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儀器儀表在智能型試驗室架構(gòu)構(gòu)建的運用

[2011/10/10]

　　1由于現(xiàn)代電子技術(shù)實驗及實驗技術(shù)在電子技術(shù)教學(xué)、實驗教學(xué)方面的重要作用，對拓寬學(xué)員的知識面和動手能力大有益處，開設(shè)這方面的內(nèi)容很有必要，但是，因為現(xiàn)代電子技術(shù)實驗所需設(shè)備昂貴、占地面積大，甚至還有一定的安全風(fēng)險，儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能看清楚等原因，不能配備到實驗室中，用計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以彌補上述不足。虛擬現(xiàn)代電子技術(shù)實驗室，不僅可以用來預(yù)習(xí)、模擬訓(xùn)練，還可以直接用鼠標(biāo)來做實驗，在空間和時間上均得到了有效延伸，是傳統(tǒng)實驗方式的有效補充和完善。

　　2設(shè)計原則及功能

　　2.1系統(tǒng)設(shè)計原則

　　1)系統(tǒng)的可靠性和安全性網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用高性能、高可靠性且技術(shù)先進的設(shè)備，以保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

　　2)系統(tǒng)的先進性和實用性系統(tǒng)可在局域網(wǎng)內(nèi)部使用，也支持遠程客戶，并可作為網(wǎng)上的站點，適合集中或分散教學(xué)。

　　3)系統(tǒng)的可擴充性系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮到將來學(xué)科的發(fā)展趨勢及新內(nèi)容的加入，預(yù)留接口。

　　4)系統(tǒng)的易操作性有較好的靈活性和友好性，方便用戶使用。

　　2.2系統(tǒng)功能

　　虛擬實驗室的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)包含四個模塊：

　　實驗指南：指南包括信號分析與處理理論的學(xué)習(xí)，實驗預(yù)習(xí)，實驗演示三部分。學(xué)生在上課前能夠初步掌握實驗要求、步驟、注意事項。實驗演示是對實驗的原理、背景知識、實驗過程的動態(tài)演示，達到先學(xué)習(xí)，再作實驗的目的。

　　實驗預(yù)約：預(yù)約部分是為實驗室全面開放而服務(wù)，適用于所有高校的實驗教學(xué)。通過實驗預(yù)約可以科學(xué)地調(diào)度實驗室，合理地分配實驗內(nèi)容，避免學(xué)員來實驗室后沒有場地、沒有設(shè)備的情況發(fā)生。

　　學(xué)生園地：園地是以BBS的形式開展教師和學(xué)生、學(xué)生和學(xué)生之間的交流、討論，學(xué)生無論是在實驗室，還是在其它地方，遇到問題便可在網(wǎng)上提交。

　　虛擬實驗：該功能模塊是系統(tǒng)的核心部分。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實驗一般因?qū)嶒炇业目臻g、實驗儀器的組數(shù)、實驗指導(dǎo)教員數(shù)量等因素限制，F(xiàn)代電子技術(shù)虛擬實驗室不受場地的限制，因而在不同終端上可同時進行相同或不同的虛擬實驗，增加受訓(xùn)人員的實驗有效時數(shù)，提高了效率，是傳統(tǒng)實驗的有效補充和完善。

　　3基于虛擬儀器技術(shù)的電子類虛擬實驗室平臺的開發(fā)

　　3.1開發(fā)工具

　　本文選用LabWindows/CVI和VisualC6.0進行儀器仿真和平臺界面的設(shè)計。

　　LabWindows/CVI是美國NI公司開發(fā)的一款基于C語言的半圖形化軟件開發(fā)平臺，即具有圖形化編程語言的開發(fā)效率高、修改靈活、界面設(shè)計快速的優(yōu)點，又具備文本編程語言功能強大、可控性強、性能靈活的優(yōu)勢，適用于自動測試、自動控制、測試儀器通信、測試硬件控制和信號分析處理，尤其是大型、復(fù)雜的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)。

　　VisualC6.0是由微軟公司推出的軟件開發(fā)工具。它擁有一個優(yōu)秀的集成開發(fā)環(huán)境，集編輯、編譯、連接、調(diào)試、向?qū)У榷囗椆δ苡谝惑w，貫穿了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，并且提供了目前已成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的微軟基本類庫MFC.

