流動、易燃燒。在生產(chǎn)、儲存、運輸過程中，有毒、易爆氣體的泄漏是可能存在的，具體泄漏位置較難查詢，易造成重大火災(zāi)、爆炸、中毒事故，給國家和人民生命財產(chǎn)造成損失。為了防患于未然，在生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)置可燃、有毒氣體檢測報警器，及時檢測并發(fā)出報警信號，采取有力措施，防止事故的發(fā)生便顯得尤為重要。本系統(tǒng)采用目前流行的NI公司虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW作為軟件編程環(huán)境，研究基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實現(xiàn)對可燃?xì)怏w的遠(yuǎn)程檢測、報警、輸出控制等功能，從而便捷、直觀、安全、快速地檢測和控制可燃?xì)怏w泄露現(xiàn)場環(huán)境。
1 系統(tǒng)功能及構(gòu)建思路
本設(shè)計為基于PC―DAQ的虛擬儀器系統(tǒng)。以LabVIEW8.6為軟件開發(fā)平臺，采用具有USB接口的多功能數(shù)據(jù)采集卡LabJack U12及傳感器完成對工作場所多個監(jiān)測點的氣體信號采集、信號調(diào)理、濃度測量、控制信號輸出等功能。選用繼電器、蜂鳴器等電氣元件來完成排風(fēng)扇、電磁閥對現(xiàn)場環(huán)境的報警控制功能。利用在Web上HTML文件的方法實現(xiàn)對工作現(xiàn)場可燃?xì)怏w的遠(yuǎn)程檢測，可以使用戶在本地或遠(yuǎn)程計算機上瀏覽并且操作LabVIEW程序面板，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)遠(yuǎn)程報警及自動或人工控制。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖，被控對象是揚聲器、排風(fēng)扇和電磁閥。系統(tǒng)采用多個氣敏傳感器工作現(xiàn)場可燃?xì)怏w信號，經(jīng)信號調(diào)理電路放大、濾波后，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計算機，控制程序根據(jù)現(xiàn)場內(nèi)的氣體濃度值與系統(tǒng)給定閾值作比較。若超出參考值，采集卡將輸出控制信號，并開啟揚聲器、指示燈進(jìn)行聲光報警，同時啟動排風(fēng)扇，關(guān)閉電磁閥，進(jìn)行處理。
2.1 傳感器
本系統(tǒng)中采用MC―112型傳感器，它是一種催化燃燒式傳感器。其工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，通過測量鉑絲的電阻變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。此種傳感器在任何環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測，具有輸出信號線性好，指數(shù)可靠，價格便宜，不會與其他非可燃性氣體發(fā)生交叉感染等特點。MC―112型傳感器普遍應(yīng)用于石油化工廠、造船廠、浴室、廚房等處的可燃?xì)怏w的監(jiān)測和報警。
2.2 測量電路
測量電路主要由傳感器和信號調(diào)理電路組成，氣敏傳感器的輸出信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后通過采集卡的模擬通道輸入計算機，并由LabVIEW程序計算得到濃度測量值。調(diào)理電路的作用是把傳感器采集的溫濕度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并將其放大，以滿足數(shù)據(jù)采集卡A/D輸入端電氣參數(shù)要求。
本系統(tǒng)的信號調(diào)理采用雙恒流源法，其設(shè)計圖如圖2所示。根據(jù)氣敏傳感器的特性，其電阻值隨著濃度的變化而變化，在反饋放大器中設(shè)計了兩個相同的恒流源，其值用IS表示。其中R（T）是氣敏傳感器根據(jù)感知的所測濃度所變化的阻值，標(biāo)準(zhǔn)電阻RN=100 Ω。根據(jù)采集濃度的不同，即電阻阻值的不同，轉(zhuǎn)換的電壓值也不同。
2.3 數(shù)據(jù)采集卡選擇
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡是實現(xiàn)將檢測信號從模擬信號變成計算機能接收和處理的數(shù)字信號功能的硬件，其選用在整個硬件選用的過程中占據(jù)了重要位置。這是因為它不僅關(guān)系到與其他硬件設(shè)備之間的性能匹配，而且還涉及到應(yīng)用程序開發(fā)的難易程度以及應(yīng)用環(huán)境的具體要求。綜合考慮本系統(tǒng)待定參數(shù)的特征，以及數(shù)據(jù)采集板的可靠性、精度和性價比等因素，我們選擇了美國LabJACK公司生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集板LabJACK U12。它是一種可以與帶USB接口的計算機通訊的多功能模擬、數(shù)字和定時I/O數(shù)據(jù)通訊設(shè)備。
2.4 控制電路
