虛擬實(shí)驗室的虛擬儀器開(kāi)發(fā)

摘要： 虛擬儀器在很多行業(yè)中都有廣泛的應用，而基于虛擬儀器的虛擬實(shí)驗室和被越來(lái)越多的高校所采用，在很大程度上提高了教學(xué)質(zhì)量，節約了成本，本文以電路過(guò)渡過(guò)程監測儀的開(kāi)發(fā)為例，揭示了虛擬儀器和虛擬實(shí)驗室的開(kāi)發(fā)過(guò)程中的問(wèn)題和解決方式。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器；虛擬實(shí)驗室；LabVIEW；電路過(guò)渡過(guò)程監測儀

虛擬儀器

虛擬儀器的出現是測量儀器發(fā)展史上的一場(chǎng)革命。隨著(zhù)微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的高度發(fā)展和在測量與儀器上的應用以及測試的新理論、新方法、新領(lǐng)域的發(fā)展導致了一種新型儀器——虛擬儀器(Virtual Instrument)的誕生。它充分利用最新的計算機技術(shù)來(lái)實(shí)現和擴展儀器的功能；用計算機屏幕可以形象、方便地模擬各種儀器的調控面板，以各種需要的形式表達輸出檢測結果；用計算機軟件實(shí)現大部分信號的分析和處理，完成各種調控和測試功能?！败浖词莾x器”，在虛擬儀器系統中，軟件發(fā)揮著(zhù)核心作用，已有這樣的一類(lèi)虛擬儀器及其系統，在其中，硬件僅是為了解決信號的輸入輸出，而核心功能以軟件來(lái)完成，基于虛擬儀器，用戶(hù)可以根據自己的需要定義儀器的功能，通過(guò)軟件修改的方法，很方便地改變、增減儀器系統的功能與規模。與傳統儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)如表1所示。

但是虛擬儀器也并非十全十美，在與其他設備連接時(shí)容易受到客觀(guān)環(huán)境和條件的限制，另外由于需要進(jìn)行大量的軟件計算，可能造成較大的時(shí)延，此種情況下需要用傳統的硬件儀器來(lái)代替。

虛擬儀器可以用于國防、航空航天、核物理、石油化工等領(lǐng)域，目前開(kāi)發(fā)環(huán)境主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是文本語(yǔ)言，如C、C++、LabWindows /CVI等等；另一類(lèi)是圖形語(yǔ)言，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等等。由于圖形語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的方便性，受到了廣大工程師的歡迎，一個(gè)在計算機語(yǔ)言方面沒(méi)有很多經(jīng)驗的工程師也可以在較短時(shí)間內掌握虛擬儀器開(kāi)發(fā)的技術(shù)，并能應用到工程實(shí)踐當中。

虛擬儀器在大學(xué)實(shí)驗室建設中的應用

由于虛擬儀器具有以上各種優(yōu)點(diǎn)，并且隨著(zhù)計算機硬件和信號處理箱等輔助設備價(jià)格的下降以及計算能力的提高，虛擬儀器已經(jīng)可以代替大部分電路電子學(xué)實(shí)驗設備，從而為虛擬實(shí)驗室的開(kāi)發(fā)提供了可能。隨著(zhù)校園網(wǎng)的普及，網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室可以提供在線(xiàn)實(shí)驗，一方面節省了大量的實(shí)驗室、硬件、人員等支出，另一方面也能有效管理實(shí)驗進(jìn)程。虛擬儀器也可以用在各種物理學(xué)和其他與信號觀(guān)測和處理相關(guān)的領(lǐng)域。

美國的斯坦福大學(xué)的機械系就要求三、四年級學(xué)生在實(shí)驗時(shí)用虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗的數據采集和實(shí)驗控制。國內一些大學(xué)如清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華北電力大學(xué)、東南大學(xué)、復旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、暨南大學(xué)、華中科技大學(xué)、四川大學(xué)等都成功的開(kāi)設了虛擬儀器的相關(guān)課程并開(kāi)發(fā)了一系列的虛擬儀器用于教學(xué)實(shí)驗。值得注意的是，一些規模較小，條件困難，經(jīng)費緊張的學(xué)校，也開(kāi)始引進(jìn)基于虛擬儀器的實(shí)驗室，很大程度上解決了實(shí)驗經(jīng)費短缺的問(wèn)題。

