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虚拟仪器技术及其教学应用 1 ?张际平1? 潘侃凯2 1．华东师范大学教育信息技术学系，上海 200062； 2．上海交通大学物理系，上海 200240 【 【关键词】虚拟仪器；VI；教学应用 一、虚拟仪器概述 1．什么是虚拟仪器 20世纪后期随计算机水平和软件技术的迅速进步而出现并发展起来的有别于传统仪器的新概念。 (Virtuallnstrument，简 V1)技术突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，将日益普及的计算机技术与传统的仪器仪表技术结合起来，使用户在操作计算机时，如同在操作自己定义的 2．虚拟仪器发展阶段 GPIB接口的智能化 (1)基于计算机技术来提升传统仪器功能阶段 (2)内在标准统一阶段 (3)虚拟仪器软件封装及组合阶段 3．虚拟仪器和传统仪器的比较 DAQ卡、GPIB仪器等，将被测单元的信号采集到计算 传统仪器主要依赖不同功能的硬件设备来完成实验，由于硬件功能的单一和固定，实验仪器的功能受到限制。虚拟仪器的核心是软件，用户根据实验要求编写和重组软硬件系统模块，可以大幅提升和扩展仪器功能，满足实验的不同要求。由此可以看出，基于计算机软硬件发展水平、基于软件自定义来实现和扩展仪器功能等虚拟 仪器的开放式特点，使得虚拟仪器和传统意义上的仪器存在很大差别。 ????????????????????????????????????????????????????????????? 二、虚拟仪器的开发 1．虚拟仪器的基本开发原理从开发角度来看，虚拟仪器系统由计算机、应用程序和仪器硬件组成，仪器硬件通过标准的接口与计算机连接，可通过计算机获取仪器 (如DAQ、GPIB、VXI、RS232)测量结果的可重复使用的源码库函数构成了基本的软件模块，用户可以通过软件技术构造自己的虚拟仪器系统， 2．运用LabVIEW开发虚拟仪器 LabVIEW(LaboratoryVirtuallnstrumentEngi—neefingWorkbench,实验室虚拟仪器工程平台)是一个LabVIEW程序分为前面板和程序框图两部分。前面板是用户接口，用于向程序中输入各种控制参数(控制部件)，并以数字或图形等形(显示部件)，一般有表头、按钮、拨盘等各种元件，非常形象地模拟了传统仪器的面板。程序框图是以图形表示的程序源代码，是实现程序功能的LabVIEW开发虚拟仪器的基本原理。 3．开发虚拟仪器的关键技术 (1)确定函数关系 LabVIEW中已有的函数加以修改；对于第二种情况，一般的做法是由实验教师和设计者事先进行反复实验，将获得的实验数据进行计算，获得数据 (2)随机数的巧妙运用 (3)拟合计算处理实验数据 LabVIEW具备的曲线拟合功能可以对各类实验曲 三、虚拟仪器的特点及其在教学上的应用 1．基于日益发展的计算机技术，使实验具备先进性和精确性 对于实验课程教学来说，提高教学内容的先进性是帮助学生学习前沿科学知识的重要手段。验证现有理论的正确性与探索未知领域的现象和规律是实验的两大首要任务，但一直以来，由于供学生使用的实验仪器相对落后，而先进的仪器价格又过于昂贵，阻碍了学生探索和认识世界的进程。要使得学生能够接触到前沿的科学知识，就必须提供先进的实验仪器帮助学生学习和理解。如何在现有基础上提升实验仪器性能，在不增加或增加少量开支的基础上使实验仪器在精确性、灵敏度、可测范围等方面有一个大的飞跃，让先进的实验内容走进实验教学课堂是摆在从事实验课程教学的教育者面前的一个难题。虚拟仪器充分利用了最先进的计算机技术来提 升和完善实验仪器的性能，具备精确性和科学性，同时使用成本又相对低廉，这为前沿科学知识走进实验教学课堂提供了基本却是非常重要的条件。 2．软硬件结合，功能模块重组配置，具备灵活性和开放性 在实验课程教学中，引入先进的教学内容、开发新的实验项目、开设学生自学基地等都需要完备的实验平台作为基础。目前的实验教学设备一直存在着易损坏、功能 单一、重复利用率低等问题。虚拟仪器采用软硬件结合、功能模块重组配置的方法，大大提升了实验仪器设备的功能和重复利用率，增强了实验课程教学平台的可扩 展性。 3．网络传输和远程控制，具备时间和空间可扩展性 LabVl2W自带的网络发布功能，可将Intemec与虚拟仪器结合起来，通过网络来传输数据和控制仪器，从而实现异地实时操作，使得实验项目的进行具备了时间和空间的扩展性。 综上所述，笔者认为虚拟仪器的诸多特点从实验教学内容、平台建设、模式革新三个方面推动了实验教学的发展：(1)虚拟仪器以先进的计算机技术为基础，使得 (2)虚拟仪器采用软硬件结合、功能模块重组配置的方式，是增加教学平台适用性和实验技术可扩展性的有效手段，有(3)虚拟仪器强大的网络功能有助于革新传统的教学模式，推动实验课程远程教育的发展。