劉 娜

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院， 陜西 西安 710089)

隨著各行業(yè)及高校對學(xué)生實(shí)踐能力重視程度不斷提高,各高校尤其是工科類院校教學(xué)計(jì)劃中的實(shí)踐教學(xué)占比不斷提高,意在通過實(shí)踐與理論的有效結(jié)合，全面提升學(xué)生的綜合能力。實(shí)踐教學(xué)在提高實(shí)踐創(chuàng)新能力方面發(fā)揮著重要作用,目前在提高實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)質(zhì)量及效率的同時(shí)降低投入成本成為高校建設(shè)與改革實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)室的主要目標(biāo)。快速發(fā)展完善的計(jì)算機(jī)技術(shù)及儀器儀表技術(shù)，促使傳統(tǒng)儀器向虛擬儀器發(fā)展，通過引入虛擬儀器技術(shù)及平臺完成虛擬儀器電子實(shí)驗(yàn)室教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,已成為高校改革和完善實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作的有效手段,建設(shè)虛擬儀器電子實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)在于對構(gòu)成虛擬儀器設(shè)備進(jìn)行充分運(yùn)用。

1 需求分析

隨著高校招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及各專業(yè)對實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需求的不斷提高,作為高校教學(xué)及課題研究的重要場所，實(shí)驗(yàn)室教學(xué)過程對相關(guān)測試儀器及設(shè)備等的質(zhì)量及數(shù)量要求隨之增加，而通常實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的使用及維護(hù)管理成本較高,并且部分設(shè)備技術(shù)更新速度較快,導(dǎo)致部分高校實(shí)驗(yàn)室硬件資源緊缺問題日益突出?？焖侔l(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為電子測量、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展提供了技術(shù)支撐，在數(shù)據(jù)存儲、分析及顯示方面虛擬儀器技術(shù)具備較大的優(yōu)勢，虛擬儀器技術(shù)通過計(jì)算機(jī)與儀器硬件間的有效結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理同現(xiàn)場測量、控制儀器硬件功能的有效結(jié)合，在提高儀器性能的同時(shí)降低了儀器使用成本，此種儀器模式具備優(yōu)越的性價(jià)比,受到各高校實(shí)驗(yàn)室的青睞，在改造、建設(shè)高校實(shí)驗(yàn)室過程中通過虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用可使實(shí)驗(yàn)室的使用及維護(hù)成本得到顯著降低?；谔摂M儀器的電子實(shí)驗(yàn)室通過相關(guān)軟件的優(yōu)化與完善，可有效提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量[1]。

2 虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

當(dāng)前虛擬電子實(shí)驗(yàn)室在實(shí)際教育教學(xué)應(yīng)用過程中有待進(jìn)一步完善。高校實(shí)驗(yàn)室普遍存在儀器設(shè)備陳舊老化(導(dǎo)致參數(shù)發(fā)生較大變化)的問題，因受到資金、管理水平等的限制而難以及時(shí)更新，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式受實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量的影響限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)作用的充分發(fā)揮，不利于提高學(xué)生的自主實(shí)踐學(xué)習(xí)能力，難以滿足應(yīng)用型人才的培養(yǎng)需求。本文主要以實(shí)踐性較強(qiáng)的電路分析課程作為研究對象，通過設(shè)計(jì)一種虛擬儀器電子實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)利用已有實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)而幫助學(xué)生驗(yàn)證電路原理、鞏固理論知識。實(shí)驗(yàn)過程中的常見問題主要包括：因元器件燒壞影響了實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行；學(xué)生在連接電路操作上花費(fèi)時(shí)間較多，注重得到正確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而忽視了對電路的分析；實(shí)驗(yàn)所用元件因參數(shù)離散程度較高，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差，降低了儀器測量的準(zhǔn)確度，無法獲得相應(yīng)結(jié)論。根據(jù)電子實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及使用需求，利用虛擬儀器技術(shù)完成虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)，使課程實(shí)驗(yàn)及電路設(shè)計(jì)的教學(xué)需求得到有效滿足[2]。

