虛擬實(shí)驗(yàn)室的虛擬儀器開發(fā)

摘要： 虛擬儀器在很多行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用，而基于虛擬儀器的虛擬實(shí)驗(yàn)室和被越來越多的高校所采用，在很大程度上提高了教學(xué)質(zhì)量，節(jié)約了成本，本文以電路過渡過程監(jiān)測(cè)儀的開發(fā)為例，揭示了虛擬儀器和虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)過程中的問題和解決方式。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器；虛擬實(shí)驗(yàn)室；LabVIEW；電路過渡過程監(jiān)測(cè)儀

虛擬儀器

虛擬儀器的出現(xiàn)是測(cè)量儀器發(fā)展史上的一場(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。它充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(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?！败浖词莾x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，目前開發(fā)環(huán)境主要有兩類：一類是文本語言，如C、C++、LabWindows /CVI等等；另一類是圖形語言，如NI公司的LabVIEW和HP公司的VEE等等。由于圖形語言開發(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)語言方面沒有很多經(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)等都成功的開設(shè)了虛擬儀器的相關(guān)課程并開發(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)短缺的問題。

設(shè)計(jì)實(shí)例：電路過渡過程監(jiān)測(cè)儀

由于開發(fā)過程中實(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渡過程是否發(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?！巴Ｖ贡O(jiān)測(cè)”開關(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102，說明參數(shù)設(shè)置不合理，就需要停止監(jiān)測(cè)?？梢酝ㄟ^單擊“工作狀態(tài)”按鈕，進(jìn)行“監(jiān)測(cè)/回放”狀態(tài)的切換。過渡過程波形顯示設(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)?？梢栽诠鈽?biāo)移動(dòng)使能控制和光標(biāo)拖動(dòng)控制都開放的情況下，用鼠標(biāo)直接在光標(biāo)上拖動(dòng)從而改變光標(biāo)的位置。

圖1  電路過渡過程監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)面板

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)、過渡過程發(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)的過渡過程，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。

圖2 電路過渡過程監(jiān)測(cè)儀的工作流程

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來實(shí)現(xiàn)，采集程序的模型如圖3所示。

圖3 電路過渡過程監(jiān)測(cè)儀連續(xù)采集示意圖

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，完全不能通過的帶阻，并且從帶通到帶阻的過渡帶寬為零，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)過渡過程。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)，通過這些參數(shù)最好的模擬實(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)處理中最重要的一項(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，通過軟件很難解決，最后的實(shí)驗(yàn)我們通過硬件方法有效的改善了波形。使用電路過渡過程監(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?。?000000；處理速度：500；報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)：0.10；過渡過程發(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。在電路過渡過程觀測(cè)中的其他設(shè)定參數(shù)如表3所示。

結(jié)語

通過對(duì)電路過渡過程監(jiān)測(cè)儀開發(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)完全新的系統(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)高效的開發(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)而可以通過校園網(wǎng)形成網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。開發(fā)過程中，需要有經(jīng)驗(yàn)的老師和同學(xué)解決虛擬實(shí)驗(yàn)中的問題。

當(dāng)然，在使用虛擬儀器實(shí)驗(yàn)的過程中，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發(fā)過程中，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)合的方式來實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的優(yōu)化。

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