導語：虛擬儀器電子實驗室的設計及實現一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:為提高電子實驗室的使用質量及效率，對電子實驗室進行設計。在對電子實驗室現狀進行分析的基礎上，詳細闡述了虛擬儀器電子實驗室的整體結構，以及基本硬件電路和軟件程序的實現路徑，硬件部分通過PCI總線同計算機相連。通過在電子實驗室引入虛擬儀器技術，實現了對實驗環境的有效模擬以及電子測量中電路設計和相關實驗仿真，在提高學生實踐能力的同時節約了教育資金。

關鍵詞:虛擬儀器;虛擬環境;開放型虛擬電子實驗室;電路設計

隨著各行業及高校對學生實踐能力重視程度不斷提高，各高校尤其是工科類院校教學計劃中的實踐教學占比不斷提高，意在通過實踐與理論的有效結合，全面提升學生的綜合能力。實踐教學在提高實踐創新能力方面發揮著重要作用，目前在提高實驗室實驗質量及效率的同時降低投入成本成為高校建設與改革實驗、實訓室的主要目標。快速發展完善的計算機技術及儀器儀表技術，促使傳統儀器向虛擬儀器發展，通過引入虛擬儀器技術及平臺完成虛擬儀器電子實驗室教學系統的設計與應用，已成為高校改革和完善實驗、實訓教學工作的有效手段，建設虛擬儀器電子實驗室的重點在于對構成虛擬儀器設備進行充分運用。

1需求分析

隨著高校招生規模的不斷擴大以及各專業對實驗實訓需求的不斷提高，作為高校教學及課題研究的重要場所，實驗室教學過程對相關測試儀器及設備等的質量及數量要求隨之增加，而通常實驗儀器設備的使用及維護管理成本較高，并且部分設備技術更新速度較快，導致部分高校實驗室硬件資源緊缺問題日益突出。快速發展的虛擬現實技術為電子測量、設計、實驗等領域創新發展提供了技術支撐，在數據存儲、分析及顯示方面虛擬儀器技術具備較大的優勢，虛擬儀器技術通過計算機與儀器硬件間的有效結合，實現了計算機數據處理同現場測量、控制儀器硬件功能的有效結合，在提高儀器性能的同時降低了儀器使用成本，此種儀器模式具備優越的性價比，受到各高校實驗室的青睞，在改造、建設高校實驗室過程中通過虛擬儀器技術的應用可使實驗室的使用及維護成本得到顯著降低。基于虛擬儀器的電子實驗室通過相關軟件的優化與完善，可有效提高高校實驗教學質量［1］。

2虛擬電子實驗室的構建

當前虛擬電子實驗室在實際教育教學應用過程中有待進一步完善。高校實驗室普遍存在儀器設備陳舊老化(導致參數發生較大變化)的問題，因受到資金、管理水平等的限制而難以及時更新，傳統的實驗教學模式受實驗室質量的影響限制了實驗教學作用的充分發揮，不利于提高學生的自主實踐學習能力，難以滿足應用型人才的培養需求。本文主要以實踐性較強的電路分析課程作為研究對象，通過設計一種虛擬儀器電子實驗室實現利用已有實驗設備完成相關實驗操作，進而幫助學生驗證電路原理、鞏固理論知識。實驗過程中的常見問題主要包括:因元器件燒壞影響了實驗的正常進行;學生在連接電路操作上花費時間較多，注重得到正確的實驗數據而忽視了對電路的分析;實驗所用元件因參數離散程度較高，導致實驗數據結果出現較大的偏差，降低了儀器測量的準確度，無法獲得相應結論。根據電子實驗室建設及使用需求，利用虛擬儀器技術完成虛擬電子實驗室的設計，使課程實驗及電路設計的教學需求得到有效滿足［2］。虛擬電子實驗室可有效彌補傳統實驗室的不足，提高實踐教學效率和質量，通過建立一種新的實驗教學方法，將實驗內容與理論緊密聯系起來，幫助學生掌握實物實驗操作過程及仿真軟件技術，具體分解、分析實驗過程，同課堂理論教學內容有效銜接。針對具體實驗內容，通過虛擬環境完成動態模擬分析過程。虛擬電子實驗室在實現不同實驗測試流程時，可以教學實驗內容為依據，結合PC機和虛擬儀器技術完成對應測量儀器的設計。虛擬電子實驗室的總體架構示意圖如圖1所示。EDA(電子設計自動化)系統實驗部分的硬件電路設計主要通過使用仿真軟件完成，通過系統仿真完成測試過程;電子測量試驗的虛擬儀器界面的搭建主要通過運用計算機軟件和外圍硬件電路完成，相關數據由傳感器完成采集與測量，經分析獲取相應的數據和波形，提交和生成實驗報告［3］。

