时间：2023-01-27 21:54:01
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1．1传感器
本设计采用的传感器型号是Vaisala公司生产的气象变送器WXT520，是一个轻巧的小型变送器，采用紧凑式包装，可提供6种气象参数。WXT520用于测量风速、风向、降水、气压、温度和相对湿度。传感器外壳的等级为IP65/IP66，适合于我国北方的恶劣天气。WXT520采用32VDC，并使用可选择的通信协议输出串行数据:SDI－12、ASCII自动和轮询。有4个串行接口可供选择:RS－232、RS－485、RS－422和SDI－12;并配备了一个安装用8针M12接头和一个维护用4针M8接头。
1．2主控系统
主控系统包括数据采集器与控制器，具体包括控制器、采集器、通讯模块、供电电源和存储模块等部分。主控器通过嵌入式软件与供电、采集、通讯、存储等单元协调工作来完成。自动气象站的核心是数据采集器，负责数据收集、传输、统计分析和数据存储［4］。采集器电路主板包括主板和底板。主板是嵌入式工控主板，具有良好的扩展性，操作性、支持第三方控制器，包括时钟管理、实时及周期间隔定时器、复位、关机、高级中断及调试单元(DBGU)。通讯单元为西门子6GK7型工业以太网通讯单元，可以做到网络统一，可与支持EtherNet/IP的设备连接，结合使用Ethernet功能使其具有传感器监控器及控制值备份等现场实际应用功能，要想完成任务下达命令和数据上传功能需要通过网络来实现。通讯模块起到关键作用，所以要求其具备以下功能:①支持国际标准通讯协议，如TCP/IP(6．0)、UDP或者PPP，具有标准RS232串口;②可以自动监测联网状态，短线1min内自动拨号重新连接，防止数据的丢失;③接口速率为可选的1200～9600kB/s范围。存储单元:因采集数据的频率较短和跟踪监测的时间范围较长，因此采用存储容量为闪迪256G固态硬盘，用于保证存储容量及数据的安全性、稳定性和读取速度，同时存储单元可以记录系统工作状态。防雷单元:由于监测系统需要全天候连续工作，所以需要面对复杂天气状况，因此加装防雷设备对于整个系统的安全性尤为关键，本系统采用的是雷太LY1－B系列电涌保护器(一级防雷器)。供电单元:由于本系统需要在田间进行监测，不宜采用城市供电，因此选用了太阳能电池进行供电，对电池的容量要求为在无光线的环境中可以连续供电10天。扩展单元:新型传感器需要有相应的端口或接口与主控系统相连接，以满足系统升级或新添设备需要。
2系统设计
农田气象信息远程监测系统的主控器选用的是Atmel公司的ARM9系列的AT91SAM9260处理器。该处理器可以采用Linux操作系统，通过嵌入式应用控制程序，实现农田环境多要素气象数据的采集、处理及存储的功能。被采集到的气象要素基于TCP/IP协议的通讯网络，采用无线GPRS方式，根据实际情况选择最佳的组网方案，实现无线气象数据传输，并基于LabVIEW开发农业气象信息管理软件，使气象信息能够被读取。
2．1采集控制设计
采集系统可以实现采集并对采集到的气象要素信号进行处理。采集系统内部设有存储器，可以进行信息清除并对采集到的各气象要素的数据进行存储，有接口USB实现信息数据的备份功能。系统设有通讯接口RS232/RS485，可以通过该接口与GPRS/CDMA等通讯设备连接。该系统有时钟校准功能，通过监控中心下达指令，对气象站的时间进行校准。数据处理的方法需要设计采集数据的时间间隔。气象数据的监测主要为定时扫描各传感器的数据，通过通讯模块将数据的电信号传到主控系统中经既定程序(LabVIEW)计算;通过屏幕可以直接读取实时数据，针对特定时间段的数据可以进行有目的的分析，如平均值，不同时间点的变化趋势数据以及不同周、月份、年份的数据统计分析等［5］。收集数据默认为温度、相对湿度、降雨量、风向、风速及气压;当增加传感器时，在主控系统中重新设置就可以进行增加项目数据的收集。各气象数据中气温、相对湿度、雨量、气压的数据传感器每10s测定一次，根据气象学上常规的统计方法，通过程序收集到1min内每10s的瞬时气象数据。气温、相对湿度、雨量、气压在1min内会收集到6个数据，舍弃一个最高值和一个最低值，使用其余的4个测定数据来计算算术平均值，此值为监测系统最终在屏幕中实时显示的瞬时数值。风向、风速的监测频率为1次/min，系统计算每5min内5次测定值的算数平均值，此数据在LabVIEW程序界面中实时显示。所有测定的数据在数据库中均有保存，如统计部门需要对数据进行特殊分析，均可在数据库中将数据导出。在数据库中如有异常数据，一般以超过临近时间点两倍的数据值进行特殊标记，以便提醒管理员对相应数据进行核实和异常情况的分析。
2．2通讯设计
前端采集部分与后端监控中心系统通信采用无线GPRS通信方式，由于农田气象站放置在室外，因此不适宜采用光纤传输，而采用GPRS无线能够解决此问题［6］。GPRS采用的组网方式是公网固定IP的方式。GPRS拥有传递及时、通信信号好等优势，在并组网时减少对原有网络资源的浪费，节约了成本，并可以在室外复杂环境中实时进行监测，而且具有一定的安全性。室外自动气象站与气象信息管理系统需要建立点对点的网络连接，在连接过程中需要以无线方式登陆到以太网络来获得网络地址。要实现网络服务器地址和端口映射在气象管理系统中，需要气象信息管理系统软件采用其网络子网地址，这样在管理系统显示软件中就可以实现气象数据的双向通讯，进行有效的信息传递和收集［7－8］。图2为基于GPRS无线通讯的气象信息系统示意图。
2．3软件设计
气象信息管理系统可以通过网络来查看气象信息。本研究天气显示采用的软件是LabVIEW，此软件是美国国家仪器公司推出的一门图像化编程语言，同时也是著名的虚拟仪器开发平台［9－10］。作为一门图形化编程语言，LabVIEW秉承了其简单易用的一贯作风，使用户能够快速编写出强大的应用程序。本研究的LabVIEW编写程序图，如图3所示。为了方便叙述，本文把风向、风速、温度、湿度、雨量和气压多种气象数据统称为气象信息值。气象系统天气前面板显示图，如图4所示。通过该系统对哈尔滨市香坊区东北农业大学校内气象信息值进行监测，与气象台预报数据作为参考进行对比，气象信息值监测结果如表1所示。表1中实测的时间跨度是实验当天早6:00至晚18:00。从数据中可以看出，实测日期当天监测到的温度、湿度、雨量、风速和气压与参考值相比，具有良好的线性关系，系统可以准确计算出当天所监测气象信息的平均值。此收集到的气象数据只是一天中的部分数据，所以经过系统分析计算出来的数据只能代表所监测时间范围内的气象信息，与气象台的参考值有偏差。
3结论
1虚拟仪器的特点和构成
1.1虚拟仪器的特点
与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等明显优点，具体表现为：
智能化程度高，处理能力强虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。
复用性强，系统费用低应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。
可操作性强，易用灵活虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高而且易用、灵活。
1.2虚拟仪器的构成
虚拟仪器的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计2个方面考虑。
硬件电路的设计主要根据用户所面对的任务决定，其中接口设计可选用的接口总线标准包括GPIB总线、VXI总线等。推荐选用VXI总线。因为他具有通用性强、可扩充性好、传输速率高、抗干扰能力强以及良好的开放性能等优点，因此自1987被首次推出后迅速得到各大仪器生产厂家的认可，目前VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器的最理想平台，是仪器硬件的发展方向。由于VXI虚拟仪器的硬件平台的基本组成是一些通用模块和专用接口。因此硬件电路的设计一般可以选择用现有的各种不同的功能模块来搭建。通用模块包括：信号调理和高速数据采集；信号输出与控制；数据实时处理。这3部分概括了数字化仪器的基本组成。将具有一种或多种功能的通用模块组建起来，就能构成任何一种虚拟仪器。例如使用高速数据采集模块和高速实时数据处理模块就能构成1台示波器、1台数字化仪或1台频谱分析仪；使用信号输出与控制模块和实时数据处理模块就能构成1台函数发生器、1台信号源或1台控制器。专用接口是针对特定用途仪器需要的设计，也包括一些现场总线接口和各类传感器接口。系统的主要硬件包括控制器、主机箱和仪器模块。常用的控制方案有GPIB总线控制方式的硬件方案、MXI总线控制方式的硬件方案、嵌入式计算机控制方式的硬件方案3种。VXI仪器模块又称为器件（devices）。VXI有4种器件：寄存器基器件、消息基器件、存储器器件和扩展器件。存储器器件不过是专用寄存器基器件，用来保存和传输大量数据。扩展器目前是备用件，为今后新型器件提供发展通道。将VXI仪器制作成寄存器基器件，还是消息基器件是首先要做出的决策。寄存器基器件的通信情况极像VME总线器件，是在低层用二进制信息编制程序。他的明显优点在于速度寄存器基器件完全是在直接硬件控制这一层次上进行通信的。这种高速通信可以使测试系统吞吐量大大提高。因此，寄存器基器件适用于虚拟仪器中信号/输出部分的模块（如开关、多路复用器、数/模转换输出卡、模/
