虚拟仪器技术论文范文

时间:2023-10-07 21:28:19

虚拟仪器技术论文

虚拟仪器技术论文篇1

【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。

参考文献

[1]王波.虚拟示波器系统设计与实现[D].苏州大学硕士学位论文,2006.

[2]王维喜.基于声卡的多功能虚拟示波器和虚拟函数发生器设计[D].青岛大学学位论文,2009.

[3]李艳.基于Labview虚拟仪器的设计和应用[D].南京理工大学学位论文,2006.

[4]丁鹏.基于USB数据采集的虚拟仪器的研究和设计[D].西安电子科技大学学位论文,2010.

[5]王美刚.基于声卡的虚拟仪器[D].太原理工大学硕士学位论文,2006.

[6]姜碧琼.基于Labview的虚拟示波器的设计[D].西北农林科技大学学位论文,2008.

[7]朱红林,刘武.基于Labview的虚拟示波器的设计[J].电子工程师.2006.32(11):17-19.

[8]曾秀云.基于虚拟仪器的信号采集与控制系统开发[D].电子科技大学.2010.

[9]朱治国,郑建荣,刘小平等.虚拟仪器及常用开发软件[J].现代仪器,2004,1:28-31.

[10]薛德庆,姚世锋,刘锐,蔡继军.MATLAB在虚拟仪器中的编程应用研究[J].传感器与仪器仪表,2006,22(5-1):157-159.

[11]罗彬,曾岳南,张雪群.基于MATLAB的虚拟示波器设计[J].仪器仪表用户,2006.13(4):107-110.

[12]宋波,陈一民.关于虚拟仪器开发工具的比较与选取[J].国外电子测量技术,2006,25(8):1-5.

[13]戴永彬,关维国.VB和MATRIXVB在虚拟示波器中的应用[J].仪表技术,2004(6):21-22.

[14]白伟能,吉国力,周笋.基于MATLAB和VC++混合编程的ACR仿真系统开发[J].厦门大学学报(自然科学版),2005,44(1):136-138.

虚拟仪器技术论文篇2

【关键词】虚拟实验室 Labview 网络

【中图分类号】G42 【文献标识码】A 【文章编号】1009-9646(2008)09(b)-0044-01

1 研究背景

实验教学是许多专业必须进行的一项教学活动,而掌握测量仪器和设备的操作使用方法是每个学生进行科学实验基本前提。传统的实验教学方法是学生在教师的指导下进行实验操作,此法工作量大故而教师很难对所有学生进行全面指导,既影响教学效果又容易造成仪器损坏。

虚拟实验室能借助于现代化信息技术可有效地扩大办学规模,通过网络技术为广大用户提供先进的虚拟实验平台,使得用户接触到以前根本不可能接触到的仪器设备,更方便、更直接地接受先进的实验教学,进行个性化的选择学习。

现代远程教育以网络的开放性、广泛性和灵活性吸引着社会上越来越多的受教育者,给学校的教学、工作方式带来了巨大的变化。网上现代远程教育就是利用计算机网络技术和计算机多媒体技术,在网络上通过电子教室、电子白板等手段,使学生和教师可以在异地进行的新型教学模式。

将虚拟仪器技术与计算机虚拟实验、网络虚拟现实相结合,则可以开展网上教学和远程实验,实现教学手段现代化。基于虚拟仪器的远程实验教学平台是现代多媒体教学与网络技术相结合的产物。在现有的高等教育条件下,采用网上现代远程教育形式,扩大高校教学资源的覆盖面,可以有效地缓解我国教育资源的不足与信息化时代巨大的社会教育需求之间的矛盾。

2 所解决的主要问题

“实验先于理论,实验是科技之母。”可以说,没有实验就没有现代科学技术,忽视实验教学就难以培养出高素质人才。本课题针对高校学生教学管理的实际情况,研究开发基于虚拟仪器的远程实验教学系统,使教学工作实现科学化与规范化、信息化与自动化,提升办公效率,提高教育质量。

远程教育平台可以充分利用LabVIEW的强大的网络通讯功能,采用远程控制技术,开发虚拟实验教学系统中的各种虚拟仪器,并利用该教学系统进行远程电工电子类实验的教学。

3 国内同一研究领域的现状与趋势

我国的高等学校中,教学、科研需要大量的测量分析仪器设备,特别是电子类实验教学,每种仪器都必须配置多套,而且有的仪器设备价格昂贵,因此仪器设备所需投资巨大,一般学校很难满足,造成许多学校仪器设备缺乏和过时陈旧等现象,严重影响教学科研。

