电工电子实验教学虚拟仪器仪表实验室构建

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目前军队院校用 于电工电子类教学的仪器仪表主要是 以集成 电路为基础 的数字式仪器仪表 ，如多用表 、信号源、示波器等，这些仪器仪表测试功能完善，测试精度高 ，能够满足基础实验教学的基本要求。但是 ，随着电子信息技术的不断发展 ，-方面以微处理器为核心的智能式仪器仪表不断推陈出新 ，而且技术更新较快；另-方面，自动测试技术在武器装备测试领域得到了广泛应用，大量的 自动测试设备装备部队，改变了以往的装备维护方式，同时对装备维护人员的科技素质提出了更高的要求。因此，如果继续沿用传统的实验教学模式，势必与当前的工程应用技术脱节 ，不利于干部学员科技素质的培养和专业技术士官的岗位任职能力的提高。虚拟仪器的提出是对传统仪器概念的重大突破，代表了当今仪器仪表发展的潮流，它集计算机技术与测试技术为-体并融入网络技术 ，使远程测量和远程控制成为-件很容易的事。因此，在电工电子教学中应用虚拟仪器仪表既可以较低的成本让学生接触到最新的设备，又可以培养学生与时俱进的科技素养和面向部队的岗位任职能力。

284 系 统 仿 真 技 术 第 9卷 第 3期2 功能分析当前电工 电子类实验室大多是用各门课程的独立实验箱和-些常规 的传统仪器搭建起来的实验平 台，难 以实现功能扩展和资源共享，通常只能作-些演示性和验证性实验 ，无法体现当前技术的发展变化，不能有效激发学生的学习兴趣和培养学生 的创新能力。在电工 电子实验教学中引入虚拟仪器技术，能够弥补传统实验教学模式的不足，激发学生的学习热情和创新意识 ，并对接下来 的专业课实践及设计环节具有很强的推动与促进作用 。

虚拟仪器仪表实验室应具有以下功能：(1)实验室工作人员可以根据实验的需要设计出各种虚拟仪器仪表。如信号发生器 、频谱分析仪 、扫频仪 、示波器等。

(2)操作人员能够根据实验要求 ，通过友好的人机交互环境进行 自己感兴趣的实验。

(3)能对实验 中产生的数据和 图像进行记录、分析 ，填写电子实验报告，并具有完善的实验报告管理功能。

(4)充分利用校园网，利用虚拟仪器数字化的特点，实现实验室仪器资源共享，使异地实验、多实验室协同进行大型实验等实验新概念成为可能。

(5)具有实验教学其他的辅助功能，如实验指导功能(实验 目的、实验使用的设备信息、实验原理图、实验内容 、总结)，实验设备、仪器在线帮助，教师在线答疑功能等。

通过功能分析 ，虚拟仪器仪表实验室作为电工电子实验教学平台，同时也是虚拟仪器仪表设计平台、实验资源共享平台、实验设备使用与交互控制平台。

3 硬件拈组成3.1 拈组成虚拟仪器仪表实验室面向电工电子实验教学，特别是仪器仪表使用课程 ，充分利用虚拟仪器技术、网络技术、总线技术、测试技术、拈化数据采集调理电路等，其拈组成框图如图 1所示 。

：教员8蓠 斟 仪器硬件 圈圃jI皇旦 墨Il墨IlVXGPB仪器学员1 学员2 学员2O实验电路图 1 虚拟 仪器实验 室硬件拈组成框图Fig.1 Hardware construction of virtualinstrument laboratory3.2 仪器硬件3.2.1 信 号调理拈信号调理电路 的主要作用是将采集卡与被测实验电路以及各采集通道之间实现电的隔离，并对 D/A输出的信号功率加以放大。

3.2.2 数据采集卡数据采集卡，是-种基于计算机标准总线的内置功能插卡 ，直接插在计算机 PCI插槽上，具有 A/D、D/A转换，数字 I/O和计数器/定时器等功能。

3.2.3 串口仪器串行 口仪器主要包括传统 的 RS232串行总线仪器、USB通用 串行总线仪器。由于串行 口只能与-个外设直接通信，因此串口仪器在应用上受到限制 ，适用于要求较低的虚拟仪器或实验测试系统 。

3.2.4 PXI仪 器PXI即 PCI在仪器领域的扩展，由机箱(含电源)、PXI控制器及 PXI/Compact PCI拈构成。

PXI有高度的可扩展性，具有 8个扩展槽 ，并且对PCI总线产品完全兼容。由于 PXI把 PCI总线面向仪器领域 的扩展优势与计算机优 良的性价 比结合起来 ，将有可能成为未来主流的虚拟仪器实汪兴海 ，等：电工电子实验教学虚拟仪器仪表实验室构建 285验教学平台。

