虚拟仪器电子实验室的设计及实现

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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

当前虚拟电子实验室在实际教育教学应用过程中有待进一步完善。高校实验室普遍存在仪器设备陈旧老化(导致参数发生较大变化)的问题，因受到资金、管理水平等的限制而难以及时更新，传统的实验教学模式受实验室质量的影响限制了实验教学作用的充分发挥，不利于提高学生的自主实践学习能力，难以满足应用型人才的培养需求。本文主要以实践性较强的电路分析课程作为研究对象，通过设计一种虚拟仪器电子实验室实现利用已有实验设备完成相关实验操作，进而帮助学生验证电路原理、巩固理论知识。实验过程中的常见问题主要包括:因元器件烧坏影响了实验的正常进行;学生在连接电路操作上花费时间较多，注重得到正确的实验数据而忽视了对电路的分析;实验所用元件因参数离散程度较高，导致实验数据结果出现较大的偏差，降低了仪器测量的准确度，无法获得相应结论。根据电子实验室建设及使用需求，利用虚拟仪器技术完成虚拟电子实验室的设计，使课程实验及电路设计的教学需求得到有效满足［2］。虚拟电子实验室可有效弥补传统实验室的不足，提高实践教学效率和质量，通过建立一种新的实验教学方法，将实验内容与理论紧密联系起来，帮助学生掌握实物实验操作过程及仿真软件技术，具体分解、分析实验过程，同课堂理论教学内容有效衔接。针对具体实验内容，通过虚拟环境完成动态模拟分析过程。虚拟电子实验室在实现不同实验测试流程时，可以教学实验内容为依据，结合PC机和虚拟仪器技术完成对应测量仪器的设计。虚拟电子实验室的总体架构示意图如图1所示。EDA(电子设计自动化)系统实验部分的硬件电路设计主要通过使用仿真软件完成，通过系统仿真完成测试过程;电子测量试验的虚拟仪器界面的搭建主要通过运用计算机软件和外围硬件电路完成，相关数据由传感器完成采集与测量，经分析获取相应的数据和波形，提交和生成实验报告［3］。

3开放型虚拟电子实验室的实现

3．1虚拟仪器的应用。虚拟仪器可实现传统仪器功能的虚拟技术，虚拟仪器作为一种新型仪器，正是通过综合运用相应硬件及专用软件实现了传统仪器的功能，具备易操作、灵活方便等优势，虚拟仪器基本结构如图2所示，硬件电路模块的主要功能包括对外部模拟信号进行检测(使用传感器完成)，完成检测信号到对应电信号的转换，并对信号进行进一步检测(使用信号检测电路完成)，然后使用数据采集卡将经放大、滤波处理得到的可用电信号的数据信息进行A/D转换、采集和处理。软件部分主要包括虚拟示波器及驱动硬件电路工作的驱动程序设计，信号采集驱动程序如图3所示，通过PCI总线的接口电路实现同PC机间的数据通信［4］。使用虚拟软件图形完成对虚拟界面的设计，通过设置相关参数(使用图形化编程语言完成)实现对虚拟仪器的控制过程，并在此基础上完成实验处理过程。虚拟仪器控制功能通过对硬件电路的操控来完成，传统仪器的测试功能通过虚拟仪器软件与各类虚拟集成子块实现，图4为相应的数据变化及处理过程。运用电子实验室提供的基本设备(如发生器、示波器等)对仪器进行调试，避免因仪器精度不准而导致的实验数据误差，节约实验室建设及使用成本［5］。3．2虚拟实验室通信功能的实现。开放型虚拟电子实验室通过网络完成实验动态数据的获取以及控制信号到服务器的传送，虚拟电子实验室信号处理过程示意图如图5所示，该处理过程要求服务器具备多线程状态及较高的计算能力。实验硬件可位于远端，用于分析和处理数据的软件则在客户服务器端运行，通过此种方式实现了使用客户端网页对远程教师服务器的实时控制，经客户端分析后的实验数据可根据实际需要生成实验报告并提交给教师服务器，完成远程实验操作［6］。基于虚拟仪器的电子实验室实现了大量高额的硬件资源的共享(包括具体的测量数据)，使实验室面临的实验设备短缺问题得以有效解决，在显著提高硬件实验仪器利用率的同时降低实验室的综合成本。该电子实验室支持相关数据及实验分析结果的远程采集和上传，本文通过使用DataSocket技术实现了虚拟电子实验室的远程数据采集和实时，支持数据在不同客户机应用软件间的共享，该技术主要由DataSocket服务器及服务管理器构成。作为一种独立运行的程序，DataSocket服务器主要对不同权限客户端间的数据交换过程进行管理，提供自由的数据传输功能，通过优化和管理TCP/IP实现了对Internet通信方式的有效简化，可对各种类型的数据进行直接传送(由客户端采集)。服务管理器主要负责对用户的权限、服务器最多客户机可连接数量进行设置，完成用户和用户组的创建。DataSocket服务器能够实现实验仪器的远程共享。只有授予权限的用户才能进行实验，选择完对应实验后，按下开始实验按钮即可进入各参数测量环节，实现基本录入、实验参数设置、数据显示及存储等功能［7］。

