虛擬儀器在自動化檢測技術實驗中的應用

林科業

（韓山師范學院物理與電子工程系 廣東潮州 521041）

虛擬儀器在自動化檢測技術實驗中的應用

林科業

（韓山師范學院物理與電子工程系 廣東潮州 521041）

虛擬儀器是在大規模自動化、智能化電子測控系統需求與日俱增的形式下，計算機技術，儀器技術和通訊技術的結合產生的新型技術。本文主要是結合虛擬儀器的特點，如何應用到自動化檢測技術中，使自動化教學的課堂能夠更加的豐富，讓學生更好的掌握自動化檢測技術這門課程。

虛擬儀器 自動化 技術教育

虛擬儀器當前的研究情況

虛擬儀器技術是在大規模自動化、智能化電子測控系統需求與日俱增的形式下，計算機技術，儀器技術和通訊技術的結合產生的新型技術［1］。美國Virginia大學的William Wulf教授在1989年提出了虛擬實驗室的概念。虛擬儀器就是在計算機的顯示屏上虛擬了傳統儀器面板的計算機化儀器，它盡可能多的將原來由硬件電路完成的信號調理和信號處理的功能，代替為計算機的程序來完成，提供對數據的分析和處理功能。虛擬儀器的關鍵是軟件，軟件即儀器，與傳統儀器相比，虛擬儀器的軟硬件具有更大的開放性，模塊化，可重復性、互換性等特點。Labview是美國國家儀器公司提供的實驗室虛擬儀器工程平臺，圖形化的程序語言，使用流程圖編程，具有虛擬儀器的全部優點。

目前，國外對虛擬實驗室系統的創建研究已經逐漸成熟，世界許多著名大學都進行了虛擬實驗室的研究。作為首先提出虛擬實驗室概念，并具有雄厚的科研實力和強大財力的美國，從一開始就十分重視虛擬實驗室的研究與開發，在該領

域的研究和應用已處于領先地位，在大學的普及程度也相當廣泛，其中麻省理工學院的WebLab遠程實驗室于1998年開發并投入使用。它提供了用于進行微電子學和電路設計課程的實驗教學，它允許學生在自己的電腦上設計并修改電路模型，然后通過一個用Java激活的web瀏覽器使用在遠程實驗室里的昂貴的測試設備來獲取測試數據，驗證自己的設計，最近還實現了通過手機遠程控制實驗的功能［2］。

在國內，虛擬實驗室的建設也得到了應有的重視。由于虛擬實驗技術的特點，它的實際應用在理工教學中大有作為，尤其在電工電子、醫學、建筑、生化等學科有重要作用［3］。據了解，目前國內的多數高校都根據自身教學需求建立了虛擬實驗室：中國科學技術大學的大學物理虛擬實驗室把虛擬實驗用在教學演示與物理實驗方面，是全國第一套真正意義上的虛擬實驗教學軟件。南京大學建立的分析化學大型儀器虛擬實驗室，可以在虛擬實驗室中對實驗儀器虛擬操作。此外，清華大學、西安交通大學、上海交通大學、西北工業大學等大學也建立了虛擬實驗室，方便學生學習或者用于科學研究［4］。

一、傳統的自動化檢測實驗存在的不足

實驗教學是在教師指導下學生運用一定的儀器設備進行獨立作業，觀察事物和過程的發生和變化，探求事物的規律，以獲得知識和技能的一種教學方法。實驗環節在大學理工科的教學中占據非常重要的地位，是提高學生動手能力、培養創造能力和綜合素質的一個有效的手段，很多學科都是以實驗課程為基礎的，缺少了實驗的支持，工科學科的教學和科研活動就無法進行［5］。

“自動化檢測技術及應用”是電子、電氣以及自動化等專業的必修課程。課程內容豐富，理論性、實用性和綜合性強，必須通過實驗教學，才能掌握和運用課本的理論知識。這門課涉及的器件設備較多，儀器的更新換代較快。

傳統的實驗教學存在以下弊端：許多學校傳感器實驗室和自動化實驗室，現有的常規設備有的已經老化，有的技術上相對落后，有的儀器設備在教學中只用了其中的部分功能，還有許多功能派不上用場；另一方面，某些需要的功能又不具備，需購置新的設備。在實驗教學時，實驗內容的更新又會形成對儀器新的需求，也造成一些儀器的閑置。以至于滯后的實驗設備和死板的實驗模式難以調動學生的主動性和創造性，從而在很大程度上制約了實驗教學的發展和人才培養質量的提高。

二、虛擬儀器在自動化檢測技術實驗中的優點

利用虛擬儀器有效的解決了傳統實驗教學的弊端。與傳統的實驗室相比，虛擬儀器實驗室具有以下優勢：

（l）減少實驗設備資金的投入。首先，在一臺計算機上就可以實現諸如示波器、函數發生器、電壓表、頻譜分析儀等多種儀器的功能，大大節約了儀器成本。其次，傳統儀器維護費用高，需要耗費大量的人力物力。虛擬儀器基于軟件的體系結構大大節省了開發和維護費用。