数转换输入卡、信号调理等）。消息基器件与寄存器基器件不同，他在高层次上用ASCII字符进行通信，与这种器件十分相似是独立HPIB仪器。消息基器件用一组意义明确的“字串行协议”相互进行通信，这种异步协议定义了在器件之间传送命令和数据所需的挂钩要求。消息基器件必须有CPU（或DSP）进行管理与控制。因此，消息基器件适用于虚拟仪器中数字信号处理部分的模块。
软件的开发与设计包括3部分：VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件（软面板）。软件结构如图1所示。
VXI总线接口软件由零槽控制器提供，包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和编程函数库等。该软件在编程语言和VXI总线之间建立连接，提供对VXI背板总线的控制和支持，是实现VXI系统集成的基础。
仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序，也即模块的驱动软件，他的设计必须符合VPP的2个规范，即VPP3.1《仪器驱动程序结构和模型》和VPP3.2《仪器驱动程序设计规范》。
“软面板”设计就是设计具有可变性、多层性、自、人性化的面板，这个面板应不仅同传统仪器面板一样具有显示器、LED、指针式表头、旋钮、滑动条、开关按钮、报警装置等功能部件，而且应还具有多个连贯操作面板、在线帮助功能等。
2虚拟仪器在数据采集中的应用
利用虚拟仪器制作数据采集器可以按照硬件设计、软件设计两个步骤来完成。
2.1硬件设计
硬件设计要完成以下内容：
1)模/数转换及数据存储
设置具有通用性的数据自动采集系统，一般应满足能对多路信号尽可能同步地进行采集，为了使所采集到的数据不但能够在数据采集器上进行存储，而且还能及时地在采集过程中将数据传送到上位机，选用存储量比较适中的先进先出存储器，这样既能满足少量数据存储的需要，又能在需要实时传送数据时，在A/D转换的同时进行数据传送，不丢失任何数据。)VXI总线接口
VXI总线数据采集器通常可以利用两种VXI总线通用接口消息基接口和寄存器基接口。消息基接口的作用是通过总线传送命令，从而控制仪器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器简单的读写来控制仪器硬件的操作。利用消息基接口进行设计，具体消息基接口的框图见图2。
3)采样通道控制
为了满足几种典型系统通道控制的要求，使通道的数量足够多，通道的选取比较灵活，可以利用寄存器电路、可预置计数器电路以及一些其他逻辑电路的配合，将采样通道设计成最多64路、最少2路可以任意选择，而且可以从任意一路开始采样，也可以到任意一路结束采样，只要截止通道号大于起始通道号就可以了。整个控制在虚拟仪器软面板上进行操作，通过消息基接口将命令写在这部分的控制寄存器中，从而设置计数器的初值以及采样的通道总数。
4)定时采样控制
由于不同的自动测试系统对采样时间间隔的要求不同，以及同一系统在不同的试验中需要的采样时间间隔也不尽相同，故可以采用程控的方式将采样时间间隔设置在2μs~13.0ms之间任意选择，可以增加或减少的最小单位是2μs。所有这些选择设置可以在虚拟仪器软面板上进行。
5)采样点数控制
根据不同测试系统的需求，将采样点数设计成可在一个比较大的范围中任意选择，该选择同样是在软面板上进行。
6)采样方式控制
总结各种自动测试系统的采样方式不外乎软件触发采样和硬件触发采样。在硬件触发采样中又包括同步整周期采样和非同步整周期采样，这2种采样又可以是定时进行的或等转速差进行的。所有这些采样方式，对于数据采集器来说都可以在软面板上进行选择。
2.2软件设计
软件是虚拟仪器的关键，为使VI系统结构清晰简洁，一般可采用组件化设计思想，将各部分彼此独立的软件单元分别制成
标准的组件，然后按照系统的总体要求组成完整的应用系统，一个标准的组件化的虚拟仪器软件系统，如图3所示。
应用软件为用户提供了建立虚拟仪器和扩展其功能的必要工具，以及利用PC机、工作站的强大功能。同时VPP联盟提出了建立虚拟仪器标准结构库（VISA）的建议，为虚拟仪器的研制与开发提供了标准。这也进一步使由通用的VXI数据采集模块、CPU/DSP模块来构成虚拟仪器成为可能。
基于虚拟仪器的数据采集器的软件包括系统管理软件、应用程序、仪器驱动软件和I/O接口软件。以往这4部分需要用户自己组织或开发，往往很困难，但现在NI公司提供了所有这四部分软件，使应用开发比以往容易得多。
下面简单介绍以NI公司的LabWindows/CVI为开发环境，来进行VXI虚拟仪器的驱动程序开发的方法。
第一步：生成仪器模块的用户接口资源文件（UIR）。用户接口资源、文件是仪器模块开发者利用LabWindows/CVI的用户界面编辑器为仪器模块设计的一个图形用户界面（GUI）。一个LabWindows/CVI的GUI由面板、命令按钮、图标、下拉菜单、曲线、旋钮、指示表以及许多其他控制项和说明项构成。
第二步：LabWindows/CVI事件驱动编程。应用程序开发环境LabWindows/CVI中设计一个用户接口，实际上是在用户计算机屏幕上定义一个面板，他由各种控制项（如命令按钮、菜单、曲线等）构成。用户选中这些控制项就可以产生一系列用户接口事件（events）。例如，当用户单击一个命令按钮，这个按钮产生一个用户接口事件，并传递给开发者编写的C语言驱动程序。这是运用了Windows编程的事件驱动机制。LabWindows/CVI中使用不同类型的控制项，在界面编辑器中将显示不同类型的信息，并产生不同操作的接口事件。在LabWindows/CVI的开发平台中，对事件驱动进行C程序编程时可采用2种基本的方法：回调函数法和事件循环处理法。
回调函数法是开发者为每一个用户界面的控制项写一个独立的用户界面的控制函数，当选中某个控制项，就调用相应的函数进行事件处理。在循环处理法中，只处理GUI控制项所产生的COMMIT事件。通过GetUserEvent函数过滤，将所有的COMMIT事件区分开，识别出是由哪个控制项所产生的事件，并执行相应的处理。
第三步：应用函数/VI集与应用程序软件包编写。应用函数/VI集需针对具体仪器模块功能进行编程，应用程序软件包只是一些功能强大、需要完善的数据处理能力的模块才需要提供，如波形分析仪模块、DSP模块等。
3结语
本文探讨了虚拟仪器的基本组成，以及实际的虚拟仪器软硬件设计的一般方法，这些方法经过实际设计工作运用证明是可靠的，可供系统工程技术人员在组建具体的基于VXI总线的虚拟仪器数据采集、测试时参考使用。
参考文献
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3］孙昕，张忠亭，薛长斌.集成VXI总线自动测试系统的方法［J］.测控技术,1996,15(4)
【关键词】Labview软件;MATLAB软件;Visual Basic软件;JAVA软件;优缺点
1.引言
传统示波器是电子工业、科学研究和教学实验领域中一种必备的仪器，并且都在这些领域中占有重要的地位。在高速发展的现代科技技术下，对传统测控仪器提出了新的技术要求，主要包括智能化、自动化、多样化等等[1]。传统仪器跟其他传统测控仪器一样，越来越不能满足这些新技术的要求，与此同时，新仪器的开发对开发商与用户都带来了更大的挑战。基于上述原因，新型的测控仪器设备的出现是当务之急，虚拟仪器这个概念变得不再陌生。
虚拟仪器的开发基于强大的计算机软件和硬件，把传感器技术，自动化控制技术等有效的融合在一起[2]。软件设计平台的灵活性，依据用户不同的特殊需求创建出人机友好操作界面，实现并取代各类特殊、昂贵的测试仪器的功能。
实现用户友好操作界面的软件操作平台有很多，例如，Labview软件，MATLAB软件，Visual Basic软件，JAVA软件等，本文将对实现虚拟示波器用户操作界面的开发性软件进行比较。
2.虚拟仪器的发展
2.1 国外发展状况