传统仪器下的高校实验教学,已严重滞后于信息时代和工程实际的需要。其根本原因在于实验教学内容依附于课程设立,基本处于割裂状态,仪器设备不可能实现资源共享,在科学技术以摩尔定律发展的今天,高校不可能支付巨额的仪器设备更新资金,而且现代化生产要求电子仪器品种多、功能强、精度高、自动化程度高,而且要求测试速度快、实时性好、具有良好的人机界面。

随着信息通信技术的发展和互联网的广泛应用,教育管理智能化、规范化、集成化已经成为一种势在必行的趋势。

4 理论价值、实践意义和创新性

基于虚拟技术的虚拟实验是我国普通高校和远程高等教育实验教学中易于构建、可以推广的模式。在远程教育的环境中,通过操作虚拟仪器可以替代真实仪器的操作,并显示直观的实验结果,从而在网络中建立一个虚拟的实验环境,同样使学生能够“身临其境”的进行“实际”操作和观察实验现象,实现实验教学远程化,弥补现行实验教学中实验教学仪器的不足;通过本平台,还可以与异地学习者进行交流与合作。这对现代远程教育具有十分重要的意义。

将虚拟仪器技术和计算机模拟仿真技术结合起来,通过数据交换共享结合起来建成虚拟仿真实验室,对一些科学现象和规律进行仿真实验,能够代替部分实际实验项目,供教师和学生进行教学与研究;另外,还可利用计算机模拟仿真软件对硬件实验进行模拟仿真,仿真的结果通过虚拟仪器系统进行观察、分析、处理。由于仿真软件和虚拟仪器均具有人机交互能力,因此,这个虚拟的交互式仿真能创造一种近乎进行真实实验的感觉。

目前,远程教学的内容主要是文字、音视频,而远程实验教学的实现是公认的难题。利用Internet资源和技术,如ASP(Active Server Pages,动态服务器主页)、Socket(套接字)等,将Internet与虚拟仪器技术结合起来,构建起远程虚拟实验室,可以为远程教育中实验教学提供一种全新的解决方案。

5 思路设计(技术路线)

虚拟仪器的主要功能大多是由软件来体现的。我们可以利用虚拟仪器的软件开发平台――NI公司(美国国家仪器公司)的LabVIEW 8.5所提供的图形化、交互式的编程设计环境,利用网络环境,由鼠标和键盘操作虚拟化仪器界面(如同操作传统的电子测量仪器一样)。使用该平台学生可以实现远程的实验教学;同时,利用LabVIEW,学生还可以自己定义、设计仪器系统,以满足不同的要求。

针对本远程实验教学平台,开展本项研究的技术思路如下:

(1)技术准备。进一步确定方案;搜集、消化国内外虚拟仪器在远程教育中的成功经验和相关技术资料,为下一步的理论分析作好准备;

(2)理论研究。根据所确定方案确定各实验模块的具体功能;

(3)联网试验。将各实验模块到网上,并调试其功能;

(4)调试阶段。进一步完善试验平台功。

6 结束语

虚拟仪器技术论文篇3

关键词:虚拟仪器;电子;通信

一、虚拟仪器技术简介

虚拟仪器(VirtualInstruments,简称VI)的概念,最早是由美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCorp.简称NI)于1986年提出来的,其基本原理是以计算机为硬件平台,使原来需要硬件实现的各种仪器功能尽可能地软件化,利用高效灵活的软件控制高性能的硬件来完成各种测试、测量和自动化的应用,以便最大限度地降低系统成本,增强系统功能与灵活性。用形象语言来概括虚拟仪器的原理,即“软件就是仪器”[1]。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性,因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。

(一)虚拟仪器技术应用于电子与通信类专业的背景

电子与通信类专业在金陵科技学院工程类专业中占有重要的地位,对我校应用型本科专业的建设具有示范作用。然而,在这两个工程类专业的教学中长期存在一些问题,具体表现为:1.重视理论知识的学习,轻视动手能力和实践环节的培养,学生动手能力差,工程实践经验明显不足,而这些问题又反过来弱化学生对于理论知识的理解,最终导致学生对所学专业缺乏兴趣与信心[2]。2.从未或很少将真实的物理信号引入课堂教学中,导致教学过程理论脱离实际,学生对于本专业的理论知识和应用场景缺乏真实的、直观的认识。3.理论学习环节与实践实习环节相脱离,实践实习环节往往安排在理论学习结束之后,间隔时间较长,学生无法及时对所学知识进行巩固与提高,导致实践实习环节效果不理想[3]。本文将介绍虚拟仪器技术在电子与通信类专业教学中的应用,帮助学生将理论学习、工程实践和创新能力结合起来,提高学生在工程实践中获取知识的能力、综合分析的能力、解决问题的能力和实践创新的能力,从而突出我校应用型本科教学的特点。

