虛擬實驗室的虛擬儀器開發(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驗室和被越來越多的高校所采用，在很大程度上提高了教學質量，節(jié)約了成本，本文以電路過渡過程監(jiān)測儀的開發(fā)為例，揭示了虛擬儀器和虛擬實驗室的開發(fā)過程中的問題和解決方式。

關鍵詞： 虛擬儀器；虛擬實驗室；LabVIEW；電路過渡過程監(jiān)測儀

虛擬儀器

虛擬儀器的出現(xiàn)是測量儀器發(fā)展史上的一場革命。隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術、網絡技術的高度發(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來實現(xiàn)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；用計算機軟件實現(xiàn)大部分信號的分析和處理，完成各種調控和測試功能。“軟件即是儀器”，在虛擬儀器系統(tǒng)中，軟件發(fā)揮著核心作用，已有這樣的一類虛擬儀器及其系統(tǒng)，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完成，基于虛擬儀器，用戶可以根據自己的需要定義儀器的功能，通過軟件修改的方法，很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)點如表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容易受到客觀環(huán)境和條件的限制，另外由于需要進行大量的軟件計算，可能造成較大的時延，此種情況下需要用傳統(tǒng)的硬件儀器來代替。

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

虛擬儀器在大學實驗室建設中的應用

由于虛擬儀器具有以上各種優(yōu)點，并且隨著計算機硬件和信號處理箱等輔助設備價格的下降以及計算能力的提高，虛擬儀器已經可以代替大部分電路電子學實驗設備，從而為虛擬實驗室的開發(fā)提供了可能。隨著校園網的普及，網絡虛擬實驗室可以提供在線實驗，一方面節(jié)省了大量的實驗室、硬件、人員等支出，另一方面也能有效管理實驗進程。虛擬儀器也可以用在各種物理學和其他與信號觀測和處理相關的領域。

美國的斯坦福大學的機械系就要求三、四年級學生在實驗時用虛擬儀器進行實驗的數(shù)據采集和實驗控制。國內一些大學如清華大學、西安交通大學、華北電力大學、東南大學、復旦大學、上海交通大學、暨南大學、華中科技大學、四川大學等都成功的開設了虛擬儀器的相關課程并開發(fā)了一系列的虛擬儀器用于教學實驗。值得注意的是，一些規(guī)模較小，條件困難，經費緊張的學校，也開始引進基于虛擬儀器的實驗室，很大程度上解決了實驗經費短缺的問題。

設計實例：電路過渡過程監(jiān)測儀

由于開發(fā)過程中實現(xiàn)監(jiān)測和回放功能的主要控件不同，而兩者需要設定的參數(shù)也是不同的，所以整個面板上的控件較多，為了使儀器面板更清晰，更易于控制，同時也為了避免一些不必要的誤操作，所以將監(jiān)測面板和回放面板分開放置。監(jiān)測面板如圖1所示，從監(jiān)測窗口可以觀測到每次處理的數(shù)據(默認值為500個數(shù)據點)的波形，從觀察到的幅值大小就可以推斷出過渡過程是否發(fā)生，當然更直觀的方法是觀察該窗口左側的報警指示燈?！巴Ｖ贡O(jiān)測”開關用于控制在參數(shù)設置不合理的情況下，手動停止該儀器工作，未處理數(shù)據顯示框中數(shù)據表示未處理的數(shù)據采樣數(shù)量，如果這一數(shù)據基本上是0或者很小的數(shù)(數(shù)量級不超過101)，表示工作正常，如果這一數(shù)值逐漸增加并且數(shù)量級超過102，說明參數(shù)設置不合理，就需要停止監(jiān)測?？梢酝ㄟ^單擊“工作狀態(tài)”按鈕，進行“監(jiān)測/回放”狀態(tài)的切換。過渡過程波形顯示設備在儀器停止運行時候自動輸出一個波形，其數(shù)據總數(shù)等于參數(shù)設置中處理速度乘以保存數(shù)據組數(shù)?？梢栽诠鈽艘苿邮鼓芸刂坪凸鈽送蟿涌刂贫奸_放的情況下，用鼠標直接在光標上拖動從而改變光標的位置。

