虚拟实验室的构建

荣雅君，王伟，袁计委，孙玉恒

（燕山大学电气工程学院，秦皇岛 066004）

在现代教育中，实验教学占有非常重要的地位。目前，国内各高校对实验课的教学，大都存在着实验形式、内容、要求越来越高与实验设备、器材、场地、经费的保障相对滞后的矛盾，实验保障条件的制约在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。实验是教学的实践环节，是检验理论学习的手段，是巩固和拓展理论知识的最佳方式，是培养工程实践能力的一种有效途径。虚拟实验不仅是虚拟教学的重要组成部分，即使是传统教学，虚拟实验也为其实践环节注入了新鲜血液，增加了实践的形式。

1 传统实验存在的问题

电气类课程比较抽象并且技术发展比较迅速，技术更新很快，因此需要通过实验才能更好地掌握课本上学到的理论知识。学生运用传统电子仪器、设备获取知识。通过人人动手掌握常用电子仪器、测量仪器和测试设备的使用方法，掌握用电子仪器测量常用电子元器件的检测手段和基本技能，使学生快捷、直观地学习所应掌握的电子基本知识和技能。采用传统电子仪器实施电子实验教学可完成验证性实验、少许提高性实验，且只能独立使用、功能单一、精确度低、无法改变模式［1］。这样不仅给教师增加了工作量而且教师很难对学生进行一对一指导；同时传统仪器陈旧易出现故障，存在安全隐患，不能完成比较复杂的综合性电子实验，严重影响教学。

因此开发研制虚拟实验室可以缓解实验仪器设备不足等问题，为进一步加强实验教学，提升实验教学对学生创新能力和实践能力培养的力度，同时降低实验教学对客观物质条件的依赖都有积极的促进作用。

2 虚拟仪器技术

虚拟仪器技术是综合运用计算机软件技术、智能测试技术、模板及总线的标准化技术、数字信号处理技术及高速专用集成电路制造等技术，建立在标准化、系列化、模块化、积木化的硬件与软件平台上的一个完全开放的系统。

目前代表虚拟仪器技术最高水平的是美国National Instrument Corporation生产的一系列产品，主要有及Lab Windows／CVI软件。

2.1 虚拟仪器的构成

总的来说，虚拟仪器可分成两大部分。一部分是完成数据输入与输出的硬件模块，另一部分是实现测量任务的核心部分——软件模块。

2.1.1 虚拟仪器的硬件构成

虚拟仪器按其构成方式不同，分为如下5种：

①基于数据采集的虚拟仪器系统；

②基于通用接口总线的仪器系统；

③基于串行口或其他工业标准总线的系统；

④利用总线仪器实现虚拟仪器系统；VXI总线即VME总线在仪器领域的扩展，其技术具有优良的互操作性、数据吞吐量大、模块化结构、更精确的定时和同步、开放性好、模块可重复利用及即插即用等显著的特点；

⑤基于PXI总线的仪器系统。PXI即面向仪器系统的PCI扩展，是一种基于PC技术的平台，为测量和自动化系统提供了高性能、高坚固性、低成本的配置方案。

2.1.2 虚拟仪器的软件构成

软件是虚拟仪器系统的关键。没有软件，也就无从谈起虚拟仪器了。而且，一个性能不良的软件可以使整个虚拟仪器系统崩溃。

Lab VIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司的创新产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境［2］。所有的Lab VIEW程序都由前面板、程序框图、图标和接线端口3部分组成。前面板是交互式用户接口，而框图是程序代码的图形表示。通过节点和端子之间的连线来实现数据的传递。

2.2 虚拟仪器与传统仪器的比较

与传统仪器相比，虚拟仪器的主要特点如表1所示［3］。

表1 虚拟仪器与传统仪器的比较Tab.1 Comparison between virtual instrument and traditional instrument