(二)虚拟仪器技术应用于电子与通信类专业教学中的指导思想

电子与通信类专业的特点是工程实践性强,对学生的动手能力和动手意愿要求较高。这一特点就决定了实践对于专业学习至关重要的作用[4]。所以,虚拟仪器技术应用于电子与通信类专业的教学也主要体现在对于工程实践教学环节的意义,其指导思想如下:1.在工程导论环节,对于刚入学的大一新生,让他们接触各种基于虚拟仪器技术的综合电子系统,如基础机器人系统,传感器与驱动器器系统、人机交互系统等,介绍其中的软硬件知识和技术,增加学生对于所学专业的兴趣和信心。2.在专业课的理论学习环节,教师努力将真实的物理信号引入课堂,如传感器信号、调理信号、AD/DA信号,模拟通信信号、数字通信信号、调制域信号等。真实信号的引入可以增加学生理论联系实际的能力,提高其自主学习的兴趣和动力。3.发挥虚拟仪器作为“口袋实验室”的作用,鼓励学生将真实的信号带回宿舍。宿舍是学生课余活动主要的场所,如果学生能将宿舍时间有效地利用起来进行专业实践和创新,无疑将对提高学生专业能力产生极大的帮助。

(三)虚拟仪器技术创新教学案例

我们将介绍几个在教学中使用虚拟仪器进行教学创新的案例,来阐述使用虚拟仪器技术的特点。1.共基极放大电路的教学。共基极电路是一类重要的基本放大电路,如何让学生掌握电路特征并计算电路参数,如发射极电流、集电极电流、电压增益、输入/输出电阻等,一直是教学中的重点。我们在教学中是采用基于虚拟仪器技术的仿真结果和真实电路结果相比较的方法。电路仿真采用NIMultisim,该软件主要是为工程师提供先进的电路分析和设计能力。图1为共基极放大电路在Multisim中的仿真。可以使用Multisim提供的万用表测量仿真结果中的电压和电流。并可以很方便的在软件中修改电路参数进行重复实验,得出不同工作状态下电路的参数。不同于传统的电路仿真,我们在NIElvis面包板上搭建上图所示的电路原理图,如图2。利用NIElvis自带的数字万用表DMM对电路参数进行测量,对于交流信号,可使用Elvis自带的示波器对波形进行测量。将NIElvis的测量结果和软件仿真结果进行比较,可以加深学生对于电路基本特征和参数的认识。同时,NIElvis设备可以很方便的在课堂教学中进行演示,可以起到很好的教学效果。2.无线通信系统教学。射频和无线通信课程的教学长期以来都基于数学公式的推导和仿真来进行的,学生在课堂上很少能接触到真实的通信信号,并且教学的过程中也是分模块进行教学,学生几乎没有设计整条通信链路的机会。在教学中,我们采用NIUni-versalsoftwareradioperiphera(lUSRP)和Labview则可以很好的克服上述问题。利用USRP和Labview,学生可以很轻松的进行诸如信道编码、信号调制、随机码元产生、信号均衡等现代通信技术。最终学生可以完成从发射机到接收机中间完整的通信链路,这在传统的射频和无线通信课程中是很难完成的。利用USRP,可以很轻易地在课堂上演示一个完整的数字通信系统,学生能够看见一个数字调制域信号,能够看见真实的850MHzGSM信号上行链路,可以分析真实信号的频谱。甚至可以组建一个FM广播信号发射和接收台,见图3。

二、结语

虚拟仪器技术结合统一的软件平台加上模块化的硬件平台,使理论学习和实践操作能力得以有效结合,使学生能够实现自行设计实验及实际动手操作,加深其对理论专业知识的理解,促进其对现场专业知识的了解,增强其对专业知识的感性认识,同时提高其实际动手操作能力,培养其创新能力。

作者:刘海陵 徐志国 陈正宇 单位:金陵科技学院

参考文献:

[1]朱岩,余愚.虚拟仪器技术研究现状与展望[J].现代制造技术与装备.2008,(6):12-14

[2]朱敏,张际平,潘侃凯.虚拟仪器技术及其教学应用[J].中国电化教育,2006,(4):96-98

[3]荣雅君,刘琳,高广峰,赵朋.虚拟仪器在实验教学中的应用[J].电力系统及其自动化学报.2009,21(1):78-82

虚拟仪器技术论文篇4

关键词: 虚拟仪器 汽车工程领域 现实应用 发展前景

虚拟仪器是第三代自动测试的产品,使用方便,效率很高,容易维护和推广,在测试领域获得了很好的发展。当前,先进的虚拟仪器设备和产品已经在发达国家获得了积极的应用,而在我国还处在起步阶段。本文分析了虚拟仪器这一有着重要推广意义的技术在汽车工程领域的现实应用,并展望了其发展前景。将虚拟技术应用于汽车工程领域,可以提高对汽车的设计、制造和使用能力。

