时间：2023-03-24 15:43:47
1．1传感器
本设计采用的传感器型号是Vaisala公司生产的气象变送器WXT520，是一个轻巧的小型变送器，采用紧凑式包装，可提供6种气象参数。WXT520用于测量风速、风向、降水、气压、温度和相对湿度。传感器外壳的等级为IP65/IP66，适合于我国北方的恶劣天气。WXT520采用32VDC，并使用可选择的通信协议输出串行数据:SDI－12、ASCII自动和轮询。有4个串行接口可供选择:RS－232、RS－485、RS－422和SDI－12;并配备了一个安装用8针M12接头和一个维护用4针M8接头。
1．2主控系统
主控系统包括数据采集器与控制器，具体包括控制器、采集器、通讯模块、供电电源和存储模块等部分。主控器通过嵌入式软件与供电、采集、通讯、存储等单元协调工作来完成。自动气象站的核心是数据采集器，负责数据收集、传输、统计分析和数据存储［4］。采集器电路主板包括主板和底板。主板是嵌入式工控主板，具有良好的扩展性，操作性、支持第三方控制器，包括时钟管理、实时及周期间隔定时器、复位、关机、高级中断及调试单元(DBGU)。通讯单元为西门子6GK7型工业以太网通讯单元，可以做到网络统一，可与支持EtherNet/IP的设备连接，结合使用Ethernet功能使其具有传感器监控器及控制值备份等现场实际应用功能，要想完成任务下达命令和数据上传功能需要通过网络来实现。通讯模块起到关键作用，所以要求其具备以下功能:①支持国际标准通讯协议，如TCP/IP(6．0)、UDP或者PPP，具有标准RS232串口;②可以自动监测联网状态，短线1min内自动拨号重新连接，防止数据的丢失;③接口速率为可选的1200～9600kB/s范围。存储单元:因采集数据的频率较短和跟踪监测的时间范围较长，因此采用存储容量为闪迪256G固态硬盘，用于保证存储容量及数据的安全性、稳定性和读取速度，同时存储单元可以记录系统工作状态。防雷单元:由于监测系统需要全天候连续工作，所以需要面对复杂天气状况，因此加装防雷设备对于整个系统的安全性尤为关键，本系统采用的是雷太LY1－B系列电涌保护器(一级防雷器)。供电单元:由于本系统需要在田间进行监测，不宜采用城市供电，因此选用了太阳能电池进行供电，对电池的容量要求为在无光线的环境中可以连续供电10天。扩展单元:新型传感器需要有相应的端口或接口与主控系统相连接，以满足系统升级或新添设备需要。
2系统设计
农田气象信息远程监测系统的主控器选用的是Atmel公司的ARM9系列的AT91SAM9260处理器。该处理器可以采用Linux操作系统，通过嵌入式应用控制程序，实现农田环境多要素气象数据的采集、处理及存储的功能。被采集到的气象要素基于TCP/IP协议的通讯网络，采用无线GPRS方式，根据实际情况选择最佳的组网方案，实现无线气象数据传输，并基于LabVIEW开发农业气象信息管理软件，使气象信息能够被读取。
2．1采集控制设计
采集系统可以实现采集并对采集到的气象要素信号进行处理。采集系统内部设有存储器，可以进行信息清除并对采集到的各气象要素的数据进行存储，有接口USB实现信息数据的备份功能。系统设有通讯接口RS232/RS485，可以通过该接口与GPRS/CDMA等通讯设备连接。该系统有时钟校准功能，通过监控中心下达指令，对气象站的时间进行校准。数据处理的方法需要设计采集数据的时间间隔。气象数据的监测主要为定时扫描各传感器的数据，通过通讯模块将数据的电信号传到主控系统中经既定程序(LabVIEW)计算;通过屏幕可以直接读取实时数据，针对特定时间段的数据可以进行有目的的分析，如平均值，不同时间点的变化趋势数据以及不同周、月份、年份的数据统计分析等［5］。收集数据默认为温度、相对湿度、降雨量、风向、风速及气压;当增加传感器时，在主控系统中重新设置就可以进行增加项目数据的收集。各气象数据中气温、相对湿度、雨量、气压的数据传感器每10s测定一次，根据气象学上常规的统计方法，通过程序收集到1min内每10s的瞬时气象数据。气温、相对湿度、雨量、气压在1min内会收集到6个数据，舍弃一个最高值和一个最低值，使用其余的4个测定数据来计算算术平均值，此值为监测系统最终在屏幕中实时显示的瞬时数值。风向、风速的监测频率为1次/min，系统计算每5min内5次测定值的算数平均值，此数据在LabVIEW程序界面中实时显示。所有测定的数据在数据库中均有保存，如统计部门需要对数据进行特殊分析，均可在数据库中将数据导出。在数据库中如有异常数据，一般以超过临近时间点两倍的数据值进行特殊标记，以便提醒管理员对相应数据进行核实和异常情况的分析。
2．2通讯设计
前端采集部分与后端监控中心系统通信采用无线GPRS通信方式，由于农田气象站放置在室外，因此不适宜采用光纤传输，而采用GPRS无线能够解决此问题［6］。GPRS采用的组网方式是公网固定IP的方式。GPRS拥有传递及时、通信信号好等优势，在并组网时减少对原有网络资源的浪费，节约了成本，并可以在室外复杂环境中实时进行监测，而且具有一定的安全性。室外自动气象站与气象信息管理系统需要建立点对点的网络连接，在连接过程中需要以无线方式登陆到以太网络来获得网络地址。要实现网络服务器地址和端口映射在气象管理系统中，需要气象信息管理系统软件采用其网络子网地址，这样在管理系统显示软件中就可以实现气象数据的双向通讯，进行有效的信息传递和收集［7－8］。图2为基于GPRS无线通讯的气象信息系统示意图。
2．3软件设计
气象信息管理系统可以通过网络来查看气象信息。本研究天气显示采用的软件是LabVIEW，此软件是美国国家仪器公司推出的一门图像化编程语言，同时也是著名的虚拟仪器开发平台［9－10］。作为一门图形化编程语言，LabVIEW秉承了其简单易用的一贯作风，使用户能够快速编写出强大的应用程序。本研究的LabVIEW编写程序图，如图3所示。为了方便叙述，本文把风向、风速、温度、湿度、雨量和气压多种气象数据统称为气象信息值。气象系统天气前面板显示图，如图4所示。通过该系统对哈尔滨市香坊区东北农业大学校内气象信息值进行监测，与气象台预报数据作为参考进行对比，气象信息值监测结果如表1所示。表1中实测的时间跨度是实验当天早6:00至晚18:00。从数据中可以看出，实测日期当天监测到的温度、湿度、雨量、风速和气压与参考值相比，具有良好的线性关系，系统可以准确计算出当天所监测气象信息的平均值。此收集到的气象数据只是一天中的部分数据，所以经过系统分析计算出来的数据只能代表所监测时间范围内的气象信息，与气象台的参考值有偏差。
3结论
【关键词】虚拟仪器 电子技术 演示实验
1 电子技术演示实验中虚拟仪器应用现状
1.1 虚拟仪器的概述
近几年以来，计算机技术得到了迅猛的发展。随着计算机的发展，数字信号处理技术也得到了相应的发展，这时在计算机中信号处理的作用被全面实现，软件也彻底替代了硬件。另外，加上计算机自身特有的操控和展示图形的作用，就实现了用计算机软件显示数据显示与仪器控制这两个部分的所有内容，这样最终形成的仪器就是虚拟仪器。这里所说的虚拟就是指仪器面板是虚拟的、通过软件进行数据的测量与记录而不是从实物中直接记下来的等等。因此，通俗地讲，虚拟仪器就是一种以计算机软件为主，拥有自主测试的控制系统的仪器。在进行具体的电子技术实验演示时，虚拟仪器的各种软件都可以得到最大限度的利用。平时在实验室中的传统仪器可以通过软件显示在计算机上，以学生为代表的使用者就可以通过计算机的鼠标、键盘等控制虚拟仪器的具体运行，最终得到实验所需测试的结果。为了更加直观，示波器中的输出、输入波形可以选择不同的颜色显示出来。
1.2 虚拟仪器在电子技术演示实验中的应用
随着虚拟仪器技术在电子技术演示实验中的快速发展与不断完善，现在的虚拟仪器设备已经具备了很多诸如电流表、电压表、示波器以及信号发生器等仪器的全部功能。同时，它完全取代了之前的手动进行测量、记录以及对数据的复杂处理的工作。到目前为止，现在的虚拟仪器技术已经相当成熟，它不仅为高校或者企业节省了资金的投入，而且实用易于操作。
在具体的演示实验中，由演示者把实验设备与该虚拟仪器正确的连接在一起就可以实现实验的全部操作过程，最终得出实验结果。这样，既简单又直观，还可以节省很多时间。因为虚拟仪器技术已经得到了很好的发展，所以，现在学校和企业的很多电子演示实验都是采取了虚拟仪器技术进行演示的。这些实验包括操作比较简单的二极管伏安特性曲线演示实验、共射极单管放大演示实验、低频功率放大器演示实验以及三端稳压器W7805稳压性能演示实验、交流负反馈对放大倍数稳定性演示实验、静态工作点稳定电路频率响应演示实验等等操作比较复杂的演示实验。只要实验中需要使用到相关的测量仪器，基本上都可以采用虚拟仪器技术来完成演示实验。
1.3 虚拟仪器的演示实验系统
所谓虚拟仪器演示实验系统，它是由负责实验部分的电路版块、负责测量部分的数据采集器和扮演着很多角色的计算机组成的。其中的实验电路部分主要是一个类似于面包板的板子，在它上面有着针对不同演示实验的多个不同接口。然而，负责虚拟仪器测量部分的主要是计算机系统与数据采集卡。这里的计算机不是普通、单纯的计算机系统，它必须要安装特定的可以辅助演示实验的虚拟仪器。在演示实验中，计算机扮演着多种角色，它不仅可以充当很多仪器的测量功能，它的显示屏还可以作为很多仪器的显示屏幕。现在大部分学校或者企业采用的都是美国NI公司的教学实验虚拟仪器套件。
此软件现在已经可以完全实现信号分析、数字万用表、信号源、定时以及直流电源等等的功能。所以，这套设备现在已经可以完成电子技术演示实验中绝大部分的实验了。在具体的演示实验中，首先把数据采集卡和该软件的工作台相连。检测无误后，按照具体要求在工作台的板子上构建出所需的电路图。最后，将计算机的投影仪打开，把显示的内容投影到屏幕上，方便老师的操作以及学生的观察。
2 电子技术演示实验
2.1 二极管伏安特性曲线演示实验
二极管伏安特性曲线演示实验中，可以按照图1所示，把虚拟信号发生器、二极管、电阻和虚拟示波器用导线连接。检查无误后，开启计算机以及虚拟仪器。接下来，就是对虚拟仪器的反复调整。这时就可以通过计算机桌面上的虚拟仪器面板对其进行适当地调节。二极管等效为电阻是需要在低频小信号的条件下的，因此，经过调节，使虚拟发生器的频率达到一个恰当的值，就可以输出正确的正弦信号值。根据教程内容可知，交流信号与输出电压可以忽略不计。那么，测量过程中，直流电压表上的读数可以认为是图中电阻R的直流电压值。最终，经过对虚拟示波器的反复调节，使通道值和衰减幅度值等等处于一个最合适的数值，这样就得到了一个稳定的波形，这就是最后需要的二极管伏安特性曲线。
2.2 单级低频放大器演示实验
