ＣＥＰＥ中国电力教育 面 ｒ 论高校虚拟仪器实验室建设 单梁李军徐志良 摘要：计算机技术与测试测量仪器技术的结合，出现了新一代的测试仪器——虚拟仪器，其在大学科研和教学中有着极其广阔的应 用空间。文章阐述了虚拟仪器的概念、特点、软件硬件设置等内容，探讨了高校实验室虚拟仪器建设的方法。 关键词：虚拟仪器；实验室建设；ＬａｂＶＩＥＷ 作者简介：单梁（１９７９－－），男，江苏南通人，南京理工大学自动化学院，讲师，工学博士，主要研究方向：非线性系统控制及应用、 虚拟仪器技术；李军（１９７０－），男，黑龙江哈尔滨人，南京理工大学自动化学院，副研究员，工学博士，主要研究方向：容错控制、非 线性系统控制。（江苏南京２１００９４） 基金项目：本文系南京理工大学科学发展基金（ＸＫＦ０９０１８）的研究成果。 一．虚拟仪器引入实验室的必要性 行列，为科研和教学提供适应发展的实验手段。在此方面，南 实验是教学活动中一个必不可少的过程，尤其对于理工类 京理工大学自动化学院进行了积极的尝试，从２００６年开始建设 的一些学科，例如物理、化学、机电、计算机等实践性很强的学科， 虚拟仪器实验室，目前已经取得了初步的建设成果。 实验教学环节对学好这些课程更是至关重要。学生只有通过足 二、虚拟仪器的概念和特点 够的验证性实验和一定数量的综合性实验，才能真正理解和掌 １．虚拟仪器的概述 握该学科的理论知识，才能获得一定的实验能力，并初步具有 虚拟仪器是以通用计算机作为系统控制器，由软件来实现 处理实际问题的能力。因此，充实实验内容，增开综合性实验 人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统，保证实验 项目，进一步加强实验室建设，不断改革实验教学是十分必要的。 系统在相当长的一段时间内不会落后，结合高效灵活的软件来 众所周知，仪器是实验的基础，要保证综合性实验的开设 完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助 质量，就要同时购置多套先进而昂贵的仪器。一个传统的实验 用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供 要使用多种仪器，而且不同实验所用的仪器也不尽相同，开设 全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应 综合性实验所需仪器就更多，种类丰富的仪器不仅价值昂贵， 用的需求。 体积大，占用空间多，而且相互连接也十分麻烦。如何合理地 目前专用的虚拟仪器开发环境有Ａｇｉｌｅｎｔ ＶＥＥ、Ｌａｂｖ１Ｅｗ 配置教育资源，解决好资金投入与人才培养之间的矛盾，是学 和ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ三类。Ａｇｉｌｅｎｔ ＶＥＥ（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｖｉｓｕａｌ 校开展实验教育经常需要考虑而又伤脑筋的问题。 Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）是Ａｇｉｌｅｎｔ公司推出的图形化的 由于条件的限制，我国大学的实验室建设一直落后于先进 虚拟仪器编程语言环境。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ（Ｃ ｆｏｒ Ｖｉｒｔｕａｌ 国家，这在一定程度上影响了高素质人才的培养，制约了我国 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ）是ＮＩ公司推出的面向仪器的交互式Ｃ语言 科研和工业生产的快速发展。以往的实验室建设，通常是根据 开发平台，采用文本开发环境，编程方法简单直观。ＬａｂＶＩＥＷ 实验室的实验目标和方向，选择相应的专用仪器设备。为了进行 （Ｌａｂ ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ）是ＮＩ公 必要的数据处理，有时也会选择一些仪器与计算机系统的接口 司自１９８６年开始推出的实验室虚拟仪器工程平台。ＬａｂＶＩＥＷ 设备，使仪器系统与计算机系统之间具备通信的能力，达到数 在国内科研结构和高校中应用范围最广泛，２００９年ＮＩ公司已 据共享的目的。不可否认，这样的实验室在科学实验及教学活 推出中文版的ＬａｂＶＩＥＷ８．６。基于ＮＩ公司的ＬａｂＶＩＥＷ，南京 动中发挥了极为重要的作用。然而，这种建设方法所忽视的是 理工大学自动化学院建设了虚拟仪器实验室。 实验室系统的灵活性和开放性。因此，在实验环境和对象不断 ２．虚拟仪器的特点 变化的今天，加快大学现代化实验室的建设已经成为当务之急。 ＬａｂＶＩＥＷ集成了与满足ＧＰＩＢ、ＶＸＩ、ＲＳ－２３２和ＲＳ－４８５ 建设以虚拟仪器设备及技术为基础的现代化实验室并不意 协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应 味着对传统设备和环境的否定。虚拟仪器系统可以将已有的实 用ＴＣＰ／ＩＰ、ＡｃｔｉｖｅＸ等软件标准的库函数。这是一个功能强大 验设备中的绝大多数融入到新的系统当中，并且充分利用当今 且灵活的软件ａ利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图 流行的现代技术和手段，保证实验系统在相当长的一段时间内 形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。虚拟仪器技术具 不会落后。事实上，建立以虚拟仪器设备及技术为基础的现代 有四大优势： 化实验室系统，需要人们更为关注的应该是它的内在意义，是 （１）性能高：虚拟仪器技术是在ＰＣ技术的基础上发展起 它的技术思路。设备本身总有过时的时候，包括虚拟仪器本身 来的，所以完全“继承”了以现成即用的ＰＣ技术为主导的最新 在内，而正确的技术发展思路可以使实验室始终处于现代化的 商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件Ｉ／０，使人们 圈 中国电力教育ＣＥＰＥ ２００９年７月上总第１４０期 在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外， 软件平台上介绍ＧＰＩＢ、ＶＸＩ等总线测试技术作为教学的重点。 不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术 展现其更强大的优势。 