基于虚拟仪器的实验系统的制作方法

本发明涉及实验教学的技术领域，尤其涉及一种基于虚拟仪器的实验系统。

背景技术：

为了适应现代实验教学的需要，实现现代信息技术改造传统教育教学模式，提高实验的开放性和灵活性。实验实训在高职类专业课程的教学中占有十分重要的基础地位，是教学活动的必要环节，高职类课程的教学都是以实验实训为基础的。实验实训可以增强学生学习的兴趣，加深对理论知识的理解，培养实践动手技能、实验设计技能、在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力及创新探索能力和协作精神。实验条件也是反映一所学校办学水平和科研水平的重要标志之一，近年来各高校大规模持续扩招，学生人数大幅增加，实验室设备规模难以满足众多学生实验需求；基于传统仪器的硬件实验在实验保障、维护、实验组织、实训教学管理等方面存在着诸多实际困难，怎样合理的解决实验室建设与人才培养之间的突出矛盾，是高校自始至终都需要面临的大问题。因此，研发实验仪器，创新实验手段和方式，优化教学目标和模式的整合策略，不断革新专业课实训教学就显得尤其关键。随着计算机的性价比和易用性的提高，使得虚拟实验室在教学、科普教育和技术研究领域应用成为可能。所谓虚拟实验室，是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源等。虚拟仪器技术是信息技术领域中重点研究实践的高新技术，它是利用PC多媒体计算机技术与仪器技术的结合构成了虚拟实验室实现的基础，学生可以在计算机屏幕上通过场景式图形界面拥有自己的实验室。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室智能化特征，通过网络学生可以身临其境地观察实验现象，并可以观察各实验仪器的详尽情况，不受时间和空间的限制。虚拟仪器(Virtual Instruments，简称VI)的概念，是美国国家仪器公司(National Instruments Corp.简称NI)于1986年提出的。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统；是一种由计算机操纵的模块化仪器系统，它不但可以完成传统仪器的功能，甚至可以代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench)的简称，是用虚拟仪器技术的图形化应用开发软件。它是一种基于G语言(Graphics Language，图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具，更准确的说，LabVIEW是一种编程语一言而不仅仅是一个软件开发环境。LabVIEW为本课题提供了一个便捷、轻松的设计环境，利用它，我们可以像搭积木一样轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机代码的编写。LabVIEW的控件模板中不仅提供了仿真度较高的各种仪器面板、按钮、开关、指示灯、波形显示器等电路器件，还提供了易使用的绘图工具，教学辅助模板中又提供了各种波形信号发生器的仿真程序，在LabVIEW功能模板的布尔运算子模板中，包含着功能齐全的逻辑运算功能，因此可很容易地利用其制作医用电子仪器的功能仿真及电路测试等实验。传统实验教学会受到实验时间、地点和实验装置数量不足的限制，给师生带来了不便，现有的实验教学平台不便于所有学生同时进行实验操作，也不易于教师进行教学操作，另外，实验教学平台占地面积大，实验经费高，不利于现代化教学。

技术实现要素：

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种基于虚拟仪器的实验系统，以实现基于网络数据采集的虚拟仪器技术教学与实验相结合使用，供各个客户端读取与控制。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种基于虚拟仪器的实验系统，包括计算机、数字电路实验仪模块、中央处理器、数据采集器、信号处理器、传感器，所述计算机与所述数字电路实验仪模块之间通过信号线进行通信，所述数字电路实验仪模块与所述中央处理器之间采用紧接插件连接，所述中央处理器与所述数据采集器连接，所述数据采集器与所述信号处理器连接，所述信号处理器与所述传感器连接；还包括被控实验对象、摄像头和服务器，所述摄像头正对被控实验对象，所述传感器放置在被控实验对象处，所述摄像头和中央处理器的输出端通过数据线与服务器的输入端相连接，所述计算机通过以太网与服务器相连接。

作为上述技术方案的优选实施方式，本发明实施例提供的基于虚拟仪器的实验系统进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，所述数字电路实验仪模块包括微控制器、双通道高度模拟采集通道、高速数字量采集通道、高速数字量输出通道、可调信号源、宽度可调脉冲源。