单极低频放大器演示实验中，根据图2所示，把虚拟信号发生器、5个电阻、2个电容、1个滑动变阻器和虚拟示波器连接在一起。然后，把该实验电路图经过投影仪到大屏幕上，这样可以便于学生的观察。接下来，需要经过调试将单极低频放大器的输入与输出电压的波形通过虚拟仪器显示出来。这个实验中，连接必须要完全正确。所以，根据测量需要，放大器的输入端应该与虚拟示波器的CH2探头相连，其输出端与虚拟示波器的CH1探头连接，而虚拟发生器与放大器的输入端连接。最后一步也是很重要的，按照教程的要求，选择所需的波形与频率，把幅度和时间安置在正确的位置上，这样才可以得到所需的波形。以上就是整个单极低频放大器演示实验的所有过程。
图3是虚拟示波器和计算机上显示的波形。从图4可以看出，输出与出入电压的相位正好相反。通过具体计算，该电压被放大了80倍左右。根据实验的具体要求，如果需要虚拟放大器的两种失真状态，即截止失真和饱和失真，可以适当调整三极管静态工作点的位置。那么，虚拟放大器的饱和失真波形如图7所示。如果要研究单极低频放大器频率特征，可以把虚拟示波器换为虚拟频率特性来测量。
2.3 共射级单管放大电路演示实验
共射级单管放大电路演示实验中，按照图5所示，把虚拟信号发生器，若干电阻、电容以及虚拟示波器用导线连接起来。类比上个实验，将该实验电路图展示在投影仪屏幕上面。接着，在虚拟发生器与虚拟示波器连接正确的条件下，需要设置合适的静态工作点。其一般的要求是：信号幅度较小时，在保证输出信号不失真的情况下，常选择较低的静态工作点，以降低放大器的噪声和减少电源的能量损耗。输入信号较大时，工作点适当提高，直至负载线的中点位置。在共射级单管放大电路演示实验中，对静态工作点的设置要求很是严格。当静态工作点的设置不恰当时，势必会造成饱和失真或者截止失真现象的出现。饱和失真的情况出现在静态工作点太高的时候；截止失真的情况则出现在静态工作点太低的时候。最后，该实验还可以测出放大倍数。通过推断与演算，还可以知道影响静态工作点的主要因素。
3 虚拟仪器在电子技术演示实验中存在的问题
3.1 简便的虚拟仪器导致了实验的盲目性
虚拟仪器技术的引入，带给使用者更多便利的同时，它的弊端也随之而来。因为该项技术可以很方便的使用，在实验过程中，很多本身就缺乏相关的理论知识的实验者会把太多的精力集中在计算机软件的使用或者是对虚拟仪器程序的编写上，而忽略了与实验相关的理论知识，更不会顾忌实验的拓展部分以及实验本身的局限性给实验带来的影响等等方面的问题。如果是这样，那么演示实验就失去了它本身特有的目的与功能，虚拟仪器技术也得不到最合理的使用。
3.2 虚拟仪器本身的局限性
在实验完成后，数据的记录与处理是必不可少的。在电子技术演示实验中，利用计算机记录与处理数据带来不少方便的同时，也产生了很多不利的地方。对于不同的计算机，其本身的性能和实时性都各不相同，这些都会或多或少的影响到最后数据的准确性。而网络本身的不畅通，不仅造成了测量数据的迟缓，而且也使数据的测量变得不再精确。与此同时，负责测量的数据采集卡也有很多不稳定的因素存在，其中的分辨率、响应时间等等都有待进一步的提高。
4 总结
这是一个注重实践与理论相结合的时代，虚拟仪器在电子技术演示实验中的成功应用正迎合了这个时代的需要。作为学校现在教学与科研必不可少的一种手段，虚拟仪器在演示实验中已经成为了一种不可阻挡的趋势，对电子技术的发展有着不可估量的作用。在日后的不断完善与改进下，相信电子技术及其相关领域会得到很大的发展，虚拟仪器技术也一定会有更加重大的突破与创新之处。
参考文献
[1]李文联.虚拟仪器在电子技术演示实验中的应用[J].实验室研究与探索，2004（01）.
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[5]王小明.虚拟仪器在电子技术演示实验中的应用[J].中国科技信息，2006（09）.
[6]刘晓琳.模拟电子技术演示实验数字化教学资源建设[J].中国现代教育装备，2013（01）.
[7]李文群，李文联.电子技术多媒体演示实验[J].实验教学与仪器，2004（01）.
[8]毛鑫锋，杨军.声卡虚拟仪器及其在《电子技术》演示实验中的应用[J].科技致富向导，2012（35）.
作者简介
范蕴秋（1977.11-），女，本科，讲师，研究方向：电子技术应用与研究。
关键词： 虚拟仪器 LabVIEW 实验教学
1 前言
虚拟仪器（Virtual instrumentation）是二十世纪九十年展起来的一项新技术，其核心思想为“软件即仪器”［1］［2］。它是指通过应用程序，将通用计算机与功能化模块硬件结合起来，由用户根据友好界面来操作计算机，自己定义和设计仪器。在测控领域应用越来越广泛，利用NI虚拟仪器技术，用户可快速组建自己的测试系统，从而完成对被测试量的采集、分析、处理、判断及显示等一系列功能。开放式虚拟仪器开发平台（LabVIEW）在教育领域也得到迅速推广与发展，许多高校建立了相关的虚拟仪器的课程。它给传统的教学研究带来了巨大的变化，尤其在实验教学和科研中起着越来越重要的作用，它不仅是大学教学活动的重要实践环节，而且是教育部本科教学评估的一项重要内容。因此，进一步加强实验室建设，不断改革实验教学是十分必要的。
2 虚拟仪器特点及优势
传统仪器的硬件是其关键，功能由厂商定义，因此其扩展性能较低。而虚拟仪器由于其面向应用的系统结构，所以功能可由用户定义，软件是其关键。主要特点如下:
(1)由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，可实现自动化、智能化、多任务测量。
(2)可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。
(3)虚拟仪器可在较高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。
(4)近年来，随着网络技术的发展，已经形成了网络虚拟仪器。这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet的一部分实现现场监控和管理［3］。
虚拟仪器与传统仪器的优势主要体现在以下几个方面［4］：
虚拟仪器技术发展非常迅速，所有测量测试仪器的主要功能可由数据采集、数据测试和分析、结果输出显示等三大部分组成，其中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成基于计算机组成的测量测试仪器。基于计算机的数字化测量测试仪器就称之为虚拟仪器。注意：这里所指的虚拟仪器和EDA仿真软件中的虚拟仪器概念完全不同，它可以完全替代传统台式测量测试仪器。而EDA仿真软件中的虚拟仪器是纯软件的、仿真的。
虚拟仪器在实验教学中的优势主要体现在［5］：
（1）在一些实验条件不具备或不完全具备的高校，能够开设虚拟仪器的实验教学。由于学校的人力、实验设备的数量和时间的限制，导致不可能让每个学生都能单独地完成若干次实验，而虚拟仪器能省时、有效地解决实验设备短缺三方面的问题。
（2）在虚拟的实验平台上，能够方便、具体地进行各种参数的设置和操作，对于虚拟仪器本身不受实验环境、条件及设备精度的影响，测量的数据稳定、可靠。
3 虚拟仪器在大学实验中应用
虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术综合集成的产物，代表了现代测试技术和仪器技术发展方向。在大学实验中，主要针对测试技术、机电专业等相关专业。利用LabVIEW功能强大的图形化的开发环境，完成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务。在配备数据采集卡的基础上，使用LabVIEW即可在单个环境下提供广泛的采集、分析和显示功能。因此，通过大学实验，与理论更好地结合起来，更好地发挥学生主观能动性和加深对硬件、软件的理解，这样使教学达到事半功倍的效果。对于一般的物理量（速度、位移、力等等）的测试过程都是差不多的。下面举一个综合性测试技术应用实例：利用位移传感器和数据采集卡，通过LabVIEW来完成数据采集、电机的控制、数据处理与显示。
具体的操作步骤如下：
（1）安装：把电感式位移传感器安装在某一结构上，该结构与电机连接，主要是为了能自动的测量某一圆管的直径。
（2）标定：为了保证测量的准确性，对于任何传感器在使用之前，必须先对其进行标定。针对该实验使用的电感式位移传感器的标定方法是如图1所示：通过测量标准圆管两次，即可算出该组传感器的灵敏度。
（3）测量与控制：通过数据采集卡来获取传感器的测试的数据，利用LabVIEW来对这些数据进行处理，然后直接显示在界面上如图2所示。为了能实现自动测量的目的，同样利用LabVIEW来控制脉冲的数量，即可控制电机的速度，如图3所示。
这个应用实例包括了三个基本的实验：传感器数据的采集、数据处理和结果显示。经过这些基本的实验训练，学生能够更好地掌握自动控制的内容和虚拟仪器编程技术；能够在LabVIEW这个功能强大又方便灵活的虚拟仪器开发平台上，创造出比传统的测试仪器具有更高智能、更高性能价格比、更加可靠及便于操作的先进仪器。也有些学生根据课程上学到的知识，自己选择实验内容，或者另行设计实验方案，在LabVIEW环境中，进行自己感兴趣的实验，这样既拓宽了学生的知识面，又增加了学生的积极性。由于我们的实验环境软硬件完全是工业标准的产品，学生在实验中开发的许多虚拟仪器完全可以直接应用到生产实践中去，对于提高他们的工程素质带来极大的好处，使他们在未来工作中能够从容面对测试技术领域的挑战。
4 结论
利用虚拟仪器技术，通过大学实验的方式，学生可以自己开发实验的虚拟仪器，来完成实验，在这个过程中LabVIEW起到了不可替代的作用。这样不仅显著降低了实验设备投资，而且培养了学生的创新精神，提高了学生的工程素质，为高等工程教育实验教学带来了革命性的变化。人机交互的特点尤其适用于个性化教育，是因人施教、因材施教，培养高素质的综合型人才的重要手段。
在LabVIEW这个高效的虚拟仪器开发平台上，学生自己可以用图形语言开发出各种仪器，综合应用所学过的各学科知识，在普通的计算机上构建一个个人实验室［6］，从而完成实际测试过程，达到与用实际仪器教学的相同目的。这样教师和学生既可以摆脱功能单一、固定和不易重新配置的现成仪器的束缚，还可以充分发挥自己的积极性和创造性。总之，开发和利用虚拟仪器教学实验系统更快、更新地构建出集成度高、适应性强的实验室虚拟仪器系统，是高校实验教学改革的一个新的发展方向。
参考文献：
［1］汪敏生.LabVIEW基础教程［M］.北京：电子工业出版社，2002.
［2］杨乐平，李海涛，肖凯等．虚拟仪器技术概论［M］.北京:电子工业出版社，2003.
［3］裘伟延.基于LabVIEW的虚拟仪器和虚拟实验［J］.新技术应用，2002，(5):17-20.
［4］叶德云，曹薇.基于LabVIEW的测量与控制系统及其在教学中的应用［J］.电子工程师，2005，31(3)：3-4.
