基于LabVIEW技术的电类虚拟实验室应用研究

【摘要】虚拟实验室对于高职院校解决实验室及测试设备数量不足有着重要的作用。本文通过对虚拟实验室结构及应用需求的分析，提出了一种基于LabVIEW技术的虚拟实验室研究方法，经过前期实施，该系统具有一定的推广价值。

【关键词】LabVIEW；虚拟仪器；高职教育；实验室

【基金项目】项目信息：[1]全国教育信息技术研究“十二五”规划2014年度立项课题，编号：146242153，[2]2016年度宁波市教育科学规划研究课题，编号：2016YGH098。

【中图分类号】TM1-4；TN0-4；TP274；G642 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2017）19-0052-02

在电类课程中，实验实训是必不可少的内容，尤其是近几年來，随着高职教学导向的转变，实践操作更是成为课程教学的重点。在实践操作中，仪器仪表的正确使用是保障实验成功的基础，但那些品种多样、功能复杂的仪器/仪表却也成了学生学习的门槛，如果不能比较好的掌握这些测试设备，是无法完成各项实验内容的[1]。另外，随着高职院校招生人数的不断扩大，学校既有实验室也无法满足多个班级的授课需求，以浙江工商职业技术学院为例，目前有电类专业4个，班级数达到20个左右，而学校电子技术实验室只有2个，电工技术实验室只有1个。当这些班级都需要上同类课程时，学校目前的实验室根本无法满足需要。

虚拟仪器是一种功能意义上的测量和控制仪器，是具有仪器功能的软件、硬件的组合[2]。它充分利用计算机技术，在基本硬件的支持下，通过调用相应的高级软件模块来完成数据的采集、控制、分析、处理以及结果储存和显示，从而实现各种传统仪器的功能[3]。在通用计算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能，充分利用计算机来实现和扩展传统仪器功能，既可以减少实验设备资金的投入，又能为学生做创新性实验、掌握现代仪器技术提供了条件[4]。

一、建立虚拟实验室对高职院校电类课程教学的作用

利用虚拟仪器技术构建虚拟实验室对于高职院校实验教学质量提升有着不可替代的作用，具体表现在如下几个方面：

1.虚拟实验室可有效解决高职院校实验室数量不足的问题。高职院校办学规模不断扩大，招生数量逐年上升，而教学资源不能有效跟上办学规模的扩展，通过对宁波及周边地区部分高职院校的实地考察，在电类基础实验室建设方面，不少高校只能确保重点专业的实验教学任务，其他需要使用该类实验室的专业只能减少实验教学课时，从而不能确保课程教学质量。

2.每个电类实验室根据教学任务及人数配备需要一定数量的实验仪器和设备，如果教学任务较重和人数较多时，设备数量就会成为制约实验教学质量的关键问题了。同时，实验室实物设备必然存在设备老化和损坏的问题，一个新建的实验室过了若干年后一定会出现设备需要大量维修或更新换代的情况，这就需要学校每年投入金额不菲的实验维修经费，对于高职院校本就紧张的办学资金来讲，是一个不小的压力。利用虚拟仪器技术把实验设备从“硬”变“软”，从“一次性投入”变为“可持续利用”势必能帮助高校解决资金紧张的问题。

3.利用虚拟仪器技术可构建创新实验室，提高实践教学质量。虚拟仿真实验系统是一个融合了多种技术和思想的研究领域，将虚拟仿真实验室概念与教学实验相结合，是对常规实验领域的开拓和发展。利用LabView平台构建电类课程的实践教学案例和教学素材比传统的基于硬件模式实现的实验、实训，其效果更能令人向往。

二、基于LabVIEW技术的虚拟实验室构建方法及内容

以浙江工商职业技术学院电子技术类实验室为研究硬件载体，通过虚拟实验系统构建，实现各类仪器的资源整合，有利于教师教学质量提升和学生课程学习的主动性加强。

根据NI对虚拟仪器的定义，虚拟仪器=计算机硬件资源+应用软件资源+数据采集卡。仪器硬件指出现在计算机前端，是数据与计算机之间的接口硬件，负责原始数据的采集、预处理或调理、传输等，由A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理等构成[5]。在这种理念与架构下，使用者通过编程的方式，将计算机硬件资源和仪器接口硬件有机地结合在一起，设计类似于仪表、仪器控制面板的图形界面来操作计算机资源与仪器硬件资源，前端采集卡对测试信号进行采集、调理，计算机主要用于分析、显示和数据处理等[6]。图1为虚拟实验系统结构：

根据构建虚拟实验系统的任务与要求，利用LabView平台完成虚拟实验系统的设计，具体内容包括：

（1）信号调理电路的设计与调试，对信号调理电路的功能和主要信号调理芯片进行研究；

（2）数据采集电路的选择和调试，根据虚拟仪器实验系统的要求设计电路基本参数，选择合适的数据采集卡并调试；

（3）典型虚拟仪器（虚拟示波器、虚拟信号发生器、虚拟频率计）的设计；

（4）虚拟实验平台设计与开发；

（5）基于LabView的虚拟实验教学案例与素材开发。

图2为典型虚拟实验室基本结构。在本结构中重点是虚拟系统的硬件与软件设计，在硬件结构中通过DAQ数据采集卡实现数据采集，而在软件设计中需要设计出各类可用于实验测试的仪器仪表，如：示波器、信号发生器等。

三、结论

对虚拟实验室系统的研究难点在于硬件电路与软件平台之间的衔接与协调问题，即系统整合。通过专用的信号采（下转204页）

（上接52页）集卡和配套的数据通讯方式实现信号调理和采集工作，完成硬件与软件之间的数据通信、处理及显示。在这里，如何确保测试数据的完整性和正确性是比较难处理的，对此，需要对硬件电路进行精密设置，同时做到软件设计无误。

参考文献

[1]孙连荣，姜元章，任玲.虚拟现实技术及其在高校教学中的应用[J].高等教育，2003，（5）：41-43.

[2]江伟，袁芳.虚拟电子实验室的设计与应用[J].微计算机信息，2005，（3）：23-26.

[3]徐燕，孙晓娜.虚拟仪器技术在实验室中的应用研究[J].河南师范大学学报（自然科学版），2003，（11）：103-107.

[4]胡广书.数字信号处理--理论算法与实现[M].第2版.北京：清华大学出版社，2003.

[5]张黎，蔡亮.LabVIEW下虚拟频谱分析仪的设计与实现[J].测控技术，2011，30（1）：24-29.

[6]黄萍，基于虚拟仪器测控系统的设计和研究，南京：南京理工大学，2002.1：67-68。

钟晓强，男，讲师，硕士，电子信息与自动控制技术及高等职业技术教育，浙江工商职业技术学院。endprint