虛擬電子實(shí)驗(yàn)室可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的不足，提高實(shí)踐教學(xué)效率和質(zhì)量，通過建立一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與理論緊密聯(lián)系起來，幫助學(xué)生掌握實(shí)物實(shí)驗(yàn)操作過程及仿真軟件技術(shù)，具體分解、分析實(shí)驗(yàn)過程，同課堂理論教學(xué)內(nèi)容有效銜接。針對具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，通過虛擬環(huán)境完成動(dòng)態(tài)模擬分析過程。虛擬電子實(shí)驗(yàn)室在實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)測試流程時(shí)，可以教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為依據(jù)，結(jié)合PC機(jī)和虛擬儀器技術(shù)完成對應(yīng)測量儀器的設(shè)計(jì)。虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的總體架構(gòu)示意圖如圖1所示。EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)部分的硬件電路設(shè)計(jì)主要通過使用仿真軟件完成，通過系統(tǒng)仿真完成測試過程；電子測量試驗(yàn)的虛擬儀器界面的搭建主要通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件和外圍硬件電路完成，相關(guān)數(shù)據(jù)由傳感器完成采集與測量，經(jīng)分析獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)和波形，提交和生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告[3]。

圖1 虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的總體架構(gòu)示意圖

3 開放型虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)

3.1 虛擬儀器的應(yīng)用

虛擬儀器可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能的虛擬技術(shù)，虛擬儀器作為一種新型儀器，正是通過綜合運(yùn)用相應(yīng)硬件及專用軟件實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)儀器的功能，具備易操作、靈活方便等優(yōu)勢，虛擬儀器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，硬件電路模塊的主要功能包括對外部模擬信號進(jìn)行檢測(使用傳感器完成)，完成檢測信號到對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換，并對信號進(jìn)行進(jìn)一步檢測(使用信號檢測電路完成)，然后使用數(shù)據(jù)采集卡將經(jīng)放大、濾波處理得到的可用電信號的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、采集和處理。軟件部分主要包括虛擬示波器及驅(qū)動(dòng)硬件電路工作的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，信號采集驅(qū)動(dòng)程序如圖3所示，通過PCI總線的接口電路實(shí)現(xiàn)同PC機(jī)間的數(shù)據(jù)通信[4]。使用虛擬軟件圖形完成對虛擬界面的設(shè)計(jì)，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)(使用圖形化編程語言完成)實(shí)現(xiàn)對虛擬儀器的控制過程，并在此基礎(chǔ)上完成實(shí)驗(yàn)處理過程。虛擬儀器控制功能通過對硬件電路的操控來完成，傳統(tǒng)儀器的測試功能通過虛擬儀器軟件與各類虛擬集成子塊實(shí)現(xiàn)，圖4為相應(yīng)的數(shù)據(jù)變化及處理過程。運(yùn)用電子實(shí)驗(yàn)室提供的基本設(shè)備(如發(fā)生器、示波器等)對儀器進(jìn)行調(diào)試，避免因儀器精度不準(zhǔn)而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，節(jié)約實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及使用成本[5]。

圖2 虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)

圖3 驅(qū)動(dòng)程序流程圖

圖4 虛擬儀器的數(shù)據(jù)處理過程

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室通信功能的實(shí)現(xiàn)

開放型虛擬電子實(shí)驗(yàn)室通過網(wǎng)絡(luò)完成實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的獲取以及控制信號到服務(wù)器的傳送，虛擬電子實(shí)驗(yàn)室信號處理過程示意圖如圖5所示，該處理過程要求服務(wù)器具備多線程狀態(tài)及較高的計(jì)算能力。實(shí)驗(yàn)硬件可位于遠(yuǎn)端，用于分析和處理數(shù)據(jù)的軟件則在客戶服務(wù)器端運(yùn)行，通過此種方式實(shí)現(xiàn)了使用客戶端網(wǎng)頁對遠(yuǎn)程教師服務(wù)器的實(shí)時(shí)控制，經(jīng)客戶端分析后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可根據(jù)實(shí)際需要生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告并提交給教師服務(wù)器，完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作[6]?；谔摂M儀器的電子實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了大量高額的硬件資源的共享(包括具體的測量數(shù)據(jù))，使實(shí)驗(yàn)室面臨的實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺問題得以有效解決，在顯著提高硬件實(shí)驗(yàn)儀器利用率的同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)室的綜合成本。該電子實(shí)驗(yàn)室支持相關(guān)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的遠(yuǎn)程采集和上傳，本文通過使用DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬電子實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)發(fā)布，支持?jǐn)?shù)據(jù)在不同客戶機(jī)應(yīng)用軟件間的共享，該技術(shù)主要由DataSocket服務(wù)器及服務(wù)管理器構(gòu)成。作為一種獨(dú)立運(yùn)行的程序，DataSocket服務(wù)器主要對不同權(quán)限客戶端間的數(shù)據(jù)交換過程進(jìn)行管理，提供自由的數(shù)據(jù)傳輸功能，通過優(yōu)化和管理TCP/IP實(shí)現(xiàn)了對Internet通信方式的有效簡化，可對各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接傳送(由客戶端采集)。服務(wù)管理器主要負(fù)責(zé)對用戶的權(quán)限、服務(wù)器最多客戶機(jī)可連接數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，完成用戶和用戶組的創(chuàng)建。DataSocket服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器的遠(yuǎn)程共享。只有授予權(quán)限的用戶才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選擇完對應(yīng)實(shí)驗(yàn)后，按下開始實(shí)驗(yàn)按鈕即可進(jìn)入各參數(shù)測量環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)基本錄入、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及存儲等功能[7]。