3開放型虛擬電子實驗室的實現

3．1虛擬儀器的應用。虛擬儀器可實現傳統儀器功能的虛擬技術，虛擬儀器作為一種新型儀器，正是通過綜合運用相應硬件及專用軟件實現了傳統儀器的功能，具備易操作、靈活方便等優勢，虛擬儀器基本結構如圖2所示，硬件電路模塊的主要功能包括對外部模擬信號進行檢測(使用傳感器完成)，完成檢測信號到對應電信號的轉換，并對信號進行進一步檢測(使用信號檢測電路完成)，然后使用數據采集卡將經放大、濾波處理得到的可用電信號的數據信息進行A/D轉換、采集和處理。軟件部分主要包括虛擬示波器及驅動硬件電路工作的驅動程序設計，信號采集驅動程序如圖3所示，通過PCI總線的接口電路實現同PC機間的數據通信［4］。使用虛擬軟件圖形完成對虛擬界面的設計，通過設置相關參數(使用圖形化編程語言完成)實現對虛擬儀器的控制過程，并在此基礎上完成實驗處理過程。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現，圖4為相應的數據變化及處理過程。運用電子實驗室提供的基本設備(如發生器、示波器等)對儀器進行調試，避免因儀器精度不準而導致的實驗數據誤差，節約實驗室建設及使用成本［5］。3．2虛擬實驗室通信功能的實現。開放型虛擬電子實驗室通過網絡完成實驗動態數據的獲取以及控制信號到服務器的傳送，虛擬電子實驗室信號處理過程示意圖如圖5所示，該處理過程要求服務器具備多線程狀態及較高的計算能力。實驗硬件可位于遠端，用于分析和處理數據的軟件則在客戶服務器端運行，通過此種方式實現了使用客戶端網頁對遠程教師服務器的實時控制，經客戶端分析后的實驗數據可根據實際需要生成實驗報告并提交給教師服務器，完成遠程實驗操作［6］。基于虛擬儀器的電子實驗室實現了大量高額的硬件資源的共享(包括具體的測量數據)，使實驗室面臨的實驗設備短缺問題得以有效解決，在顯著提高硬件實驗儀器利用率的同時降低實驗室的綜合成本。該電子實驗室支持相關數據及實驗分析結果的遠程采集和上傳，本文通過使用DataSocket技術實現了虛擬電子實驗室的遠程數據采集和實時，支持數據在不同客戶機應用軟件間的共享，該技術主要由DataSocket服務器及服務管理器構成。作為一種獨立運行的程序，DataSocket服務器主要對不同權限客戶端間的數據交換過程進行管理，提供自由的數據傳輸功能，通過優化和管理TCP/IP實現了對Internet通信方式的有效簡化，可對各種類型的數據進行直接傳送(由客戶端采集)。服務管理器主要負責對用戶的權限、服務器最多客戶機可連接數量進行設置，完成用戶和用戶組的創建。DataSocket服務器能夠實現實驗儀器的遠程共享。只有授予權限的用戶才能進行實驗，選擇完對應實驗后，按下開始實驗按鈕即可進入各參數測量環節，實現基本錄入、實驗參數設置、數據顯示及存儲等功能［7］。

4虛擬儀器在電路分析實驗中的應用

理論性較強的電路分析課程包含了大量的定理、電路分析方法和概念，不利于學生的理解，需通過虛擬實驗鞏固學生對理論知識的理解，采用測量儀器搭建電路，獲取所需實驗數據及對應分析結果。利用虛擬儀器電子實驗室完成電路分析實驗，實現對實驗過程方便、直觀的演示，可有效縮短搭建實驗電路所需時間，在完成數據測量的同時幫助學生掌握電路的結構、工作原理及相關問題，在已配備相應計算機的電路分析實驗室安裝Multisim虛擬仿真軟件，實驗的整個操作過程包括組裝電路并對電路進行測試，對比實際數據結果(物理硬件電路)和實驗仿真測試結果，分析引起數據誤差的原因，幫助學生完成電路仿真設計實驗，對電路實驗深入理解。教師可設置電路故障，引導學生完成電路故障的排查，以便更好地掌握相關知識，提高學生的實驗操作能力。電子實驗室將更高質量的實驗平臺提供給電氣及相關專業學生使用，通過硬件資源共享有效擴展了傳統實驗儀器的使用范圍，顯著提高了硬件儀器使用率，使用虛擬儀器技術縮短了實驗室的構建周期，提升了實驗室系統的可擴展性，并且可異地在線檢測和遠程控制，學生可根據所需掌握的知識訪問該實驗室的硬件資源，自主選擇實驗內容，設計實驗方案，進行獨立分析并解決實際問題，從而提高綜合運用所學知識的能力［8］。

5結束語

目前隨著高校招生規模的擴大，實驗室包括實驗儀器在內的硬件資源在數量和質量上普遍難以滿足需求，在開展以學生為主體的教學模式過程中，通過創建虛擬電子實驗室能夠為學生提供良好的實驗環境，進而提高其綜合設計能力及實踐動手能力。本文完成了基于虛擬儀器的電子實驗室的開發，實現了開放性實驗室的虛擬實驗功能，學生借助虛擬環境完成包括綜合電路設計與分析等在內的實驗操作過程，在降低實驗室使用成本的同時顯著提升了電子實驗室的使用質量及效率，該虛擬儀器具備較好的開放性及可擴展性，通過網絡即可實現遠程在線及控制功能，可有效緩解高校硬件緊張的問題，完成實驗室硬件設備的訪問及實驗任務操作，提高學生的科研和動手能力。

參考文獻:

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［6］張磊．基于虛擬儀器的便攜式多功能綜合電子實驗平臺的設計［J］．科學技術創新，2020(3):102－103．

［7］張英，周濤．遠程電子虛擬培訓系統研究與開發［J］．中國教育技術裝備，2018(9):26－27，33．

［8］劉云朋，李鴻征．基于虛擬儀器技術的USB數字電路實驗系統設計［J］．實驗技術與管理，2018(1):129－133．

作者:劉娜 單位:西安航空職業技術學院計算機工程學院