近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少的虚拟仪器开发软件，方便了开发商利用这些开发软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件，最具影响力的是NI公司的Labview和Labwindows/CVi开发软件，美国HP公司的HP-VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS软件以及HEM Data公司的Snap-Master平台软件等都是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台[3]。从1988年陆续有虚拟仪器产品面市，当时有五家制造商推出30种产品。此后，虚拟仪器产品每年成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿的40%。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大的虚拟仪器制造国，生产虚拟仪器的主要厂家有HP公司目前生产100多种型号的虚拟仪器，Tektroflix公司目前生产约80多种型号的虚拟仪器。
2.2 国内发展状况
国内虚拟仪器的开发和研究起步相对比较晚，清华大学，重庆大学，西安交大以及东方震动和噪声技术研究等高校和公司对虚拟仪器的产品和设计平台以及NI产品做了大量的研究工作，所研究和开发的结果在某些方面都得到了很好的应用，比较突出的是重庆大学测试中心所研究的虚拟仪器，目前，部分院校的实验室也引入了虚拟仪器系统，包括上海复旦大学，上海交通大学，华中科技大学等[4]。于此，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研，其中华中科技大学机械学院所开发出的Inventor可重构虚拟实验台、深圳蓝津信息技术有限公司开发出的DRVI快速可重组虚拟仪器平台等影响力比较大，中国农业大学的研究人员利用虚拟仪器开发平台开发了用于精密播种机性能检测的实验室自动化系统。山东大学医学院基于虚拟仪器技术研究了胸双极立体心电图及其三维可视。
2.3 未来的发展趋势
虚拟仪器正在持续且迅速地发展，它即将取代测量技术在传统领域的各类仪器，使仪器的功能和技术性能方面具有了灵活性和经济性，因而更适应当代科学技术迅速发展和科学研究所提出的更高更新的测量需求[5]。并且随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器技术也会在向网络化方向发展，即基于网络的虚拟仪器。网络技术和虚拟仪器技术相结合，产生了基于网络的虚拟仪器，使用的网络化虚拟仪器，可以在任何地点，任何时间获取测试的数据，因此图像化编辑平台的发展将带动和完善虚拟仪器的发展。国内专家预测未来的几年内我国将有50%的仪器为虚拟仪器，国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。
3.几种虚拟示波器常用开发环境的特点
3.1 基于Labview的虚拟示波器
Labview是一种基于图形编程语言的可视化优秀开发平台，它与传统编程语言最大的区别是使用图形语言，以框图的形式编写程序[6]。它与VisualC++、visual basic、LabWindows/CVI等编程语言不同，是使用图形化程序设计语言G，而不是基于文本语言的程序代码，用方框图代替了传统的程序代码，一个Labview程序主要包括前面板、框图程序、图标/接线端口3部分[7]。为用户提供一个便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统或数据采集系统，并可以任意构建仪器面板，而无须进行任何繁琐的计算机程序代码的编程，从而可以大大简化程序的设计。
在设计虚拟示波器时，程序包括数据采集，波形显示，信号处理，波形存储和回放几个模块。因而硬件部分的主要功能就是采集外部的信号，可以是PCI、USB、DAQ等数据采集装置，然后是信号调理，目的就是完成信号缓冲、放大、滤波等功能[8]，Labview开发平台自带的函数具有强大的信号处理功能，充分发挥Labview的优势所在。在它的前面板上可以非常直观地显示出旋钮，开关，波形等示波器应有的界面设置，参数设置，可以根据开发者的想法自行定义，具有很强的灵活性[9]，真正的操控系统的是后面板，建立功能模块，元器件的连接，按键功能的实现等等，模块化的实现使虚拟示波器的功能更加完善。
3.2 基于MATLAB的虚拟示波器
MATLAB是Matrix和Labortaty前三个字母的缩写，意思是“距阵实验室”[10]。是一套功能十分强大的计算机辅助和设计教学软件，MATLAB具有以下的主要功能：数值计算功能，符号计算功能，图形处理功能及可视化功能，可视化建模及动态仿真功能。
基于MATLAB平台设计的虚拟示波器可以充分发挥它的数据分析功能，不仅方便了实验研究，也可以为控制系统的设计与优化提供了有效的途径[11]。基于MATLAB的虚拟示波器硬件系统主要是完成数据采集系统的设计，主要有MCU、数字I/O、A/D、数据通信接口，以及电源部分组成。而对计算机串口以及数据输入的控制，由MATLAB软件的仪器控制工具箱中的函数来完成。通过调用MATLAB的数据采集，画图程序来完善虚拟示波器的功能。MATLAB是很好的数据分析处理软件，而将其与Labview相结合编程可以极大的提高系统的数据采集、分析、故障诊断的能力，具有很强的技术提升空间。
3.3 基于Visual Basic的虚拟示波器
Visual Basic简称VB，是Microsoft公司推出的一种Windows应用程序开发工具。在界面设计、文件处理、多媒体应用、数据访问等方面提供了有力的帮助，具有易懂、易学的优点。对于虚拟示波器开发而言，VB在数据处理和图形显示方面不如Labview。在使用VB开发工业测量与控制系统应用软件时，需要对待测量信号进行实时采集、显示、以及实时处理等VB并不擅长。对此类应用程序的开发，最为理想的解决方案是将VB的图形用户界面开发及其他方面的优势和LabVIEW在数据采集、显示与处理方面的优势结合起来[12]，互相取长补短，从而开发出功能更加强大的测控软件系统。
MATLAB与VB的结合主要有两种方式。其一是在VB中引入MATRIXVB，使得VB可以调用MATLAB函数。其二是将在MATLAB中编写的文件编译成VB可以调用的DLL文件。通过混合编程，利用VB和MATRIXVB，快速、简洁地生成虚拟仪器[13]。
3.4 基于JAVA的虚拟示波器
JAVA是由Sun Microsystems公司推出的JAVA程序设计语言和平台的总称。面向对象的一次编译随处运行的高级语言，提供了强大的网络支持，用Java实现的HotJava浏览器跨平台、动感的Web、Internet计算的功能。推动了Web的迅速发展，常用的浏览器均支持Java applet[14]。基于JAVA开发网络化的虚拟测控系统具有强大的网络和跨平台的优势。
基于JAVA的网络化虚拟示波器，利用socket和多线程技术实现，使用双缓存技术解决了波形显示时的闪烁问题，由系统启动用户界面线程，同时启动不断侦听对客户连接请求的线程。如果侦听到客户的连接请求，就开辟一个新的线程来处理其连接请求。与此同时还要查询数据是否已经传送完毕，一旦完成便要通知用户界面线程更新界面。
除了上述的几种开发平台外，还有C++ Bulider，Visual ，VC等都可以是结合多种软件的虚拟仪器开发平台，另外国内也有一些虚拟仪器开发系统，如吉林大学自主研发的图形化虚拟仪器开发平台LabScene，重庆大学研制的虚拟仪器开发系统VMIDS等等[15]。并在相应领域取得了一定的成果。
4.结束语
在各领域的应用中，虚拟仪器正在取代着传统仪器，它的优势也是显而易见的，它的出现是仪器界的一次革命，具体表现为：智能化程度高，处理能力强;复用性强，系统费用低;可操作性强等等。对于虚拟仪器的设计而言，软件设计是核心，对于每一种虚拟仪器的开发平台都有它自己的特色与缺陷，MATLAB是一款数字处理与图形化处理的强大软件，在设计虚拟示波器时可以发挥它强大的数据处理功能，对于Visual Basic而言，它的缺陷是存在的，但它是一款作为结合型开发软件的好处;利用JAVA的开发的虚拟仪器是现在乃至未来的重要开发平台，它是仪器朝着网络化的发展，就目前而言，Labview是虚拟示波器开发软件的首选，它的图型化编程语言使用户和开发者都能比较容易理解。在实际应用中，我们不仅仅局限于单种软件开发工具，可以将它们结合起来使用，取长补短，各抒其长，会使所开发的虚拟仪器得到更全面的设计。再者在实施方案前，对开发平台进行分析探讨、比较，最终选择适合的虚拟平台，对之后的工作会带来更多的便利。