通过以表1可以看出：虚拟仪器具有传统仪器无法比拟的优点。采用虚拟仪器不仅可提高实验设备档次、降低更新实验设备所需投资，而且还能提高实验效率，有助于学生将更多精力集中于对原理的关注和综合运用所学知识。

3 虚拟实验室的构建

在虚拟实验室中，实验项目必须通过用户界面显示，供实验者进行浏览，实验室必须通过用户界面与虚拟实验室系统进行交互作用［4］。因此构建界面友好、操作便捷的人机界面是虚拟实验室要解决的首要问题。本设计的用户登录界面如图1所示。

3.1 虚拟仪器在数字电路中的应用

在Lab VIEW功能模板的布尔运算子模板中，包含着功能齐全的逻辑运算功能。因此可很容易地利用其制作数字电路仿真演示实验。在制作中，为了提高制作效率，先将实验中用到的各种集成电路分别编制成子程序，然后制作仿真实验的通用平台，在不同的仿真中只要调用不同集成电路的子程序并对连线作相应的修改即可。

以74LS148芯片程序的编写来说明虚拟仪器在数字电路中的应用。芯片74LS148的管脚功能如

图1 用户登陆界面Fig.1 User login surface

此处用户名分为管理员和访客两种，分别对应不同的密码，在输入密码与原设置相同时即可进入虚拟实验室。进入虚拟实验室即可看到图2所示的实验科目。

点击前面板上相应按钮便可进行相关科目的虚拟实验的设计。调用程序的程序框如图3所示。图4所示。

图2 虚拟实验科目前面板Fig.2 Front panel of virtual experiment subjects

图3 调用子程序程序框Fig.3 Diagram of calling subroutine block

图4 74LS148管脚功能Fig.4 74LS148 base pin functional diagram

74LS148为16脚的集成芯片。其中管脚16为电源端VCC，管脚8为接地端GND，管脚0～7分别对应着D0～D7输入信号，A2、A1、A0为三位二进制编码输出信号，EI为使能输入端，EO为使能输出端，GS为片优先编码输出端。其虚拟设计前面板如图5所示。

图5 74LS148芯片的虚拟设计Fig.5 74LS148 chip virtual design

编写完成后，在前面板上点击运行按钮，开关和指示灯的状态都和数字电路实验的各个功能完全相同，就可在前面板上进行实验代替实验室的真实实验。如果不能按照真值表的功能实现，说明程序在编写过程中出现问题，通过进行程序流程修改和每个子程序检测来排除故障，使芯片功能正常实现。数字电路验证实验前面板设计如图6所示。

图6 数字电路实验前面板Fig.6 Front panel of digital circuit experiments

3.2 虚拟仪器在电路中的应用

Lab VIEW的功能模板中还提供了数学和信号处理功能模块，能对电路中的等式进行计算。以电路的分析方法为例设计前面板如图7所示。

图7 电路分析方法前面板Fig.7 Front panel of circuit analysis method

3.3 虚拟仪器在信号处理中的应用

在实验过程中，由于输入信号中经常夹杂着噪声等干扰信号，噪声的能量有时甚至会超过信号的能量，因此接收端收到信号后通常会对信号进行一定的处理。图8以信号滤波为例来说明虚拟仪器在信号处理中的应用。其中，图中左上方波形图为原始信号，左下图则为滤波之后的波形图，而右侧两图则分别对应滤波后信号的幅频和相频特性。

图8 信号处理相关实验前面板Fig.8 Front panel of signal processing related experiments

3.4 虚拟仪器在电力系统中的应用

继电保护快速可靠准确动作才能保证电力系统的可靠持续供电。微机保护的主要部分是计算机主体，整套保护装置由测量部分、逻辑部分和执行部分组成。用来分析计算电力系统的有关电量和判断系统是否故障，然后决定是否发出跳闸信号［5］。

同时，电能是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式。随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求越来越高，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。因此，建立和实施电能质量的监测与分析是提高电能质量的一个重要技术手段。

