虚拟仪器技术在实验室建设中的应用

邹志斌

摘 要： 本文介绍了虚拟仪器技术的概念，分析了在实验室建设中应用此技术的优点，探讨了将虚拟仪器技术与仿真技术、网络技术相结合进行实验教学的具体应用。

关键词： 虚拟仪器 实验室建设 实验教学

一、虚拟仪器技术简介

计算机技术和现代微电子技术的发展与普及，促进了电子测量仪器的快速发展，在仪器领域发生了巨大的变化。1986年美商国家仪器公司（National Instruments）提出了虚拟仪器的概念，代表了今后测量仪器发展的新方向。

所谓的虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面（GUI）的控制软件组成，在软件控制下，由模块化仪器硬件进行测量信号的数据的采集，数据采集完毕后，传输给计算机，软件再进行数据的分析处理，通过图形用户界面等方式将结果显示给用户。数据分析这一方面，若使用智能仪器，则可由其完成一定程度上的分析。虚拟仪器框架结构图参见图1。

与传统仪器相比，虽然虚拟仪器需要硬件支持，但硬件仅仅是为了解决信号的输入输出问题，软件才是整个系统的核心，所以当基本硬件确定以后，可以通过不同的软件（如NI公司的Labwindows/CVI）实现不同的功能。利用虚拟仪器技术，用户可以在计算机屏幕上虚拟出仪器的面板，通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的旋钮、开关和按键，设置各种工作参数，启动或停止仪器，测量结果可以从虚拟仪器面板上读出。所以用户可以根据自己的需要，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。另外，利用计算机丰富的软、硬件资源，不仅可以大大突破传统仪器在数据的处理、表达、传递、储存等方面的限制，达到传统仪器无法比拟的效果，而且可以为数据的快速共享提供可能。

二、实验室建设中运用虚拟仪器技术的优点

虚拟仪器是全新的仪器概念，将其应用于实验室建设中，可构造出一个全新的教学平台，使学生利用最先进的技术积极主动地学习，培养学生的创造性思维，提高教学质量，主要有如下优点。

1.降低实验室建设费用

由于各种测试、测量仪器、设备的价格随着其性能的不断提高而增加，实验室建设经常会受到建设费用升高的困扰。

如果运用虚拟仪器技术，以计算机为基础，并添加少量硬件（如数据采集卡等），构建一个虚拟仪器平台。一方面，可替代常规测量仪器、仪表，可以满足一般电子、电工实验教学的需要。另一方面，虚拟仪器平台具有替代性高的特点，它既可以作为示波器，又可以作为函数发生器、频谱分析仪及各种测量仪表等，还可以降低购置这些仪器的费用。

2.大大降低设备的使用、维护费用

在实验室建设中，我们可用虚拟仪器软件开发平台开出发各种由计算机软件模拟的不带相关功能硬件的“虚拟设备”，该方法不但简单易行，而且交互性、可操作性和真实感与实际的设备基本相同。由它们完成教学任务，不但可以让学生快速掌握这些设备的操作、使用方法，而且可以减少设备的损坏，降低维护费用。

3.教学效果好

目前国内很多院校的实验教学中普遍存在技术落后、灵活性低、实验设计合理性差、内容死板的问题，因此大大地降低了学生对实验教学的学习兴趣。为此可将虚拟仪器引入实验教学，一方面利用虚拟仪器软件在计算机屏幕上虚拟出的仪器的面板，形象、直观、可操作性强，测量的数据还可利用计算机来分析、处理，方便、快捷。另一个方面虚拟仪器技术可拓展传统仪器的功能，让学生根据自己的要求，设计和制造出适合自己使用的各种仪器系统，满足不同的应用需求。因此可大大提高学生的学习兴趣，同时培养学生的动手能力和解决实际问题的能力。

三、虚拟仪器技术在教学中的具体应用

1.虚拟仪器作为测量分析仪器在实验教学中的运用

实验教学需要大量的测量分析仪器，然而在传统模式的实验教学中，由于经费的原因，普遍存在仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学、实验的质量与效率。

将虚拟仪器技术引入实验教学为我们提供了新的思路。我们可以充分利用现有的计算机资源，开发属于自己、适用于各种教学实验目的和内容的虚拟仪器及教学、实验软件。图2是利用虚拟仪器开发软件LabWindows/CVI制作的《虚拟频谱分析仪》的实验教学课件。

2.虚拟仪器技术结合仿真技术在设备教学中的运用

为让学生掌握设备的操作、使用方法，传统教学方法是让学生在教员的指导下进行实际的操作使用，教学效果不好且容易造成设备的损坏。

利用虚拟仪器技术，结合计算机仿真技术，可模拟出部分设备的操作使用。学生可以通过虚拟仪器开发软件制作的面板进行操作从而掌握该设备的使用方法。由此可见，在实际教学中，用虚拟仪器开发平台结合计算机仿真技术开发出各种虚拟的设备，不但简单易行，而且交互性、可操作性和真实感与实际的设备基本相同，既可降低教员的劳动强度，减少设备的损坏，又可提高教学质量与效果。

3.虚拟仪器技术与网络技术结合在远程教育中的运用

将网络与虚拟仪器结合起来，可为远程实验教学提供新的模式。利用网络与虚拟仿真实验室组成一个基于Web的虚拟实验室，使远端的学生不受时空的限制，通过网络利用浏览器在自己的计算机上进行各种基础学科的虚拟实验，或学习掌握各种设备的操作使用方法，从而为远程教育解决实验教学难的问题提供新的解决方案。

四、结语

虚拟仪器技术是未来仪器技术领域的主导技术，将其引入实验室建设及教学，可促进相关实验仪器设备的更新换代，为教学、实验仪器设备现代化提供强有力的手段。同时通过基于虚拟仪器的教学、实验，可以让学生了解先进的测试、测量技术，全面提高工程素质。

参考文献：

[1]刘刚，蔡十华.虚拟仪器技术及其在电工电子实验中的应用[J].江西教育学院学报（综合），2007，6（3）：15-18.