虛擬實驗室的虛擬儀器開發(fā)

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(shù)、計算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展和在測量與儀器上的應(yīng)用以及測試的新理論、新方法、新領(lǐng)域的發(fā)展導(dǎo)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(jī)技術(shù)來實現(xiàn)和擴(kuò)展儀器的功能;用計算機(jī)屏幕可以形象、方便地模擬各種儀器的調(diào)控面板，以各種需要的形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果;用計算機(jī)軟件實現(xiàn)大部分信號的分析和處理，完成各種調(diào)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(jù)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(shè)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(jìn)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(lǐng)

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(jī)語言方面沒有很多經(jīng)驗的工程師也可以在較短時間內(nèi)掌握虛擬儀器開發(fā)的技術(shù)，并能應(yīng)用到工程實踐當(dāng)中。

虛擬儀器在大學(xué)實驗室建設(shè)中的應(yīng)用

由于虛擬儀器具有以上各種優(yōu)點，并且隨著計算機(jī)硬件和信號處理箱等輔助設(shè)備價格的下降以及計算能力的提高，虛擬儀器已經(jīng)可以代替大部分電路電子學(xué)實驗設(shè)備，從而為虛擬實驗室的開發(fā)提供了可能。隨著校園網(wǎng)的普及，網(wǎng)絡(luò)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(jìn)程。虛擬儀器也可以用在各種物理學(xué)和其他與信號觀測和處理相關(guān)的領(lǐng)域。

美國的斯坦福大學(xué)的機(jī)械系就要求三、四年級學(xué)生在實驗時用虛擬儀器進(jìn)行實驗的數(shù)據(jù)采集和實驗控制。國內(nèi)一些大學(xué)如清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華北電力大學(xué)、東南大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、暨南大學(xué)、華中科技大學(xué)、四川大學(xué)等都成功的開設(shè)了虛擬儀器的相關(guān)課程并開發(fā)了一系列的虛擬儀器用于教學(xué)實驗。值得注意的是，一些規(guī)模較小，條件困難，經(jīng)費(fèi)緊張的學(xué)校，也開始引進(jìn)基于虛擬儀器的實驗室，很大程度上解決了實驗經(jīng)費(fèi)短缺的問題。

設(shè)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(shè)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(jù)(默認(rèn)值為500個數(shù)據(jù)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(dāng)然更直觀的方法是觀察該窗口左側(cè)的報警指示燈。“停止監(jiān)測”開關(guān)用于控制在參數(shù)設(shè)置不合理的情況下，手動停止該儀器工作，未處理數(shù)據(jù)顯示框中數(shù)據(jù)表示未處理的數(shù)據(jù)采樣數(shù)量，如果這一數(shù)據(jù)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(shè)置不合理，就需要停止監(jiān)測。可以通過單擊“工作狀態(tài)”按鈕，進(jìn)行“監(jiān)測/回放”狀態(tài)的切換。過渡過程波形顯示設(shè)備在儀器停止運(yùn)行時候自動輸出一個波形，其數(shù)據(jù)總數(shù)等于參數(shù)設(shè)置中處理速度乘以保存數(shù)據(jù)組數(shù)?？梢栽诠鈽?biāo)移動使能控制和光標(biāo)拖動控制都開放的情況下，用鼠標(biāo)直接在光標(biāo)上拖動從而改變光標(biāo)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(shè)置窗口能夠設(shè)置包括通道號、采樣率、緩沖大小、保存數(shù)據(jù)組數(shù)、緩沖數(shù)據(jù)組數(shù)、報警標(biāo)準(zhǔn)、過渡過程發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)、存儲路徑等。本儀器提供的默認(rèn)參數(shù)用于觀測ms量級的過渡過程，可以根據(jù)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(jī)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(jù)的同時對數(shù)據(jù)進(jìn)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(dǎo)是理想的，所以兩者有不吻合之處，因此我們需要進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)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(yīng))和IIR(無限脈沖響應(yīng))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(yīng)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(yīng)。用R=1KW，C=1mF的RC電路比較0-1t，1t-2t的時間進(jìn)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。

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由以上數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)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(yīng)，可以用指數(shù)擬合，但是指數(shù)擬合要求所有的數(shù)據(jù)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(yīng)就更不可行。加窗是數(shù)字信號處理中最重要的一項技術(shù)，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(yīng)時候，由于階躍波形不理想，導(dǎo)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(jìn)行試驗，大部分參數(shù)可以采用默認(rèn)設(shè)置,即通道號：0;采樣頻率：20000;緩沖大?。?000000;處理速度：500;報警標(biāo)準(zhǔn)：0.10;過渡過程發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)：0.10;保存數(shù)據(jù)組數(shù)：6;緩沖數(shù)據(jù)組數(shù)：1。在電路過渡過程觀測中的其他設(shè)定參數(shù)如表3所示。

結(jié)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(fù)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(kuò)展，這樣的操作所需的費(fèi)用很低。而且在虛擬儀器這個高效的開發(fā)平臺上，學(xué)生可以自己設(shè)計和實驗，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和工程實踐能力。通過通用計算機(jī)和簡單的信號處理箱，輔以少量的硬件設(shè)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(jìn)而可以通過校園網(wǎng)形成網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。開發(fā)過程中，需要有經(jīng)驗的老師和同學(xué)解決虛擬實驗中的問題。

當(dāng)然，在使用虛擬儀器實驗的過程中，有可能導(dǎo)致學(xué)生脫離實際，對真實的實驗設(shè)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(xué)生的生產(chǎn)認(rèn)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(yīng)，并且采取適度的虛擬儀器實驗和傳統(tǒng)實驗結(jié)合的方式來實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的優(yōu)化。

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