本系統(tǒng)的控制電路如圖3所示。整個電路由排風(fēng)電路和電磁閥電路組成，排風(fēng)電路部分采用380 V/750 W的循環(huán)風(fēng)機，并應(yīng)用繼電器和交流接觸器對其進(jìn)行控制。本設(shè)計中選用的繼電器的型號是hrs1H―S―DC5V，繼電器線圈需要較大的電流才能使繼電器吸合，一般的集成電路不能提供這樣大的電流，因此必須進(jìn)行擴流，即驅(qū)動。采集卡把控制電壓輸出給控制三極管基極，繼電器線圈作為集電極負(fù)載而接到集電極和正電源之間。當(dāng)輸入為+VCC（5 V）時，三極管飽和，繼電器線圈有相當(dāng)大的電流流過，則繼電器吸合（ON），220 V的交流電導(dǎo)通，此時交流接觸器的主觸點吸合，使380 V的循環(huán)風(fēng)機開始工作，完成對循環(huán)風(fēng)機的開啟控制。在此過程中，三極管有放大和開關(guān)兩個作用。采集卡有輸出保持作用，當(dāng)希望系統(tǒng)停止工作時，采集卡輸出為0 V，三極管截止，繼電器線圈無電流流過，則繼電器釋放（OFF），220 V交流電斷開，交流接觸器的主觸點釋放，循環(huán)風(fēng)機停止工作。聲光報警和電磁閥電路都由采集卡U12的輸出控制端AO1完成，當(dāng)軟件將AO1置1，三極管VT1，VT3導(dǎo)通，報警燈點亮，蜂鳴器發(fā)出報警聲，并且電磁閥關(guān)閉。
3 軟件設(shè)計
可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)的主控程序采用模塊化的設(shè)計方法，將系統(tǒng)劃分成幾個相互獨立的功能模塊，各模塊內(nèi)部分別完成確定的任務(wù)，模塊之間相對獨立而又通過系統(tǒng)的框架協(xié)議相互聯(lián)系。為了使各模塊之間按照系統(tǒng)的框架協(xié)議協(xié)調(diào)動作和相互通信，以及實現(xiàn)人機交互，設(shè)計了提供用戶接口的主控程序。在用戶通過鼠標(biāo)或鍵盤發(fā)出指令后，主控程序通過統(tǒng)一調(diào)度各功能模塊實現(xiàn)用戶意圖。
3.1 系統(tǒng)前面板設(shè)計
系統(tǒng)的前面板分為顯示、操作和報警三個功能區(qū)域。
顯示包括數(shù)值顯示、波形顯示及表頭監(jiān)控顯示。數(shù)值顯示顯示傳感器實時采集數(shù)據(jù)；波形顯示以曲線形式直觀地反映現(xiàn)場環(huán)境濃度的變化；表頭監(jiān)控顯示用時間控件顯示當(dāng)前時間，水平滑動條顯示當(dāng)前的環(huán)境濃度，指示燈顯示報警的具體情況并伴隨有BEEP聲音提醒。
用戶在操作區(qū)域完成測試和程序響應(yīng)用戶的操作，并完成參數(shù)保存、測控、查詢、生成報表和打印等功能。
報警區(qū)域的功能可對被測指標(biāo)與預(yù)先設(shè)定的極限值進(jìn)行比較，若超出極限值，系統(tǒng)報警。報警區(qū)域的設(shè)置為用戶提供了有效的監(jiān)測手段，可避免因設(shè)備故障而造成的損失。
為了讓前面板更加美觀以及對圖表控件初始化，程序使用大量的屬性節(jié)點對控件的顏色、可見性、閃爍、比例進(jìn)行設(shè)置。
3.2 數(shù)據(jù)采集模塊
圖4所示是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的框圖程序。數(shù)據(jù)采集模塊用于完成對數(shù)據(jù)采集卡LabJack U12的驅(qū)動以及各項參數(shù)設(shè)置，如通道設(shè)置、增益、讀寫狀態(tài)等。實現(xiàn)方法是在LabVIEW界面下調(diào)用采集卡LabJack U12提供的AI simple函數(shù)，通過采集卡AI0，AI1，AI2 ，AI3 四個通道同時對四個不同采集點濃度信號進(jìn)行采集。之后連接解析簇函數(shù)unbundle函數(shù)解析出一維電壓值數(shù)組，再由索引數(shù)組函數(shù)Index Array給函數(shù)四個索引端口連接索引值，element參數(shù)輸出該索引值對應(yīng)的電壓值。最后四路電壓求平均，求出傳感器采集的現(xiàn)場四個點的電壓值，經(jīng)過換算得出現(xiàn)場濃度。
3.3 系統(tǒng)控制模塊
系統(tǒng)控制子程序?qū)蓚€執(zhí)行機構(gòu)排風(fēng)扇和電磁閥、揚聲器的相關(guān)電路輸入控制電壓， 圖5所示是系統(tǒng)的控制子程序。該系統(tǒng)調(diào)用了EAnalogout函數(shù)，此函數(shù)可以同時輸出兩個模擬通道電壓。分別在analogout0，analogout1端口連接排風(fēng)扇和電磁閥、揚聲器的驅(qū)動機構(gòu)，采集的濃度參數(shù)經(jīng)軟件程序處理后，在analogout0，analogout1輸出指令，執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)的操作。
3.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的實現(xiàn)
LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)功能主要建立在DataSocket技術(shù)、Web服務(wù)器和TCP、UDP協(xié)議基礎(chǔ)上。本測控系統(tǒng)采用在Web上HTML文件的方法實現(xiàn)烤房的遠(yuǎn)程測控，也可以使本地或遠(yuǎn)程計算機瀏覽并且操作LabVIEW程序面板，從而對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和控制。
4 結(jié) 語
有安全才有發(fā)展，有安全才有效益。廠礦住宅可根據(jù)具體環(huán)境及需要的功能選擇合適的可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)，以確保人身與生產(chǎn)安全。該監(jiān)測系統(tǒng)可以應(yīng)用于實際，具有方便、快捷、直觀等特點，相信會給用戶耳目一新的感覺。
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