可重構(gòu)虛擬儀器測試技術(shù)教學(xué)平臺

1 引言

        測試技術(shù)是我國高校工科專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，隨專業(yè)不同課程內(nèi)容和名稱略有變化，如測試技術(shù)、機械工程測試技術(shù)、熱能與動力工程測試技術(shù)等。除應(yīng)用背景不同外，這些課程的教學(xué)內(nèi)容基本相同，主要介紹溫度、力、噪聲等常見物理量的測量原理和測試信號的分析方法。目前，測試技術(shù)課程教學(xué)中存在的主要問題是傳感器部分在課堂上教學(xué)沒有實物對象，各種不同的傳感器在學(xué)生看來都是一樣的，相似的原理介紹讓他們覺得枯燥、乏味；而信號分析理論部分則過于深奧，學(xué)生很難理解。 針對這些問題，我們，提出以虛擬儀器演示實驗和工程案例為主線的測試技術(shù)課程可視化教學(xué)法；具體做法是選擇若干傳感器，用測量實驗來呈現(xiàn)傳感器工作原理；選擇若干測量儀器分析功能，用虛擬儀器技術(shù)來展現(xiàn)信號分析的作用；選擇若干工程案例，結(jié)合案例來介紹測試技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用情況。用實驗和工程案例給枯燥的內(nèi)容以活力、給抽象的理論以形象，改變單一的書本式教學(xué)模式，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和積極性，提高教學(xué)質(zhì)量。

　　對測試技術(shù)課程教學(xué)來說，最理想的方式是將課堂放在實驗室，教師一邊講解理論、一邊操作測試儀器，但這并不現(xiàn)實。為解決課堂上實驗教學(xué)環(huán)境的營造問題，我們利用承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金項目“面向制造業(yè)的可重構(gòu)測量理論”中研制的可重構(gòu)虛擬儀器技術(shù)，針對測試技術(shù)課程實驗教學(xué)需要，開發(fā)了一個自主知識產(chǎn)權(quán)的可重構(gòu)虛擬儀器實驗教學(xué)平臺（Dynamic Reconfigurable Virtual Instrument Platform）。并按照教學(xué)知識點，設(shè)計了30多個實驗，形成一個虛擬儀器實驗教學(xué)環(huán)境。教師在課堂上可以借助虛擬儀器演示實驗使知識點可視化和動起來，活躍課堂氣氛；學(xué)生在課后則可以用虛擬儀器實驗驗證所學(xué)理論，加深對知識的理解。DRVI已在我們承擔(dān)的本科生《工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》國家精品課程和《工程測試與信息處理》國家精品課程(網(wǎng)絡(luò))中使用多年，教學(xué)效果良好。目前，國內(nèi)已有約150多所大學(xué)采用該平臺進行測試技術(shù)類課程教學(xué)和實驗教學(xué)，取得了良好的社會效益。

2 針對教學(xué)應(yīng)用的設(shè)計考慮

　　教學(xué)用虛擬儀器實驗平臺和科研、工業(yè)用虛擬儀器平臺在技術(shù)上有其共性，但也有其特殊需求。例如，必須易學(xué)、易用；應(yīng)當(dāng)便于安裝、攜帶；便于組織教學(xué)和知識點演示等。功能的完善和強大不是設(shè)計時追求的主要目標(biāo)。

2.1 軟件面包板模塊化插接裝配環(huán)境

　　在硬件電路實驗中，教師、學(xué)生常用面包板來連接電子元件和構(gòu)造實驗電路。在面包板上有許多插接電子元件的小孔，將元件的管腳插接在小孔中就可以利用面包板快速搭建出一個簡單的實驗電路，十分方便。借鑒其概念，我們用計算機進程間通信的管道來模擬軟導(dǎo)線，再用含一組軟導(dǎo)線的容器構(gòu)件來構(gòu)造軟件面包板；然后用管道構(gòu)件將虛擬儀器功能封裝為便于插接的軟元件，從而構(gòu)造出一個類似硬件面包板的適合于教學(xué)應(yīng)用的虛擬儀器插接裝配開發(fā)環(huán)境。應(yīng)用時，教師和學(xué)生可以象搭積木一樣在軟件面包板上快速拼裝出虛擬儀器實驗系統(tǒng)。圖1是虛擬儀器軟件面包板的結(jié)構(gòu)。
　
　　系統(tǒng)在技術(shù)實現(xiàn)上采用構(gòu)件化開發(fā)方式，其優(yōu)點是虛擬儀器實驗開發(fā)過程中不需要編譯、連接環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)軟元件的即插即用和熱插拔，便于教師、學(xué)生動手操作、嘗試；另外，可以將虛擬儀器開發(fā)平臺的體積做的很小。例如，DRVI平臺大小不到5M，同時是綠色免安裝。教師、學(xué)生可以方便的用U盤將其拷貝到教室、宿舍等場所的計算機上使用。