一、虚拟仪器技术

虚拟仪器技术通过计算机软件,将计算机强大的信息处理能力和仪器设备的硬件测量与控制能力加以紧密结合,并通过计算机软件实现对信息的把握、保存和处理。虚拟仪器技术的优点在于可以让用户自己选择专用的仪器系统,发挥灵活性,创造自己的使用方法。虚拟仪器功能强大,可以让用户建立起设计和产品测试的自动化测量装置,也可以方便地实现系统在各种环境下的全面应用,而且操作起来很方便。这种集成式软件的架构方式最大限度地减少了创造复杂测量系统所需要的时间和精力,同时对大型系统管理可以满足测试和控制的需要,完全实现客户化的测试管理,也可以在大型测量系统的服务器上实现收集和分析,提高测试数据的准确性。

二、虚拟仪器的应用

当前在汽车工程领域,虚拟技术主要运用于汽车设计、研究、生产和维修等方面,而且大部分还处在理论研究的阶段,在很大程度上加以应用还需要进行全面的科学研究。

三、汽车功能设计

在汽车功能设计中,过去的设计方法无法实现功能设计和功能实验的共同进步,往往先做出系统,然后在实验层面上进行测试,再验证这个系统的功能。这样的方法消耗了大量的时间和精力,也难以改进系统设计,改进的结果不能立即展示,而且测试系统价格高,使用起来不方便。运用虚拟技术则没有这些缺点,设计人员可以快速对设计系统改进,并了解设计的效果。例如汽车防止抱死制动分析中,用虚拟仪器可以将传统仪器发出的信号输入计算机,从而改进系统的控制办法,增强控制方法内的系统的控制能力、控制精确性,等等。

四、汽车的生产

现代汽车生产有着很强的自动化能力,有着大规模高效率生产的需要。现代汽车生产监控系统越来越复杂,要测试和控制的参量往往有几十个,过去的测试系统设备庞大,监测参量少,维护困难,而虚拟技术下的系统配置适当,就可进行虚拟下的过程控制,并能方便地显示结果,还可以保存在电子文件中,实现远程的监控和数据的收集,缩短数据分析处理的时间。

例如虚拟的汽车测试仪器,只要带有内置的设备,则所有的功能键、显示器等都可以保存在显示器上,操作更加简单,也可以增加或者减少模块,这样可以重新测试,而不会丢失硬件和软件,还可以满足测试要求。因此,计算机和开放软件结合,能输入并记录数据,实现配合,实现多种功能。

多年来,汽车行业都是用工程车运载很多汽车专用的检定仪器巡回测试样品。使用虚拟仪器加以检定,测试系统更简洁,更加容易操作,并增强集成效果,提高性能和稳定性,更有利于巡回测试。

五、汽车的检修

汽车检修一般都是采用仪器设备和人工直观结合的方式进行的,这样检验的结果往往会受到人为因素的干扰而不够准确。应用虚拟技术下,可设计出配光检测系统和车辆尾气系统检测系统。以车灯配光检测系统为例,利用图像处理软件,可实现对汽车部件的自动检测,并实现对各种型号的汽车的自动检测。

国外已将虚拟技术运用到各个领域,在车辆检测和生产中也已经应用多年,而我国的技术发展相对较晚。采用虚拟技术,可以减少资金投入,提高生产效率,实现汽车工程的大面积推广。

参考文献:

[1]孙建民,曲正新.试论虚拟仪器及其在汽车测试中的应用.汽车工艺与材料,2002,(3).

[2]徐科军,陈荣保,张崇巍.自动检测和仪表中的共性技术.北京:清华大学出版社,2000.

虚拟仪器技术论文篇5

Control Experiments Teaching Research Based on Virtual *

LI Xiaoru, LIU Jianguo

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093)

Abstract Single curriculum for the relevant status quo, plug-in, verify and control experiment Experiment-based monitoring and control and other experimental teaching Currently, in order to improve student interest in learning, in close connection with practical application, better achieve the objectives of experimental teaching in the experimental teaching process, according to the characteristics of the students the basics, arrange appropriate experiments, individualized. Around the "multidisciplinary, in close connection with the practical application" principle, this paper presents the experimental and control based on LabVIEW virtual instrument teaching methods, the sensor technology and motion control combined on a single platform.