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关键词：辅助教学；仪器分析；虚拟实验平台；建设
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2012）07-0172-02
药品检验是药学专业的核心课程，仪器分析则是测定药物的物理常数、鉴定药物真伪、检测药物纯度和杂质限量、测定药物含量及效价的主要方法，具有取样量少、灵敏度高、自动化程度高、分析速度快、应用范围广等特点。随着技术的发展，仪器分析的基本原理和实验技术已经成为药学研究和应用工作中必须掌握的基础知识和基本技能，药物研究、生产及检验等各种行业机构对高效液相色谱仪、气相色谱仪、分光光度计、质谱仪等设备的依赖已经到了不可或缺的地步。培养熟练掌握仪器分析技术的专业人才，是药学教育的主要任务之一。
当前仪器分析教学面临的主要问题
教学仪器严重不足，教学效果有限 实验教学所用仪器多数为贵重、精密物品，且数量极为有限，如质谱仪、核磁共振波谱仪等大型分析仪器，一般学校只购置1台。而近年来的扩招使得学生数量成倍增加，教学仪器资源更显缺乏。教学仪器的不足，使得很多学校的实验实训课程变成了观摩课、试教课，学生得不到足够时间和强度的实际操作锻炼，实验教学效果不理想。
仪器落后，与实际应用脱节 技术的快速发展使得分析仪器更新换代的频率加快。而在学校的实验教学中，往往由于经费原因，所使用的仪器得不到及时更新，从而与实际应用脱节。学生在校期间学会的分析仪器操作技能，到了实际工作环境中用不上，仍然要学习新一代仪器的使用，这使得学校实验教学的意义大打折扣。
教学成本高，学生无法熟练掌握仪器 仪器分析实验教学需要用到大量的药品、试剂，教学成本很高，所以往往以小组的形式进行实验，真正得到动手锻炼的学生只占少数，而且也只能进行有限次数的操作。在这种情况下，学生只能对仪器有一个基本的认识，而无法熟练地掌握仪器使用技能。在一些高端仪器的实验教学中，这一问题尤为明显。
实验操作层次较低，无法深入了解仪器功能 当前，仪器分析教学安排的都是操作层次较低、步骤简单的实验，立足于让学生了解仪器、知道基本操作过程，而无法做到让学生深入、全面地掌握仪器的用途。这导致了学生对仪器的认识浅尝辄止，难以了解除实验所用以外的仪器的使用方法，也没有机会碰到使用仪器过程中的各类特殊情况，无法培养学生对各种问题的分析和处理能力。
存在操作安全、环境污染等隐患 仪器分析实验中部分试剂是危险的化学物品，如果操作不当会发生安全事故，同时，实验过程中排放的“三废”也会对环境造成污染。但为了保证教学质量，一定量的实验实训课程必不可少，这容易引发安全问题和环境污染问题。
虚拟仪器分析实验的研究及其应用
虚拟仪器分析实验指的是利用计算机系统，引入现代信息技术和虚拟现实技术，模拟各种分析仪器，使受训者可以像在真实环境中一样运用各种虚拟实验器械和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真操作，从而完成各种预定的实验。
笔者利用中国知网，对中国期刊全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库、中国博士学位论文全文数据库进行跨库检索，以模糊匹配方式查到2000年以来药学相关学科内关于“虚拟仪器分析实验”主题的期刊论文共253篇，学位论文共3篇。其中，2008年以来的论文共97篇，约占38%，表明虚拟仪器分析实验是近年来的研究热点。所查论文的主题主要包括了“虚拟仪器分析实验的概念和应用”、“虚拟仪器分析实验的优缺点”、“虚拟仪器分析实验教学系统的设计”等。许多研究人员从不同角度对虚拟仪器分析实验进行了探讨，如杨雪等人研究了虚拟实验中情感、表现和行为三个层次的设计思路，傅增智、徐静等对比研究了虚拟实验和真实实验，代晓青则探讨了虚拟实验对受训者操作规范的培养作用。
国内外多所大学，如霍普金斯大学、上海交通大学、大连理工大学等都对虚拟实验室建设进行了研究，并建设了一些适合于药学、化学专业的虚拟实验室。中国药科大学建立了一套《气相、液相分析实验》仿真系统并取得了一定的应用效果。重庆医药高等专科学校开发了一套实训教学系统用于虚拟仪器分析实验教学。国内外软件市场上也出现了相关的虚拟实验室产品，例如Chem SW公司的GC-SOS气相色谱模拟和优化软件，大连理工大学的仪器分析虚拟实验室。笔者通过网络调查，发现中国药科大学、重庆医科高等专科学校、大连理工大学、广东药学院等高校已经应用了虚拟仪器分析实验系统。
辅助教学的虚拟仪器分析实验平台建设思路和要点
建设思路 用于辅助教学的虚拟仪器分析实验平台的建设，目前主要有以下三种建设思路：第一，引进市场产品。购买成熟的虚拟仪器分析实验平台，是最便捷的解决方案，具有流程简单、部署方便、实现容易、后期维护有保障等优点，缺点在于需要一定的经费支持，尤其是一些国外的虚拟软件，价格十分昂贵。此外，直接引进的产品还存在不一定能完全满足当前实验教学需求、定制相对困难等问题。第二，引进其他高校开发的系统。国内许多高校都开展了虚拟仪器分析实验教学研究，并出现了不少优秀成果。例如，中国药科大学开发的仪器分析实验仿真教学实习系统，可以进行试剂的仿真配置，完成气相色谱系统和液相色谱系统的仿真操作，自动记录学生的操作过程，进行仿真实验考核等功能。引进其他高校开发的系统，优点在于能够在较大程度上满足当前实验教学的需求，同时所需经费也不是很高，缺点是后续的服务可能会不到位、系统无法更新等。第三，自行开发或委托开发。自行开发或委托第三方公司开发虚拟仪器分析实验教学系统，能完全根据自己的实际实验教学需求进行功能的规划和系统的设计，具有较强的灵活性和兼容性，前提是必须拥有具有系统分析能力的工作人员。自行开发可以结合学校信息化教学建设工作及相关科研项目展开，是当前许多学校选择的建设思路。
建设要点 在虚拟仪器分析实验平台的建设中，有许多值得注意的地方。笔者认为，一个先进的虚拟仪器分析实验平台必须具备以下三个特点。第一，用户界面逼真。用户界面逼真是虚拟仪器分析实验平台必须具备的第一个特点。因为虚拟仪器分析实验平台是用于仿真实验的，要达到用户在虚拟实验平台上学习、操作后，在真实仪器上能够无需再次学习、非常熟练地使用。所以，用户界面必须逼真，仪器的形状、颜色，相关提示灯和提示信息的显示、操作过程和操作结果的模拟，都要和真实仪器相差无几，才能达到实验的效果。因此，最新的3D技术、虚拟现实技术必须在实验平台中应用。第二，富于交互。仪器分析实验过程本质上就是人机交互过程。如果虚拟仪器分析实验平台不具备较强的交互性，就只能算是一个仪器分析实验演示软件，而无法起到实验的作用。一个先进的虚拟仪器分析实验平台，应该是富于交互的，各类按钮的功能和支持的动作，要和真实仪器一致，同时，各种交互操作应该是简洁明了的。多点触控技术应该在实验平台中得到应用。第三，充分设定各种应用情景。虚拟实验的最大好处在于可以模拟任意特殊的情况而不会产生任何危险。因此，应充分设定各种应用情景，让受训者在虚拟实验过程中可以任意操作，认识各种特殊乃至危险的后果，从而让受训者更为彻底地掌握仪器的特性和使用方法，加深对仪器的认识和对安全操作的理解。
虚拟仪器分析实验平台的教学效果
虚拟仪器分析实验平台具有运转快速、界面简洁、覆盖面广、利用方便等特点，能比较真实地模拟相关实验的过程，让学生提前熟悉仪器及掌握仪器的操作，认识实验项目的操作步骤和要点，有利于学生对真实仪器的操作，节省真实实验的材料和时间。通过虚拟实验，可以让学生多次重复实验而无时空限制、安全及污染等问题；可以让学生规避真实实验的诸多忌讳，甚至违规操作，以进一步掌握仪器的使用办法；可以通过各种设定好的特殊情况，感受仪器操作过程中可能出现的问题，以全面地锻炼学生分析问题和解决问题的能力。
北京中医药大学在2006级中药学、中药分析、中药制药班应用“高效液相色谱法定性和定量分析实验”虚拟教学后进行教学效果问卷调查得知，有81.2%的学生愿意进行虚拟实验学习，有84.8%的学生通过虚拟学习清楚地知道了如何操作仪器。2007年底，清华大学在将仪器分析实验多媒体网络教学平台应用于化学系、化工系、环境系及核物理学院等院系的仪器分析实验教学中，经过连续5个学期的教学数据对比分析，发现接受了虚拟实验教学的学生个人得分同比超过其他院系的学生，仪器分析实验教学质量得到了明显提高。第二军医大学应用了虚拟实验平台后，82%的学生认为虚拟教学系统的交互性有利于知识传授，76%的学生认为运用虚拟教学系统有助于提高相关教学内容的教学效果和教学效率，73%的学生认为虚拟教学系统更适合于辅助教学。
当然，虚拟实验替代不了真实实验。由于其缺少实物感，操作正确的情况下结果唯一，无法反映现实中操作正确也有可能出现不良后果的情况，虚拟仪器分析实验主要用于辅助教学，结合真实实验教学，以取得更好的教学效果。