电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述，不同指标有不同的定义和规定。电能质量从供电电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波和电压波动和闪变等几个指标来表示电能质量优劣［6］。

将虚拟仪器引入电力系统中，除了为电力、电子等工业的发展产生积极的作用外，还能克服传统仪器的弊端，令学生更好地掌握电力方面的理论知识。虚拟仪器在电力系统中的应用前面板如图9所示。此面板从继电保护和电能质量监测指标两个方面进行设计。以继电保护为例，通过左侧的按钮设置故障类型，虚拟保护装置即可显示各相的电流或电压波形，并经过程序框图设计的选相和逻辑判断结果发出跳闸信号。

图9 电力系统相关实验前面板Fig.9 Front panel of power system related experiments

3.5 综合实验的设计

传统仪器由于其设备陈旧，更新周期长等因素，在实验教学中从一定程度上限制了学生的思路，另外电气类实验设备易老化存在着一定的安全隐患。因此对于部分综合设计类实验无法仿真。

虚拟仪器是以软件为核心的图形化编程语言，它可以不受时间地点的限制，能完全满足学生实验的需要。综合实验虚拟设计如图10所示。

图10 综合实验前面板Fig.10 Front panel of synthesis experiment

以图10所示红绿灯的控制为例来说明虚拟仪器在综合实验中的应用。本设计以状态机来演示红绿灯的工作过程。

所谓状态机是对系统的一种描述，该类系统包含了有限的状态，并且在各个状态之间可以通过一定的条件进行转换，以执行各种不同的操作。状态机的基本结构如图11所示。

图11 状态机的基本结构Fig.11 State machine＇s basic structure

在Lab VIEW中，任何一个状态机都是由3个基本部分构成的，首先外层是一个While循环，同时在While循环中包含有一个条件结构，While循环用于维持状态机的运行，条件结构用以对各个不同的状态进行判断。第三个基本部分是移位寄存器，用以将下一个状态传递到下一次循环状态判断中。另外在一个完整的状态机中，一般还会包括初始状态，每一个状态的执行步骤以及下一个状态切换代码等等。红绿灯程序框图如图12所示。

图12 红绿灯程序框图Fig.12 Block diagram of traffic lights

4 结语

本文介绍了虚拟仪器及其与传统仪器的优缺点，通过虚拟仪器提供的函数库和工具箱构建虚拟实验室平台，该平台不仅可用于学生的实验，同时也适用于教师的教学，提高了教学实验水平及学习者学习效率。另外虚拟实验室的构建减少了实验室资金的投入，便于开放式管理。

［1］ 胡缨（Hu Ying）.虚拟仪器在电子实验教学中的运用探讨（Inquiry into the application of virtual instrument used in electronic experimental teaching）［J］.时代教育（Time Education），2010，（3）：274－274.

［2］ 雷振山，赵晨光，魏丽，等.Lab VIEW8.2基础教程［M］.北京：中国铁道出版社，2008.

［3］ 杨军平（Yang Junping）.基于虚拟仪器技术的虚拟电子实验室的研究——电子电路的设计与仿真（Study on the Virtual Electronic Laboratory Based on Virtual Instrument Technology－Electronic Circuit Design and Simulation）［D］.新乡：河南师范大学物理与信息工程学院（Xinxiang：College of Physics and Information Engineering，Henan Normal University），2007.

［4］ 高金辉，杨军平，邱爱中（Gao Jinhui，Yang Junping，Qiu Aizhong）.虚拟仪器技术及虚拟实验室的构建（Design of virtual electronic laboratory based on virtual instrument technic）［J］.河南师范大学学报：自然科学版（Journal of Henan Normal University：Natural Science），2008，36（2）：63－66.

［5］ 高亮.电力系统微机继电保护［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［6］ 肖湘宁.电能质量分析与控制［M］.北京：中国电力出版社，2004.