Key words sensor; virtual instruments; teaching methods; multidisciplinary

0 前言

测试测量与控制技术,简称测控,简短的两个字包含了从信号的获取、放大、传输、处理、应用和控制的全过程。测控技术涉及多个学科领域,如计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器技术、信号分析与处理、工程测试技术等。测控技术系列课程教学改革的重要目标之一就是将传统的“老师为主体的验证性实验教学模式”改为“学生为主体的结合实际应用的设计、分析实验模式”,重点培养提出问题、研究问题、解决问题的能力,提高学生的学习兴趣和创新能力,培养适应社会需求的人才。整个实验包括从基础的计算机系统、传感器信号获取、信号分析和处理,到反馈控制的一体化整体解决方案。虚拟仪器(virtual instrumention)是一种图形化编程语言,被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件,以通用的计算机硬件及操作系统为依托,在测量和自动化领域得到广泛应用,而且对传统的实验教学方法产生了很大影响,虚拟仪器的应用越来越广泛,将虚拟仪器技术应用于教育教学是虚拟仪器应用的不断拓展和教育教学发展的必然要求,本文以虚拟仪器为开发环境,构建了基于运动控制的传感器实验教学平台。

1 基于LabVIEW的测控实验建设思路

由于微电子、计算机、软件和网络技术的发展,使新的测试理论、测试方法以及仪器结构不断发展成熟,基于LabVIEW虚拟仪器的测控技术创新实验教学逐步形成新的发展趋势,以计算机为核心,由强大的测试应用软件支持,具有模块化、互换性、资源复用性,同时可方便、经济地组建自动测试系统,测控技术实验具有以下特点:

(1)个性化的功能仪器:本实验系统采用虚拟仪器将各种不同的仪器硬件连接到计算机上,运用计算机高速的软硬件资源,将计算机硬件和测量仪器等硬件资源与计算机软件资源有机结合起来完成特定的功能,利用该技术,可替代传统测量仪器,如频谱仪、示波器等。

(2)多学科技术交叉融合:测控技术是多学科技术交叉融合的典型技术,信息论、控制论、系统论是测控专业的理论基础,信息技术、测控技术、系统网络技术是测控专业的基本技术,多学科交叉与多系统集成是测控专业的显著特点。

(3)紧密联系实际,提高学生兴趣,随着生产技术的发展需要,测控技术从最初的控制单个设备到控制整个过程及系统,特别是在当今现代科技领域的尖端技术中,测控技术起着至关重要的作用。

(4)内容上由简到难、循序渐进:按照“基础原理验证性实验、设计性实验、综合性实验、创新性实验”的思路来逐步提高学生学习动手能力,让学生从原理到实际应用来逐步学习和认识,最后有机会进行创造性的综合实验。

(5)便于扩展:虚拟仪器的软硬件系统可以方便进行重新组合和设计,灵活运用。就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件升级即可改进整个系统。在利用最新技术的时候,把它们集成到现有的测量设备中,最终以极少的成本改进现有的实验设施。

3 虚拟测控实验系统整体内容

整个实验系统包括虚拟仪器软件和测控系统硬件。虚拟仪器采用LabVIEW图形化开发环境,具有界面友好、易于掌握、编程灵活、设计效率高等优点,硬件平台包括数据采集卡、各类实验用传感器、信号调理电路及各种相关实验器材。传感器的输出信号由数据采集卡采集,经由信号调理电路对信号进行放大和滤波,使其与数据采集卡中的A/D转换器相匹配并提供足够的驱动。另外,还包含驱动控制模块、电机,工业对象等,根据不同的实验内容,采用不同的工业模组,仿真工业测试环境,培养学生掌握测试测量和电机控制的实验技能,让学生在自由创新的空间形成正确的、科学的思想,测控系统总体框图如图1所示。

图1中的测控对象可以是运动机械对象,如伺服电机、步进电机等,可以是运动对象的位移、速度、加速度等参量,也可以是过程参数,传感器是检测装置,能感受被测量的信息,是自动检测和控制的首要环节,将待测参数值按一定规律变换成为电信号或其他信号输出;调理电路就是信息处理电路,将待测信号转化为标准电信号,以便数据采集卡或控制器接收,这部分既可作为传感器原理的一部分,也可作为信号处理的一部分;分析主要指采用LabVIEW提供的丰富的函数库,将数据采集到的标准数字信号,对其进行分析、处理;显示采用虚拟仪器图形化的软件面板替代常规的传统仪器面板,同样具有实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯及其他控制部件。

4 实验模块设计

4.1 运动控制实验模块设计

本实验采用TS-ICD-5A智能控制器,被控对象为1000线的伺服电机。开始实验之前,学生必须仔细阅读智能控制与驱动模块软硬件说明书,掌握电机控制线和电源线与控制器的连接方式,模拟量、数字量怎么接入控制器,驱动器的设置、运动编程、实际物理单位和以编码器表示的内部编程的计算机单位的转换、存储器映射等相关知识点,工程文件配置包含电机参数、编码器线数、控制模式以及相应控制参数信息,然后使用LabVIEW调用智能控制与数字伺服驱动模块动态链接库,可以检测各类电机参数,发送电机运动控制指令,读取编码器、I/O通道、AD通道的反馈,轻松实现电机的开环、半闭环、全闭环控制以及相关信号检测,编制LabVIEW程序,图2所示的运动控制虚拟面板为简单的电机控制实验前面板。