作为上述技术方案的改进，所述计算机与所述数字电路实验仪模块、中央处理器之间的数据信号处理步骤，包括：

向微控制器发出产生逻辑信号命令；

接收微控制器检测到的逻辑信号并显示；

接收微控制器检测的节点模拟信号，实现虚拟示波器；

接收微控制器检测的节点电压信号，实现虚拟电压表；

向微控制器发出产生方波信号命令；

向微控制器发出产生脉冲信号命令；

计算机多媒体讲解实验内容；

计算机存储实验过程及结果。

作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例中，所述微控制器采集处理信号，具体包括：

根据计算机命令产生逻辑信号值；

检测芯片的逻辑信号，送计算机显示；

根据计算机命令产生方波信号源；

根据计算机命令产生脉冲信号；

检测节点电压参数，送计算机显示；

检测节点模拟信号波形参数，送计算机显示。

进一步地，所述传感器为光敏传感器、声敏传感器、气敏传感器、压敏传感器、温敏传感器或流体传感器。

作为上述技术方案的改进，在本发明的一个实施例方式中，所述服务器与计算机通过C/S结构进行组网。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：本发明的基于虚拟仪器的实验系统设计合理，借助虚拟仪器技术能够完成全部试验的数据采集和分析，可提高实验教学的水平和质量。此外基于本发明可以实现远程访问实验系统硬件，并完成实验操作，是一个网络化数据采集实验系统，利用计算机的超强计算能力和多种软件实现被测信号的分析和处理，实现各种调控和测试功能，可完全解决了传统实验教学中实验时间、地点和实验装置数量不足的限制。本发明无需学生亲自到实验室中，而只需学生在自己家中通过客户端电脑便能完成实验，利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配，成本较低，操作方便，易于适合实验室配备有限的学校推广使用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例的基于虚拟仪器的实验系统的原理框图。

图2是本发明实施例的基于虚拟仪器的实验系统的数据走向图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1-2所示，本发明优选实施例的基于虚拟仪器的实验系统包括计算机、数字电路实验仪模块、中央处理器、数据采集器、信号处理器、传感器，所述计算机与所述数字电路实验仪模块之间通过信号线进行通信，所述数字电路实验仪模块与所述中央处理器之间采用紧接插件连接，所述中央处理器与所述数据采集器连接，所述数据采集器与所述信号处理器连接，所述信号处理器与所述传感器连接；还包括被控实验对象、摄像头和服务器，所述摄像头正对被控实验对象，所述传感器放置在被控实验对象处，所述摄像头和中央处理器的输出端通过数据线与服务器的输入端相连接，所述计算机通过以太网与服务器相连接。需要说明的是，图1中的客户端为计算机。

其中，所述数字电路实验仪模块包括微控制器、双通道高度模拟采集通道、高速数字量采集通道、高速数字量输出通道、可调信号源、宽度可调脉冲源。所述计算机与所述数字电路实验仪模块、中央处理器之间的数据信号处理步骤，包括：

向微控制器发出产生逻辑信号命令；

接收微控制器检测到的逻辑信号并显示；

接收微控制器检测的节点模拟信号，实现虚拟示波器；

接收微控制器检测的节点电压信号，实现虚拟电压表；

向微控制器发出产生方波信号命令；

向微控制器发出产生脉冲信号命令；

计算机多媒体讲解实验内容；

计算机存储实验过程及结果。

所述微控制器采集处理信号，具体包括：

根据计算机命令产生逻辑信号值；

检测芯片的逻辑信号，送计算机显示；

根据计算机命令产生方波信号源；

根据计算机命令产生脉冲信号；

检测节点电压参数，送计算机显示；

检测节点模拟信号波形参数，送计算机显示。

具体地，本发明的摄像头用于摄取实验过程图像，并将图像通过服务器处理后返回至计算机中，所述数据采集器通过传感器采集实验过程各项参数，所述传感器为光敏传感器、声敏传感器、气敏传感器、压敏传感器、温敏传感器或流体传感器，所述中央处理器用于响应实验指令，带动被控实验对象内部各个实验器具运动，由于摄像头、数据采集器、中央处理器和服务器位于同一个实验室内，因此摄像头、数据采集器和中央处理器通过实体的数据导线与服务器实现数据通信，而计算机与服务器处于不同的地点，所述服务器与计算机通过C/S结构进行组网，充分利用两端硬件环境的优势，将任务进行合理分配，降低通讯成本。

上述实施例揭示的基于虚拟仪器的实验系统设计合理，借助虚拟仪器技术能够完成全部试验的数据采集和分析，可提高实验教学的水平和质量。此外基于本发明可以实现远程访问实验系统硬件，并完成实验操作，是一个网络化数据采集实验系统，利用计算机的超强计算能力和多种软件实现被测信号的分析和处理，实现各种调控和测试功能，可完全解决了传统实验教学中实验时间、地点和实验装置数量不足的限制。本发明无需学生亲自到实验室中，而只需学生在自己家中通过客户端电脑便能完成实验，利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配，成本较低，操作方便，易于适合实验室配备有限的学校推广使用。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。