圖5 虛擬電子實(shí)驗(yàn)室信號處理過程示意圖

4 虛擬儀器在電路分析實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

理論性較強(qiáng)的電路分析課程包含了大量的定理、電路分析方法和概念，不利于學(xué)生的理解，需通過虛擬實(shí)驗(yàn)鞏固學(xué)生對理論知識的理解，采用測量儀器搭建電路，獲取所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及對應(yīng)分析結(jié)果。利用虛擬儀器電子實(shí)驗(yàn)室完成電路分析實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)過程方便、直觀的演示，可有效縮短搭建實(shí)驗(yàn)電路所需時(shí)間，在完成數(shù)據(jù)測量的同時(shí)幫助學(xué)生掌握電路的結(jié)構(gòu)、工作原理及相關(guān)問題，在已配備相應(yīng)計(jì)算機(jī)的電路分析實(shí)驗(yàn)室安裝Multisim虛擬仿真軟件，實(shí)驗(yàn)的整個(gè)操作過程包括組裝電路并對電路進(jìn)行測試，對比實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果(物理硬件電路)和實(shí)驗(yàn)仿真測試結(jié)果，分析引起數(shù)據(jù)誤差的原因，幫助學(xué)生完成電路仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對電路實(shí)驗(yàn)深入理解。教師可設(shè)置電路故障，引導(dǎo)學(xué)生完成電路故障的排查,以便更好地掌握相關(guān)知識，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。電子實(shí)驗(yàn)室將更高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)平臺提供給電氣及相關(guān)專業(yè)學(xué)生使用，通過硬件資源共享有效擴(kuò)展了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的使用范圍，顯著提高了硬件儀器使用率，使用虛擬儀器技術(shù)縮短了實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建周期，提升了實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，并且可異地在線檢測和遠(yuǎn)程控制，學(xué)生可根據(jù)所需掌握的知識訪問該實(shí)驗(yàn)室的硬件資源，自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行獨(dú)立分析并解決實(shí)際問題，從而提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識的能力[8]。

5 結(jié)束語

目前隨著高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)室包括實(shí)驗(yàn)儀器在內(nèi)的硬件資源在數(shù)量和質(zhì)量上普遍難以滿足需求，在開展以學(xué)生為主體的教學(xué)模式過程中，通過創(chuàng)建虛擬電子實(shí)驗(yàn)室能夠?yàn)閷W(xué)生提供良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)而提高其綜合設(shè)計(jì)能力及實(shí)踐動(dòng)手能力。本文完成了基于虛擬儀器的電子實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了開放性實(shí)驗(yàn)室的虛擬實(shí)驗(yàn)功能，學(xué)生借助虛擬環(huán)境完成包括綜合電路設(shè)計(jì)與分析等在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)操作過程，在降低實(shí)驗(yàn)室使用成本的同時(shí)顯著提升了電子實(shí)驗(yàn)室的使用質(zhì)量及效率，該虛擬儀器具備較好的開放性及可擴(kuò)展性，通過網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線及控制功能，可有效緩解高校硬件緊張的問題，完成實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備的訪問及實(shí)驗(yàn)任務(wù)操作，提高學(xué)生的科研和動(dòng)手能力。