4.2 传感器实验模块设计

以测控电路原理实验和虚拟仪器仿真实验为主,结合理论知识,让学生自己动手搭建相对应的仪器与电路,使其扎实地掌握测控系统中涉及的基础知识点,以模块化工业对象为载体,设计了光电开关传感器、电涡流传感器、振动加速度传感器、振动速度传感器、磁电传感器等各种工业标准传感器实验。图3显示了本实验模块提供的一种磁电转速传感器测量原理。传感器实验模块以验证性实验为主,将工程测试与传感器、信号与系统、虚拟仪器等课程的教学与实验紧密结合,理论联系实际。

4.3 综合实验模块设计

在掌握以上的知识后,教师对现有对象提出新的设计思路或要求,让学生重新设计或改装实验对象,得到期望的实验结果。例如,学生可以整合运动控制实验和传感器实验的对象开发综合测控对象。锻炼三个方面的能力。(1)学习运动控制原理,伺服电机的调速特性,运动控制卡的接线,电机的各种参数设置,运动模式。(2)学习各种传感器的基本原理,实用范围,以及在各种测试条件下不同传感器的选型方法。(3)学习数据采集的相关知识,包含硬件连线和软件采集。

5 结束语

虚拟仪器技术论文篇6

关键词:虚拟仪器;热工基础;实验教学

中图分类号:G642.3 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)14-0267-02

一、虚拟仪器和虚拟实验国内应用现状

随着计算机科学和微电子技术的发展与普及,数字化测量平台逐渐成为测量仪器的基础。美国国家仪器公司于20世纪80年代中期提出了基于计算机技术的虚拟仪器概念,把虚拟测试技术带入了新的发展时期,虚拟仪器代表了仪器发展的一种新方向。虚拟仪器是以计算机为基础,利用模块化的功能硬件和应用软件来完成信号采集、数据测试分析、结果表达处理等众多功能,把传统仪器的专业化功能软件化,使之与PC机结合起来融为一体全新的仪器系统。在虚拟仪器系统中,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个系统中的关键,软件即是仪器。虚拟仪器的概念打破了传统的仪器由厂家定义、用户无法改变的局面,这样用户就可以根据自己的需求很灵活地定义、设计仪器系统,以满足各自的应用要求。与传统实验设备相比,虚拟仪器的优点表现在以下几个方面:①成本低。虚拟仪器的价格低廉,是传统仪器的20%左右。虚拟仪器的结构是基于软件体系的,不像传统仪器的硬件那样存在元器件老化及温度变化影响的问题,从而延长设备的使用寿命,也可以节省大笔的维护费用。②灵活性大。传统仪器系统自身封闭、功能固定、可扩展性差,功能和模块由生产厂家定义,而虚拟仪器可由用户自行定义功能模块,大大扩展了其灵活性。而且任何计算机技术的提升皆可及时提高虚拟仪器的功能。③数据处理功能强大。虚拟仪器可方便地对数据进行编辑、存储和打印,这是传统仪器无法做到的。④测量精确。传统仪器受系统误差的影响,不同仪器之间个体差异较大,而虚拟仪器在PC机上运行,测量误差很小。通过将虚拟仪器技术植入通用计算机平台上,使得使用者在操作这台计算机时,就像是在操作一台传统测试仪器一样。由于虚拟仪器技术采用可视化界面,数据采集过程全部由计算机控制,达到数显绘图同步,随时存贮、打印、调用、处理数据,调试过程简单、易掌握,直观性好、数据准确性高,重复利用率高等特点。若将虚拟技术借助学校网络平台,形成网上实验室,学生无论身处学校或校外任何地方,通过指定账户登录,均可方便地随时进行相关的真实的“虚拟实验”实践活动。

二、虚拟实验对实践教学的作用

目前不少高校正在积极开展实践教学的研究与探索。如何在以应用型人才培养为目标的本科院校开展有效的实践教学是每个专业需要认真研究的课题。当前在工科实验实践教学的开展过程中逐渐暴露出一些问题,如:①随着实践教学的开展,校内可利用的实验及实践场地不能满足不断增长的实践教学的需求,传统实验的拓展与改进受到限制。②受实验时间及设备数量等条件的限制,不能满足每个学生进行充分实验实践等等,实验教学往往没有很好地起到促进消化、强化和应用理论知识的作用。③理论课程与实验课程时间安排不协调问题,甚至出现实验课先于理论课程的现象,导致学生不能很好地将理论知识与实验实践有机结合起来。探索研究将基于虚拟仪器技术的“虚拟实验”搬入能源与环境专业课程教学的环节,在理论教学过程中导入“虚拟实验”的实践环节,增强理论知识与实际应用之间关系,同时是对实验教学环节的有效补充和引导,这对提高工科学生的实践能力,具有积极现实的意义。

