虚拟实验室的虚拟仪器开发

虚拟仪器

虚拟仪器的出现是测量仪器发展史上的一场革命。随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展和在测量与仪器上的应用以及测试的新理论、新方法、新领域的发展导致了一种新型仪器——虚拟仪器(Virtual Instrument)的诞生。它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展仪器的功能;用计算机屏幕可以形象、方便地模拟各种仪器的调控面板，以各种需要的形式表达输出检测结果;用计算机软件实现大部分信号的分析和处理，完成各种调控和测试功能。“软件即是仪器”，在虚拟仪器系统中，软件发挥着核心作用，已有这样的一类虚拟仪器及其系统，在其中，硬件仅是为了解决信号的输入输出，而核心功能以软件来完成，基于虚拟仪器，用户可以根据自己的需要定义仪器的功能，通过软件修改的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模。与传统仪器相比，虚拟仪器的优点如表1所示。

但是虚拟仪器也并非十全十美，在与其他设备连接时容易受到客观环境和条件的限制，另外由于需要进行大量的软件计算，可能造成较大的时延，此种情况下需要用传统的硬件仪器来代替。

虚拟仪器可以用于国防、航空航天、核物理、石油化工等领

域，目前开发环境主要有两类：一类是文本语言，如C、C++、LabWindows /CVI等等;另一类是图形语言，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等等。由于图形语言开发的方便性，受到了广大工程师的欢迎，一个在计算机语言方面没有很多经验的工程师也可以在较短时间内掌握虚拟仪器开发的技术，并能应用到工程实践当中。

虚拟仪器在大学实验室建设中的应用

由于虚拟仪器具有以上各种优点，并且随着计算机硬件和信号处理箱等辅助设备价格的下降以及计算能力的提高，虚拟仪器已经可以代替大部分电路电子学实验设备，从而为虚拟实验室的开发提供了可能。随着校园网的普及，网络虚拟实验室可以提供在线实验，一方面节省了大量的实验室、硬件、人员等支出，另一方面也能有效管理实验进程。虚拟仪器也可以用在各种物理学和其他与信号观测和处理相关的领域。

美国的斯坦福大学的机械系就要求三、四年级学生在实验时用虚拟仪器进行实验的数据采集和实验控制。国内一些大学如清华大学、西安交通大学、华北电力大学、东南大学、复旦大学、上海交通大学、暨南大学、华中科技大学、四川大学等都成功的开设了虚拟仪器的相关课程并开发了一系列的虚拟仪器用于教学实验。值得注意的是，一些规模较小，条件困难，经费紧张的学校，也开始引进基于虚拟仪器的实验室，很大程度上解决了实验经费短缺的问题。

设计实例：电路过渡过程监测仪

由于开发过程中实现监测和回放功能的主要控件不同，而两者需要设定的参数也是不同的，所以整个面板上的控件较多，为了使仪器面板更清晰，更易于控制，同时也为了避免一些不必要的误操作，所以将监测面板和回放面板分开放置。监测面板如图1所示，从监测窗口可以观测到每次处理的数据(默认值为500个数据点)的波形，从观察到的幅值大小就可以推断出过渡过程是否发生，当然更直观的方法是观察该窗口左侧的报警指示灯。“停止监测”开关用于控制在参数设置不合理的情况下，手动停止该仪器工作，未处理数据显示框中数据表示未处理的数据采样数量，如果这一数据基本上是0或者很小的数(数量级不超过101)，表示工作正常，如果这一数值逐渐增加并且数量级超过102，说明参数设置不合理，就需要停止监测。可以通过单击“工作状态”按钮，进行“监测/回放”状态的切换。过渡过程波形显示设备在仪器停止运行时候自动输出一个波形，其数据总数等于参数设置中处理速度乘以保存数据组数。可以在光标移动使能控制和光标拖动控制都开放的情况下，用鼠标直接在光标上拖动从而改变光标的位置。

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图1 电路过渡过程监测仪的监测面板

参数设置窗口能够设置包括通道号、采样率、缓冲大小、保存数据组数、缓冲数据组数、报警标准、过渡过程发生标准、存储路径等。本仪器提供的默认参数用于观测ms量级的过渡过程，可以根据实际的需求修改。程序的基本流程如图2所示。

