【正文】 信息實(shí)驗(yàn)教學(xué)中占有非常重要的地位， 是提高學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)造能力和綜合素質(zhì)的一個(gè)有效的手段。很多學(xué)科都是以實(shí)驗(yàn)課程為基礎(chǔ)的，缺少了實(shí)驗(yàn)的支持，學(xué)科的教學(xué)和科研活動(dòng)就無(wú)法進(jìn)行。學(xué)生只有通過(guò)足夠的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)才能加深理解和掌握所學(xué)的 理論 知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)，也只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)，才能將理論與實(shí)踐很好地結(jié)合起來(lái)。二是電子信息技術(shù)作為新的支柱產(chǎn)業(yè)，發(fā)展非常迅速，技術(shù)更新快，導(dǎo)致高校的課程特別是實(shí)驗(yàn)課程往往落后于技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。國(guó)內(nèi)高校傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中暴露出的無(wú)實(shí)驗(yàn)?zāi)M功能、輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能等種種弊端。 與 時(shí)俱進(jìn)地開(kāi)發(fā)出虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和 創(chuàng)新 意識(shí)的目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)高校電子信息類(lèi)實(shí)驗(yàn)大多采用各門(mén)課程的實(shí)驗(yàn)箱和傳統(tǒng)儀器搭建起來(lái)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，傳統(tǒng)儀器和實(shí)驗(yàn)箱是功能固定且單一，通常只能作一些演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展和資源共享。電子信息類(lèi)教學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀器儀表為：函數(shù)發(fā)生器、示波器、 萬(wàn) 用表及各種專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。 虛擬儀器的基本概念 虛擬儀器 (Virtual Instrument，簡(jiǎn)稱(chēng) VI)是在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融為一體，利用 計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，從而完成各種測(cè)試功能的儀器系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)在虛擬儀器中處于核心地位，計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和測(cè)試系統(tǒng) 更 緊密地結(jié)合成 了 一個(gè)有機(jī)整體，儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等都發(fā)生了突破性的變化。從構(gòu)成上來(lái)說(shuō)，虛擬儀器就是利用計(jì)算機(jī)，配上相應(yīng)的硬件和專(zhuān)用軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能的新型儀器。它將計(jì)算機(jī)采集測(cè)試海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 4 頁(yè) 共 31 頁(yè) 分析引入到電子測(cè)量領(lǐng)域，用數(shù)字化和軟件技術(shù)極大地提高了測(cè)試的靈活性和可擴(kuò)充性 。 虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器的基本構(gòu)成包括計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件、硬件 接口模塊等 ，軟件是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。 虛擬儀器應(yīng)用軟件集成了 儀器 的所有采集、控制、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果輸出和用戶(hù)界 面 等功能，使傳統(tǒng)儀器的某些 硬件 乃至整個(gè)儀器都被計(jì)算機(jī)軟件所代替 。用 戶(hù)可以根掘自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿(mǎn)足多種多樣的 應(yīng)用要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以人大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)掘的處理、表達(dá)、傳遞、儲(chǔ)存等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的效果。 虛擬儀器可廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。 [2] 虛擬儀器的特點(diǎn) 虛擬儀器利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的 圖形環(huán)境功能，建立界 面 友好的虛擬儀器面板 (即軟面板 )，用戶(hù)通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)操作虛擬儀器就 像 操作傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器一樣。完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)生成。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)在于用戶(hù)自定義儀器功能、結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易，轉(zhuǎn)換靈活以及其 開(kāi) 放性。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具備的特點(diǎn)的根本原因在于：虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件。其主要優(yōu)點(diǎn)歸納如下 ： [3][4] 打破了傳統(tǒng)儀器的功能概念，由計(jì)算機(jī)完成信號(hào)的分析、顯示、存儲(chǔ)、打 印等功能。由于充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，完善了數(shù)據(jù)的傳輸、交換等性能 ，提高了系統(tǒng)使用的靈活性，可以滿(mǎn)足綜合性的要求。 