关键词：虚拟仿真；电子类实验教学；应用
TP391.9；TN0-4；G642
一、虚拟仿真技术的概念与优势
虚拟仿真技术在电子类实验教学中的应用主要有两种方面：虚拟仪器技术和仿真。最早虚拟仪器这个概念是由美国仪器公司提出的，其主要含义就是“软件就是仪器”通过对应的软件来实现仪器的主要功能。在使用过程中利用LabvIEW编写虚拟的仪器面板，将各种数据信息采集设备和软件的仿真平台搭建出一个不同的仿真系统。仿真则是利用模型进行实验，对电路环境与电路过程中进行模拟，得到真正实验的全过程。虚拟仿真技术的核心内容就是将虚拟与实际结合，从而达到最佳的实验教学效果。同时，在虚拟仿真技术在使用过程中有以下几种优势
（一）节约成本
在传统的教学模式创新中需要不断的增加各种教学仪器设备，增加教学成本，而且要想进行实验只能在实验室进行。虚拟仿真技术的出现更好的解决了这些问题，在教学过程中只需要具备仿真软件计算机就能在任意地点进行实验，方便教师教学。
（二）理论与实际结合，激发学生兴趣
虚拟仿真技术可以将虚拟与实现结合，学生在接受新知识时还锻炼了学生的动手实践能力。将实验教学内容以更直观的形象展现出来，激发学生的学习兴趣，提高学习效率。
（三）实验平台的统一性和可恢复性
在使用虚拟仿真技术时，可以将多门课程实验进行统一，并为学生提供一个设计、原型、科学、的应用平台，这样不会丢失原有的实验信息，还会完成从原型设计到系统部署之前所有工作，从而将虚拟教学内容与实际教学实验的理论、知识更好的结合起来。
（四）教学内容的灵活性与创新性
虚拟仿真技术不同于其他试验箱数量固定的实验内容，在使用其技术时还会根据不同的需求搭建出一个不同的实验电路，让学生更直观的了解教学内容，同时还有利于教师开展一些综合性与设计性的教学实验，从而培养学生的创新能力。
二、虚拟仿真技术在电子类实验教学中的应用
随着电子技术快速发展以及教学内容不断的更新，传统的实验教学模式已经跟不上社会的发展，其中还存在着一些不足，虚拟仿真技术的出现将实验教学进行全新的完善，激发学生的学习兴趣，提高学生学习效率。电子电路课程是电子类专业必修课程，其中包括了：电路分析、模拟器电子技术、数字电子技术。在这三门课程中虚拟电子技术被学生们认为是一个难度最大，理论性较强的的一门课程。一般来讲，虚拟电子技术是与教学理念同步，有时也会落后于教学课堂。在传统的实验教学过程中，学生对实验的电路理论不够了解，对实验中可能出现的问题还没有特别清楚，因此，对于多数学生来说，在实验过程中一旦出现问题找不到任何的突破点，从而降低学习兴趣。在虚拟仿真技术中以二阶段有源低通滤波器为主的教学实验可以帮助学生加深对知识的了解，锻炼学生的动手动脑能力。
（一）二阶有源滤波器的仿真实验
在虚拟仿真技术中，常用的仿真软件有：Multisim、Pspice、Proteus等。在此，本文对Multisim在虚拟仿真技术中的使用以二阶有源滤波器电路进行了仿真。该技术操作简单容易上手，它在使用过程中具有非常多的元器件、虚拟仪器，它的功能强大，在使用过程中还为学生提供专用的万能表、示波器等常用仪表设备，而且还为学生提供了虚拟仿真技术的网络分析仪、频谱分析仪等仪器设备。二阶有源滤波器在教学过程中具有仿真的电路图，只需要在使用时输入信号频率和幅度，就可以通过滤波器的示波器进行观察，并让学生做出总结。同时，在使用时还可以利用波特图测试仪，设定使用频率的反问，保证学生可以更加直观的观看到二阶有源低通滤波器的频率响应线，学生在上课过程中就可以通过幅频特性曲线找到滤波器的频率。这样，学生就可以搭建出一个更为实际的电路，进行实验，从而总结出自己所得结果，并于教师交流。
（二）二阶有源滤波器的实际电路测试
关键词：计算机 虚拟仪器 实验教学
在计算机辅助教学（CAI）广泛应用的今天，基于计算机技术的虚拟仪器系统也随之出现，它是传统仪器与计算机技术高度的结合，随着计算机集成电路技术的发展。对测试技术与测试设备的要求也越来越高，虚拟仪器的普及势在必行。目前虚拟仪器主要有两种，一种是纯软件的虚拟仪器（即仿真技术）；另一种是软件硬件相结合的虚拟仪器VI（Virtual Instruction）
1 虚拟仪器的内涵
虚拟仪器又称个人计算机仪器，由个人计算机、仪器硬件和应用软件组成。其基本设计思想是利用当前广泛使用的个人计算机来管理、组织仪器系统，进而逐步代替传统仪器完成某些功能。如数据的采集、分析、显示、存储及波形产生等，最终达到取代传统电子仪器的目的。
1.1 仿真技术。在仿真技术中，根据仿真对象的不同，可分为两类，一类是对电子电路的分析仿真工具-EDA技术；另一类是应用于通信、信号处理和控制方面的仿真工具-MATLAB。
①EDA技术。一套完整的EDA软件是多个设计工具系统集成化的结果，它包含计算机辅助设计CAD、计算机辅助分析CAA和计算机辅助制造CAM等。市场中的EDA软件主要有Pspice、Mutisim、Wewb和Protel四种。它们的仿真功能用的是同一个仿真引擎-伯克利分校的Pspice仿真引擎。②MATLAB软件。主要工具箱有信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统识别、最优化、分析与综合、模糊逻辑、小波分析、样条、通信和统计等。
这两种仿真技术都只需要一台计算机和相应的软件，而无需任何硬件的支持，也就是说这种虚拟仪器是纯软件性质的，无论电路、系统本身还是分析工具都是由软件实现的。
1.2 虚拟仪器可分为五种类型。
①PC总线-插卡型虚拟仪器。这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用软件LabVIEW相结合，通过三种编程语言Visual C++、Visual Basic和Labview/cvi构成测试系统。②并行口虚拟仪器。这是最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置。③GPIB总线虚拟仪器。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式。④VXI总线虚拟仪器。VXI总线是高速计算机总线VME在VI领域的扩展，具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步准确、模块可重复利用的特点。⑤PXI总线虚拟仪器。PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了多板发总线、多板同步触发总线的技术规范和要求形成的。
2 虚拟仪器的特点
2.1 建造成本低。科学研究或实验室建设都受到建设费用的限制，这是由于各种测试测量仪器、设备的价格随着其性能的不断改善而增加；而虚拟仪器的一个主要特点就是一机多用，可以作为示波器、频谱分析仪、数据记录仪及各种测量仪表；另一个特点是用户可自己“创造”适合自己使用的的各种仪器、仪表。所以，利用虚拟仪器组建一个实验室比采用传统仪表可减少费用。
2.2 使用效果好。近年来，随着实验设备的不断改善而改进，有些院校已经开始用计算机仿真实验室代替传统的实验。然而，从培养学员动手能力和解决实际问题能力上来讲，放弃对学员开设传统实验也不可行。虚拟仪器可以用来测量实际的电路和系统，且只要在虚拟仪器系统的PC机安装专用的仿真软件，就可以进行仿真实验。
2.3 机动性能高。虚拟仪器提供了功能完备的示波器、函数信号发生器、数字信号频谱分析仪、数字多用表以及其它各种仪表、仪器；并且用户还可以自己“创造”仪器、仪表。虚拟仪器可以直接打印出各种仪表的输出数据及输出波形，并可进行远程数据交换；与传统仪器相比，可以避免生成大量实验数据报表的麻烦。因“看和感觉到”的“虚拟仪器”与实际的普通仪器是如此相似，以致虚拟仪器、仪表可替代学员使用的普通仪器、仪表，还可以大大提高学员的学习兴趣。
3 虚拟仪器的应用
虚拟仪器在实验教学中最基本的应用是替代常规的仪器、仪表，如函数发生器、示波器、电子电压表、万用表等。学员在实验中使用虚拟仪器，可以方便地实现信号发生及波形记录。比如基于虚拟仪器的数字示波器的开发，利用Express VIs可以帮助我们简化一些常用功能的开发过程。
综上所述，通过使用虚拟仪器，学员可以在相同课时内同时学习电子技术和计算机使用技巧。不但掌握了通用电路的测试技巧，加强对电路原理的理解，还同时接触了先进的技术，从一个更高的起点面对明天的世界。由于虚拟仪器数据结构的开放性，在数据的处理或二次开发过程中，可从多方面训练和加强学员综合能力，使他们的动手能力与理论基础同时得到提高，并且虚拟仪器的出现也为现代实验教学开辟了一条崭新的途径。
参考文献：
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【关键词】信号分析与处理;虚拟仪器;教学改革;教学平台
1.引言
《信号分析与处理》课程是一门理论性很强的专业基础课。其内容涵盖连续时间信号的分析与处理、离散信号的分析与处理和滤波器的设计等内容。该课程的特点是：内容繁多、理论抽象、数学公式计算复杂，且函数波形和曲线较多。因此仅通过单一的课堂教学方式，在有限的教学课时内很难收到良好的教学效果[1-3]。在《信号分析与处理》的传统教学中，通常辅以MATLAB仿真实验，以加强学生的理解。但是这就需要学生要事先掌握MATLAB的编程方法。除此之外MATLAB软件复现现场工程信号比较困难，学生也不易理解信号、频谱、系统、滤波等概念，不容易理解频域分析的优点 [4，5]。本文给出了基于虚拟仪器的信号分析与处理教学平台设计过程。利用LabVIEW方便易学的图形化编程环境，使学生对《信号分析与处理》这门课程的内容有更直观的印象和把握。
2.虚拟仪器技术在信号分析与处理中的应用
虚拟仪器是计算机技术和仪器技术融合而产生的新兴技术。虚拟仪器技术通过接口技术采集现实世界的信号，应用LabVIEW编写软件，对采集到的信号进行分析和处理，并实现对相应外设的控制，输入输出操作通过虚拟仪器的前面板来完成。也就是说虚拟仪器具有传统仪器的功能，只不过是将显示界面使用计算机虚拟出来，在计算机显示器上以多种形式输出结果。虚拟仪器是靠模块化的硬件和灵活高效的软件来完成设计工作的，这种工作方式极大的提高的了工作和生产的效率，所以一经推出就广受好评[6-8]。
LabVIEW的编程语言是虚拟真实元器件的图形化编程语言，更加直观。其自带的强大函数库方便使用者随时调用，大大降低了编程的难度和复杂度。因为更多人愿意选择使用LabVIEW来完成编程工作。