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图2 电路过渡过程监测仪的工作流程

波形采集和连续采集需要使用更多的计算机资源，也需要使用缓冲区，而且在连续采集中一般需要在采集数据的同时对数据进行分析处理，本监测仪中，使用LabVIEW提供的模拟输入中级模块AI Config ,AI Start, AI Read, AI Clear来实现，采集程序的模型如图3所示。

图3 电路过渡过程监测仪连续采集示意图

实际虚拟仪器得到的波形并不理想，原因很多，如实验电源并非理想的，而实验推导是理想的，所以两者有不吻合之处，因此我们需要进行后续的数据处理，目前主要有滤波、拟合以及加窗三种方法。数字滤波器用于改变和消除不需要的波形，主要分为FIR(有限脉冲响应)和IIR(无限脉冲响应)两种。每种又有低通、高通、带通、带阻等类型，每种类型又有巴特沃兹、车比雪夫等亚型。理想情况下，数字滤波器是有单位增益的带通，完全不能通过的带阻，并且从带通到带阻的过渡带宽为零，实际情况下，不能满足上述条件，特别是从带通到带阻总有一个过渡过程。我们尝试使用滤波器，用RC电路的阶跃响应作为测试对象，使用对消除波形畸变效果较好的反车比雪夫低通滤波器。虽然使用滤波器有助于消除谐波的干扰，但是由于方波本来就含有很高的奇数次谐波，所以滤波必然使这一部分能量丧失，因此其影响也就偏离了阶跃响应。用R=1KW，C=1mF的RC电路比较0-1t，1t-2t的时间进行比较，即从0到0.6321稳定值的时间和0.6321稳定值到0.8647的稳定值时间，如表2所示。

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由以上数据可以求出，无滤波的t平均值为0.0011s，有滤波的t平均值为0.0021s，两者相差很大，可见滤波后由于谐波损失，所以偏离了正确结果，故滤波这一方法在本仪器的开发中是不可行的。曲线拟合的目的是找出一系列的参数，通过这些参数最好的模拟实验结果，LabVIEW中主要有线性拟合、指数拟合、多项式

拟合、通用多项式拟合、通用线性拟合、通用Levenberg-Marquardt拟合等等。在实际情况下，对于阶跃响应，可以用指数拟合，但是指数拟合要求所有的数据都是同一符号的，对于二阶电路不适用，对于一阶电路，由于电源不理想等原因，也不能保证，对于方波响应就更不可行。加窗是数字信号处理中最重要的一项技术，它的主要作用是截取长信号序列中的有限短序列。但是在处理一阶和二阶电路的阶跃响应时候，由于阶跃波形不理想，导致孤独波形的起始阶段很差，因此也很难确定截取的范围。对于波形的不理想，通过软件很难解决，最后的实验我们通过硬件方法有效的改善了波形。使用电路过渡过程监测仪进行试验，大部分参数可以采用默认设置,即通道号：0;采样频率：20000;缓冲大小：5000000;处理速度：500;报警标准：0.10;过渡过程发生标准：0.10;保存数据组数：6;缓冲数据组数：1。在电路过渡过程观测中的其他设定参数如表3所示。

结语

通过对电路过渡过程监测仪开发实例的介绍，我们可以发现虚拟仪器的硬、软件具有开发性、模块化、可重复使用及互换性等特点。而且虚拟仪器可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不用购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展，这样的操作所需的费用很低。而且在虚拟仪器这个高效的开发平台上，学生可以自己设计和实验，有利于培养学生的创造性思维和工程实践能力。通过通用计算机和简单的信号处理箱，辅以少量的硬件设备，就可以建成可以完成各种电路电子实验的虚拟仪器实验室，进而可以通过校园网形成网络虚拟实验室。开发过程中，需要有经验的老师和同学解决虚拟实验中的问题。

当然，在使用虚拟仪器实验的过程中，有可能导致学生脱离实际，对真实的实验设施了解不足，对工作中的真实仪器了解不足的问题，因此我们主张增加学生的生产认识实践，并且在我们的虚拟仪器开发过程中，尽量和实际的仪器对应，并且采取适度的虚拟仪器实验和传统实验结合的方式来实现学生学习效果的优化。