設計實(shí)例：電路過(guò)渡過(guò)程監測儀

由于開(kāi)發(fā)過(guò)程中實(shí)現監測和回放功能的主要控件不同，而兩者需要設定的參數也是不同的，所以整個(gè)面板上的控件較多，為了使儀器面板更清晰，更易于控制，同時(shí)也為了避免一些不必要的誤操作，所以將監測面板和回放面板分開(kāi)放置。監測面板如圖1所示，從監測窗口可以觀(guān)測到每次處理的數據(默認值為500個(gè)數據點(diǎn))的波形，從觀(guān)察到的幅值大小就可以推斷出過(guò)渡過(guò)程是否發(fā)生，當然更直觀(guān)的方法是觀(guān)察該窗口左側的報警指示燈?！巴Ｖ贡O測”開(kāi)關(guān)用于控制在參數設置不合理的情況下，手動(dòng)停止該儀器工作，未處理數據顯示框中數據表示未處理的數據采樣數量，如果這一數據基本上是0或者很小的數(數量級不超過(guò)101)，表示工作正常，如果這一數值逐漸增加并且數量級超過(guò)102，說(shuō)明參數設置不合理，就需要停止監測?？梢酝ㄟ^(guò)單擊“工作狀態(tài)”按鈕，進(jìn)行“監測/回放”狀態(tài)的切換。過(guò)渡過(guò)程波形顯示設備在儀器停止運行時(shí)候自動(dòng)輸出一個(gè)波形，其數據總數等于參數設置中處理速度乘以保存數據組數?？梢栽诠鈽艘苿?dòng)使能控制和光標拖動(dòng)控制都開(kāi)放的情況下，用鼠標直接在光標上拖動(dòng)從而改變光標的位置。

圖1  電路過(guò)渡過(guò)程監測儀的監測面板

參數設置窗口能夠設置包括通道號、采樣率、緩沖大小、保存數據組數、緩沖數據組數、報警標準、過(guò)渡過(guò)程發(fā)生標準、存儲路徑等。本儀器提供的默認參數用于觀(guān)測ms量級的過(guò)渡過(guò)程，可以根據實(shí)際的需求修改。程序的基本流程如圖2所示。

圖2 電路過(guò)渡過(guò)程監測儀的工作流程

波形采集和連續采集需要使用更多的計算機資源，也需要使用緩沖區，而且在連續采集中一般需要在采集數據的同時(shí)對數據進(jìn)行分析處理，本監測儀中，使用LabVIEW提供的模擬輸入中級模塊AI Config ,AI Start, AI Read, AI Clear來(lái)實(shí)現，采集程序的模型如圖3所示。

圖3 電路過(guò)渡過(guò)程監測儀連續采集示意圖

實(shí)際虛擬儀器得到的波形并不理想，原因很多，如實(shí)驗電源并非理想的，而實(shí)驗推導是理想的，所以?xún)烧哂胁晃呛现?，因此我們需要進(jìn)行后續的數據處理，目前主要有濾波、擬合以及加窗三種方法。數字濾波器用于改變和消除不需要的波形，主要分為FIR(有限脈沖響應)和IIR(無(wú)限脈沖響應)兩種。每種又有低通、高通、帶通、帶阻等類(lèi)型，每種類(lèi)型又有巴特沃茲、車(chē)比雪夫等亞型。理想情況下，數字濾波器是有單位增益的帶通，完全不能通過(guò)的帶阻，并且從帶通到帶阻的過(guò)渡帶寬為零，實(shí)際情況下，不能滿(mǎn)足上述條件，特別是從帶通到帶阻總有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程。我們嘗試使用濾波器，用RC電路的階躍響應作為測試對象，使用對消除波形畸變效果較好的反車(chē)比雪夫低通濾波器。雖然使用濾波器有助于消除諧波的干擾，但是由于方波本來(lái)就含有很高的奇數次諧波，所以濾波必然使這一部分能量喪失，因此其影響也就偏離了階躍響應。用R=1KW，C=1mF的RC電路比較0-1t，1t-2t的時(shí)間進(jìn)行比較，即從0到0.6321穩定值的時(shí)間和0.6321穩定值到0.8647的穩定值時(shí)間，如表2所示。