综上所述，在药学教育工作中，虚拟仪器分析实验平台具有广泛的应用前景。科学地运用虚拟实验手段，拓展教学空间，能有效解决很多用常规方法无法解决的教学问题。建设一个界面逼真、富于交互、充分设定各种应用情景的虚拟仪器分析实验平台，用于辅助教学，将有效缓解当前仪器分析教学中面临的主要问题，可以成为实验教学的有益补充，丰富和完善仪器分析实验教学的教学形式，降低教学成本，增强教学效果，从而提高仪器分析实验教学的质量和水平。
参考文献：
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一、引言
虚拟仪器技术是当前仪器与测量发展的一个重要方向，它为各学科提供了一个通用的测量及仪器设计平台，因此“虚拟仪器实践”课程不仅提供了虚拟仪器技术理论与实践结合的环节，也是学生综合应用所学各门学科知识的一个很好的实践机会。对于工科学生来说，加强对他们的实践能力的培养尤为重要。
“虚拟仪器实践”课之前的教学内容是让学生完成“虚拟仪器实验箱”配套的实验指导书上的5个实验，实验指导书详细介绍了实验步骤，学生按照实验指导书的内容完成即可。但是每次课程结束，学生仍然不懂虚拟仪器的基本知识，更不用说独立完成一个虚拟仪器的设计与实现，远远达不到开设这门课的目的以及培养学生创新实践能力的目标，因此对这门课的教学改革势在必行。
通过分析“虚拟仪器实践”课程的课程目的以及学生的实际情况，我们在课程中借鉴了以课题研究为导向的教学方法，对课程内容、授课模式和考核方式等几方面进行了改革，经过2年的教学实践，均取得了较好的教学效果和学生反馈。
二、课题研究为导向的教学法
课题研究为导向的教学法，是指在教学中引入课题研究任务，引导学生带着一定的目的性主动学习，这可以提高学生学习的积极性，并提高独立科研的能力。从课程伊始布置课题任务，期末提交课程设计报告，课题研究任务贯穿整个课程教学过程。
以课题研究为导向的教学过程，学生可以根据兴趣自主选题，所以学习的兴趣和动力较大，不仅会自己去研究“怎么做”，还会研究“怎么做得更好”，因此是学生在教师的指导下变被动学习为主动学习的过程。
课题研究为导向的教学法，实际上是以建构主义教育理念为指导的“做中学”，要求学生通过“动手做”获得直接经验，并运用已掌握的知识去分析和解决实践中的问题，对获得的数据进行整理、分析等处理，最终得出结论。因此，学生得到的知识是鲜活的知识，并且易于内化为认知结构。
做中学的教学思想被认为是最有效的教学策略之一。正如美国“2061计划”中指出，最有效的向各类学生教授科学的策略应是支持学生对他们自己动手的和与他们的生活和文化相关的活动形成他们自己的理解[7]。
对于如何开展做中学，国内外教育界做了很多有效的尝试和探索，丹麦的奥尔大学创立的课题（项目）组织教学（project organized）模式便是一个成功范例。这一模式包括选择课题、师生协同研究、撰写研究报告、课题评价四个阶段，真正做到了按课题（项目）组织教学，以课题研究贯穿于教学的全过程。
三、课题研究为导向的教学实践
在“虚拟仪器实践”课程教学过程中实施以课题研究为导向的教学法，不仅仅是帮助学生更好地掌握虚拟仪器技术的知识，包括虚拟仪器系统的构成、虚拟仪器的编程环境和编程方法、虚拟仪器的编程技巧以及优化策略，也重在培养各种能力，包括发现和运用学习资源的能力，合作学习的能力，口头表达能力和书面表达能力，运用在大学学到的知识和发展的智力等。
改革以后的课程内容、授课模式和考核方式都围绕以上目标进行，课程内容不再是几个固定的实验，而是学生自主完成一个课题的设计并实现；授课模式也主要是“以学生为中心”的研究型课堂模式，教师主要工作是答疑和点评；课程考核是根据课题完成情况和课程设计报告的情况综合评分。具体步骤如下。
（一）确定课题
主要是给学生们布置课题任务，同时介绍考核的标准、查找文献的方法、课程设计报告的格式要求，并提供示范的优秀作品。
课题的确定是实施项目教学法的关键环节。选题既要新颖有趣，能够激发学生的兴趣，又要有一定综合性和难度，能够让学生对所学知识进行综合、学会理论联系实际、学会解决处理实际问题，从中培养学生的综合能力。
为了激发学生的学习热情和创新意识，鼓励学生根据自己的兴趣爱好以及查找资料的结果自主选题，再由教师审批确定。
（二）知识梳理
任何一个领域的知识都是有结构的。把知识放到一个大的架构下学习，有助于掌握和理解，有益于记忆和应用，可以有效提高学习效率。学生在小学期生产实习时已经学过了LabVIEW的基本知识，但是比较零碎，没有构建起虚拟仪器技术的整体知识脉络，因此，在学生开始他们的课题研究之前，我们用2个课时给学生做了必要的知识梳理，把虚拟仪器技术的基本知识点贯穿起来，也解决了学时少的情况下尽可能提高课题研究质量的问题。
（三）课题研究
学生可以选择独立完成或者2人一组完成课程设计。学生利用网络、参考书籍查找相关资料，实现课题的预期效果。在教师的建议和指导下，学生寻找符合项目性能指标要求的传感器和元器件，完成硬件电路的搭建。硬件电路完成后，进入软件框图程序设计。最终进行软硬件系统调试，完成设计要求。也允许有一定难度和实用价值的纯软件的课题。
（四）课题评价
每组同学用PPT和课题成果演示相结合的方式展示课题的研究成果以及获得的知识和技能，老师进行点评，主要从综合性、界面友好性、程序规范性、创新性四个方面进行评价和考核，鼓励学生的创新意识和有难度的课题。
（五）撰写报告
之前绝大多数学生都没有做过小论文，我们参考毕设论文的格式向学生提出了课程设计报告的要求（即应包括摘要、关键词、全文、心得总结及参考文献，且参考文献应在文中标注等），并给出示例范文。这不仅使学生得到了初步的科学研究训练，也为即将到来的毕业设计做了很好的过渡。
四、教学实践的实施效果
我们从2014年开始对电子信息工程专业两届共108名学生进行了以课题研究为导向的“虚拟仪器实践”课的教学改革探索。学生用9周时间，利用美国NI公司LabVIEW虚拟仪器软件、数据采集卡及其他传感器和元器件分别完成了自动温度监测仪、多媒体小助手、基于LabVIEW的远程实验、实时变声器、基于LabVIEW的多媒体通讯系统、十字路通灯控制系统、直流电机转速控制仪设计等多个课题的设计。学生们还自拟了全国大学生体质健康测试计算器、学生宿舍简易监控系统等反映学生日常生活需要的题目，学生们做得兴趣盎然，相关作品参加校内外的虚拟仪器竞赛也获得了较好的成绩。
通过本课程，学生不但完成了虚拟仪器技术相关知识的学习和综合应用，还加深了对传感器技术、测控技术、计算机原理与接口技术、信号与系统、计算机网络技术等理论知识的理解。课堂气氛活跃，学生分析能力、组织协调能力和动手能力显著提高，基本达到了预期教学目标。
为了提高学生的课程论文质量，我们要求每个课题都小题大做。从课题调研、提交方案、课题完成，到最后的论文提交，完成了一个系统的学术训练过程。在最近的这期教学实践中，我们强化了方案环节，要求学生在前期要提交一份研究方案的报告，因此这期提交的论文质量整体上比上期有较大的提高。学生在完成论文后普遍有一种成就感。
五、教学实践中的教学体会及应注意的问题
以课题研究为导向的“虚拟仪器实践”课的教学改革探索取得了比较好的教学效果，但是还是有些需要注意改进的问题。
（一）项目设计要合理
学生的层次和素质有较大的差别，为了满足每个学生的不同需求，使他们有不同程度的收获，项目设计必须有层次。同时，给学生布置任务时一定要提出明确的要求和目标。
另外，根据学生的反馈，多数学生希望在选题时能够得到更多老师的引导和支持。我们的学生经过多年应试教育的培养，创新意识比较缺乏，希望老师有现成的题目给他们。改变这种状况还需要长期的培养和引导。
（二）把握好教师的地位
以课题研究为导向的教学中，学生为主体，教师设计课题任务、提供指导和建议并且做好督促和检查。
由于已经是大四阶段，很多同学在外实习，加上考研的比例很大，所以不少学生直到期末交稿的截止期限前才真正开始做，这就很难保证课题研究的质量。因此教师要经常性的检查，以增加他们的时间紧迫感，确保课题和论文完成的质量。
【关键词】虚拟仪器 实验教学 创新能力
计算机技术与仪器的结合是当今仪器发展的一个重要方向，这种结合有两种方式，一种方式是将计算机装入仪器中，这就是所谓的智能化仪器，随着计算机功能的日益强大和体积的日趋缩小，这类仪器的功能越来越强大，有着广泛的应用前景。另一种方式是将仪器装入计算机中，充分利用计算机的软硬件资源和操作系统实现各种仪器功能，这就是所谓的虚拟仪器。
一、虚拟仪器技术在实验教学中的应用优势