针对“信号分析与处理课程”中含大量的信号和抽象的理论，利用虚拟仪器技术的上述优势，将其引入到《信号分析与处理》的教学中，提高教学效果，具有重要意义。
3.基于LabVlEW的教学平台设计
3.1 教学平台总体设计
《信号分析与处理》是一门基础理论和实践性很强的课程，涉及的内容和领域广泛，要在48学时内将该门课程讲授好，就必须对授课内容、顺序、重点做一个总体的规划，我们拟本着先信号分析再信号处理，先连续后离散，先信号后系统，先基本理论后工程实现及应用的顺序，对教学内容进行调整。配合《信号分析与处理》教学内容的需要，选择和设计有利于学生理解的实验教学案例，应用虚拟仪器技术实现相应案例的模拟仿真，帮助学生更好的理解相关理论知识，激发学生的学习潜能和学习兴趣。
本文设计的教学平台主要包括信号的连续信号的分析与处理、离散信号的分析与处理和信号的滤波处理三个方面，完成对信号显示、测量、波形存储、时域分析、频域分析以及信号的滤波处理功能，具体内容如图1所示。
图1 基于LabVIEW的信号分析与处理教学平台组成
3.2 教学平台实现
本教学平台以LabVIEW作为开发工具，实现了上述教学内容。LabVIEW环境包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标连接端口。程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制（Controls），为虚拟仪器的框图程序提供数据;输出量被称为显示（Inidicators），显示虚拟仪器流程图中获得或产生的数据。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上。如旋钮、开关、按钮、图表、图形等，这使得前面板直观易懂。
图2 时移定理辅助教学模块
本教学平台的特点是，学生可以在运行界面输入和修改相关参数，并在结果窗口看到相应结果的动态效果。学生可自主的设计方案，自主的选择被测信号，自主的分析实验结果，大大激发同学们学习参与的积极性。图2和图3分别是用LabVIEW实现的CFFT时移定理和FIR数字滤波器的辅助教学模块。在该程序界面内，学生可以在运行界面输入和修改信号波形、频率、相位等相关参数，并在结果窗口看到相应结果的动态效果。学生在实践过程中通过自己动手实现信号的各种变换和处理，有利于掌握信号分析与处理方法的实质，这样也充分调动教师和学生双方的积极性，特别是激发学生的学习兴趣，加深对知识点、重点和难点的理解，从而全面提高课程教学质量，培养学生的自主创新意识和创新能力。
图3 FIR数字滤波器辅助教学模块
4.结论
采用虚拟仪器构建的《信号分析与处理》教学平台，用虚拟的信号发生器，虚拟的频谱分析仪，虚拟的数字滤波器来模拟仿真信号采集、分析和处理过程，可以节约大量仪器设备的成本投入。该教学平台具有很好的交互性和可操作性，学生在计算机上通过软件对各种虚拟仪器进行设计及试验，就如同操作传统仪器一样有效，其实验结果与在真实实验室的现场试验是一样的。课堂教学中抽象的理论，在实践环节变得形象直观了，对课堂理论教学起到了很好的辅助作用。
参考文献
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关键词:智能控制;虚拟仪器;在线寻优;性能参数;RBF神经网络;PID
中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)01-0016-03
基于计算机技术的虚拟仪器,使得数据采集和工业控制自动化技术发生了重大的变革。基于虚拟仪器的自动化测控系统大都具有界面友好、易于操作等特点,为此人们设计开发了各种基于PID控制技术的虚拟仪器测控系统。文献[1]可以快速确定3阶以内线性被控对象的PID控制参数。文献[2]以LabVIEW 7.1和PID工具包为软件开发平台,设计了一个实时温度控制系统,文献[3]基于LabVIEW平台设计一种自整定的PI控制系统,这些基于虚拟仪器测控技术的广泛应用,以及虚拟仪器硬件成本的直线下降,推动了虚拟仪器实时测控系统的飞速发展。但对于具有非线性、大时滞的系统,由于难以获得精确数学模型,仍然很难得到理想的控制效果。
随着20世纪90年代智能控制理论的出现,将智能算法与虚拟仪器相结合成为研究的热点。文献[4]探讨了人工智能BP神经网络算法在虚拟仪器开发软件LabVIEW中的实现方法,并将其应用于三容水箱液位的控制,仿真结果表明系统具有良好的动、静态控制效果。神经网络理论以其在系统辨识、优化计算与容错处理等方面的优势,为自动控制系统提供了新的活力。但是由于BP网络存在收敛速度慢、运算量大、容易产生局部极小,而且在没有实验数据的情况下不能实时在线学习等固有缺陷。
为解决以上问题,本文提出一种基于虚拟仪器平台的在线寻优控制算法,针对工业控制过程中存在的非线性、时变等各种不确定性,采用一种基于RBF神经网络在线辨识的PID自整定控制器。依靠RBF神经网络对PID控制参数进行在线学习,并充分利用了虚拟仪器系统在实时控制方面的优势。通过RBF神经网络和虚拟仪器的集成技术和信息融合,系统自动寻优调整获得最佳控制量。测试结果表明,采用基于RBF神经网络的虚拟仪器在线寻优控制技术,系统兼顾了稳态和瞬态性能指标,且算法简单,获得了预期的控制效果。
一、基于虚拟仪器的在线寻优控制平台的实现
基于虚拟仪器的在线寻优控制方法将智能控制算法与虚拟仪器技术紧密地融合在一起,既实现了实时控制,又能够获得高精度的控制性能。本文采取的寻优控制策略是利用RBF神经网络对PID控制参数进行在线整定,自动寻优。在线寻优控制系统结构框图如图1所示,虚线框部分即是RBF神经网络整定PID控制器。
(一)基于RBF神经网络PID整定原理
1.RBF神经网络。RBF网络模拟人脑局部调整、相互覆盖接受域的神经网络结构,是一种具有单隐层的三层前馈神经网络,由输入到输出的映射是非线性的,而隐含层空间到输出空间的映射是线性的,从而大大加快了学习速度并避免局部极小问题。RBF神经网络在20世纪80年代便由J.Moody和C.Darken提出,但其对非线性系统有很强的辨识性,具有最佳逼近能力,在一定程度上客服了BP网络的不足,而且结构简单、运算量小。RBF神经网络结构如图2所示:
RBF神经网络的输入向量为X=[x1,x2,…,xn]T,径向基向量为H=[h1,h2,…,hj,…hm]T ,其中hj 为高斯基函数:
(j=1,2,…,m)
网络的第j个结点的中心矢量为Cj=[cj1,cj2,…,cji,…cjn]T ,其中,i=1,2,…,n
网络的基宽向量为:B=[b1,b2,…,bi,…bm]T
bi为节点j的基宽度参数,且为大于零的数。
网络的权向量为:W=[w1,w2,…,wj,…wm]T
2.PID参数整定技术。RBF神经网络的输入向量取X=[Δu(k),yout(k),yout(k-1)],Δu(k)是k时刻的控制量变化量,yout是被控对象的输出。
(1)由ymout(k)=w1h1+w2h2+…+wmhm计算出k时刻RBF网络的辨识输出ymout。
(2)以J=(yout(k)-ymout(k))2为性能指标对RBF神经网络进行优化,并获得系统输出对控制输入变化的灵敏度信息dyout,优化算法如下:
(3)以J=error(k)2为性能指标计算出k 时刻最优的PID控制量。
3.RBF神经网络自整定PID控制在虚拟仪器中的实现。LabVIEW虽然在数据采集和图形化开发方面功能强大,但是它在科学计算和算法的设计方面还有很大的局限。我们采用专门的数值计算工具MATLAB来进行模糊控制器和管理器的设计,充分发挥各自的优势。本文利用LabVIEW函数库中的Matlab Script节点来实现在LabVIEW程序框图中对M文件的调用,实现了LabVIEW和MATLAB混合编程。
在虚拟仪器开发平台上设计的在线寻优控制程序框图如图3所示。由当前时刻的预测控制结果与设定值之间的误差和前一时刻的控制变化量等,经过RBF辨识器,获得最优的PID控制参数,再作用于被控系统。通过神经网络的自学习功能,以及LabVIEW的实时测控技术,通过不断的信息交互和在线学习,系统实现了在线自动寻优控制。
(二)系统仿真
1.基于RBF神经网络PID整定仿真研究。在MATLAB中分别采用PID方法、基于BP神经网络整定的PID方法和基于RBF神经网络整定的PID方法对被控对象进行控制仿真,并对仿真结果进行比较。设定被控对象为:
以单位阶跃信号作为参考信号。
表1给出了这三种控制方法分别作用下的系统性能指标。
从仿真结果可以看出,基于RBF神经网络整定PID控制在控制性能方面明显优于常规的PID控制方式和基于BP神经网络整定的PID控制方法,调节时间短、超调量小、稳态误差为零。
2.基于虚拟仪器的水箱系统设计。在LabVIEW中设计一个水箱控制系统,系统的前面板如图4所示:
采用上面设计的基于RBF神经网络整定PID的在线寻优算法作用于基于虚拟仪器开发平台设计的水箱控制系统。水位值设定为50,可得水位的实时变化曲线如图5所示:
从波形图上可以很明显的看出,基于虚拟仪器的在线寻优控制方法作用于水箱系统中,调节时间短,稳态误差基本为零。
二、结论
采用基于虚拟仪器的在线寻优控制方式,实现了在线寻优、实时控制的功能,既具有快速的动态响应时间,稳态误差又很小。这个例子也证明了在LabVIEW中调用MATLAB程序的正确性。将LabVIEW快速简便的图形化编程环境、强大的虚拟仪器开发功能与MATLAB高效的科学计算和算法设计的优势相结合,使自动控制系统成为具有智能化高精度的可视化的人机交互平台成为可能。
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当代“樵夫”扎根国家科学界
应怀樵出生在浙江绍兴，这里人文底蕴深厚，他在蔡元培曾担任校长的小学里受到优良教育，从小便立下了为民族崛起而读书的远大理想。
19 59年，应怀樵考入浙江大学，就读于工程物理系理论物理专业；不久之后，应国家发展需要，这个班级被调整到数学力学系应用力学专业，他的人生也在这里拐了一个弯，开始面对不同挑战：1964年毕业后，他被分配到中国铁道科学院，致力于高速列车风洞课题研究，并到清华大学工程力学系流体力学专业实习，学习风洞测试分析技术；1965年他参与了我国西部罗布泊核试验基地原子弹和氢弹的核爆炸防护工程研究，学习原子弹爆炸测试技术，接触了振动噪声和频谱分析；这之后，应怀樵又学习了数字计算机和信号处理分析，专业涉及振动和频谱分析。