3.2.5 VXI仪 器VXI系统硬件主要由主机箱、0槽”控制器和具有多种功能的拈仪器组成。系统中各功能拈可随意更换 ，即插即用组成新系统 ，因 VXI拈仪器价格相对较高 ，目前主要用于速度、精度要求高的大中规模实验测试系统。

3.2.6 GPIB仪 器GPIB系统是在微机中插入-块 GPIB接 口卡，通过 24或 25线电缆连接到仪器端的 GPIB接口，-块 GPIB接 口最多连接 14台仪器 ，能方便地把多台仪器组合起来，组成实验测试系统。由于 GPIB系统可 自定义仪器功能和面板，升级、开发容易 ，使用、维护方便 ，目前在实验教学中仍有较多的应用 。

3.3 主控台位主控台位是整个实验室的核心单元 ，实现实验设计、虚拟仪器设计 、数据分发等功能。实验设计主要包括实验 目的、实验要求、实验 内容设计 ；虚拟仪器设计是指根据实验设计的内容开发虚拟仪器拈；数据分发功能主要实现仪器硬件和实验数据等资源的网络共享。

3.4 教员台位教员台位是教员角色在局域网络上的实现，通过网络实现与学员的交互 ，完成实验课程的讲授 、实验过程 的跟踪辅导和实验报告的批改，以及实验成绩的上传。

3.5 学员台位学员台位是学员完成实验的虚拟仪器平台，通过网络实现与教员台位的交互，完成实验课程的学习、疑难问题 的解决和实验报告 的提交 ，通过与主控 台位的交互实现虚拟仪器拈的加载和实验数据等资源的访问。

4 软件系统组成4.1 软件系统框架基于虚拟仪器的实验教学平台在硬件确定之后，就可以通过软件来实现不 同的功能 ，各实验台位通过网络访问主控台位 ，实现对实验数据的测量、分析、处理。在实验室硬件体系基础上，结合各组成拈的功能，分析归纳出实验室的软件系统构成 ，如图2所示。

图 2 虚 拟仪器仪表实验室软件系统构成Fig.2 Software construction of virtualinstrument laboratory4.2 主控台位软件主控台位软件是决定虚拟仪器仪表实验室功能和运行效果的核心部分，是实现硬件资源共享和数据采集的关键，主要包括以下几部分 ：(1)虚拟仪器开发拈：主要提供-个集成开发环境、-个与仪器硬件的高级接口。

(2)仪器驱动拈：是实现测试最重要 的组成部 分之-，用来 实现仪器硬件 的通信、控 制功能 。

(3)I/O接口拈 ：作为虚拟仪器系统软件的基础，用于处理计算机与仪器硬件间连接的底层通信协议。

(4)数据采集分发拈：通过 网络实现与学员台位 、教员 台位 的交互，完成硬件资源和测试数据的网络共享。

4.3 教员台位软件教员台位软件主要包括以下几部分：(1)校园网客户端 ：实现实验室 网络与校园网的互联 ，完成教学资料和相关数据的上传下载。

(2)实验考勤管理拈 ：实现实验教学管理信息化，准确记录学员考勤信息 ，如到位时间、离286 系 统 仿 真 技 术 第 9卷 第 3期开时间和缺勤情况等信息。

(3)实验过程监管拈 ：在实验进行 的过程中，教员 可以通过获取学员 台位 的实 时操作信息 ，实现对实验过程的监督和管理。

(4)实验报告管理拈 ：完成对电子版实验报告的收集 、批改、查阅等工作。

4.4 学员台位软件学员台位软件主要包括以下几部分：(1)虚拟仪器运行拈 ：主要提供-个与虚拟仪器用户的接 口，通过加载主控台位设计的虚拟仪器文件 ，为学员提供-个虚拟仪器操作和运行环境。

(2)实验报告生成拈：以传统实验报告处理过程为基础 ，实现实验信息处理、实验报告生成和信息查询等功能。

(3)实验辅导拈：内置了实验相关理论知识和实验中常遇到的疑难问题解答 ，是保障实验教学效果的重要工具 。

(4)实验数据记录拈：用于记录和回放实验过程中的实验操作信息和实验数据等信息。

4.5 分布式交互软件分布式交互软件的特点主要表现在：分布性、交互性、异构性 、时空-致性和开放性。在虚拟仪器仪表实验室系统中应用分布式交互软件可以极大地促进实验室功能的网络化扩展，各个台位在地理位置、功能和计算能力上可以是分布的，各个台位之间具有交互能力。采用分布式交互技术 ，使得虚拟实验室构成了-个开放的体系结构，每个学员台位可以任意地、方便地加入或离开系统，这种动态变化并不影响整个系统的正常运行 J。

5 结语构建基于分布交互式 网络的虚拟仪器仪表实验室具有广阔的发展前景，在电工电子实验教学中应用先进的仿真技术，为学生提供逼真的仪器仪表操作平台，实现 了硬件资源共享 ，大大提高了硬件仪器的使用率，而且实验室功能扩展性强，虚拟仪器构建周期短，能有效地解决实验场地供不应求 、实验设备更新速度慢等突出问题。