虚拟实验室具有易于构建，易于实现试验硬件及测试数据共享，便于异地在线检测和远程测控等特点，这些特点使得虚拟仪器在学校实验室中可以发挥重要作用。运用虚拟仪器技术，可以应用现有设备搭建功能强大的实验系统，从而节省大量的购置设备费用，可以提高仪器界面的人机交互能力和可视化程度，给实验者提供更好用的仪器。与传统实验室相比，虚拟实验室具有独特的优点：1.能充分利用计算机现有资源；2.容易实现技术更新；3.自动化、智能化程度高；4.功能齐全、灵活、方便。这些优点在实践教学中产生了不可忽视的作用，能够弥补传统实验室的不足。虚拟仪器最简单的应用就是代替常规的仪器，如函数发生器、示波器等，对实现信号产生及波形记录，可以取得较好的效果。用计算机虚拟出的函数发生器，其波形、频率、幅值等都可用键盘或鼠标进行设置，完全能代替常规的仪器使用。学生可以利用这种虚拟仪器及时进行数据处理，观察和分析实验结果。虚拟仪器的设计和使用，大大提高了学生的实验兴趣、实验效果和效率，巩固了他们对该课程和理论知识的掌握。
二、改变实验教学模式，培养创新人才
有关“测试自动化”方面的传统实验大多数以验证性为主，实验内容单一，学生无需思考，按部就班地按照实验步骤就可以做完实验，缺乏设计性和创新能力的培养。引入虚拟仪器系统，就可灵活地增加各种设计性实验内容， 使学生根据实验要求，自行设计各种软面板，定义仪器的功能，以各种形式表达输出检测结果，实时进行分析。因此，虚拟仪器设计不仅能锻炼学生的独立构思和设计能力，而且能激发学习的兴趣。
三、提高实验室水平，满足实验教学的新要求
虚拟仪器技术包括：信号调理技术、数据采集技术、数据处理技术、数据输出和传输技术等，也就是说，虚拟仪器技术使过去互不相干、独立分散的许多技术领域，相互影响，相互融合，并形成新的技术方法和规范。这就要求从事实验教学的教师具有综合实验能力和雄厚的理论基础，能够紧跟现代科学技术的发展步伐，能够不断更新和调整实验方法和手段，使实验室的实验教学设备保持其先进性。虚拟仪器的引入对人力资源的建设提出了更高的要求，而唯有人力资源得到有效的开发，才能使虚拟仪器发挥出应有的作用。
四、可以显著降低试验成本和提高实验效率
传统台式仪器价格相对较贵，若购进一套新型的完整的测试设备少则几万元，多则几十万元，另外，还具有占用空间大、更换不方便的缺点。而虚拟仪器很大程度节约了经费，提高了试验效率。虚拟仪器已在学生的毕业论文实验中开始推广使用，这种训练不仅加强了学生对虚拟仪器的工作原理、使用方法及功能的认识，而且开阔了学生的思路和眼界，提高了处理问题和解决问题的能力。因此，开发和利用虚拟仪器系统是改革实验教学的一个新的发展方向，必将在我校实验领域开辟新的天地。
建设现代化的教学、科研实验室是一项具有挑战性的工作。虚拟仪器的产生和发展推动了试验方式的改革，将虚拟仪器引入实验室教学，不仅可更新实验设备，降低实验仪器费用，还可减少实验测量中的人为误差，提高实际测量的准确度，实验效率较高。此外，在激发学生自主学习的积极性，增加单位时间的实验内容，促进学生动手能力的提高和创新意识的培养等方面也收到了良好的效果。
五、结束语
虚拟仪器克服了传统仪器自成系统，功能单一，体积庞大，仪器繁多，操作次数过多出现滑丝、指示不准等机械故障所导致的测量误差。不仅虚拟仪器工作平台的PC机可以一机多用，就是实验室也可以一室多用，节省了大量的设备购置费，可缓解实验室空间不足，又使现有的计算机资源得到充分利用。
将虚拟仪器技术引入实验教学，不仅可更新实验设备，降低实验仪器费用，还可减少实验测量中的人为误差，提高实际测量的准确度，实验效率较高。此外，在激发学生自主学习的积极性，增加单位时间的实验内容，促进学生动手能力和创新意识等方面也收到了良好的效果。参考文献：
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关键词：LabVIEW SQL；Server2008；LabSQL心电数据库
中图分类号：R318 文献标识码：A
1引言
传统的心电图诊断系统主要由三大功能模块组成：心电信号的记录、分析和诊断结果表述。在以往的临床经验中，这三大功能通常由手工完成，并完全依靠医生的临床经验[1]。随着虚拟仪器技术的发展，人们可以通过虚拟仪器来实现心电图的信号处理、结果表达，从而解决传统心电图诊断方法中数据处理、表达、传输、存储等方面的问题。LabVIEW作为虚拟仪器技术常用的应用开发软件，能够充分利用计算机的软硬件资源，具有编程简单、结果直观等特点，与数据采集卡结合可以建立良好的数据采集系统[2，3]。随着心电采集技术的发展，很多对采集系统的拓展工作已经可以实现心电数据的处理和应用，包括诊断系统的开发以及通过与网络技术结合实现远程心电监护等方面[4-6]。但是，这些拓展应用中，主要侧重于心电数据的采集、处理、网络传输等，较少关注心电数据的存储技术与管理。
数据的存储与管理、维护是信号采集系统的重要组成部分，数据库技术与LabVIEW虚拟仪器的结合，一方面可以利用数据库强大的数据管理能力，另一方面可以发挥LabVIEW在信号采集上的优势，从而实现大规模心电数据的有效管理和维护。目前，四大权威心电数据库[7]均为欧美国家建立，国内在基于大规模人群的心血管流行病学调查分析方面同样开展了相关研究工作，致力于构建国人自己的心电数据库[8-10]。大规模心电数据库的建立离不开工程实现技术，在虚拟仪器技术与心电信号采集系统结合的趋势下，基于虚拟仪器技术平台设计心电数据库在工程实践上有很重要的意义。
本文介绍基于LabVIEW心电信号采集平台的心电数据库设计。在LabVIEW环境下，搭建了基于LabSQL与SQL Server的心电数据库系统，一方面利用LabSQL建立LabVIEW和SQL Server数据库管理系统之间的连接，实现LabVIEW与SQL Server之间的心电数据传输，方便心电数据的存储，另一方面设计了心电数据库基础表及数据表间关系，为心电数据的管理提供了便利。该系统已成功用在基于LabVIEW的心电数据采集系统研发中。基于LabSQL和SQL Server的数据库设计方法具有通用性，可方便地推广到与LabVIEW结合的数据采集和管理系统中，具有良好的工程应用价值。
2基于LabSQL的数据库连接
2.1基于LabVIEW的心电采集系统简介
速度快、性价比高等优点[13]。SQL Server在电子商务、数据仓库和数据库解决方案等应用中起着重要的作用，能针对数据库中的数据提供有效的管理，并有效地保证数据的完整性和安全性。
3.1数据库设计
临床实践中，心电图可以作为诊断心脏类疾病检测的主要手段。心脏类疾病的发生与病人的年龄、性别、个人史、其他疾病等有关[10]。因此，病人的基本情况是心电数据库中重要的一部分。作为基于LabVIEW心电采集系统的一部分，心电数据库主要数据表的设计需要满足采集系统需求。同时，数据表的设计还需要参考标准心电数据库PTB（PhysikalischTechnische Bundesanstalt）中病历的临床摘要。PTB数据库是心电研究中常用的标准心电数据库，具有十分重要的参考价值。
基于上述分析，心电数据库可以划分为三个表。
1）病人基本信息表（Patient）
病人基本信息表如表1，主要用于记录病人的各项基本信息。其主要数据结构和数据项如下：病人的病历号、性别、年龄、检查原因等，其中病人病历号码具有唯一标识性，被选作该表的主键。主键是指在数据表中能唯一标识表中每个数据行的一列或者多列。一个数据表只能有一个主键，并且主键列不允许取空值。SQL Server 会自动为主键创建索引。在使用主键时，该索引可以加快访问速度并有助于实现数据的唯一性。
4结束语
在LabVIEW环境下，利用LabSQL工具包的相关子VI模块，实现了与SQL Server 数据库的连接，并将数据存储在专门设计的心电数据库中，搭建了完整的心电数据采集和管理系统。该系统包含病人的基本信息和心电数据记录，有效地实现了大规模心电数据输入和管理的自动化。该心电采集系统及心电数据库的建立，为心电数据的临床分析和集中研究提供便利。
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关键词:机械参数;测试系统;虚拟仪器
中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:16723198(2010)01029302
1 机械工程测试系统概述
机械工程测试系统的基本任务是从测试对象获取反映其变化规律的动态信息,一个功能完善的机械工程测试系统由传感器、信号转换装置、信号分析处理装置和显示与记录等功能模块组成,无疑,讨论和设计机械工程测试系统及其构成要素,是十分有意义的。
测试系统的第一个环节是信号的传感,即是将被测量的量或被观察的量通过一个被测量传感器或敏感元件转换成一个电的、液压的、气动的或其他形式的物理量,被测的或被观察的量与被转换的输出量之间根据可利用的物理定律应该具有一种明确的关系。传感器就是用来完成这种转换的装置。