应怀樵常常说自己就是一名低头砍柴的“樵夫”，5次转换专业，练就了他扎实的学术功底和研究多学科项目的优势，为中国后代人砍掉了科研路上的荆棘，为国家“虚拟仪器”收获了捆捆干柴，让中国的“虚拟仪器”研究如熊熊大火般燃烧在世界顶端。在他看来，为国家科学界贡献自己一份微薄的力量，是自己义不容辞的责任，成为世界著名的科学家，是这个时代赋予他不可推卸的责任，他将为国家虚拟仪器的发展不遗余力。
以火药、造纸术、指南针、印刷术闻名世界的中国古代四大发明为人类科技进步作出了重要贡献，然而近代以来的科学技术却远远落后于国外的其他国家。应怀樵看在眼里，急在心上，他深知科技研发对一个国家的重要性，伴随着邓小平同志“科学技术是第一生产力”口号的提出，他怀着强烈的社会责任感和使命感，走过了一条不平凡的科研路，真正为人类带来了中国现代原创的科技发明。
应怀樵介绍说：“所谓虚拟仪器，并非是传统的仪器，它是指以集数据采集和信号调理器、信号处理技术与PC机技术于一体的软件为主制造仪器。”事实上，1965年应怀樵教授参加国防核爆炸防护工程课题―地下铁道核爆炸震动噪声与动力学测试分析的研究，当他遇到地铁道床的下沉残余位移（0HZ）用硬件无法获得的难题时，就萌生了虚拟仪器的大胆构想―“用数字算法和软件取代硬件”；19 73年他尝试用数字计算机的软件数字积分和数字谱DFT分析取代传统硬件模拟积分和硬件滤波的方法解决上述难题，19 79年获得成功，成为虚拟仪器的最早成功范例。同年于杭州召开的国防科委核试验全国防护工程学术会上，他提出虚拟仪器的核心概念―“用软件制造仪器”，获得主持会议的中科院力学所原所长郑哲敏院士、清华大学原副院长张维院士、同济大学原校长李国豪院士的赞扬和支持，这一概念的提出，比美国NI公司提出的“软件是仪器”概念整整早了7年。
2012年3月7日，科技部部长万钢在两会期间的答记者问中，再次强调“以科技创新驱动为主旨，加快建设以企业为主体，市场为导向，产学研紧密结合的国家技术创新体系。”虚拟仪器正是以企业为主体，产学研紧密结合创新成功的重大成果。
而早在1983年，由于无法使用磁带记录仪与信号分析仪的原因，应怀樵用身上仅有的300元钱筹建了中国东方研究所。30年来东方研究所始终坚持“创新是灵魂”的观念，同时，应怀樵还将中国24节气中的“惊蛰”定为东方研究所每年一度的创新节，他希望东方所的每一个创新发明如惊蛰春雷一般，为国家带来科技的进步，为人类带来先进的技术。
在应怀樵的带领下，东方所树立了“三个提倡”：1、提倡“勤奋、创新、坚持、自强、和谐”；2、提倡“高、大、深、快”（即高度的智力追求，大胆的探索精神，深奥的研究内容，快活的乐天主义）和完全自由的判断与讨论的“玻尔所”精神；3、提倡“坚持真理、自由讨论、互相尊重和实事求是”的科学精神，在此基础上，还发展成为涵盖精神追求、道德情操的18条336字法则及幸福六大原则的企业文化，加强了东方所的文化凝聚力。
怀着对振兴中华、造福人类的理想追求，东方研究所加强人才队伍建设，不断加强与全国清华、北大等各大高校的合作，为国家培养出了一批批杰出的行业高端人才，他们是虚拟仪器领域研究的一支重要力量。
1988年中国虚拟仪器应用于火箭激振钱塘江大桥模态实验圆满成功；1993年3月，该仪器参加北京新技术展览会，并远赴加拿大参展获一致好评；1995年用于“长三捆”火箭全箭模态实验；1996年用于神舟载人飞船移动发射平台模态实验；2004年用于航天员超重训练设备臂架系统模态分析；2007年，在第二届全国虚拟仪器学术交流会上，东方所的卓越贡献受到高度评价，应怀樵被誉为“中国虚拟仪器之父”。
身坚志强的追梦人
古人云：天将降大任于斯人也，必先苦其心志、劳其筋骨、饿其体肤、空乏其身，行佛乱其所为，所以动心忍性，增益其所不能。应怀樵的人生正是如此，已迈入古稀之年的他，经历了“3次中风、4次心梗、7次至阎王殿”的生命挑战，但面对这些险些夺命的疾病，他以超乎常人的坚定信念战胜病魔，执着奋斗在中国科研第一线，跋涉在为中华崛起而奋斗的科学高峰上，为“虚拟仪器”的研发鞠躬尽瘁。
应怀樵的科研工作几十年如一日，呕心沥血，他将自己的最大精力投入到虚拟仪器（VI）科学研究之中，自主创新121项新技术，攻克10大世界性难题并填补国内空白，特别是对“传递函数的测试及实时控制和反演关键技术”的成功突破，为提高虚拟仪器测量精度和范围开创了新途径，被认为“可与光纤之父诺贝尔奖的获得者高锟教授的‘光纤通信’相提并论”，使中美两国同步创造的虚拟仪器达到可获得诺贝尔物理奖的水平，是具有世界性重大意义的成果。
截至目前，该成果产品累计销往2000多家用户，经济效益超过两亿元，打破了此类仪器长期依赖进口的局面，为国家节省外汇数亿美元。目前，已广泛用于国防军工、航空航天等许多部门，参与完成上百项国家重大项目测试。如能在国内全面推广，其经济价值按中国2007年仪器产值估算，按软件取代硬件30%到一半计算，将产生600亿元/年到1000亿元/年的巨大价值，为促进技术变革和推动新兴产业形成发挥重大作用。
从1973年从事该行业以来，应怀樵始终走在国际前列，1979年他编纂的具有该领域应用成果的国内首部专著《振动测试和分析》出版发行，19 82年《CZ测震仪与测震技术》出版发行，1983年出版了具有中国虚拟仪器早期构思实例框图的《波形和频谱分析与随机数据处理》，1985年提出了卡泰仪器和“把实验室拎着走”的目标，并将其变为现实。
面对日益多变的国际市场竞争，应怀樵认为中国虚拟仪器产业化道路宽广又艰辛，“达到世界普及”，是一种目标，更是一种信念。凭借这种坚定的信念，应怀樵和他的虚拟仪器必将迎来光明的前途。
智慧城市的建设是中国复兴梦里不可缺少的部分。作为一名科学家，应怀樵时刻瞄准行业前沿，2009年又提出了“云”智慧仪器概念，即“VI+互联网+物联网+网络高性能数采仪+智能传感器+云计算”，真正为智慧城市的建设提供了可行性目标。我们相信“云智慧时代”一旦来临，必将推动仪器领域的重大变革，开创当代仪器仪表和测试技术的崭新未来。
艰苦执着 实现报国愿望
2012年12月8日凌晨零点30分，中国诺贝尔文学奖得主莫言在瑞典学院发表领奖演讲，从此，中国诺贝尔奖不再是空无一人。但对于奋战在科研战线上的应怀樵来说，获得诺贝尔物理学奖是一生的梦想，他为实现这一梦想孜孜不倦、艰苦执着，他将自己的一生奉献给了科研领域，他是虚拟仪器研发行业的引路人、指明灯。
应怀樵说“只要技术能够不断突破，心里就是快乐的。”他津津乐道地和记者谈论中国虚拟仪器技术的现在和未来，从他的眼神里，我们看到了他对这份事业的热情与坚定，同时，从他的话语里，我们也听出了他对于现在还没能申报上诺贝尔奖的遗憾。
作为科学家，应怀樵取得了诸多全球领先的科学成就，2001年获得全国优秀科技工作者荣誉称号；评为科学中国人2009年度人物；2010年获得了北京市科学技术二等奖等。这么多年来，应怀樵的科技产业报国心愿从没有停止过，2013年的他已年过七旬，但为国争光，摘得诺贝尔物理学奖是深埋于应怀樵心中的梦想。他认为，诺贝尔不仅是一位科学家，还是杰出的企业家，凭借巨额财富设立的诺贝尔奖成功塑造了一代又一代的科学大师，为人类科技文明进步作出了不朽的贡献，因此，以中国科学家重大原创成就获得诺贝尔奖是他多年科学人生路的奋斗目标。
诺贝尔奖只授予在世的科学家，目前，应怀樵教授以古稀之年的多病之躯，依然奋斗在科研一线。时不我待，如果申报工作一再拖延，恐怕会错失一次中国获取诺贝尔奖的机会。为此，人们呼吁国家奖励办和北京市奖励办对该项成果给予更多的关心及支持，凝聚共识，承载托付，推动成果报奖和推广应用工作，为早日获得诺贝尔奖创造有利条件，使中国在“虚拟仪器”领域屹立世界科学前沿，使“中国创造、中国智造”走向全世界，从而为实现中华民族的伟大复兴梦贡献力量。
一生一梦，应怀樵这一生都攀爬在自然科学的崇山峻岭之中，他用实际行动阐述自己诺贝尔奖的追梦之旅，而他“老骥伏枥、志在千里”的精神品质闪烁在科学之林。
链接：应怀樵攻克的十大难题
一、基于平台式设计的DASP-VI库技术。用软件制造仪器，软硬件结合取代传统仪器，这一具有里程碑式意义的新路线对仪器制造业和测试技术界产生巨大影响，代表了中国在VI研发方面的最高水平。
二、变时基（VTB）传递函数（导纳）测量分析方法。达到国际领先水平，获国家发明专利。已完成神舟飞船750吨移动发射平台、“长三捆”大型运载火箭、航天员超重训练机模态实验等数十项国家重点项目，效果优良。
三、高精度频率、幅值、相位和阻尼测量技术。东方所原创的YSL方法高精度“变频基”频率计和幅值计，比国外常规方法提高精度100万倍，具有重大国际影响力。
四、超低频信号快速测量技术，达到国际领先水平。
五、原创倒熵熵、倒熵富、倒富熵三种倒熵谱分析方法，达到倒谱分析的国际领先水平。
六、FFT/DFT分析方法，成为目前频谱细化主要方法之一，达到国际领先。
七、振动全息AVD“一入三出”实时测试分析创新技术，原创性地提出了全程微积分方法，实现AVD“一入三出”振动全息实时动态连续测量，达到国际领先。
八、自动化模态分析方法。一般人员通过简单操作即可获得专家级的模态分析结果。
关键词：虚拟仪器 自动化 技术教育
the Application of Virtual Instrument in the Automated Testing Technology Experiment
LIN Ke-ye
（Hanshan Normal University，Chaozhou，521041，China）
Abstract：Virtual instrument ，by growing in large-scale automation， intelligent electronic measurement and control system ，is a computer technology ，the combination of instrument technology and communication technology to produce a new type of technology.This paper is combined with the characteristics of virtual instrument， how to apply to the automatic detection technology， and make automation teaching classroom can be more rich. let the students better grasp automated detection technology for this course.