三、热工基础虚拟实验改革内容、目标和拟解决关键问题

改革内容:主要以热工类课程包括工程热力学、流体力学、传热学等的实验教学为主要改革对象,研究将其中涉及的实验包括喷管实验、气体横掠单管试验、圆球稳态导热试验等进行“虚拟实验”开发。在单个热工虚拟实验的基础上,将原先必须在实验室完成的实验,建立以计算机为载体的热工虚拟实验室;建立网上热工基础虚拟实验室,教师可以在教学过程中利用虚拟实验室进行课题中的实验示范,增强教学印象和效果;学生可随时登录虚拟实验室,完成相应的实验操作,提交实验报告。改革目标:建立以计算机为载体的热工虚拟实验室;探索研究将基于虚拟仪器技术的“虚拟实验”搬入能源与环境专业课程教学的环节,在理论教学过程中导入“虚拟实验”的实践环节,增强理论知识与实际应用之间的联系,及时加深学生对理论知识的理解和应用,提高工科学生的实践能力。拟解决的关键问题:基于热工实验的特性,寻找合适的“虚拟实验”开发软、硬件,拟打算利用图形化编程软件LabVIEW,开发相关的热工实验,建立虚拟实验室,拟解决①校内可利用的实验及实践场地不能满足不断增长实践教学的需求,传统实验的拓展与改进受到限制;②受实验时间及设备数量等条件的限制,不能充分满足每个学生进行充分实验实践;③理论课程与实验课程时间安排不协调问题等问题。

四、具体实施方案、方法

将“虚拟实验”搬入专业教学的教研项目,总体上分三大步实施:第一步,完成适用于热工实验虚拟开发的软硬件设备的研究与选择;完成单个典型热工虚拟实验的开发(本项目研究部分);第二步,完成选定热工实验的虚拟开发,并逐步应用到实验教学环节和理论课程教学环节;第三步,完成网上虚拟实验室的研发与建立,部分或逐步代替传统的热工实验。选择美国仪器公司基于C语言开发的图形化编程平台LabVIEW为开发软件,以圆球稳态导热试验的虚拟实验开发为对象,进行热工实验虚拟开发的软硬件设备的研究,建立单个典型热工虚拟实验的开发的基本程序和范例,具体实施方法与过程如下:①以实际圆球稳态导热试验为基础,建立传热数学模型。为了使虚拟实验更接近于实际设备的实验结果,根据在实际设备上获得的实验数据,以稳态导热基本理论为基础,结合实验数据进行修正,并通过origin等拟合软件对实验曲线进行拟合,得到测定材料导热系数随材料平均温度变化的数学模型;得到在某一初始温度和加热功率下,材料热面和冷面温度随时间变化的数学模型。②建立虚拟实验操作界面。利用LabVIEW自定义控件的功能,制作自定义阀门控件,使虚拟实验能更直观、更形象地模拟实际设备的操作过程,使LabVIEW的操作界面更接近于实验设备。③开发实验数据分析和报告生成功能。在LabVIEW中加载LabVIEW报告生成工具包,将虚拟实验的数据和图表导出到自定义格式的文档中,并将文档制作成可对实验数据和图表进行分析的模式,并完成实验报告。

五、成果和与创新之处

虚拟仪器技术论文篇7

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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虚拟仪器技术论文篇8

一、虚拟仪器的发展和结构组成

电子仪器的发展,一共经历了四个重要阶段:模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。前三个阶段的发展实际上是为第四阶段的发展奠定坚实的基础。第四代虚拟仪器,是通信技术、测试技术和计算机技术相结合的产物,三门学科最新技术的结晶,融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体。虚拟仪器的产生是仪器发展史上一次大的革新。虚拟仪器是指将一些比较灵活高效的软件和一些性能较高的硬件结合起来,将其应用在各个领域中对各项参数进行测试和调节、控制等的一个应用性很强的平台。一般来说,完整的虚拟仪器系统中有三部分的组成结构,一部分是电子计算机,一部分是仪器软件,最后一部分是仪器硬件。在电子计算机和大型集成电路高速发展的今天,相比较传统仪器,虚拟仪器得到了飞跃发展。在基本硬件的支持下,虚拟仪器可以利用电子计算机合理的调用相应的高级软件模块来完成数据的采集、控制、分析、处理以及结果的存储和显示。与传统仪器相比,虚拟仪器具有成本低、性能高、扩展性强、开发时间短以及出色的集成这五大优势。基于此,本文对虚拟仪器的发展及在化学工程领域中的应用进行了探究,为其未来的发展提供参考依据。