第二个环节为信号的转换和调理。被测物理量经传感环节被转换为电阻、电容、电感或者电压、电流、电荷等电参量的变化,由于在测试过程中不可避免地遭受各种内、外干扰因素的影响,且为了用被测信号驱动显示、记录和控制等仪器或进一步将信号输入计算机进行数据处理。因此经传感后的信号尚需进过调理、放大、滤波、运算分析等一系列加工处理,以抑制干扰噪声、提高信噪比,便于进一步传输和后续环节中的处理。
第三个环节是是对这些信号进行分析处理以及显示记录,包括信号的时域分析、频域分析、相关分析等。原始波形显示、处理后波形显示等。从而还可以分析出机械运转的工况等。
2 虚拟仪器技术在机械工程测试系统中的应用现状
科学技术的日益发展,对现在的机械工程测试系统影响很大,特别是相对于传统的测试系统来讲。以前要用特定的仪器对信号进行分析,但是利用虚拟仪器组建的机械工程测试系统却不用专用的仪器,而是利用计算机作为连接虚拟仪器软硬件的平台,信号源通过调理后数据采集卡就可以获取数据进行分析处理。现代计算机技术对机械工程测试技术和仪器的发展产生了革命性的影响。
测试系统的发展经历了模拟测试仪器、计算机测试系统及虚拟仪器三个阶段。现代机械工程测试技术以计算机为中心,计算机的发展必然促进测试技术和仪器的发展。在此背景下,虚拟仪器的产生也就水到渠成。
在虚拟仪器中,软件是虚拟仗器系统的关键,目前国内外这种软件主要有美国DSP公司的DADISP软件,以实验后数据处理分析和表示见长美国NI公司的系列虚拟仪器开发平台(LabVIEW、LabWindows/CVI、Virtual Bench和Component Works)、美国QUATECH公司的DASLab软件包和惠普公司的VEE软件平台都是可以搭建虚拟测试系统的软件平台,以图形化编程和界面灵活见长。
由于PC的功能变得越来越强大,速度快,价格低,在标准PC上连接一个或多个仪器模块构成测试仪器成为一种趋势。这种仪器即为虚拟仪器。
虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW中,“所见即所得”的可视化技术是应用于测试领域的雏形。虚拟仪器注重测试人员在进行工作中的感觉。用仿真的面板给人以真实仪器的感觉,用丰富的曲线图像向测试人员传递信息,是虚拟现实技术在机械工程测试领域中的广泛应用趋势。
在机械工程测试系统中,应用虚拟仪器编的越来越普遍,因为很多传统的硬件设备在虚拟仪器中都可以用软件代替,从而降低了大量的设备浪费,降低了成本,并且还可以直观化的显示其结果,将多种的传统仪器合并到一套虚拟仪器测试系统中,有利于编程,也有利于增强测试系统的准确度。
3 机械工程测试系统开发环境
3.1 应变测试系统
虚拟应变测试硬件系统组成如下:
虚拟式应变测试仪由硬件和软件两大部分组成,这里采用PCDAQ体系结构组建虚拟仪器。其原因是因为PCDAQ系统是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器系统,它充分利用了主流和普及的PC机总线、机箱、电源以及丰富的软件,以极少的硬件就能形成功能完备的应变测试系统平台,这种方案的性价比最佳。
下图是一个模拟信号的数据采集过程示意图,从这个图中可以看到模拟的信号通过设定的通道以后,再经过多路开关,经过刀D转换等将模拟信号变为数字信号,这些信号到达计算机中,计算机中的已经编好的LabVIEW程序对其信号进行分析处理。
对信号进行采集时,采样频率、采样通道以及采样点数是需要用户设定的参数,用户通过前面板的参数选择项根据实际需要进行设置,这些范围和数据采集卡的精度有关。本文设计的应变测试这一块,对与满足数据采集卡精度要求的应变信号,都可以通过数据采集卡,并对其进行相关设定的分析。
3.2 位移测试系统
位移检测技术在工业生产中有着广泛的应用。位移检测是机械量检测的基础,将机械量转化成位移量来检测是机电一体化技术的重要组成部分之一。对位移的检测不仅为提高产品质量和生产安全提供了重要数据,同时也为其他参数的检测提供了基础。
实现位移测量的关键是信号的转换即传感器的选用。本文对位移的测量通过电涡流位移传感器CWYDO504将位移信号转化为电压信号进行测量;通过传感器把非电量转化成相应的电压信号,再经过信号调理电路进行测量。在测量过程中,为了保证测试系统的可靠性与测试精度,在测试系统的设计过程中必须注意传感器地选择、信号调理模块的选择以及系统抗干扰设计。
在进行位移测量时,本检测系统可以将位移量转换成电压信号供数据采集卡。在执行机构带动位移传感器运动时可以进行电压信号的采集,最后通过标定将电压信号转换成相应的位移信号,实现位移的测量。位移信号经过调理后,传输到数据采集卡中,数据采集卡选用NI公司生产的PXL-6251多功能数据采集卡。
3.3 压力测试系统
本测试系统是以液压试验平台为测试平台而进行的一系列机械量测量测试,以此液压实验台做压力信号源,随着液压系统向高压、大功率、高精度方向发展,液压系统的结构变得越来越复杂,故障率也随之增加,安全问题日益突出,因此,在液压系统工作过程中,需要确切的了解液压系统内部的压力和流量等,这对于防止系统出现意外故障和有效提高系统工作效率具有十分重要的意义。所以本系统选取液压试验平台的液压管道压力为被测对象。
数据采集是LabVIEW的核心技术之一,也是LabVIEW与其他编程语言相比较的优势所在。使用LabVIEW的DAQ技术,模拟信号数据采集是LabVIEW的DAQ中的一个主要功能,为用户提供了功能强大、方便快捷的模拟信号采集解决方案。
压力信号经过调理后,传输到数据采集卡中,数据采集卡选用NI公司生产的PXI-6251多功能数据采集卡,其主要功能参数如下:
(1)16路模拟输入通道,16位精度,1.25MS/S采样率;
(2)2路模拟输出,16位精度,2.8Ms/s输出速度;
(3)24路数字I/O,2路定时计数器。
3.4 流量测试系统
本测试系统是以液压试验平台为测试平台而进行的一系列机械量测量测试,以此液压实验台做流量信号源,以液压实验台的对于液压系统来说,最重要的两个参数就是流量和压力,两个参数要求精度高,稳定性好,易于调节。在多功能液压测试试验台中,流量调节控制涉及到电机、变量泵、流量调节阀、排量反馈传感器、电控模块、流量传感器、计算机、管路等多个环节,影响流量的有负载、压力、温度、泄漏等因素。在液压测试中,要得到准确的流量参数、必须对流量调节各环节进行分析计算,确定各环节对流量的影响。并采取措施改善流量调节的精确性和稳定性。以提高流量控制精度。
根据本液压系统实验台,流量传感器要求流量变化范围:0.6-6m3/h,精度要求:1级。
通过信号调理后的信号可以与数据采集卡设备相连,通常情况下数据采集设备是一个数据采集卡,与计算机的连接可以采用多种方式。NI的数据采集设备支持的总线类型包括PCI、PCIExpress、PXI、PCMCIA、USB、Compact Flash、Ethernet以及火线等各种总线。本文选用PXI总线的PXL-6251多功能数据采集卡。利用LabVIEW的NI-DAQmx软件,选择物理通道和任务输入通道进行流量信号采集。
3.5 温度测试系统
温度是机械工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数,许多系统的工作都是在一定的温度范围内进行的,需要测量温度和控制温度的场合及其广泛。目前的温度测量控制系统常采用单片机控制,该技术应用十分广泛,但其编程复杂,控制不稳定,系统的精度不高。而利用虚拟仪器开发和设计的温度测量系统,采用普通PC机为主机,利用图形化可视软件LabVIEW为软件开发平台,来监测温度的变化情况,采集数据并进行处理、存储、显示等。设备成本低,使用方便灵活。
模块化设计数据采集,数据采集模块的设计对后续的数据显示和分析结果以及整个系统功能的实现,具有直接影响,本文利用M公司的DAQ(Data AcQulsition)卡及其驱动程序设计这一模块,充分利用集成的功能全面的DAQ函数库和子VI,设计可以实现对数据采集的控制,包括触发控制、通道控制等的数据采集模块。
4 机械测试系统总体设计思路
在对传统的机械工程测试系统测试过程及传统的测试仪器和现有的虚拟测试系统进行对比研究后,本文的系统总体的结构为:
(1)本文设计开发的机械工程测试系统采用模块化结构,可以在一个测试系统中同时组建应变、位移、压力、流量和温度测试系统。并且每个测试系统用模块化进行设计前后面板,方便程序设计和用户操作与控制。
(2)采用数据库对数据进行存储、管理和查询。基于需要对测试数据进行存储、调用、管理和查询,并且处理的数据量大,本文设计通过数据库来存储、管理和查询数据。建立一个Access数据源,通过ADO数据库访问技术,充分利用ADO的灵活性,通过编程模型实现对数据库的操作,执行用户命令,实现对数据的管理。利用ADO技术的LabVIEW数据库访问包-LabSQL,用户可以直接在LabVIEW中以调用子VI的方式实现对数据库的访问。