圖1  電路過渡過程監(jiān)測儀的監(jiān)測面板

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

圖2 電路過渡過程監(jiān)測儀的工作流程

波形采集和連續(xù)采集需要使用更多的計算機資源，也需要使用緩沖區(qū)，而且在連續(xù)采集中一般需要在采集數(shù)據的同時對數(shù)據進行分析處理，本監(jiān)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來實現(xiàn)，采集程序的模型如圖3所示。

圖3 電路過渡過程監(jiān)測儀連續(xù)采集示意圖

實際虛擬儀器得到的波形并不理想，原因很多，如實驗電源并非理想的，而實驗推導是理想的，所以兩者有不吻合之處，因此我們需要進行后續(xù)的數(shù)據處理，目前主要有濾波、擬合以及加窗三種方法。數(shù)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(無限脈沖響應)兩種。每種又有低通、高通、帶通、帶阻等類型，每種類型又有巴特沃茲、車比雪夫等亞型。理想情況下，數(shù)字濾波器是有單位增益的帶通，完全不能通過的帶阻，并且從帶通到帶阻的過渡帶寬為零，實際情況下，不能滿足上述條件，特別是從帶通到帶阻總有一個過渡過程。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，但是由于方波本來就含有很高的奇數(shù)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的時間進行比較，即從0到0.6321穩(wěn)定值的時間和0.6321穩(wěn)定值到0.8647的穩(wěn)定值時間，如表2所示。

由以上數(shù)據可以求出，無濾波的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發(fā)中是不可行的。曲線擬合的目的是找出一系列的參數(shù)，通過這些參數(shù)最好的模擬實驗結果，LabVIEW中主要有線性擬合、指數(shù)擬合、多項式擬合、通用多項式擬合、通用線性擬合、通用Levenberg-Marquardt擬合等等。在實際情況下，對于階躍響應，可以用指數(shù)擬合，但是指數(shù)擬合要求所有的數(shù)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(shù)字信號處理中最重要的一項技術，它的主要作用是截取長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，通過軟件很難解決，最后的實驗我們通過硬件方法有效的改善了波形。使用電路過渡過程監(jiān)測儀進行試驗，大部分參數(shù)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；過渡過程發(fā)生標準：0.10；保存數(shù)據組數(shù)：6；緩沖數(shù)據組數(shù)：1。在電路過渡過程觀測中的其他設定參數(shù)如表3所示。

結語

通過對電路過渡過程監(jiān)測儀開發(fā)實例的介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)虛擬儀器的硬、軟件具有開發(fā)性、模塊化、可重復使用及互換性等特點。而且虛擬儀器可以方便地加入一個通用儀器模塊或更換一個儀器模塊，而不用購買一個完全新的系統(tǒng)，有利于測試系統(tǒng)的擴展，這樣的操作所需的費用很低。而且在虛擬儀器這個高效的開發(fā)平臺上，學生可以自己設計和實驗，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和工程實踐能力。通過通用計算機和簡單的信號處理箱，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驗的虛擬儀器實驗室，進而可以通過校園網形成網絡虛擬實驗室。開發(fā)過程中，需要有經驗的老師和同學解決虛擬實驗中的問題。

當然，在使用虛擬儀器實驗的過程中，有可能導致學生脫離實際，對真實的實驗設施了解不足，對工作中的真實儀器了解不足的問題，因此我們主張增加學生的生產認識實踐，并且在我們的虛擬儀器開發(fā)過程中，盡量和實際的儀器對應，并且采取適度的虛擬儀器實驗和傳統(tǒng)實驗結合的方式來實現(xiàn)學生學習效果的優(yōu)化。

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