虚拟仪器范文10篇

1硬件构成

检测系统主要由信号接口及虚拟仪器两部分构成(图1)。待测信号由控制机柜上的接口引出，通过信号选择、调理之后送入工控机，由数据采集卡进行数据采集，并最终由数据处理软件进行分析、显示、存储等。步进电机系统由脉冲控制器、驱动电路和步进电机等几部分构成，根据不同的检测要求如常规检测、实时监控和故障诊断等，需要对脉冲控制器的输出、驱动电路的输出以及电机绕组的信号分别进行检测。为更有效的利用采集卡的硬件资源以及计算机的数据处理能力，在接口部分设置了信号选择电路，负责把需要检测的信号送入后续系统。接口电路结构如图2所示，通过两个选择开关的不同组合，分别实现从驱动板输入级引出脉冲控制器信号、从驱动板输出级引出驱动电路信号、从电机回路引出步进电机绕组电流信号。

信号调理电路采用运算放大器对取样电阻两端的信号进行差分运算，得到电压、电流信号并以单端方式输出至数据采集卡。步进电机常采用方波电压驱动，从其频谱构成来看包含一定的高频成分，属于有突变的大幅值信号，故选用LM318高速宽带运算放大器，其增益带宽为15MHz，转换速率为70V/μs。为进一步提高待测信号的信噪比，减小软件数据处理的难度以及减少运算量，在LM318的电源部分加入了2个1000μF的电解电容退耦合，在其输出端加入了0.2μF的瓷片电容以滤除高频噪声。

虚拟仪器的硬件采用基于PCI总线技术的DAQ数据采集系统，选用的PCI-6071E数据采集卡可实现对32个步进电机及其驱动电路和脉冲控制器的多路并行检测。

2软件设计

根据模块化的编程思想，检测程序(图3)的结构自上而下分为主程序层、逻辑层、驱动层。主程序层由用户界面和测试执行部分构成，逻辑层负责逻辑关系的验证以及相关决策的制定，驱动层负责与仪器、被测设备以及其他应用程序之间的通信。软件的开发平台为NI公司的LabVIEW。检测程序的主要任务为多通道的数据采集、分析和存储，因此程序的优化及运行效率问题都显得较为重要，在软件的开发中运用了LabVIEW所支持的多项先进编程技术，如数据流、多线程、定时循环、状态机等。

摘要：“虚拟仪器”是中国地质大学（武汉）自动化学院测控技术与仪器专业开设的专业选修课。本文拟结合“虚拟仪器”课程教学的内在规律及主要目的，将“翻转课堂”这一创新教学理念应用到该课程，以期改变传统教学中“以教师为中心”的模式，从而建立新的教学机制。

关键词：虚拟仪器；测控技术与仪器；翻转课堂

一、课程概况

“虚拟仪器”是中国地质大学（武汉）自动化学院测控技术与仪器专业开设的专业选修课，该课程要求学生掌握虚拟仪器的概念和基础知识，同时初步具备利用LabVIEW开发测控系统的能力，为将来利用虚拟仪器技术开发测控系统和仪器仪表奠定基础，因此在整个本科教学体系中占有重要地位。本文的主要目的是测控技术与仪器专业本科生来展开研究，并以专业课“虚拟仪器”为例来对该专业翻转课堂教学的应用进行研究和探索，以期改变传统教学中“以教师为中心”的模式，从而建立新的教学机制。

二、教学模型设计

翻转课堂通过对知识传授和知识内化的互换，从而改变了传统教学模式中的师生角色定位。该方法最早由美国迈阿密大学的Lage在“经济学入门”的教学中采用[1，2]。本文对“虚拟仪器”课堂时间的使用进行重新规划，以实现对传统教学模式的革新[3，4]。通过信息技术，为“虚拟仪器”学习者构建出小组合作式的学习环境。为取得卓有成效的基于翻转课堂的“虚拟仪器”的教学效果，本文首先构建了下图所示的基于翻转课堂的“虚拟仪器”闭环教学模型。该教学模型包括课前自主学习和课上的项目驱动式学习两部分。在这两个过程之中，虚拟仪器学习支持体系和项目合作小组是翻转课堂学习环境创设的两个有力杠杆，它们的顺利开展能够有力保证个性化小组协作式学习环境的构建与生成，同时是教师与学生间、学生与学生间互动的必要条件之一[5]。在课前学习中。以观看虚拟仪器教学微视频、课前基本知识点练习为主。学生应首先通过上节课的微视频进行知识点预习；为保证学生的注意力能够集中到教学视频上，每段视频的时间控制在15分钟以内。由于虚拟仪器教学以LabVIEW软件为主要的软件平台，该软件特别强调上机时间操作，因此拟在视频教学完毕后，课前基本知识点上机练习题。在上述过程中，学生和教师可通过虚拟仪器QQ群进行在线互动，了解彼此之间的收获与疑问，此外学生之间也能进行互动。对于课前练习的数量和难易程度，本课程通过开展实验，以实现合理设计，来帮助学生利用旧知识完成向新知识的迁移过渡。全部完成后，练习题的源代码在指定时间内由学生上传至公共邮箱。在课内学习中。首先，在课前小程序练习中的高频错误点以及效果评价的基础上，确定学生的薄弱知识环节与问题，对课内教学的知识点进行重难点调整与划分，并展开统一教学。随后，为学生提供独立学习时间：由学生自由搭建学习小组，对教师项目进行合作研究，从而培养学生的团队协作能力。在指定时间内完成后，轮流由各个小组进行成果PPT汇报。