強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器 ” 的新概念，軟件在儀器中代替由硬件甚至整機(jī)實(shí)現(xiàn)的角色。由于減少了許多隨時(shí)間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使系統(tǒng)的測(cè)量精度，測(cè)量速度和 可 重復(fù)性都 大大 提高。 儀器由用戶(hù)自己定義，系統(tǒng)的功能、規(guī)模等均可通過(guò)軟件修改、增減，強(qiáng)調(diào)在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)軟件和軟面板，把由廠家定義的傳統(tǒng)儀器轉(zhuǎn)海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 5 頁(yè) 共 31 頁(yè) 變?yōu)橛捎脩?hù)定義的、由計(jì)算機(jī)軟件和幾種模塊組成的專(zhuān)用儀器。虛擬儀器的出現(xiàn)，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶(hù)無(wú)法改變的 模式，給了用戶(hù)一個(gè)充分發(fā)揮自己能力和想象力的空問(wèn)。 虛擬儀器的 開(kāi) 放性和功能軟件的模塊化，使資源的可重復(fù)利用率提高，系統(tǒng)組建時(shí)間縮短，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，使用簡(jiǎn)便，軟 /硬件生產(chǎn)、維護(hù)和開(kāi)發(fā)的費(fèi)用降低。虛擬儀器既可以作為單臺(tái)測(cè)試儀器使用，又可以構(gòu)成較為復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，甚至通過(guò)高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成分布式測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷。 海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 6 頁(yè) 共 31 頁(yè) 第 2章 虛擬實(shí)驗(yàn)室基本系統(tǒng)概述 研究虛擬實(shí)驗(yàn)室的意義 實(shí)驗(yàn)對(duì)于學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)、學(xué)習(xí)興趣激發(fā)、理論 知識(shí)理解的作用是純理論教學(xué)所不能替代的。 像 《電路基礎(chǔ)》、《高頻電子》、《電子線路》 等，學(xué)生只有通過(guò)足夠多高質(zhì)量的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和一定數(shù)量的綜合性實(shí)驗(yàn)，給予同學(xué)足夠的感性認(rèn)識(shí)，才能真正理解和掌握該學(xué)科的理論知識(shí)，提高動(dòng)手實(shí)踐能力，培養(yǎng)分析問(wèn)題的能力。隨著招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大 ， 國(guó)內(nèi)普通高等院校實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往比較陳舊 ， 不能及時(shí)更新 ， 從而無(wú)法跟上教育的飛速發(fā)展。虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)則主要依賴(lài)于軟件和較少的配套硬件 ， 使實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)費(fèi)用和工作量大大降低。 LabVIEW 作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的代表 ， 可以利用 Inter 進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布 ， 實(shí)現(xiàn)了資源共享 ， 避免了儀器重復(fù)添置 ， 滿(mǎn)足了用戶(hù)不再受時(shí)間、地點(diǎn)限制進(jìn)行 遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)合作 ， 提高了用戶(hù)的學(xué)習(xí)效果。 真正體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)“軟件就足儀器” ，“ 一臺(tái)計(jì)算機(jī)就是一個(gè)虛擬電子實(shí)驗(yàn)室”的特殊優(yōu)勢(shì) 。 [5] 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的弊端 目前 ，許多 高等工科院校仍沿用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法 ， 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重于理論驗(yàn)證和模仿訓(xùn)練 ， 缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)和綜合能力的提高。滯后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和死板的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性 ， 實(shí)驗(yàn)教學(xué)處于應(yīng)試教育 。以往的工業(yè)生產(chǎn)以及教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，傳統(tǒng)電子儀器起著 主導(dǎo)作用。但是傳統(tǒng)電子儀器有其本身的不足之處。傳統(tǒng)電子儀器主要由三部分構(gòu)成：即對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集與控制、分析 與處理、測(cè)量結(jié)果的表達(dá)與存儲(chǔ)。傳統(tǒng)電子儀器的這些功能 塊大多是以硬件或者固化的軟件的形式存在的，因此具有以下幾個(gè)方面 的弱點(diǎn) ： (1)成本高、技術(shù)更新慢 。 傳統(tǒng)電子儀器價(jià)格比較昂貴，動(dòng)輒幾萬(wàn)人民幣。研發(fā)周期長(zhǎng)，技術(shù)更新慢，使用當(dāng)中存在元器件老化等問(wèn)題，從而導(dǎo)致 工 作狀態(tài)不穩(wěn)定， 日常 常維護(hù)費(fèi)用較高，技術(shù)難度大，使用壽命短。 (2)數(shù)據(jù)顯示、分析和存儲(chǔ)功能不夠強(qiáng)大 。 傳統(tǒng)電子儀器的圖形 顯示界面比 較海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁(yè) 共 31 頁(yè) 小，依靠人工讀取數(shù)據(jù)，誤差因觀察者的實(shí)驗(yàn)方法而不同，并且從中獲 得的信息量小。 另外由于硬件設(shè)備的限制，往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)更靈活、更特殊 、更 準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析功能，也難以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)編輯、存儲(chǔ)和打印等功能。 (3)靈活性和可擴(kuò)展性差 。 傳統(tǒng)電子儀器具有固定的用戶(hù)界面、組成模塊和數(shù)據(jù)處理功能。獨(dú)立儀器只有一塊儀器面板，例如。示波器只有示波器面板，頻譜儀也只有頻譜儀的面板。用戶(hù)有時(shí)只需要用到儀器巾的一小部分功能。而在用到其他功能時(shí)卻達(dá)不 到 所需指標(biāo)，如信號(hào)的頻率受制于實(shí)際元器件的限制。用戶(hù)無(wú)法改動(dòng)廠家同定好的儀器模塊，靈活性和可擴(kuò)展性差。 (4)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率低 。 高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)設(shè)備數(shù)量有限，特別是一些貴重儀器，要做到學(xué)生與設(shè)備一對(duì)一配套是不現(xiàn)實(shí)的。在 傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室 中，一般會(huì)將學(xué)生分為若干小組，以組為單位作實(shí)驗(yàn)，使部分同學(xué)難以全部參與和投入，沒(méi)能充分了解和掌握實(shí)驗(yàn)全過(guò)程。 (5)實(shí)驗(yàn)信息管理混亂 。 實(shí)驗(yàn)信息，特別是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和查詢(xún)是 實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要內(nèi)容。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，學(xué)生靠手工記錄和分析數(shù)據(jù)。存在的 問(wèn) 題是：第一，記錄時(shí)人為誤差較大；第二，不便于保存、查詢(xún)和整理。 (6)實(shí)驗(yàn)教師工作繁雜 。 實(shí)驗(yàn)報(bào)告的評(píng)閱，典型 問(wèn) 題的解答與數(shù)據(jù)核對(duì)，包含大量的重復(fù)性 工作，給指導(dǎo)教師帶來(lái)很多 不必要的 勞動(dòng)，精力很難集中在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。 如何更合理地配置教育資源，解決好資金 投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾，是學(xué)校開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教育經(jīng)常需要考慮而又是傷腦筋的問(wèn)題。 虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)點(diǎn) 虛擬儀器在靈活性、性?xún)r(jià)比、用戶(hù)化等方面。有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。是傳統(tǒng)儀器無(wú)法媲美的。 把虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中 ,對(duì)于促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著廣泛的優(yōu)勢(shì) [ 4 ] 。 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： [5][6][7] （ 1） 成本低 。 虛擬儀器的開(kāi)發(fā)維護(hù)成本低，系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)間短。只需通過(guò)增加軟件模塊或者通用硬件模塊來(lái)增添新的測(cè)量功能，縮短了系統(tǒng)的更新時(shí)間，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。另外，虛擬儀器的結(jié)構(gòu)是基 于 軟件體系的，不像傳統(tǒng)儀器的 硬件那樣存在 元 器件老化及溫度變化影響的問(wèn)題，可以節(jié)省大筆的維護(hù)費(fèi)用，從而延海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁(yè) 共 31 頁(yè) 長(zhǎng)設(shè)各的使用壽命。低廉的開(kāi)發(fā)成本使虛擬儀器有著雄厚的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。預(yù)計(jì)虛擬儀器價(jià)格儀是傳統(tǒng)儀器的 1/5 到 1/10。 （ 2） 靈活性大 。 傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)自身封閉、功能同定、可擴(kuò)展性差，功能和模塊由生產(chǎn)廠家定義，而虛擬 實(shí)驗(yàn)室中的虛擬 儀器 可 由用戶(hù)自 行定義功能模塊，大大擴(kuò)展了其靈活性。 （ 3）自 定義強(qiáng) 。 在 同 一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，通過(guò)操作者的不同的定義，可以 虛擬出不同的儀器，各儀器之間 還可以通過(guò)不 不同 的窗口進(jìn)行切換，因此實(shí)驗(yàn)室無(wú)需配備各利，傳統(tǒng)儀器，可以通過(guò)軟 件設(shè)計(jì)使虛擬儀器和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不斷更新。學(xué)生在計(jì)算機(jī)上操縱各種虛擬儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就如同是在操作傳統(tǒng)儀器一樣有效，與在真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)做出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一樣的。這樣，使用基于虛擬儀器系統(tǒng)的虛擬實(shí)驗(yàn) 室 來(lái)代管實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，能很好地解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)的矛盾，而且又符合現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展方向。 （ 4） 數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大 。 計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的日益提高，使得虛擬儀器處理 數(shù)據(jù)的過(guò)程非 常快速，數(shù)字信號(hào)處理理淪的成熟發(fā)展使得數(shù)據(jù)處理過(guò)程更為可信、精確。傳統(tǒng)儀器無(wú)法實(shí)現(xiàn)編輯數(shù)據(jù)的功能，而虛擬儀器可方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯、存儲(chǔ)和打印。 （ 5） 軟硬件接口多 。 傳統(tǒng)儀器與其它儀器設(shè)備的連接十分有限，而虛擬儀器在普通 PC 機(jī)上就可 實(shí)現(xiàn)，可方便的與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)及多種儀器連接，借