信息工程專業(yè)實驗課中虛擬儀器的運用論文

　　摘 要 為適應現(xiàn)代信息工程類實驗教學人才培養(yǎng)的需要，提高實驗的多樣性、綜合性和尖端性，探討了基于LabVIEW軟件和數(shù)據(jù)采集卡構成的虛擬儀器技術，運用到實驗教學中去，通過對實際實驗過程和結果的分析，表明了該技術具有操作簡單、測量結果誤差小、易于擴展實驗內容以及節(jié)約成本等優(yōu)點，可在實驗教學中廣泛推廣和應用。

　　關鍵詞 虛擬儀器技術 實驗教學 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集卡。

　　在信息技術高速發(fā)展的時代，計算機在科研、教學實驗以及工程實踐中廣泛應用。利用計算機的高集成性、數(shù)據(jù)處理高速性、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及可擴展性等特點，研究開發(fā)出虛擬儀器技術來替代部分傳統(tǒng)儀器。虛擬儀器可使用通用的數(shù)據(jù)采集卡和軟件編程平臺 LabVIEW,只需隨時更新集成卡芯片和軟件程序則可開發(fā)出不同的功能，這一特點也使得虛擬儀器在高等學校信息工程類實驗教學中發(fā)揮重要作用。

　　1 虛擬儀器技術介紹

　　虛擬儀器是將 LabVIEW 軟件平臺和高性能的硬件相結合，構成功能齊全又易于擴展的基于計算機的測量系統(tǒng)。虛擬儀器主要特點是測量端是在計算機上顯示，可用 LabVIEW 軟件隨意設置測量的參數(shù)和分析數(shù)據(jù)測量結果，如需提高測量精度，則只需更換數(shù)據(jù)采集卡中核心芯片即可，更新升級方便。

　　虛擬儀器基本組成包括 PC 機、LabVIEW 軟件、硬件采集模塊等。硬件采集模塊主要解決數(shù)據(jù)的輸入和輸出，軟件主要把輸入的數(shù)據(jù)進行分析并用相應的圖形顯示出來，具體顯示何種圖像需要在后臺進行編程。虛擬儀器應用軟件集成了傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制、結果分析和顯示界面等功能，使傳統(tǒng)儀器或者部分功能都被虛擬儀器所取代。

　　虛擬儀器把傳感器、信號圖像處理、電子、通信、仿真、單片機、網(wǎng)絡等多項技術相結合，具備強大的集成性功能，其主要優(yōu)點表現(xiàn)在：（1）改變傳統(tǒng)儀器無法更改的現(xiàn)象，用戶可自定義，根據(jù)實驗需求隨時添加、刪除儀器，或改變儀器部分功能；（2）可以改變傳統(tǒng)儀器不能及時的進行數(shù)據(jù)處理、顯示、傳輸?shù)墓δ埽唬?）可減少人為誤差、使數(shù)據(jù)測量精度和測量速度大大提高；（4）傳統(tǒng)實驗設備只能固定完成設置好的幾個實驗內容，而虛擬儀器可根據(jù)需求隨時更換不同的實驗內容，擴展方便；（5）可以進行遠程監(jiān)控、測量，實現(xiàn)單臺儀器同時對多個不同對象進行遠程實時檢測；（6）目前國內高校使用的高檔數(shù)字示波器、高頻信號源、頻譜儀幾乎都是進口設備，且價格昂貴，采用虛擬儀器技術然后配備相應的數(shù)據(jù)采集卡可彌補這些不足，不僅能達到實驗效果還極大地節(jié)約了實驗室建設經(jīng)費。

　　2 虛擬儀器技術解決實驗教學中存在的問題

　　當前企業(yè)對理工科畢業(yè)生的實際操作能力要求越來越高，而在校學生的動手能力主要是通過實驗操作來鍛煉，所以對于應用型高校，實驗教學的地位甚至高于理論課教學。通過調查研究出傳統(tǒng)實驗教學中存在的普遍問題，利用虛擬儀器技術可得到極大的改善，具體表現(xiàn)在：

　�。�1）數(shù)字電路、模擬電路等用實驗箱完成的實驗課程，由于具體電路已經(jīng)焊接并封裝到實驗箱中，每學期開展的實驗項目就是一成不變的，極大地阻礙了學生的創(chuàng)造性思維。而引入虛擬儀器后，學生可以分組任意組合電路，實現(xiàn)課程項目的多樣化。

　�。�2）高頻電子線路實驗、通信原理實驗等專業(yè)性強，難度大的課程，因為人為的操作，外界環(huán)境和影響，較難實現(xiàn)理想的實驗現(xiàn)象，學生就不能通過實驗來驗證理論知識，而虛擬儀器軟件中包含有調制解調工具包，包含有模擬和數(shù)字兩種調制方法，學生可以任意設計調制解調代碼和參數(shù)，觀察調頻和鑒頻、調幅和檢波以及時域和頻域波形。

　�。�3）單片機、嵌入式技術實驗等內容更新頻繁的實驗課程，由于計算機運算速度不斷加快、單片機外圍設備不斷集成化、平均 2 到 3 年就有新技術產(chǎn)生，伴隨有新的單片機芯片的新，而虛擬儀器技術只需更新數(shù)據(jù)采集卡就能和新的單片機芯片兼容進行實驗測量。

　　（4）目前，國內很多高校由于實驗場所有限，專業(yè)性較強的實驗室建設較少，這樣學生無論是對理論課知識理解和動手能力的培養(yǎng)都難以達到效果。而把虛擬儀器技術引入實驗室后，只需更改后臺程序和數(shù)據(jù)采集卡，就可以把多門實驗課程集合到一個實驗室，不僅能大大提高實驗室的利用率，還節(jié)約了成本。

　　3 虛擬儀器技術實驗教學中的應用實例

　　RLC 串聯(lián)諧振頻率的測量是電路基礎實驗中綜合性較強的一個實驗項目，下面以本實驗為例，來具體說明虛擬儀器的使用方法。

　�。�1）按要求連接好RLC串聯(lián)諧振電路，將R兩端分別連接到數(shù)據(jù)采集卡的信號線和 GND;

　�。�2）把數(shù)據(jù)采集卡和計算機通過USB接口連接通信，無需安裝驅動，可適應多個操作系統(tǒng)，直接由USB供電，簡單方便，如圖 1 所示；

　　（3）打開 LabVIEW 軟件，根據(jù)需要添加測試儀器的前面板，本實驗添加的是虛擬示波器和虛擬頻譜儀，然后進行后臺編程，如圖 2 所示；

　　（4）通過調節(jié)輸入端信號源的頻率，用虛擬儀器顯示諧振頻率為 10Hz,和用實物儀器測量結果一致，如圖 3 所示。

　　4 結束語

　　信息工程類課程不僅要求學生了解電路的工作原理和參數(shù)計算，更重要的是對學生動手操作、設計以及創(chuàng)新能力等綜合素質的培養(yǎng)。而虛擬儀器正是因為其靈活性、集成性和共享性等優(yōu)點，改變傳統(tǒng)實驗儀器按部就班的模式，對培養(yǎng)學生的學習興趣和創(chuàng)新思維能力有極大的幫助，在今后的實驗教學中會發(fā)揮更加重要的作用。

　　參考文獻

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