摘要:本文描述了基于虚拟仪器思想在实际测控系统中的应用。通过选用多功能数据采集卡和信号调理电路组成自动测试系统，软件开发以专业测控工具LabWindows/CVI为平台，实现了数据采集、分析和处理。使整个测控系统既经济又便于操作，同时易于改进和功能扩展。同时，与基于传统的开发平台的测控系统进行了比较。

关键词:虚拟仪器；Labwindows/CVI；数据采集

一、引言

虚拟仪器是以一种全新的理念来设计和发展的仪器，它是20世纪90年展起来的一项新技术。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种自动测试、过程控制、仪器设计、数据分析和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助您创建完全自定义的用户界面，其基本思想是在仪器设计或测试系统中尽可能用软件代替硬件，即“软件就是仪器”，它是在通用计算机平台上，根据用户需求来定义和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能，这种测试仪器的硬件功能软件化，给测试仪器带来了深刻的变化，因此虚拟仪器代表了当前测试仪器发展的方向之一。

二、虚拟仪器的特点和构成

2.1虚拟仪器的特点

虚拟仪器是以一种全新的理念来设计和发展的仪器，他是90年展起来的一项新技术，主要用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域，其基本思想是在仪器设计或测试系统中尽可能用软件代替硬件，即“软件就是仪器”，他是在通用计算机平台上，根据用户需求来定义和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能。

1虚拟仪器的特点和构成

1.1虚拟仪器的特点

与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为：

智能化程度高，处理能力强虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。

复用性强，系统费用低应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。

所谓虚拟仪器是基于计算机的软、硬件测试平台。由计算机、应用软件和仪器硬件组成，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；还可以自由构建成专有仪器系统。在虚拟仪器系统中，软件成为整个仪器系统的关键，使用者可以通过修改软件的方法，方便地改变、增加仪器系统的参数和功能，所以有“软件即仪器”之说[1]。结合虚拟仪器技术和网络技术的虚拟实验室研究，国际上始于20世纪80年代末，现己取得了许多有代表性的成果，应用于科学研究与实验教学。如美国斯坦福大学的远程光学实验室，学生可以远程登录该光学实验室做实验。又如美国伊利诺伊((Illinois)大学的Nmrsope系统，通过Internet研究人员在任何地方都能使用伊利诺伊大学的仪器等等[2]。

目前国内大学通信专业的实验教学中，如通信原理和数字信号处理的实验课等，都以虚拟仪器作为示例，对信号进行分析。但往往由于信号生成、显示和分析仪器的成本比较高，尤其是带有频谱分析和测量功能的仪器价格尤为昂贵，使得这部分的实验无法普遍实施。PC机声卡具有两路AD和两路DA，采样率最高可达到44100Hz，采样深度可达到16bit。由于其成本低廉且功能强大。由于PC机声卡只适用于音频领域，即输入信号频率必须处于20~20000Hz的音频范围内，这个系统在处理速度和带宽方面也具有一定的局限性。如果利用PC机声卡作为音频数据采集处理设备，使用适当的虚拟仪器软件编程技术就可以组成一个低成本高性能的信号采集与分析处理系统，方便学生理解理论内容，简化了课程的实验，甚至能够让有兴趣的学生对现有虚拟仪器系统进行升级改造。这是我们研究该课题的意义之所在，希望通过我们的研究，能够建立一个性价比较高的音频信号分析系统，并将该结果应用于大学通信专业及相关专业的实验教学中，从而让学生理解信号分析的概况。