四 虚拟仪器在教学实验中的实施 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系 （２）扩展性强：得益于ＮＩ软件的灵活性，只需更新计算 统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、 机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软 开发、测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。 件上的升级即可改进用户的整个系统。在利用最新科技的时候， 在实验内容上，改变传统实验中规划固定的实验内容，规定明 可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产 确的测量参数，甚至给定实验的整个操作流程。学生在进行这 品上市的时间。 类固定模式的实验过程中，常常机械地按照实验手册中的操作 （３）开发时间少：在驱动和应用两个层面上，ＮＩ高效的软 流程照做一遍，然后填好所有的实验结果交差了事。实验的目 件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一 的和通过实验需要验证的理论往往被学生忽略。在虚拟仪器的 起。ＮＩ设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同 实验设置中，借鉴了开放实验的操作模式。 时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、 第一部分安排的实验以了解仪器特性和功能使用方法为目 的，制定了电阻测量、ＲＣ振荡电路测试、数字时钟源设计３ 发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 （４）无缝集成：虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软 个实验内容。这３个实验所需元器件少，只需３个阻值不同的 硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常 电阻、２个电容、１个ＮＥ５５５芯片和若干根导线即可完成全部 需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成 实验内容。实验器件的准备比较方便，实验室教师的工作量较 这些不同设备总是要耗费大量的时间。ＮＩ的虚拟仪器软件平台 小。通过这３个实验可以让学生了解基于ＥＬＶＩＳ操作平台的 为所有的Ｉ／Ｏ设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个 ＬａｂＶＩＥＷ的基本功能，掌握信号发生器、数字万用表、示波器、 测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。 模拟输入／输出端口、数字ＩＯ口的使用方法。 第二部分安排的实验内容改变了以往的实验设置方式。实 三、虚拟仪器实验室的软硬件建设 在虚拟仪器中，计算机处于核心地位，仪器的结构概念和 验设置的目的是让学生熟悉ＬａｂＶＩＥＷ的软件编程方法。实验 设计观点等都发生了突破性的变化。从构成上来说，虚拟仪器 中只给定总体目标而不具体设定实验内容。要求学生使用至少５ 就是利用现有的计算机，配上相应的硬件和专用软件，形成既 种以上的功能模块（循环结构、数组及相关函数、簇及相关函数、 有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的高 输入控件、输出控件、子ＶＩ、文件Ｉ／Ｏ函数等）实现一个测试 档低价新型仪器。从使用上来说，虚拟仪器利用ＰＣ计算机强 功能。具体测试环境和功能由学生自拟。经过３年的实验室建设， 大的图形环境，建立界面友好的虚拟仪器面板（即软面板），操 发现这种方式可以极大地调动学生的主观能动性，学生积极主 作人员通过友好的图形界面及图形化编程语言控制仪器运行， 动的查阅各种资料，开动脑筋设置测试环境，将ＬａｂＶＩＥＷ控 完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。 件有机地组合起来实现自己设定的功能。 由于虚拟仪器的硬件是以通用微型计算机为基础的，我国 普通高校的实验室一般都拥有相当数量的通用计算机，因此， 五、结论 虚拟仪器是计算机技术、仪器技术、测量技术、数／模、 只要购买一定的仪器模板以及相应的软件就可以构成足够数量 模／数转换技术、软件等技术完美的结合，经过十几年的发展 的虚拟仪器供学生使用。另一方面，在同一台计算机上，通过 已被愈来愈多的技术人员所接受，成为当今测量测试领域里一 操作者的不同定义，可以虚拟出不同的仪器，各仪器之间还可 支最重要的力量。高校实验室借助虚拟仪器技术完成相关实验， 以通过不同的窗口进行切换，因此实验室无需配备各种传统仪 具有实验效率高、设备费用低、实验内容丰富、使用方便、界 器，可以通过软件设计使虚拟仪器和实验室设备不断更新。 面友好、集成性强、与计算机技术同步发展等明显优势，这为 在南京理工大学自动化学院的虚拟仪器实验室建设中，购 降低实验成本、更新教学方法、提高教学质量起了非常重要的 进ＮＩ公司的新一代教学实验虚拟仪器套件（ＮＩ ＥＬＶＩＳ ＩＩ）及配 作用，也是高校实验室建设的必由之路。 套的中文版ＬａｂＶＩＥＷ软件系统。教学套件采用ＵＳＢ接口方式 与计算机连接，实验室构建方便，设置灵活。针对虚拟仪器设 置灵活、功能广泛的特点，将本科生和研究生的教学与建设有 参考文献： 【１】郑乐丹．高校实验室虚拟仪器建设探究［Ｊ】．陕西工学院学 【２】张野，郑振宇．虚拟仪器技术在院校实验室建设中的应用【Ｊ】． 【３】陈锡辉．Ｌａｂｖｉｅｗ ８．２０程序设计【Ｍ］．北京：清华大学出版社， ２００７． 机的结合起来，充分利用硬件设施资源，最大限度地发挥实验 报，２００２，１８（４）：２２－－２５． 室设备的使用效率。本科教学中开设虚拟仪器相关课程作为电 技术与自动化装置、控制理论与控制工程等专业的研究生课程 中开设该课程的选修课程。在课程设置上，本科课程以介绍虚 气检测技术、自动控制专业的选修课程，研究生教学中为检测 科技咨询导报．２００７，２４（８）：２０１． 拟仪器的基本理念和软件操作为主，研究生课程将在虚拟仪器 （责任编辑：吕征宇） 囫