（2）便于開放式管理，擴大教學規模。虛擬儀器實驗室系統可以通過網絡進行數據傳送，指導老師通過計算機監控實驗過程，可以同時管理幾十甚至上百個學生做實驗。

通過虛擬實驗室，可以隨時將傳感器實驗和自動化實驗搬到課堂上進行演示，理論聯系實踐，實現“實驗室’走進課堂，“儀器”搬上講臺，現場操作儀器，動態顯示測試原理，強化了教學效果。在課下，還可以使每個學生立刻進入“虛擬實驗室”，“實地”反復操作儀器，復現實驗內容，對實現過程的細節放大，加深實驗的感受，為實驗者提供大量的實驗機會，這樣可以大大提高學生們在實際操作中的動手能力，提高實驗教學的效果。

三、虛擬儀器在自動化檢測技術實驗中的應用

在自動檢測技術實驗中，可以利用虛擬儀器制作上位機系統。通過上位機系統采集下位機系統傳輸過來的數據，通過數據處理，進行顯示或反饋控制下位機的運行狀態。工作運用如圖1所示。通過各類傳感器采集相應的物理量（如質量、直徑、液位、交通情況、轉速、溫度等），經過處理電路進行處理，再傳輸給單片機控制器，共同組成下位機系統。單片機控制器再通過串口線將處理結果傳輸給上位機labview控制界面進行相應的處理。

圖1 虛擬儀器控制系統示意圖

下面以溫度控制系統和計價系統為例，介紹虛擬儀器在自動化檢測技術中的應用。

如圖2所示，該溫度自動檢測控制系統是采用虛擬儀器軟件設置控制界面，該系統可以同時控制8路溫度信號，隨時監控任意一路溫度信號。圖中①是串口端口，主要設置串口的通訊信息。圖②是控制選擇界面，可以選擇顯示那一路控制端口的溫度；如圖所示，在進行控制時，控制開關要打開，A、B、C這三個按鍵按下010，選擇第3路控制端口的溫度，同時通過指示燈進行顯示。圖③是溫度顯示窗口，顯示采集到的溫度信息，如圖所示，在數據采集端口打開時，采集到的第3路端口的溫度是72℃。圖④是該系統的總開關。

圖2 溫度采集系統控制界面

通過圖2的控制界面，只需要間下位機采集的溫度信號傳輸過來，就可以進行溫度的檢測和控制。節省大量的控制儀器設別，是要操作簡單已掌握。

如圖3所示，該計價系統，主要是通過下位機系統采集質量、電量或水量，再通過利用上位機系統設計的的計算器輸入單價，就能計算出相應的總價。圖3中（a）是物價計算系統，接收下位機傳輸過來的的質量，計算總物價。圖3中（b）是電費計算系統，接收下位機傳輸過來的的電量，計算電費。圖3中（c）是水費系統，接收下位機傳輸過來的的水量，計算水費。

圖3 計價系統控制界面

通過圖3接收下位機傳輸過來的物理量，就能輕易的對數據進行顯示處理。具有一定的實驗性和可操作性。

自動化檢測技術實驗是一門綜合性的實驗，通過引進虛擬儀器，能夠使實驗內容可更豐富，更精彩。與傳統實驗相比，其具有更加鮮明的可操作性，經濟性和研究性。

四、結束語

隨著信息時代的發展，電子技術和自動技術的快速發展，虛擬儀器技術作為測控技術的主要發展方向也必將在該領域內發揮著越來越重要的作用，自動測試系統也因虛擬儀器技術的不斷發展而完善。將虛擬儀器引入到自動化檢測實驗的課程，能夠這一門課程更精彩。

［1］.陳小紅.虛擬實驗室的研究現狀及其發展趨勢［J］，北京：中國現代裝備，2010.

［2］.黃幕雄.高校教學型虛擬實驗室建設的現狀與建議［J］，蘭州：電化教育研究，2005.

［3］.陳志超.基于LabView的液位預測控制系統的設計［d］，合肥：合肥工業大學，2008.

［4］.彭偉.單片機C語言程序設計100例［M］，北京：電子工業出版社，2009.

［5］.童剛.虛擬儀器實用編程技術［M］，北京：機械工業出版社，2008，58-70.

林科業，1985.10，男，碩士研究生，電路與系統：主要從事本科教學工作。

the Application of Virtual Instrument in the Automated Testing Technology Experiment

LIN Ke-ye
（Hanshan Normal University，Chaozhou，521041，China）

Virtual instrument，by growing in large-scale automation，intelligent electronic measurement and control system，is a computer technology，the combination of instrument technology and communication technology to produce a new type of technology.This paper is combined with the characteristics of virtual instrument，how to apply to the automatic detection technology，and make automation teaching classroom can be more rich.let the students better grasp automated detection technology for this course.

sVirtual instrument；Automation；Technical education