1基于声卡的音频虚拟仪器系统

之所以对音频信号感兴趣，是因为日常生活中存在着大量的音频信号，比如：话音信号。另外，在通信专业的实验教学中，以音频信号作为示例，足以让学生理解信号分析的概况。本文介绍一套基于Labwindows/CVI的音频处理系统，LabWindows/CVI是NationalInstruments公司推出的一套面向测控领域的软件开发平台。它以ANSIC为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的控件和库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、自动测量环境、数据采集系统和过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境[3]。本系统实现了示波器、信号发生器、频率计的功能，在音频范围内可完全替代成型的音频信号分析仪器。这并不是仿真软件，而是实用的工具，这些虚拟仪器可以很好的工作。使用起来也很方便，只需要一根音频电缆，一头接入声卡LineIn口，一头接入声卡SpeakOut口。系统框图如图1所示。

1.1虚拟信号发生器虚拟音频信号发生器利用PC机声卡的耳机插孔发出信号，能够产生两路音频信号。频率范围在20~9999Hz，电压有效值为0~3V，信号类型有正弦波、方波、三角波、锯齿波和用户自定义5种波形。在“高级设置”中可对两路信号的同步进行调整，也就是设置两路信号的初始相位差，调整范围为0~2π。系统面板图如图2所示。一旦系统运行，就有声音信号生成并通过声卡通道输出，发生器1通过左声道输出，发生器2通过右声道输出，可以通过扬声器收听输出的音频信号的声音，也可以通过虚拟示波器或真实示波器对信号进行显示。

1.2虚拟示波器示波器通过声卡LineIn口输入音频信号，实现了双通道示波器的所有功能，包括时基调整、幅度调整、偏移调整、双通道组合显示等，普通实验室中双通道示波器具有的功能这个系统都能实现。最后这个系统还能对信号进行2048点的频谱分析，相当于一台简易频谱分析仪。通过对音频信号采集、分析信号可以显示其时域波形和频谱图。程序面板图如图3所示。信号分析部分充分利用模块化软件设计方法，开发了信号的波形、频谱分析。在这个基础上，通过程序的扩展，还可以开发诸如：FIR、IIR数字滤波器等其他的数字信号处理功能。总之，本虚拟信号采集与分析系统对信号采集与分析系统的各个环节进行了深入的探讨，完成了信号分析和信号处理的基本功能。分析仪界面友好，使用方便。

摘要:为提高电子实验室的使用质量及效率，对电子实验室进行设计。在对电子实验室现状进行分析的基础上，详细阐述了虚拟仪器电子实验室的整体结构，以及基本硬件电路和软件程序的实现路径，硬件部分通过PCI总线同计算机相连。通过在电子实验室引入虚拟仪器技术，实现了对实验环境的有效模拟以及电子测量中电路设计和相关实验仿真，在提高学生实践能力的同时节约了教育资金。

关键词:虚拟仪器;虚拟环境;开放型虚拟电子实验室;电路设计

随着各行业及高校对学生实践能力重视程度不断提高，各高校尤其是工科类院校教学计划中的实践教学占比不断提高，意在通过实践与理论的有效结合，全面提升学生的综合能力。实践教学在提高实践创新能力方面发挥着重要作用，目前在提高实验室实验质量及效率的同时降低投入成本成为高校建设与改革实验、实训室的主要目标。快速发展完善的计算机技术及仪器仪表技术，促使传统仪器向虚拟仪器发展，通过引入虚拟仪器技术及平台完成虚拟仪器电子实验室教学系统的设计与应用，已成为高校改革和完善实验、实训教学工作的有效手段，建设虚拟仪器电子实验室的重点在于对构成虚拟仪器设备进行充分运用。

1需求分析

随着高校招生规模的不断扩大以及各专业对实验实训需求的不断提高，作为高校教学及课题研究的重要场所，实验室教学过程对相关测试仪器及设备等的质量及数量要求随之增加，而通常实验仪器设备的使用及维护管理成本较高，并且部分设备技术更新速度较快，导致部分高校实验室硬件资源紧缺问题日益突出。快速发展的虚拟现实技术为电子测量、设计、实验等领域创新发展提供了技术支撑，在数据存储、分析及显示方面虚拟仪器技术具备较大的优势，虚拟仪器技术通过计算机与仪器硬件间的有效结合，实现了计算机数据处理同现场测量、控制仪器硬件功能的有效结合，在提高仪器性能的同时降低了仪器使用成本，此种仪器模式具备优越的性价比，受到各高校实验室的青睐，在改造、建设高校实验室过程中通过虚拟仪器技术的应用可使实验室的使用及维护成本得到显著降低。基于虚拟仪器的电子实验室通过相关软件的优化与完善，可有效提高高校实验教学质量［1］。

