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虛擬實(shí)驗(yàn)儀器未來(lái)的試驗(yàn)趨勢(shì)
虛擬儀器的出現(xiàn)是測(cè)量?jī)x器發(fā)展*的一場(chǎng)革命。隨著微電子技術(shù),、計(jì)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(cè)量與儀器上的應(yīng)用以及測(cè)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。它充分利用的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展儀器的功能；用計(jì)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(cè)結(jié)果；用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)大部分信號(hào)的分析和處理,，完成各種調(diào)控和測(cè)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(hào)的輸入輸出,，而核心功能以軟件來(lái)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(guò)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(diǎn)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(shí)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(jì)算,，可能造成較大的時(shí)延,，此種情況下需要用傳統(tǒng)的硬件儀器來(lái)代替。
虛擬儀器可以用于國(guó)防,、航空航天,、核物理、石油化工等領(lǐng)
域,，目前開(kāi)發(fā)環(huán)境主要有兩類：一類是文本語(yǔ)言,，如C、C++,、LabWindows /CVI等等,；另一類是圖形語(yǔ)言，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等等,。由于圖形語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的方便性,，受到了廣大工程師的歡迎，一個(gè)在計(jì)算機(jī)語(yǔ)言方面沒(méi)有很多經(jīng)驗(yàn)的工程師也可以在較短時(shí)間內(nèi)掌握虛擬儀器開(kāi)發(fā)的技術(shù),，并能應(yīng)用到工程實(shí)踐當(dāng)中,。
虛擬儀器在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的應(yīng)用
由于虛擬儀器具有以上各種優(yōu)點(diǎn),，并且隨著計(jì)算機(jī)硬件和信號(hào)處理箱等輔助設(shè)備價(jià)格的下降以及計(jì)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(shí)驗(yàn)設(shè)備,，從而為虛擬實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)發(fā)提供了可能,。隨著校園網(wǎng)的普及，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室可以提供在線實(shí)驗(yàn),，一方面節(jié)省了大量的實(shí)驗(yàn)室,、硬件、人員等支出,，另一方面也能有效管理實(shí)驗(yàn)進(jìn)程,。虛擬儀器也可以用在各種物理學(xué)和其他與信號(hào)觀測(cè)和處理相關(guān)的領(lǐng)域。
美國(guó)的斯坦福大學(xué)的機(jī)械系就要求三,、四年級(jí)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)用虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制,。國(guó)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(kāi)設(shè)了虛擬儀器的相關(guān)課程并開(kāi)發(fā)了一系列的虛擬儀器用于教學(xué)實(shí)驗(yàn),。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(kāi)始引進(jìn)基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)室,，很大程度上解決了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)短缺的問(wèn)題,。
設(shè)計(jì)實(shí)例：電路過(guò)渡過(guò)程監(jiān)測(cè)儀
由于開(kāi)發(fā)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)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(gè)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(shí)也為了避免一些不必要的誤操作,，所以將監(jiān)測(cè)面板和回放面板分開(kāi)放置,。監(jiān)測(cè)面板如圖1所示,，從監(jiān)測(cè)窗口可以觀測(cè)到每次處理的數(shù)據(jù)（默認(rèn)值為500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）的波形，從觀察到的幅值大小就可以推斷出過(guò)渡過(guò)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(bào)警指示燈,。“停止監(jiān)測(cè)”開(kāi)關(guān)用于控制在參數(shù)設(shè)置不合理的情況下，手動(dòng)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(jí)不超過(guò)101）,，表示工作正常，如果這一數(shù)值逐漸增加并且數(shù)量級(jí)超過(guò)102,，說(shuō)明參數(shù)設(shè)置不合理,，就需要停止監(jiān)測(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)單擊“工作狀態(tài)”按鈕,，進(jìn)行“監(jiān)測(cè)/回放”狀態(tài)的切換。過(guò)渡過(guò)程波形顯示設(shè)備在儀器停止運(yùn)行時(shí)候自動(dòng)輸出一個(gè)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),。可以在光標(biāo)移動(dòng)使能控制和光標(biāo)拖動(dòng)控制都開(kāi)放的情況下,，用鼠標(biāo)直接在光標(biāo)上拖動(dòng)從而改變光標(biāo)的位置,。