4虚拟仪器在电路分析实验中的应用

理论性较强的电路分析课程包含了大量的定理、电路分析方法和概念，不利于学生的理解，需通过虚拟实验巩固学生对理论知识的理解，采用测量仪器搭建电路，获取所需实验数据及对应分析结果。利用虚拟仪器电子实验室完成电路分析实验，实现对实验过程方便、直观的演示，可有效缩短搭建实验电路所需时间，在完成数据测量的同时帮助学生掌握电路的结构、工作原理及相关问题，在已配备相应计算机的电路分析实验室安装Multisim虚拟仿真软件，实验的整个操作过程包括组装电路并对电路进行测试，对比实际数据结果(物理硬件电路)和实验仿真测试结果，分析引起数据误差的原因，帮助学生完成电路仿真设计实验，对电路实验深入理解。教师可设置电路故障，引导学生完成电路故障的排查，以便更好地掌握相关知识，提高学生的实验操作能力。电子实验室将更高质量的实验平台提供给电气及相关专业学生使用，通过硬件资源共享有效扩展了传统实验仪器的使用范围，显著提高了硬件仪器使用率，使用虚拟仪器技术缩短了实验室的构建周期，提升了实验室系统的可扩展性，并且可异地在线检测和远程控制，学生可根据所需掌握的知识访问该实验室的硬件资源，自主选择实验内容，设计实验方案，进行独立分析并解决实际问题，从而提高综合运用所学知识的能力［8］。

5结束语

目前随着高校招生规模的扩大，实验室包括实验仪器在内的硬件资源在数量和质量上普遍难以满足需求，在开展以学生为主体的教学模式过程中，通过创建虚拟电子实验室能够为学生提供良好的实验环境，进而提高其综合设计能力及实践动手能力。本文完成了基于虚拟仪器的电子实验室的开发，实现了开放性实验室的虚拟实验功能，学生借助虚拟环境完成包括综合电路设计与分析等在内的实验操作过程，在降低实验室使用成本的同时显著提升了电子实验室的使用质量及效率，该虚拟仪器具备较好的开放性及可扩展性，通过网络即可实现远程在线及控制功能，可有效缓解高校硬件紧张的问题，完成实验室硬件设备的访问及实验任务操作，提高学生的科研和动手能力。

参考文献:

［1］朱建红，吴晓．工程设计能力培养目标下教学资源改进研究———以电工电子实习为例［J］．中国教育技术装备，2018(4):63－65．

［2］倪元相，张晓亚，李欣雪，等．应用型本科院校电工电子创新实验室建设的探索［J］．机械研究与应用，2017(2):194－196．

［3］全大英，刘恒良，孔维太，等．一种基于软件无线电的频谱扫描技术［J］．中国计量大学学报，2017(3):380－387．

［4］尹晖，张晓鸣，李小祥，等．基于视频监测的输电线路舞动信息提取与频谱分析［J］．高电压技术，2017(9):2889－2895．

［5］周芳芳，曾媛，赵颖，等．无线电频谱与无线电信号数据协同可视分析方法［J］．计算机辅助设计与图形学学报，2017(1):27－37．

［6］张磊．基于虚拟仪器的便携式多功能综合电子实验平台的设计［J］．科学技术创新，2020(3):102－103．

［7］张英，周涛．远程电子虚拟培训系统研究与开发［J］．中国教育技术装备，2018(9):26－27，33．

［8］刘云朋，李鸿征．基于虚拟仪器技术的USB数字电路实验系统设计［J］．实验技术与管理，2018(1):129－133．

作者:刘娜 单位:西安航空职业技术学院计算机工程学院