2虚拟电子实验室的构建

近年来，虚拟仪器技术在航空、航天、航海、通信、汽车、半导体、生物医学等众多领域得到了广泛应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测控和工业自动化，从大学实验室到工业现场，从探索研究到技术集成，可以发现虚拟仪器技术应用的很多实例。国内外学者对此作了很多的研究工作，也发表了不少相关文章或论文，但在运动控制方面，却探讨的不多。因此，笔者想就虚拟仪器技术在步进电机控制系统中的应用，谈谈自己的一些初步探讨和体会。

一、虚拟仪器与运动控制

1.虚拟仪器与图形化编程语言-LabVIEW

虚拟仪器(即VirtualInstrument，简称NI)是一种基于计算机的仪器，就是在通用计算机上加上软件和(或)硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键，任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户(而不是厂家)可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。

虚拟仪器系统是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。它利用PC计算机强大的图形编程环境和在线帮助功能，结合相应的硬件，快速建立人机交互界面的虚拟仪器面板，完成对仪器或设备的控制、数据分析与显示，提高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，方便地对其进行维护、扩展、升级等。

LabVIEW是美国NI公司利用虚拟仪器(virtualinstnlments)技术开发的32位，主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台。LabVIEW同时也是一一种功能强大的图形编程语言，但它与传统的文本编程语言(如c语言)不同，采用了一种基于流程图的图形化编程形式，因此也被称为G语言(graphicallanguage)。这种图形化的编程形式，方便了非软件专业的工程师快速编制程序。LabVIEW也不同于传统文本式的编程语言的顺序执行方式，而是采用了数据流的执行方式，这种方式要求程序仅在各节点已获得它的全部数据后才执行。

摘要：文章以空军工程大学为例，从“虚拟仪器技术及应用”课程教学现状与存在的问题出发，提出了“虚拟仪器技术及应用”课程教学改革的策略，即重点在引入新的教学方法、设定不同层次的教学目标、充实实践教学五节等。

关键词：虚拟仪器技术；学导式教学法；教学改革

虚拟仪器技术是电气工程、自动化、计算机应用等领域的一项新兴技术，目前已经得到了广泛应用，并正在快速发展之中。为了帮助学生掌握这一新兴技术，现阶段国内高校理工科学校以及部分医学院校都普遍开设了相关的课程。从2010年开始，空军工程大学将虚拟仪器技术相关知识纳入到了课程知识体系中，并从2012年开始，单独开设“虚拟仪器技术及应用”课程。根据人才培养方案，学校将“虚拟仪器技术及应用”课程定位为一门各专业通用专业基础课、工具课，一般在三年级下学期或四年级上学期开设。经过前面基础课程的学习，此时的学生对专业方向有了较为深入的了解，并具备基本的专业知识，教学效果应该不错。然而，我们在课程教学过程中却发现教学效果并没有达到预期目标。通过与学生的深入沟通，我们认为其原因主要有以下几方面。第一，学生对课程学习目的不明确，没有认识到所学知识对培养职业能力的重要作用。第二，学习内容偏向软件知识，对硬件系统搭设重视不够或者有意回避。第三，教学形式上，仅有部分学生能主动参与到教学活动中，学习积极性没有得到充分调动。第四，由于学时限制，要求在短时间内系统地传授知识，加之没有区别不同的教学目标，造成部分学生在面对大量新知识时无从下手，甚至畏难放弃。以上问题直接影响到学生对虚拟仪器技术的掌握，影响到教学目标的实现，有必要及时解决。通过进一步讨论分析，参考其他课程的改革经验[1-4]，我们认为解决上述问题的关键在于对教学活动进行改革，激发学生的内动力，提高学生学习兴趣。为此，在教学过程中，我们根据课堂教学及实践教学两大环节特点，对教学组织及教学内容进行了一些改革，引入了新的教学方法，改革了课程教学内容，重新设计了实践教学的组织形式，通过多种手段，锻炼学生的实践动手能力，培养学生分析问题和解决问题的能力，养成自主学习习惯，从而全面提高学生的综合素质。通过本文所介绍的方法，学生的学习积极性得到了明显提高，学习效果得到了显著提升，效果显著。