由以上數據可以求出，無(wú)濾波的t平均值為0.0011s，有濾波的t平均值為0.0021s，兩者相差很大，可見(jiàn)濾波后由于諧波損失，所以偏離了正確結果，故濾波這一方法在本儀器的開(kāi)發(fā)中是不可行的。曲線(xiàn)擬合的目的是找出一系列的參數，通過(guò)這些參數最好的模擬實(shí)驗結果，LabVIEW中主要有線(xiàn)性擬合、指數擬合、多項式擬合、通用多項式擬合、通用線(xiàn)性擬合、通用Levenberg-Marquardt擬合等等。在實(shí)際情況下，對于階躍響應，可以用指數擬合，但是指數擬合要求所有的數據都是同一符號的，對于二階電路不適用，對于一階電路，由于電源不理想等原因，也不能保證，對于方波響應就更不可行。加窗是數字信號處理中最重要的一項技術(shù)，它的主要作用是截取長(cháng)信號序列中的有限短序列。但是在處理一階和二階電路的階躍響應時(shí)候，由于階躍波形不理想，導致孤獨波形的起始階段很差，因此也很難確定截取的范圍。對于波形的不理想，通過(guò)軟件很難解決，最后的實(shí)驗我們通過(guò)硬件方法有效的改善了波形。使用電路過(guò)渡過(guò)程監測儀進(jìn)行試驗，大部分參數可以采用默認設置,即通道號：0；采樣頻率：20000；緩沖大?。?000000；處理速度：500；報警標準：0.10；過(guò)渡過(guò)程發(fā)生標準：0.10；保存數據組數：6；緩沖數據組數：1。在電路過(guò)渡過(guò)程觀(guān)測中的其他設定參數如表3所示。

結語(yǔ)

通過(guò)對電路過(guò)渡過(guò)程監測儀開(kāi)發(fā)實(shí)例的介紹，我們可以發(fā)現虛擬儀器的硬、軟件具有開(kāi)發(fā)性、模塊化、可重復使用及互換性等特點(diǎn)。而且虛擬儀器可以方便地加入一個(gè)通用儀器模塊或更換一個(gè)儀器模塊，而不用購買(mǎi)一個(gè)完全新的系統，有利于測試系統的擴展，這樣的操作所需的費用很低。而且在虛擬儀器這個(gè)高效的開(kāi)發(fā)平臺上，學(xué)生可以自己設計和實(shí)驗，有利于培養學(xué)生的創(chuàng )造性思維和工程實(shí)踐能力。通過(guò)通用計算機和簡(jiǎn)單的信號處理箱，輔以少量的硬件設備，就可以建成可以完成各種電路電子實(shí)驗的虛擬儀器實(shí)驗室，進(jìn)而可以通過(guò)校園網(wǎng)形成網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室。開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要有經(jīng)驗的老師和同學(xué)解決虛擬實(shí)驗中的問(wèn)題。

當然，在使用虛擬儀器實(shí)驗的過(guò)程中，有可能導致學(xué)生脫離實(shí)際，對真實(shí)的實(shí)驗設施了解不足，對工作中的真實(shí)儀器了解不足的問(wèn)題，因此我們主張增加學(xué)生的生產(chǎn)認識實(shí)踐，并且在我們的虛擬儀器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，盡量和實(shí)際的儀器對應，并且采取適度的虛擬儀器實(shí)驗和傳統實(shí)驗結合的方式來(lái)實(shí)現學(xué)生學(xué)習效果的優(yōu)化。

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