參數(shù)設(shè)置窗口能夠設(shè)置包括通道號(hào)、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(bào)警標(biāo)準(zhǔn),、過(guò)渡過(guò)程發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)、存儲(chǔ)路徑等,。本儀器提供的默認(rèn)參數(shù)用于觀測(cè)ms量級(jí)的過(guò)渡過(guò)程,，可以根據(jù)實(shí)際的需求修改。程序的基本流程如圖2所示,。
波形采集和連續(xù)采集需要使用更多的計(jì)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(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,，本監(jiān)測(cè)儀中,，使用LabVIEW提供的模擬輸入中級(jí)模塊AI Config ,AI Start, AI Read, AI Clear來(lái)實(shí)現(xiàn)，采集程序的模型如圖3所示,。
實(shí)際虛擬儀器得到的波形并不理想,，原因很多，如實(shí)驗(yàn)電源并非理想的,，而實(shí)驗(yàn)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(wú)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，*不能通過(guò)的帶阻,，并且從帶通到帶阻的過(guò)渡帶寬為零,，實(shí)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(gè)過(guò)渡過(guò)程,。我們嘗試使用濾波器，用RC電路的階躍響應(yīng)作為測(cè)試對(duì)象,，使用對(duì)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(lái)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(shí)間進(jìn)行比較，即從0到0.6321穩(wěn)定值的時(shí)間和0.6321穩(wěn)定值到0.8647的穩(wěn)定值時(shí)間,，如表2所示,。
由以上數(shù)據(jù)可以求出，無(wú)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(jiàn)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(kāi)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(guò)這些參數(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，LabVIEW中主要有線性擬合、指數(shù)擬合,、多項(xiàng)式
擬合,、通用多項(xiàng)式擬合、通用線性擬合,、通用Levenberg-Marquardt擬合等等,。在實(shí)際情況下，對(duì)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(hào)的，對(duì)于二階電路不適用,，對(duì)于一階電路,，由于電源不理想等原因，也不能保證,，對(duì)于方波響應(yīng)就更不可行,。加窗是數(shù)字信號(hào)處理中zui重要的一項(xiàng)技術(shù)，它的主要作用是截取長(zhǎng)信號(hào)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(shí)候,，由于階躍波形不理想，導(dǎo)致孤獨(dú)波形的起始階段很差,，因此也很難確定截取的范圍,。對(duì)于波形的不理想，通過(guò)軟件很難解決,，zui后的實(shí)驗(yàn)我們通過(guò)硬件方法有效的改善了波形,。使用電路過(guò)渡過(guò)程監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行試驗(yàn)，大部分參數(shù)可以采用默認(rèn)設(shè)置,即通道號(hào)：0,；采樣頻率：20000,；緩沖大小：5000000,；處理速度：500,；報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)：0.10；過(guò)渡過(guò)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(guò)渡過(guò)程觀測(cè)中的其他設(shè)定參數(shù)如表3所示,。
結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)電路過(guò)渡過(guò)程監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)實(shí)例的介紹,，我們可以發(fā)現(xiàn)虛擬儀器的硬、軟件具有開(kāi)發(fā)性,、模塊化,、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。而且虛擬儀器可以方便地加入一個(gè)通用儀器模塊或更換一個(gè)儀器模塊,，而不用購(gòu)買一個(gè)*新的系統(tǒng),，有利于測(cè)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(gè)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上,，學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn),，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和工程實(shí)踐能力。通過(guò)通用計(jì)算機(jī)和簡(jiǎn)單的信號(hào)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(shí)驗(yàn)的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)而可以通過(guò)校園網(wǎng)形成網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室,。開(kāi)發(fā)過(guò)程中,，需要有經(jīng)驗(yàn)的老師和同學(xué)解決虛擬實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題。
當(dāng)然,，在使用虛擬儀器實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,，有可能導(dǎo)致學(xué)生脫離實(shí)際，對(duì)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)施了解不足,，對(duì)工作中的真實(shí)儀器了解不足的問(wèn)題,，因此我們主張?jiān)黾訉W(xué)生的生產(chǎn)認(rèn)識(shí)實(shí)踐，并且在我們的虛擬儀器開(kāi)發(fā)過(guò)程中,，盡量和實(shí)際的儀器對(duì)應(yīng),，并且采取適度的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的優(yōu)化。