一、引入新的教学方法

根据“虚拟仪器技术及应用”课程特点，参考其他课程的实践经验，我们引入了“学导式”教学法[5-6]。将整个课程教学分为课前预备、学生自学、集中解惑以及演练交流等环节，通过各环节之间的有机配合，构成了课程教学闭环。根据各环节的任务及特点，分别明确了教师、学生在不同环节中的主体地位、任务以及教与学的方法。具体有以下一些体会。第一，牢固树立以学生为教学主体的理念，并在整个教学活动中坚持；在教学准备中应该从学生的实际学习情况入手，进行精心准备，在教学过程中应充分发挥学生自身作用，帮助他们实现自我完善、自我突破。第二，在教学准备过程中，教师除了完成常规的课程内容准备外，还要进行资料文献收集整理、自主实验组织、学生大作业辅导检查等其他工作，教师的工作量会有较大的增加。第三，采用学导式教学法对教师的能力素质提出了较高的要求，由于绝大部分的教学时间都是以学生为主导，教师无法开展预先准备，这就要求教师的基本功扎实，对相关领域的知识掌握充分，具备驾驭课程教学的能力。

二、革新教学内容及目标要求

应用领域：

手机测试

挑战：

中国的手机市场发展迅猛，世界各大手机厂商竞相争夺手机用户。在如此激烈的竞争中，手机的功能日趋丰富，比如摄像头、MP3、FM调频收音机等等。同时，手机通讯协议也层出不穷，GSM、CDMA、GPRS、CDMA2000、EDGE、WCDMA等等。为了应对产品的不断变化，工程师面临着提高效率并缩短产品市场化时间的挑战，他们需要一个灵活而强大的通用测试平台。我们先来看一个通用测试平台针对手机通讯协议的变化而表现出来的优势。大家知道，2G的协议比如GSM和CDMA都已被成功地运用于市场了，而3G的协议比如WCDMA，CDMA2000等等是未来的必然趋势。在从2G到3G的转变中，面临客户群、设备置换、技术的成熟度风险等等问题。运营商希望能够进行平滑的过渡，在不丢失已有手机用户的情况下，首先升级交换网络部分，这使得用户可以使用过渡期的2.5G产品，然后等时机成熟时再升级无线网络部分达到3G的标准。2G的测试仪器已经比较成熟，3G的测试产品正在加紧开发，2.5G的专用测试设备却由于传统仪器制造商考虑到研发成本和市场前景的问题而匮乏。

一家著名的手机制造商制造了支持EDGE(EnhancedDataratesforGSMEvolution)协议的2.5G手机产品，需要针对这一产品的测试方案。EDGE是一个专业协议，由于它的出现时间比较短，了解它的人也比较少，要在短期内构建一个EDGE测试系统是一个巨大的挑战。为了在市场上与同行竞争，需要在一个月内能够使用这套测试设备。

应用方案：

摘要：虚拟仪器技术目前广泛应用于测量与控制领域的工程应用之中。同时，该项技术也可以作为一种有效的教学工具来提高电子与通信类专业教学质量，激发学生的创新精神，提高动手能力和工程经验，加深他们对于所学课程的理解。本文介绍了虚拟仪器技术对于金陵科技学院电子与通信类专业教学的作用与意义。

关键词：虚拟仪器；电子；通信

一、虚拟仪器技术简介

虚拟仪器（VirtualInstruments，简称VI）的概念，最早是由美国国家仪器公司（NationalInstrumentsCorp.简称NI）于1986年提出来的，其基本原理是以计算机为硬件平台，使原来需要硬件实现的各种仪器功能尽可能地软件化，利用高效灵活的软件控制高性能的硬件来完成各种测试、测量和自动化的应用，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性。用形象语言来概括虚拟仪器的原理，即“软件就是仪器”[1]。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。

（一）虚拟仪器技术应用于电子与通信类专业的背景

电子与通信类专业在金陵科技学院工程类专业中占有重要的地位，对我校应用型本科专业的建设具有示范作用。然而，在这两个工程类专业的教学中长期存在一些问题，具体表现为：1.重视理论知识的学习，轻视动手能力和实践环节的培养，学生动手能力差，工程实践经验明显不足，而这些问题又反过来弱化学生对于理论知识的理解，最终导致学生对所学专业缺乏兴趣与信心[2]。2.从未或很少将真实的物理信号引入课堂教学中，导致教学过程理论脱离实际，学生对于本专业的理论知识和应用场景缺乏真实的、直观的认识。3.理论学习环节与实践实习环节相脱离，实践实习环节往往安排在理论学习结束之后，间隔时间较长，学生无法及时对所学知识进行巩固与提高，导致实践实习环节效果不理想[3]。本文将介绍虚拟仪器技术在电子与通信类专业教学中的应用，帮助学生将理论学习、工程实践和创新能力结合起来，提高学生在工程实践中获取知识的能力、综合分析的能力、解决问题的能力和实践创新的能力，从而突出我校应用型本科教学的特点。