二、虚拟仪器的技术支撑和特点

硬件是虚拟仪器的基础,软件是虚拟仪器的核心。计算机主要完成数据处理和结果显示。硬件接口电路主要完成被测输入信号的采集、放大、模/ 数转换。根据构成虚拟仪器的接口总线不同,主要分为基于通用接口总线GPIB 的仪器系统、基于数据采集卡的虚拟仪器系统、基于VXI 总线仪器实现虚拟仪器系统、基于PXI 总线仪器实现虚拟仪器系统、基于串行口仪器的虚拟仪器系统和基于现场总线设备的虚拟仪器系统等类型。软件可定义仪器的功能图。虚拟仪器系统的软件结构从底到顶层分为仪器I/O 接口软件、驱动程序和应用软件3 个层次。

虚拟仪器作为新型的仪器种类,主要具有以下几个特点:首先,技术和接口技术,具有方便、灵活的互联性,可方便地同外设、网络及其它应用连接。其次,开放式体系结构,缩短系统开发周期。虚拟仪器开放性构成方式,使其具有灵活性和功能的可重构性,可使用户提高重复利用率,缩短系统组建时间,降低开发费用。最后,“软件就是仪器”,仪器功能由用户定义。虚拟仪器系统中,软件是整个仪器的关键,用户可以根据自己需要定义仪器的功能,通过修改软件,很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模,打破了传统仪器有厂家定义、用户无法改变的模式。

三、虚拟仪器在化学工程领域中的应用

虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件,结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助客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用的需求。这也正是NI近30年来始终引领测试测量行业发展趋势的原因所在。它在化学工程领域的应用有以下几方面:

虚拟仪器可以应用在化工过程控制领域中、是由化工领域中以及化学工程模拟领域中。虚拟仪器可以对化学反映系统中的各个参数进行实时的检测,还能通过参数的检测来调整和控制各项参数,以更好地确保化学反应的正常进行。在化工过程控制领域中的应用有很多,例如,东南大学的王晓等人通过基于labview开发平台的虚拟仪器开发了换热器试验装置测控系统,这个系统有很多功能,包括对各项参数的检测、记录,同时还能对这些参数进行分析和调节,基于此,应该加强对该系统的研究和推广,使其在更多的领域得到应用。石油化工领域中也经常需要运用到虚拟仪器,通常是将计算机技术和虚拟仪器结合在一起进行应用。在这方面的应用实例有:通过虚拟仪器,对石油管道的压力进行监测,来判断石油管道在运行过程中会否出现泄漏现象。化学工程模拟,实际上是通过建立化工过程的一系列数学模型,然后根据标准的条件要求以及各项参数,利用计算机,对这些模型进行计算,并根据计算的结构模拟出整个化工过程中所发生的行为。在化工领域中,如果要使用一种新的仪器或者是使用一项新的工艺,需要先依靠计算机对这些仪器或者工艺进行模拟,得到一系列数据,并鉴定其可靠性。虚拟仪器在化学工程领域中的应用,使得整个过程的各项参数判断更加具体和直观,有利于判断其对于工程的影响。这方面的应用实例也有很多,例如,新疆大学的付志新等人开发出了一套基于全混流反应器的模拟系统,并且模拟计算了其中的不可逆的放热反应。

五、虚拟仪器的发展趋势和光明前景

虚拟仪器还可广泛应用于航天航空、军事工程、汽车、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗等很多需要高性能测控设备进行科学分析的场合。例如,利用虚拟仪器系统可以开发复杂的汽车驾驶室模拟仿真系统,汽车ABS 传感器功能测试系统;可以测试飞机飞行过程中的噪音,进行飞机发动机测试,飞行控制系统测试;可以用于电力参数的测试,构建电力测量控制系统;可以用于开发内燃机测试系统,等等。

自从虚拟仪器出现以来,其技术也不断发展和成熟,逐渐向着图形化这一开发平台中的更强适应性、更高级别的硬件模块以及更符合标准的驱动程序等方向发展,而该平台自身的不断完善和发展也是促进虚拟仪器技术不断发展和提高的重要保证。同时,怎样缩短用户的学习时间和学习量,就能确保其进行具有强大功能虚拟仪器的使用,怎样让用户轻易地对该模拟系统中得到的结果进行判断,或者如何确保用户采用一些系统构成比较简洁的虚拟仪器来对复杂的内容进行测试,都是虚拟仪器在未来的发展中需要解决的问题。

结束语:

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