圖1 軟件面包板結(jié)構(gòu)
 
　　圖2是在DRVI上裝配出的典型信號頻譜分析實驗運行界面。

圖2 典型信號頻譜分析實驗裝配圖

2.2 瀏覽器/虛擬儀器雙屏顯示結(jié)構(gòu)

　　在教學(xué)設(shè)計中，我們按測試技術(shù)課程體系結(jié)構(gòu)和知識點選擇的虛擬儀器實驗有30多個，實驗?zāi)_本、實驗說明、理論參考等加起來約有100多個電子文件。最理想的方式是采用網(wǎng)頁文件的超級鏈接方式對這些文件進行管理，并按教學(xué)體系對實驗進行分類、組織和查找。但虛擬儀器和瀏覽器是兩種不同技術(shù)實現(xiàn)形式的東西，讓虛擬儀器支持瀏覽器很難，同樣讓瀏覽器支持虛擬儀器也不容易。為此，我們利用IE瀏覽器可以作為ActiveX控件整體嵌入的特點，將IE瀏覽器嵌入在虛擬儀器界面中。為保證瀏覽器界面和虛擬儀器界面不沖突，在閱讀實驗說明等網(wǎng)頁文件時將IE控件最大化，將虛擬儀器界面隱藏；在做虛擬儀器實驗時，則將虛擬儀器界面激活，IE控件最小化和隱藏；也就是實現(xiàn)所謂的瀏覽器/虛擬儀器雙屏顯示結(jié)構(gòu)。

　　另外，為便于在虛擬儀器和瀏覽器間做自動操作切換，我們在虛擬儀器中增加了超級鏈接控件，點擊虛擬儀器中的超級鏈接時可以自動切換到瀏覽器界面，并加載鏈接的網(wǎng)頁文件。在瀏覽器中則利用鉤子函數(shù)對其增加超鏈接內(nèi)容辯識和過濾功能，點擊瀏覽器中的超級鏈接時，瀏覽器先判斷是網(wǎng)頁還是虛擬儀器實驗?zāi)_本，若是網(wǎng)頁則交由瀏覽器顯示，若是實驗?zāi)_本則交由虛擬儀器處理。如圖3所顯示。

圖3 用瀏覽器/虛擬儀器雙屏結(jié)構(gòu)實現(xiàn)操作聯(lián)動

　　利用瀏覽器/虛擬儀器雙屏顯示結(jié)構(gòu)，實驗時教師、學(xué)生可以在平臺內(nèi)嵌的瀏覽器中閱讀實驗?zāi)夸洝嶒瀮?nèi)容等信息，點擊網(wǎng)頁中的鏈接，則可以直接調(diào)出相關(guān)虛擬儀器實驗進行操作，使用十分方便。

2.3 復(fù)合虛擬儀器文檔

　　在測試技術(shù)教學(xué)實驗設(shè)計中，一個知識點可能會分解為幾個關(guān)聯(lián)的虛擬儀器實驗。例如，在講解信號調(diào)制解調(diào)知識點時，主要內(nèi)容有信號的同步調(diào)制與解調(diào)，信號的偏置調(diào)制與解調(diào)，以及載波頻率的影響等。這些內(nèi)容若放在一個虛擬儀器界面中往往顯示不下，若作為不同的虛擬儀器實驗處理，使用時又要來回加載虛擬儀器腳本。

　　為此，我們利用了Windows復(fù)合文檔可以存儲多個文件的技術(shù)，將同一知識點中的若干個虛擬儀器腳本組合在一起，形成一個復(fù)合虛擬儀器文檔。加載虛擬儀器復(fù)合文檔時，將相關(guān)的虛擬儀器實驗同時加載，并以頁幀方式層疊顯示在虛擬儀器窗口中。點擊虛擬儀器界面右側(cè)的頁幀選擇按鈕，就可以在組內(nèi)的虛擬儀器實驗中進行快速切換。
圖4是信號調(diào)制解調(diào)知識點的虛擬儀器復(fù)合文檔的顯示情況。實驗時可以用頁幀在信號同步調(diào)制與解調(diào)實驗、偏置電壓的影響實驗和載波頻率的影響實驗中進行快速跳轉(zhuǎn)。