Keywords：sVirtual instrument; Automation;Technical education
虚拟仪器当前的研究情况
虚拟仪器技术是在大规模自动化、智能化电子测控系统需求与日俱增的形式下，计算机技术，仪器技术和通讯技术的结合产生的新型技术[1]。美国Virginia大学的William Wulf教授在1989年提出了虚拟实验室的概念。 虚拟仪器就是在计算机的显示屏上虚拟了传统仪器面板的计算机化仪器，它尽可能多的将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理的功能，代替为计算机的程序来完成，提供对数据的分析和处理功能。虚拟仪器的关键是软件，软件即仪器，与传统仪器相比，虚拟仪器的软硬件具有更大的开放性，模块化，可重复性、互换性等特点。Labview是美国国家仪器公司提供的实验室虚拟仪器工程平台，图形化的程序语言，使用流程图编程，具有虚拟仪器的全部优点。
目前，国外对虚拟实验室系统的创建研究已经逐渐成熟，世界许多著名大学都进行了虚拟实验室的研究。作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领
域的研究和应用已处于领先地位，在大学的普及程度也相当广泛，其中麻省理工学院的WebLab远程实验室于1998年开发并投入使用。它提供了用于进行微电子学和电路设计课程的实验教学，它允许学生在自己的电脑上设计并修改电路模型，然后通过一个用Java激活的web浏览器使用在远程实验室里的昂贵的测试设备来获取测试数据，验证自己的设计，最近还实现了通过手机远程控制实验的功能[2]。
在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。由于虚拟实验技术的特点，它的实际应用在理工教学中大有作为，尤其在电工电子、医学、建筑、生化等学科有重要作用[3]。据了解，目前国内的多数高校都根据自身教学需求建立了虚拟实验室：中国科学技术大学的大学物理虚拟实验室把虚拟实验用在教学演示与物理实验方面，是全国第一套真正意义上的虚拟实验教学软件。南京大学建立的分析化学大型仪器虚拟实验室，可以在虚拟实验室中对实验仪器虚拟操作。此外，清华大学、西安交通大学、上海交通大学、西北工业大学等大学也建立了虚拟实验室，方便学生学习或者用于科学研究[4]。
一、传统的自动化检测实验存在的不足
实验教学是在教师指导下学生运用一定的仪器设备进行独立作业，观察事物和过程的发生和变化，探求事物的规律，以获得知识和技能的一种教学方法。实验环节在大学理工科的教学中占据非常重要的地位，是提高学生动手能力、培养创造能力和综合素质的一个有效的手段，很多学科都是以实验课程为基础的，缺少了实验的支持，工科学科的教学和科研活动就无法进行[5]。
“自动化检测技术及应用”是电子、电气以及自动化等专业的必修课程。课程内容丰富，理论性、实用性和综合性强，必须通过实验教学，才能掌握和运用课本的理论知识。这门课涉及的器件设备较多，仪器的更新换代较快。
传统的实验教学存在以下弊端：许多学校传感器实验室和自动化实验室，现有的常规设备有的已经老化，有的技术上相对落后，有的仪器设备在教学中只用了其中的部分功能，还有许多功能派不上用场;另一方面，某些需要的功能又不具备，需购置新的设备。在实验教学时，实验内容的更新又会形成对仪器新的需求，也造成一些仪器的闲置。以至于滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，从而在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。
二、虚拟仪器在自动化检测技术实验中的优点
利用虚拟仪器有效的解决了传统实验教学的弊端。与传统的实验室相比，虚拟仪器实验室具有以下优势：
（l）减少实验设备资金的投入。首先，在一台计算机上就可以实现诸如示波器、函数发生器、电压表、频谱分析仪等多种仪器的功能，大大节约了仪器成本。其次，传统仪器维护费用高，需要耗费大量的人力物力。虚拟仪器基于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用。
（2）便于开放式管理，扩大教学规模。虚拟仪器实验室系统可以通过网络进行数据传送，指导老师通过计算机监控实验过程，可以同时管理几十甚至上百个学生做实验。
通过虚拟实验室，可以随时将传感器实验和自动化实验搬到课堂上进行演示，理论联系实践，实现“实验室’走进课堂，“仪器”搬上讲台，现场操作仪器，动态显示测试原理，强化了教学效果。在课下，还可以使每个学生立刻进入“虚拟实验室”，“实地”反复操作仪器，复现实验内容，对实现过程的细节放大，加深实验的感受，为实验者提供大量的实验机会，这样可以大大提高学生们在实际操作中的动手能力，提高实验教学的效果。
三、虚拟仪器在自动化检测技术实验中的应用
在自动检测技术实验中，可以利用虚拟仪器制作上位机系统。通过上位机系统采集下位机系统传输过来的数据，通过数据处理，进行显示或反馈控制下位机的运行状态。工作运用如图1所示。通过各类传感器采集相应的物理量（如质量、直径、液位、交通情况、转速、温度等），经过处理电路进行处理，再传输给单片机控制器，共同组成下位机系统。单片机控制器再通过串口线将处理结果传输给上位机labview控制界面进行相应的处理。
下面以温度控制系统和计价系统为例，介绍虚拟仪器在自动化检测技术中的应用。
如图2所示，该温度自动检测控制系统是采用虚拟仪器软件设置控制界面，该系统可以同时控制8路温度信号，随时监控任意一路温度信号。图中①是串口端口，主要设置串口的通讯信息。图②是控制选择界面，可以选择显示那一路控制端口的温度;如图所示，在进行控制时，控制开关要打开，A、B、C这三个按键按下010，选择第3路控制端口的温度，同时通过指示灯进行显示。图③是温度显示窗口，显示采集到的温度信息，如图所示，在数据采集端口打开时，采集到的第3路端口的温度是72℃。图④是该系统的总开关。
通过图2的控制界面，只需要间下位机采集的温度信号传输过来，就可以进行温度的检测和控制。节省大量的控制仪器设别，是要操作简单已掌握。
如图3所示，该计价系统，主要是通过下位机系统采集质量、电量或水量，再通过利用上位机系统设计的的计算器输入单价，就能计算出相应的总价。图3中（a）是物价计算系统，接收下位机传输过来的的质量，计算总物价。图3中（b）是电费计算系统，接收下位机传输过来的的电量，计算电费。图3中（c）是水费系统，接收下位机传输过来的的水量，计算水费。
通过图3接收下位机传输过来的物理量，就能轻易的对数据进行显示处理。具有一定的实验性和可操作性。
自动化检测技术实验是一门综合性的实验，通过引进虚拟仪器，能够使实验内容可更丰富，更精彩。与传统实验相比，其具有更加鲜明的可操作性，经济性和研究性。
四、结束语
随着信息时代的发展，电子技术和自动技术的快速发展，虚拟仪器技术作为测控技术的主要发展方向也必将在该领域内发挥着越来越重要的作用，自动测试系统也因虚拟仪器技术的不断发展而完善。将虚拟仪器引入到自动化检测实验的课程，能够这一门课程更精彩。
参考文献
[1]. 陈小红.虚拟实验室的研究现状及其发展趋势[J]，北京：中国现代装备，2010.
[2].黄幕雄.高校教学型虚拟实验室建设的现状与建议[J]，兰州：电化教育研究，2005.
[3].陈志超.基于LabView的液位预测控制系统的设计[d]，合肥：合肥工业大学，2008.
[4].彭伟.单片机C语言程序设计100例[M]，北京：电子工业出版社，2009.
[5].童刚.虚拟仪器实用编程技术[M]，北京：机械工业出版社，2008，58-70.
关键词：虚拟仪器；教学手段；项目教学法
作者简介：周小凤（1982-），女，内蒙古赤峰人，包头职业技术学院电气工程系，讲师。（内蒙古 包头 014030）肖俊生（1981-），男，内蒙古丰镇人，内蒙古科技大学信息工程学院，讲师。（内蒙古 包头 014010）
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）22-0150-02
随着计算机技术、自动化测试技术的迅猛发展，虚拟仪器技术已逐步成为构建现代测量仪器与自动测试系统的重要手段，受到众多科研与工程技术人员的广泛关注，其应用领域遍及教育、交通、通信、工业、农业等各种行业。在此背景下，越来越多的高校开始开设虚拟仪器课程并组建虚拟仪器技术实验室，以培养适应现代测控技术发展需求的虚拟仪器技术应用与科研人才。[1]包头职业技术学院电气工程系也于2010年将虚拟仪器课程作为检测技术与应用的专业必修课开设，并组建了虚拟仪器实验室。然而，虚拟仪器课程实践性强，涉及到信号处理、总线技术、计算机技术、传感器技术和软件工程等多个学科领域，怎样在有限的课程学时下让学生掌握虚拟仪器的开发技能，做到“能用”、“会用”，是一个需要不断探索的问题。为此，从2010年起课程组对虚拟仪器课程教学进行了一些有益的探索和实践，并在3届学生中实施，取得了良好的教学效果。
一、课程内容设置
虚拟仪器是以计算机和高性能测试模块为硬件基础，以高效灵活的软件为核心构成的一种测试系统，具有性能高、扩展性强、无缝集成、开发时间少、功能由用户定义和设计等优点。因此NI公司（National Instruments，美国国家仪器公司）提出“软件即仪器”。由于NI公司的图形化软件开发平台LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）具有易于学习掌握，开发周期短，应用广，发展前景好等特点，因此课程组将LabVIEW虚拟仪器开发平台、PCI-6221板卡和DELL计算机作为课程理论教学和实践教学平台。所开课程由理论教学和实践教学两部分组成。理论教学分为基础篇和提高篇。基础部分主要讲述虚拟仪器的概念、组成结构及LabVIEW软件编程的基本知识（如程序结构、数据操作、前面板设计和数据采集与仪器控制等）；提高部分讲述LabVIEW项目开发及管理、动态程序控制、访问数据库、外部程序接口以及网络编程等。实践部分包括上机实验及项目实训。前者重点突出LabVIEW基本编程技能训练，如虚拟示波器设计、虚拟函数发生器设计；通过实验使学生掌握LabVIEW编程及调试的基本能力。后者结合测控专业先修课程特点设计了具体项目，如智能压力、流量、温度、物位等检测仪表设计，交通灯控制系统，智能温度监控仪，火电厂热工参数监视系统等项目，通过实际项目的开发锻炼学生的综合设计和项目的开发能力。
二、教学手段
教学手段是否合理，直接影响学生对课程的学习兴趣及学习效果。[2]虚拟仪器课程作为一门实践性很强的教学课程，[3，4]其课题理论教学和实践教学密不可分。在该课程教学过程中，根据需要逐渐尝试了多媒体教学、实验室教学、项目教学等不同的教学方法。
1.多媒体教学
虚拟仪器课程信息量大、学时少，而且图形化编程软件LabVIEW讲解时范例较多，书写不方便。因此，在教学过程中采用信息量传递大、效率高的多媒体教学方式。通过图文并茂的多媒体课件和大量的程序实例来讲解各知识点。为了提高学生的学习兴趣，在开课初期要注重对学生展开积极的课程入门引导。首先向学生讲明虚拟仪器的定义、组成、分类及发展，并通过具体的数据采集实例（如基于声卡的函数发生器、虚拟示波器等）介绍LabVIEW的应用。通过具体例子展现LabVIEW编程高效、灵活、功能自己定义等特点，体会LabVIEW作为一门工程师的编程语言的优越性。从而，在该课程起始阶段就激发学生的学习热情。同时，向学生推介一些优秀的LabVIEW学习论坛和参考书，并提供一些比较有意思的LabVIEW程序（如基于声卡的信号发生器和示波器、五子棋等）。教学过程中对于LabVIEW中种类繁多的功能控件、函数节点的用法，通过LabVIEW软件平台进行实际编程操作演示来讲解。对于编程过程中的一些难点和重点内容，则有针对性制作短小精悍的VI（Virtual Instrument）案例。教学过程中，先将案例VI进行演示，指出演示过程中的重点、难点，再对源程序进行剖析讲授。[1]最后，通过一些综合性案例程序（如虚拟多路数字示波器、温度采集与报警系统、任意波形发生器等）将LabVIEW中各知识点进行综合运用并讲解。所有案例程序均放置在课程网站上，供学生课后学习参考。然后在实验课中，要求学生先将课堂上讲过的实例自己编程练习，然后再做一些综合性较强的实验。
2.实验室教学
通过实践发现，课堂多媒体教学方式存在信息量过大，课堂讲解与课后上机练习衔接不紧密等特点，致使学生上机时对所学内容已经遗忘，教学效果不是很理想。因此，课程组将虚拟仪器调整到新建的虚拟仪器实验室进行讲解，并改用小班上课，保证每个学生一套实验设备。这样，在讲解简单程序时，学生同步和教师一起编程实现。对于一些综合性强的程序，教师带领学生一起分析其原理、前面板、程序框图的设计思路，并调试运行。然后，留出一定的时间，让学生们在课堂上自己编程实现，有问题及时和教师交流，这样讲授和动手实践紧密融合在一起，边讲边练，学生在课堂上就对所讲内容练习掌握，激发了学生的学习兴趣、提高了学习效率。
3.项目教学法
在实验室教学取得不错的效果后，课程组对项目教学法进行了探索。项目教学法也称为“基于项目活动的研究性学习方法”，突出特点在于学习过程中实践和研究活动相融合，旨在让学生更加积极、有目的、自主在完成项目过程中达到知识的构建。在项目的选取上，要求能突破课程的重点和难点，让学生对问题进行深入的了解，充分发挥其积极性和创造性，又要着眼现实，让学生在教师的引导下，能够顺利完成。[5]在教学活动中，教师将需要解决的问题以项目的形式交给学生，从信息的收集、方案的设计与实施，到完成后的评价由其独立完成。通过项目的实施，要使学生能够了解和把握完成项目每一个环节的基本要求与整个过程的重点难点，教师在教学过程中起到咨询与指导作用。[6]
在项目实施中，根据实验室具体情况课程组选择了虚拟示波器、虚拟信号发生器、虚拟温度测控系统等多个项目供学生选择。学生也可根据自己的兴趣爱好自选项目。选定项目后，学生借助查阅相关资料、收集信息，确定项目具体任务，并制定一个项目实施计划表（项目总体时间安排，各阶段任务及预期采用的手段），并得到教师的认可。
项目实施计划表制定完成后，具体实施过程如下：学生以小组形式讨论，确定项目的总体设计方案及详细设计步骤，并非配任务。然后做硬件部分的学生查找满足项目性能指标要求的传感器、数据采集卡、信号调理模块等，并共同协作完成硬件电路的搭建和调试；软件设计采用模块化的设计方法，每位学生负责一个功能相对独立的模块的设计及调试，各模块调试完成后，软件部分要进行整体调试。最后进行软硬件结合，系统联调，不完善的地方要分析原因并改进，最终完成设计要求。
项目完成后，小组成员通过实物演示、PPT答辩等手段来展示研究成果。教师通过课题选择、计划表的制定、成果展示、学生在完成项目过程中的表现来评定成绩。在评定时，强调培养学生自学能力和综合应用知识解决实际问题的能力，关注学生在项目教学中的知识进步。
三、考核方式
课程教学组采用“平时成绩+期末考试”的考核方式。平时成绩来源于学生的课堂表现和实验的完成情况，体现学生对该课程的学习态度和实际动手操作能力的强弱；期末考试采取开放式上机的方式进行，要求学生基于LabVIEW平台在四周时间内，完成一个较为综合的测控系统（如双容水箱水位监控系统）的设计实现，功能可自由发挥。这部分主要考核学生对所学知识的综合运用能力和创新能力。实践证明，该方式比较适合虚拟仪器这种实践性较强课程的考核，同时也能提高学生的学习激情。
四、结束语
经过多年实践，课程组通过合理选择教学内容、采用多媒体教学和项目教学方法、加强实践教学和采取科学的考核方式等教学措施，取得了良好的教学效果，培养了学生的创新能力、动手能力和实际解决问题的能力。
参考文献：
[1]吴爱华，茅靖峰，华亮，等.虚拟仪器技术课程教学的探索与实践[J].中国教育装备，2009，（15）：30-31.