(3)每个测试仪在进行设计时,选用的模型是“菜单选择结构”。在后面板中利用“case”结构完成在前面板中不同的按钮选择,选择好一个测试以后,这个测试仪就可独立的工作。在完成相关的需要的工作后可以选择退出,也可以选择进入到另一个测试仪。利用菜单编辑器对程序进行编辑,要改变程序的操作项直接从菜单编辑器中修改,为程序作总体设计。
(4)前后面板的人性化设计。程序设计包括前面板和程序框图两部分,系统前面板由参数设置和五个测试系统构成。当用户在前面板操作相应的功能时,后面板的程序框图有与之协调的字VI运行,这样可以保证运行操作的同步性和准确性。同时在前台对话框有供测试人员填写参数或者选择功能界面。为了便于后续人员按自己的要求进行小范围修改,后面板程序框图也以直观简洁的方式进行设计。
5 结论
本文以虚拟仪器LabVIEW为开发平台,按照机械工程测试系统的要求,充分利用已有的标准化系统资源,开发了便于更新、机动灵活、成本低廉、中文界面的机械工程测试系统,提高了测试的综合应用效率。
参考文献
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关键词：虚拟仿真实验 大学物理 实验教学
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）08（a）-0068-02
1 简介
《大学物理实验》课程是高等理工科院校对大学生进行科学实验基本训练的必修通识课程，是学生进行物理课程学习以及专业课程学习的基础。它具有多样化的实验方法和手段以及综合性很强的基本实验技能训练，对于培养学生严谨的科学思维、创新能力和理论联系实际能力，引导学生确立正确的科学思想和科学方法，提高学生科学素质以适应科技发展与社会进步等方面有着十分重要的意义。
高校扩招及社会对高校实验教学提出更高要求，使得各高校实验教学方面的缺陷凸显，学校面临实验设备的质量和数量不足，无法为广泛的实验教学提供有效的支持，学生实验能力培养欠缺等严峻形势。2001年，教育部提出了积极开展网络实验室建设的建议，鼓励各大高等院校搭建网络实验室，实现资源的共享与互补。
基于虚拟仪器的仿真实验系统及网络实验室是利用虚拟仪器技术和互联网技术的实验平台，整个实验系统由客户端、实验管理服务器、互联网、实验单元和实验仪器单等部分组成，具有良好的资源共享性、互动操作性、扩展性和安全性，允许多用户、多实验同时进行，可以让学生在任何时候、从任何地点访问实验室，从而大大提高实验教学的伸缩性和适应性。
虚拟仿真实验系统在实验方式上可以弥补普通教学中的实验教学环节不足或辅助实验教学；在教学模式上可综合利用计算机技术，完成传统教学中无法实现的实验条件和实验内容，突破传统的实验教学模式，提高实验教学质量，因而在各高校的实验教学中得到了长足的发展，在《大学物理实验》课程教学中也得到了广泛的应用。
在对大学物理虚拟仿真实验的使用过程中，我们发现了一些虚拟仿真实验值得改进和加强的地方，在此提出，以供商榷，期望虚拟仿真实验能日臻完美，更贴近《大学物理实验》课程教学的要求，在课程教学及创新人才培养方面发挥更大作用。
2 大学物理实验教学对虚拟仿真实验的更多期待
2.1 虚拟仪器更趋真实
虚拟仿真实验及网络实验室的基础是虚拟仪器。虚拟仪器是在美国国家仪器公司1986年提出的“软件就是仪器”这一口号的基础上发展起来的，其概念是用户在通用计算机平台及必要的数据采集硬件的支持下，根据测试任务的需要，通过软件设计来实现和扩展传统仪器的功能。与厂家设计并定义好功能的、有固定的输入输出接口和操作面板的、只能实现一类特定测量功能的传统仪器不同，虚拟仪器的用户可以根据自己的需求设计仪器系统，并可通过修改软件来改变或增减仪器的功能，真正体现“软件就是仪器”这一概念。
虚拟仪器应用于物理实验教学将有助于改革传统的实验教学，充分利用网络资源开展网上实验，并可开出符合课程内容的许多新实验，改变实验技术跟不上新技术的局面，使学生的创新能力及掌握新技术、新知识的能力得以提高。但目前虚拟实验仪器模型的种类比较缺乏，无论就外观还是功能而言，其真实性与实验室的具体实验器材相比都还存在欠缺之处，这会导致学习者在现实环境下进行实验操作时产生疑问，无所适从，不利于知识的迁移。比如光学中的迈克耳逊干涉仪实验，不同厂家生产的仪器在外观、调节部件及功能等方面有较大的差别，如果学生在虚拟实验中接触的仪器与实际操作所使用的仪器相去甚远的话，学生的困惑是可想而知的。因此，完善虚拟元件模型，丰富虚拟器材品种，增强虚拟仪器的仿真效果，是一般认知过程的需要，它既可加深学生对仪器本身设计原理的理解，也有助于学生发现实验设备设计的优势和缺陷，激励学生探索性思维。
2.2 包含更丰富的实验原理
《大学物理实验》课程教学的主要任务是培养与提高学生科学实验基本素质，确立正确的科学思想和科学方法；培养与提高学生创新思维、创新意识、创新能力；培养与提高学生的科学素养。课程教学的基本要求是学生具有理论联系实际和实事求是的科学作风，严肃认真的工作态度，主动研究的探索精神，遵守纪律，团结协作和爱护公共财产的优良品德。要完成上述教学的主要任务和基本要求，教学过程的一个基本出发点就是学生要对实验原理有一个比较正确、全面和清晰的认识理解。
目前，主流的仿真虚拟软件在知识导航的设计上基本上延续了传统多媒体课件的导航模式，通过使用图片、动画、语音等多媒体元素，以线性结构展示整个实验的过程。这种模式不仅使学生比较难于在短时间内掌握实验的整体框架和关键操作要领，而且忽略了实验原理对实验的主导及指导作用，不利于学生对实验原理的认知和理解。虚拟仿真实验如果能充分利用易于被学生接受的视觉及听觉技术来展示实验原理，并在整个实验过程中贯穿实验原理这一条主线，让学生认识到全部的实验都是基于实验原理进行的，都是在实验原理的框架下完成的，学生对实验原理的认识和理解无疑会更上一层楼，对科学思想和科学方法方面的领悟会更深入，对理论联系实际能力的培养也会更有效。
2.3 能够再现复杂具体的实验环境
实验是人类认识万千世界的重要方法。实验研究和理论研究作为两种相辅相成的科学研究方法，是推动社会进步和科技发展的重要力量。实验教学以其直观性、实践性、创造性等优点，在培养学生学习基础知识、提高动手能力、掌握科学研究方法等方面发挥着重要作用。虚拟实验将计算机技术、软件技术以及网络技术和传统实验仪器结合起来，改变了实验系统的构建模式，可提升实验仪器的整体性能，突破实验操作的时空限制，是传统实验的变革。
虚拟实验的最终目的是为了认识现实世界，也就是说，虚拟实验最终是要回到复杂具体的真实实验环境中的。我们从虚拟世界获得的知识，其在现实世界中的有用，或者说有效程度，取决于虚拟对现实的模拟程度。目前的虚拟大学物理实验基本上都是理想化的：仪器是标准的，方法是正确的，环境是理想的，结果是完美的，一切都是无误差的，因为都是由设计好的程序来实现的。但真实的实验环境却是复杂而具体的：实验仪器需要组装、调试和校准，同一套实验方法的施行也会因人而异，实验环境会因时因地而改变，实验结果也就包含了多方面的误差在内。所以，如果能在虚拟大学物理实验中增加对一些对常见环境变化的模拟，考虑一些可预知的人的因素，使其所虚拟的实验更加接近真实，其教学效果或许会更加优秀。仍以迈克耳逊干涉仪实验为例，如果能把底座不水平、两端镜距离过大（即超出相干长度）、两镜不平行时如果夹角逐渐增大或减小、没放置补偿板等情况都模拟实现的话，该虚拟实验与真实情况的差距即可得到进一步的改善。
2.4 对创新实验能力的更多培养
培养与提高学生创新思维、创新意识和创新能力是《大学物理实验》课程教学的主要任务之一。与所有的实验教学一样，创新能力的培养在《大学物理实验》课程教学中尤为重要。在传统实验教学过程中，开展探索型实验是使学生获得创新能力培养锻炼的有效方式之一。
与传统实验一样，虚拟实验也可分为演示型实验、动手操作型实验和探索型实验。在探索型实验中，学生要经历从实验设计到实验结果的整体过程，他们必须自己思考如何选择及操作实验仪器，如何实施及改进实验过程，如何判断实验数据的准确性和误差程度，如何总结规律或发现问题等等。所以这类虚拟实验应该具备极强的交互能力：虚拟仪器应具有真实设备的所有功能属性；实验操作应该可以自主调整；测量结果应反映真实情况等。如此，学生方可通过虚拟而探索出真知，达到对创新能力培养的目的。
3 结语
在《大学物理实验》课程教学中，为了利用虚拟实验，达到较好的教学效果，期望虚拟实验能在虚拟仪器的真实性、对实验原理的更好体现、对实验环境的模拟，及对创新能力的更多培养等方面做得更多更好。
参考文献
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