　　3.2虛擬儀器的開發(fā)

　　所謂虛擬儀器，就是在以計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(tǒng)。

　　根據(jù)實驗所要實現(xiàn)的功能，本文所要開發(fā)的虛擬儀器包括信號發(fā)生器、示波器、頻譜分析儀、濾波器等幾個模塊，下面以信號發(fā)生器為例介紹一下虛擬儀器的開發(fā)過程。

　　儀器面板：

　　面板中的主要控件屬性設(shè)置如所示。其中，NumericKnob是CVI中數(shù)字旋鈕類控件，Ring是循環(huán)控制類控件，Graph是圖形顯示窗類控件，CommandButton是命令按鈕類控件。

　　參數(shù)獲得及繪圖：在CVI用戶界面庫中提供了許多關(guān)于面板和控件的函數(shù)，這些函數(shù)為用戶界面事件和工程中的程序文件提供了鏈接。其中，GetCtrlVal()函數(shù)實現(xiàn)從面板上獲得控件參數(shù)值的功能。函數(shù)原型為：intGetCtrlVal;其中，參數(shù)Panel_Handle是控件所在面板句柄，參數(shù)Control_ID是控件名稱，參數(shù)value是變量，放置返回的參數(shù)，以地址形式表示。以下是程序設(shè)計中獲得調(diào)節(jié)參數(shù)的部分源代碼。

　　//以下代碼為獲得信號的單周期采樣點數(shù)、周期、增益、相位信息GetCtrlVal(panelHandle，PANEL_NUMERICKNOB_SAMPOINT，samplepoint);GetCtrlVal(panelHandle，PANEL_NUMERICKNOB_CYCLE，cycle);GetCtrlVal(panelHandle，PANEL_NUMERICKNOB_AMP，amp);GetCtrlVal(panelHandle，PANEL_NUMERICKNOB_PHASE，phase);Graph控件可以使用多種類型的繪圖功能函數(shù)來圖形化顯示數(shù)據(jù)。其中，PlotX()函數(shù)實現(xiàn)沿y軸坐標(biāo)繪制x軸數(shù)組的靜態(tài)曲線圖的功能。函數(shù)原型為：

　　intPlotX(intPanel_Handle，intControl_ID，voidX_Array，intNumber_Of_Points，intX_Data_Type，intPlot_Style，intPoint_Style，intLine_Style，intPoint_Frequency，intColor);其中，參數(shù)Panel_Handle是控件所在面板句柄，參數(shù)Control_ID是控件名稱，參數(shù)X_Array是沿x軸繪圖數(shù)據(jù)的數(shù)組變量，參數(shù)Number_Of_Points是繪制的數(shù)據(jù)點數(shù)，參數(shù)X_Data_Type是數(shù)據(jù)類型，參數(shù)Plot_Style是繪制圖表的形式，參數(shù)Point_Style是點的形狀，參數(shù)Line_Style是線的形狀，參數(shù)Point_Frequency是定點間隔，參數(shù)Color是曲線顏色。

　　3.3虛擬實驗室界面的設(shè)計

　　本文以VisualC6.0作為軟件支撐，采用面向?qū)ο笏枷，?gòu)建虛擬電子實驗室界面。

　　界面程序以窗體類、視圖類和文檔類為基礎(chǔ)，利用窗體類實現(xiàn)種類繁多的器件以圖片方式分類顯示;通過在視圖類中定義鼠標(biāo)事件響應(yīng)和圖片處理函數(shù)，實現(xiàn)圖片的自由拖動和顯示;通過MFC的文檔視圖結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電路文件的多種格式存儲。通過分割窗體和對樹形控件的使用，構(gòu)建元器件欄和仿真區(qū)，顯示各種元器件的狀態(tài)信息，實現(xiàn)用戶實驗。

　　3.4儀器的調(diào)用

　　界面創(chuàng)建好之后，通過雙擊或者拖動來實現(xiàn)對儀器儀表的修改和使用。這里的儀器儀表都是由LabWindows/CVI開發(fā)實現(xiàn)的，因此需要通過編程來實現(xiàn)對LabWindows/CVI所創(chuàng)建的動態(tài)鏈接庫的調(diào)用。

　　4結(jié)束

　　在虛擬電子實驗室平臺上，提供了靈活的虛擬實驗臺面板，使得學(xué)生可以在虛擬實驗臺面板上自由操作，實現(xiàn)電路連接、電路檢測等性能，還可以實時的調(diào)整參數(shù)，觀察參數(shù)變化對電路仿真結(jié)果造成的影響。學(xué)生可在短暫的時間里快速完成較復(fù)雜的電路連接及測試工作，觀察實驗現(xiàn)象。