[2]刘玉秋，曹生现.虚拟仪器技术课程教学实践研究[J].实验技术与管理，2010，27（6）：156-157，183.
[3]赵国忠.虚拟仪器课程与实验室建设及教学实践（一）[J].国外电子测量技术，2009，28（5）：14-16.
[4]赵国忠.虚拟仪器课程与实验室建设及教学实践（二）[J].国外电子测量技术，2009，28（6）：14-16.
论文摘要:本文对虚拟实验系统的特点做了介绍,指出了虚拟技术在实验教学中的优势,并给出虚拟实验系统构建的基本思想以及系统结构,阐述虚拟现实技术在实验教学中的应用手段和方法。
实验一直都是与教学息息相关的重要活动之一。它可以使学生更好地感受、理解知识的产生和发展过程,让枯燥的理论知识变得形象,易于理解。实验不仅能帮助学生巩固理论知识,提高通过实验手段探索科学知识的能力,还能激发学生探索未知世界的兴趣,增强创新能力。然而,当前实验方面存在的诸多难题却严重限制了教学质量的提高。如实验成本过高,进行实验的仪器和设备往往代价昂贵,实验材料也比较贵,而且有些实验仪器损耗较大,需要经常更新。而许多学校在实验经费上又捉襟见肘,要么是实验配套的设备和仪器不完善,要么就是仪器设备陈旧过时。即使有完善的较新的实验设备,传统实验在空间和时间上的限制也可能无法满足大量学生同时进行实验的需要。为了缓解实验教学的压力,提高实验教学的质量,可以采用虚拟实验系统来辅助实验教学的开展。
一、虚拟现实技术
虚拟现实技术 (ⅵrnjal reaj时,简称 vr技术)出现于 20世纪 60年代,随着处理器技术的大幅度提高以及图形绘制技术、数字信号处理技术、传感技术的发展,近几十年来在国内外形成了对虚拟现实的研究热潮。
虚拟现实系统提供了一种先进的人机界面,它通过为用户提供视觉、听觉、触觉等直观而自然的实时感知交互的方法和手段,最大程度地方便用户的操作,从而减轻了用户的负担,提高了系统的工作效率。虚拟现实技术具有 3个突出特征:沉浸性、交互性、想象性。
虚拟现实系统由两部分组成:一部分为创建的虚拟环境,另一部分为介入者。虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作,即反映出人在虚拟环境中的体验。我们可以给出如图 1的虚拟现实的概念模型。
二、虚拟实验系统
1.虚拟实验系统的特点
(1)共享程度高。虚拟实验系统不同于传统实验在地域和时间上的限制,它不仅可以接受本地用户的访问,有访问权限的异地用户也可以使用系统。并且也无需考虑使用时间的问题,实验者可以随时进行实验。虚拟实验系统为用户提供了一个可以在任何时间、任何地点访问的实验环境,极大地提高了信息与实验资源的共享程度。
(2)强大的交互能力。为了向用户提供一个逼真的实验环境,虚拟实验系统往往都具有强大的交互能力,实验者和虚拟实验对象之间可以通过鼠标的点击或者拖曳操作进行交互,实验者可以实时地观看实验现象和实验结果。
(3)支持协作。虚拟实验系统提供了多种方式来完成用户间的信息交流。
2.虚拟实验系统的建模
如何构建教学型虚拟实验系统,使其能够拥有丰富的实验内容表现方式、提供形象生动的实验内容,让让学生实现从感知到理解的过程,一直是研究教学型虚拟实验系统的热点问题之一。
虚拟实验系统的构建是将多种技术综合运用,首先构建实验过程所需要的各种仪器设备,对于场景进行建模。三维虚拟场景模块的建立是以某一实景为基础的,因此在虚拟场景建模之前需要对实验室环境进行实地考察并对建筑物进行筛选,从而构建具有真实感的实验环境。对于仪器设备完全用ⅵ ml语言建立复杂的三维模型是相当烦琐的,而且建模方法缺乏直观性,而3dsmax强大的三维建模功能以及对具有转换为v文件格式输出的功能,使其在三维虚拟场景中广泛应用。我们在实际的建模过程中根据要建立模型的特点选择建模方法。简单模型,直接采用vrml中简单几何体拼贴纹理的方法,对于复杂场景则采用3dsmax建模后以vrmi,文件格式输出。当然在虚拟实验的建模过程中的庞大建模工作量对软件的建模效率以提出了很高的要求,于是,在该建模过程中我还采用了高效的照片建模软件canoma,canoma是metacreations公司 (即现在的vie、vpoint公司)的软件产品,利用它可以让我们无需建模,即可直接从一张或几张照片制作三维模型,因为使用真实照片直接生成三维模型,所以效果非常真实;而且cailoma可生成网络使用的vrm,文件格式。为了能够反映真实仪器设备的特性,有时还采用flash技术来达到仪器设备外观的逼真性,并提供一些基本的交互。
3.虚拟实验系统中的交互
交互性是虚拟实验系统中的一个重要问题。一类是用户在浏览场景的时候,主要的输入设备就是鼠标,这时候检测器实际上是检测用户对于鼠标的各种操作动作,如鼠标的单击、指向、拖动等等,从而场景做出相应的反应。检测这类动作的监测器是接触型监测器。描述这类监测器的节点有接触监测器节点touchsensor以及planesensor节点、spheresensor节点、cylindersens0r节点;另一类是用户和场景中某对象接近的程度,对象做出相应的反应,使得用户和虚拟对象之间形成交互。
将所有仪器设备成功地加入到场景当中之后,用户应该可以随意地拿起自己需要的实验器材进行实验,所以要提供用户选取实验器材的接口。当用户在选择某件仪器,为了提供给用户选择的接口,我们在实验仪器原型中设计了供用户选择的按钮。如果选中时就可以点击按钮“tal(e ,无需使用就只要点击“放回”按钮。由于用户需要与系统进行交互,同时系统需要根据用户的选择与后台数据库进行通信,因此我们使用java applet。applet具有 良好的网络传输透明性,图2显示了浏览器通过appl 访问数据库的整个过程 。
三、虚拟实验集成的系统结构
1.软件程序集成
软件程序是虚拟实验系统的重要内容,是系统的灵魂所在。在虚拟实验系统中,我们将软件程序部分按照层次化和模块化的设计模式进行集成。集成化的软件程序依据集成度的大小分为不同层次的模块,分属不同层次的模块充分体现了整体和部分的关系,各模块都可以看成是下一层次多个模块集成的整体,每一个模块又都可以看成是上一层次模块中的一部分,各层次之间互为整体和部分的关系为系统结构构架提供了灵活的方式。
2.系统功能集成
系统功能集成是建立在软件程序集成的基础之上的,系统功能集成是系统结构集成的重要体现,系统结构的有效集成度是系统功能集成的重要基础。在虚拟实验系统中,软件程序的集成保证了系统功能在不同层面上的集成度和在各层面之间的灵活性。以不同集成度来形成的系统功能整体在系统构建、修改、维护等方面起到了重要的结构化支持作用。
3.仪器软面板集成
仪器软面板是虚拟实验系统的重要特色之一。在传统实验系统中,仪器设备一般会自带一个显示屏,以及相关的操作组件和按钮来形成一个操作面板,这个面板的形式以及各组件和按钮的功能是固定的,不能修改和设置。在虚拟实验系统中,各种仪器设备的操作面板集中显示在计算机的显示屏幕上,这种面板由软件程序来形成和设置,由键盘、鼠标以及其他的外部输入设备来控制,面板的形式以及各组件和按钮的功能可以根据需要自定义,可以将多个仪器的面板组合在一起,也可以将某一个仪器的面板简化。仪器软面板形式和功能上的这种灵活性正是系统集成度的体现。
4。网络集成
网络的出现使得分布式结构成为可能。在虚拟实验系统中,我们通过网络可以突破时间和空间的限制,将更多的协议方和操作方以一定的集成度集成在一起,共同完成实验项目。我们在谈集成性的问题的时候,一定是和相应的分散度联系在一起的,就如同整体和部分之间的关系,每一个整体都可以看作更大的整体的一部分,而每一个部分又都可以看成更多小部分的整体。网络的分布式保证了系统结构的集成性。
四、虚拟实验教学应用的优势
从虚拟实验的技术优势和实验教学的现状需求出发,其优势主要体现在以下几个方面:
1.资源开放
从虚拟实验的技术实现角度来看,实验教学中的有效资源全部开放,这使得实验项目从开发到操作,再到后期数据处理与实验课程的复习全部开放给学生,学生可以利用系统软件程序模块和实验项目设计模板等帮助实验设计方案的形成与开发;利用数据分析与处理工具包进行实验数据的分析与处理,获得规律性认识:教师的指导性意见、学生的交流信息和实验故障和误差分析等信息资料,可以帮助学生在实验课程总结和复习中取长补短、巩固知识。
2.组织形式开放
虚拟实验将实验资源、实验项目开发和实验操作等网络化、平台化,因此实验内容、时间以及地点等组织形式是开放的具备可选择性。针对目前实验教学需要跨学科、跨地域、多项实验同时开展等现状要求,虚拟实验所具备的组织形式开放性为实验教学模式的扩展提供了技术准备。
3.对象开放
虚拟实验的网络功能能够根据不同的对象设置不同权限的系统身份,实验参与人员各取所需,实现学习和交流的目的。在实验教学中,对象的身份基本分为三种层次和三种身份。三种层次指的是系统管理员、教师和技术人员、学生。三种身份是针对学习者而言的:实验课程参与者、远程实验课程学习者、实验爱好和探索者。
五、总结
本文将虚拟现实技术引入到实验教学环节中,这在一定得程度上提高了实验的开放程度,降低了实验的成本,较好地激发了学生对于实验环节的兴趣和主观能动性,但在虚拟实验设置过程中的交互问题仍是一个值得探讨和研究的主要问题。
参考文献:
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【2】徐婷.教学型虚拟实验通用平台的研究与应用【d】.重庆大学学位论文,2006.11.
【3】朱敏.虚拟实验与教学应用研究【d】.华东师范大学博士学位论文,2006.6.
关键词:锭子;振动测试
中图分类号:TB
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)08-0295-02
在纺织行业中,锭子是一个重要的专件,锭子性能的优劣对生产效率和纱线质量具有决定性的影响。在使用过程中,锭子高速旋转,极小的加工误差或变形都可能引起强烈的振动。过大的振动是导致锭子不能正常工作的主要原因之一。同时在锭子处于超临界回转时,还有可能伴随着包括自激振动和分谐波振动的低频振动,引起筒管窜动、纱线断头,造成纺纱张力波动、管纱成形不良,加快了机件的磨损,缩短了锭子的使用寿命。
为了便于进行锭子的动态分析,改善锭子的振动特性,达到控制锭子运动稳定性的目的,需要借助各种新型测试手段。引入VI(虚拟仪器,Virtual Instrument)的技术思想,构建一种质量高、成本低、功能强、更新快、软件化和开放性的锭子振动测试与分析的虚拟式测试系统,显得尤为重要。它将为寻找减少锭子振动的措施及研制新一代锭子的机械结构提供科学依据。
1 有关VI的技术思想及其应用
测试技术和计算机技术的飞速发展,促使计算机硬件、软件向测试与分析仪器领域密集渗透、相互结合,共同孕育并构成了一类全新概念的VI技术。它的核心思想是以计算机硬件为平台,借助与计算机总线槽匹配的相应模块化硬件插卡,利用计算机的软件资源,将传统测试与分析仪器的专业化功能以及形象逼真的操作面板控件软件化,并以文件形式存贮在计算机内的软件库中,在计算机的统一指挥和协调下,利用计算机的运算、处理、存贮、显示、打印、管理等功能,完成传统测试与分析任务。这种把测试系统与计算机硬件通过应用程序集成融合,并通过图形界面操作设定测试与分析功能的方法,彻底改变了传统测试系统一经设计便不可改变其功能和性能的封闭性。它是测试技术概念的延伸,是传统测试系统结构、模式乃至概念的革新。
正是利用了集成测试的手段,才可将某种或者多种测试与分析仪器的若干功能及其面板控件等以软件形式集成于计算机内的VI软件库中,通过匹配相应的模块化硬件转换接口,在一台计算机上实现被集成测试与分析的所有功能,使虚拟式测试与分析仪器演变成具有集成性、开放性、投入少、产出高、成本低、更新快、智能化、信息化、模块化、标准化、绿色化的先进产品。这是测试技术领域里一次重要的突破。
2 基于DRVI虚拟仪器链子振动测试
2.1 锭子振动测试与分析的内容
在研究锭子的运动规律、了解锭子的振动特性、判别锭子的制造质量、选择锭子的合理工作转速区域及其结构形式和支承条件、控制锭子的运动稳定性、进行锭子的改进设计、改善锭子的运转性能时,锭子振动测试是必不可少的内容,它关系到锭子的运转情况是否达到对锭子的性能要求,实现高转速、低噪声、低功耗、运转平稳、使用寿命长的目标。
由于锭子的动力特性直接影响着管纱成品的质量和产量的提高,为此可将模态分析方法应用于锭子结构的动力学研究中,以解决锭子在工作时的动力响应及其稳定性问题,了解锭子在振动时的固有特征,寻找锭子结构的动态设计和参数优化处理方法的理论依据及技术措施。
目前,锭子振动测试与分析系统大多采用OSV一1型光电式锭子振动轨迹测定仪等传统仪器设备,通过日本小野测器公司CF一920或美国惠普公司HP一3652等各种FFT动态信号分析仪以及X―Y记录仪、指示仪、示波器、存贮器等对测得的锭子振动信号进行分析研究,以获取更多的有关锭子振动性质、动态特性、模态参数等信息。但这些仪器设备成本高、售价贵、可调性差,如果运用Ⅵ的方法,就可充分享用计算机的智能资源,以最少的投入、最高的产出来自行定义、设置和组建所需的仪器系统及其功能,这是现代测试技术的特征之一。
2.2 DRVI虚拟仪器
虚拟仪器,实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体,从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量,控制能力结合在一起,大大缩小了仪器硬件的成本和体积,并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。
DRVI是基于软件总线和芯片结构的快速可重组虚拟仪器开发平台。DRVI采用软件开放结构和COM/DOM组件的即插即用特性来设计的具有计算机硬件模块化组装特点的面向用户的可在线编程、调试和重组的新型虚拟仪器技术。该仪器技术的主体为一个带软件控制线和数据线的软主板,其上可插接内存条、软仪表盘、软信号发生器、软信号处理电路、软波形显示芯片等软件芯片组.并能与A/D卡、I/O卡等信号采集硬件进行组合与连接。构成一个能根据应用需求快速可重组的虚拟仪器。
2.3 虚拟仪器锭子振动测试系统的硬件组成
结合VI的技术思想,可将传统的OSV一1型光电式锭子振动轨迹测定仪中的光电式传感器及其包含的前置级、功放级、整流滤波级测量电路,以及压电式加速传感器及其前置放大器电路、压电式力传感器及其前置放大器电路、信号发生器、功率放大器、激振器等有关器件,通过A/D转换器和微型计算机及其设备组成一种以计算机为中心的虚拟式锭子振动测试系统,分别用来进行锭子振动测试和模态参数分析。测定锭子的锭端振动及其轨迹时,可用系统中由两套光源和硅光电池组成的非接触型光电式传感器,进行分配,分别测量位于其中央位置的锭子运转时,在两个相互垂直方向的振动分量,并经合成得出空锭或满纱情况下的锭子运动轨迹,测定锭子的振动幅值、临界转速,从而研究锭子运动的稳定性。在进行锭子结构的动力学分析时,可对压电式加速传感器检测到的响应点振动信号与压电式力传感器检测到的激励点信号,经计算机进行H等适当的数据处理,通过频谱分析、模态分析等手段,根据锭子振动信号中的主要频率成分估算锭子振动根源、在随机激励下进行锭子的机械阻抗测试和模态参数识别,提取各种有用信息,研究锭子的动力特性。所有的锭子振动定量、定性测试分析内容及其选择、使用等均由计算机协调、控制和管理。
2.4 锭子振动测试系统应具备的功能
随着计算机与数字信号处理技术的高速发展,基于计算机的数字化测试技术在各个行业都得到了广泛的应用。为了方便、锭子振动轨迹测试系统应具有以下功能:
2.4.1 数据采集与存储
振动数据的采集是锭子振动特性分析的第一步根据锭子振动的特点与选用的电涡流传感器,采用深圳市蓝津信息技术有限公司的集前端信号采集、信号激励输出及软件加密等功能于一体的数据采集仪。
2.4.2 信号处理与显示
对数据采集仪所采集到的信号进行放大、滤波等处理后,在计算机上显示出振动轨迹。此环节采用DRVI软件编程来实现的。
2.5 锭子振动测试系统的设计
锭子振动测试系统是由几个部分组成的:锭子振动测试平台、传感器(一对电涡流位移传感器)、数据采集仪、计算机以及相应的测试软件即DRVI软件。设计通过电涡流传感器测量并转换锭端振动的位移信号,经数据采集仪采集该信号,最后在虚拟仪器平台上显示出锭子振动的轴心轨迹。
锭子振动测试系统的原理框图如下:
图1 锭子振动虚拟仪器测试系统原理框架图
虚拟式锭子振动测试系统软件的核心是在基于Windows平台的可视化编程工具Microsoft Visual C++6.0LSJ集成开发环境中研制设计的,它采用面向对象的编程模式,把系统的数据、模块等所有资源均看成对象,进行程序设计,搭建虚拟面板,并利用VC++6.0这种几乎可与汇编语言执行速度相媲美的编译型语言,保证系统的实时性、动态性、准确性和可视化。由计算机软件实现锭子振动信号的处理、计算、分析等功能,通过包含动态旋钮、按钮、指示灯、显示窗口等逼真的虚拟面板获得各类有关锭子振动的图形、数据等信息。
3 结论
VI技术是上世纪80年代才兴起的一项全新技术,随着信息技术的发展,VI技术将成为本世纪测试技术的发展方向之一。本文论述的基于VI思想的虚拟式锭子振动测试技术,就是VI技术在锭子振动传统测试系统中的具体应用。它使锭子振动研究得以运用现代测试技术和新的试验分析手段,并通过在信号分析模块中引入神经网络BP算法、小波变换算法等先进方法,结合转子动力学、机械振动学、模态分析和油膜阻尼等理论,使虚拟式锭子振动测试系统扩展成为功能更为复杂的综合性测试与分析系统,对锭子结构进行智能化分析和诊断,从而大大加快并推广应用于各类棉、毛、麻、化纤等新型锭子研究设计的过程,大大降低锭子研制及分析的成本,对提高纺织企业的经济效益、改善纺织车间的作业环境起到重要的促进作用。
另外,与传统的测试仪器相比,基于DRVI虚拟仪器的锭子振动测试系统具有研制成本低、周期短、开放性好、简单实用等优点。其性能可靠,避免了传统硬件仪器易损、维修等诸多损耗。虚拟仪器技术简便、灵活、易分析,取代了传统体积笨重的示波器、数字万用表,利用其强大的图形语言功能,满足了测试系统的要求。该系统强大的分析功能,形象直观的图形化界面,即点即用的虚拟面板,尤其适用于在线分析测试和试验研究。
参考文献
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