圖4 信號調(diào)制解調(diào)知識點虛擬儀器復(fù)合文檔顯示界面

2.4 Signal Basic腳本語言

　　教學(xué)用虛擬儀器平臺的另一個特點是必須具有更強的開放性，學(xué)生除了直接使用波形信號發(fā)生器、頻譜分析等集成在平臺中的虛擬儀器功能模塊外，還要能夠了解它們在虛擬儀器中是如何實現(xiàn)的；也就是說學(xué)生能夠根據(jù)所學(xué)的有效值計算、相關(guān)函數(shù)計算等數(shù)學(xué)公式，自己設(shè)計出虛擬儀器分析功能。

　　為實現(xiàn)這一目的，我們利用了Windows平臺提供的VBScript腳本語言，將其集成到虛擬儀器平臺中，并添加FFT、FIR等常用信號分析函數(shù)、聲卡、攝像頭等硬件操作函數(shù)，以及畫線、畫圓等圖形功能函數(shù)，形成一個滿足測試技術(shù)課程教學(xué)需要的專用腳本語言，稱之為Signal Basic。

圖5 正弦波信號發(fā)生器Signal Basic代碼和界面

　　例如，正弦波信號的數(shù)學(xué)公式為： 
                      (1)

　　其中A為正弦波信號幅值、f為頻率、為初相位。這個公式對學(xué)生來說絲毫不陌生，但通過學(xué)生自己動手編程設(shè)計成一個正弦波信號發(fā)生器后，他們對知識的理解深度就會完全不同。圖5是用Signal Basic腳本語言設(shè)計的正弦波信號發(fā)生器的例子，只需簡單的幾行代碼就可以完成。圖中Document.xxx部分函數(shù)就是我們在VBScript中擴展的專用函數(shù)，Sin函數(shù)、For語句等常規(guī)語言元素是VBScript的自有功能。

2.5 實驗過程AVI抓屏和曲線加粗演示模式

　　在教學(xué)中，常常需要借助虛擬儀器實驗來對一些較難理解的理論內(nèi)容進行演示?，F(xiàn)場虛擬儀器實驗操作和演示一是費時間，二是容易出錯。為此，我們利用了Windows DirectX多媒體開發(fā)庫中提供的視頻文件讀寫技術(shù)，在虛擬儀器實驗教學(xué)平臺中集成了AVI抓屏功能，可以將虛擬儀器實驗過程直接保存為AVI視頻文件。

　　在用虛擬儀器進行演示實驗時還有一個問題，就是波形、頻譜等曲線的線條較細，投影后教室后排的同學(xué)很難看清楚。為此，我們設(shè)置了曲線加粗演示模式。在該模式下，將實驗中的波形、頻譜等曲線用加粗的線條顯示。這點很象PPT文件和Word文件投影后的顯示區(qū)別，雖然這只是一個不起眼的技術(shù)改進，但卻可以使教學(xué)演示效果提高許多。

3 測試技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用情況

3.1 信號分析理論的可視化實驗教學(xué)

　　波形分析、頻譜分析、相關(guān)分析等信號分析理論是測試技術(shù)課程教學(xué)中的難點，傅立葉變換公式、卷積分定理等常常讓學(xué)生很頭疼。為提高教學(xué)效果，我們借助虛擬儀器實驗將這些理論知識進行可視化表達。下面是我們在教學(xué)中設(shè)計的部分復(fù)合文檔結(jié)構(gòu)的虛擬儀器實驗?zāi)夸洠總€實驗中又含若干個小實驗：

1）典型信號時域波形分析實驗
2）典型信號的頻譜分析與應(yīng)用實驗
3）典型信號的相關(guān)分析與應(yīng)用實驗
4）典型信號的概率密度分析與應(yīng)用實驗
5）FFT譜分析中的誤差和改進方法實驗
6）數(shù)字濾波器設(shè)計與應(yīng)用實驗
………

　　例如，圖6是我們設(shè)計的虛擬儀器形式的信號合成與分解實驗。學(xué)生通過直觀的感受，可以更深刻的理解傅立葉變換的工程意義，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。

圖6 波形合成與分解實驗

 
3.2 基于PC機測試資源的實物教學(xué)

　　與實驗室中開出的測試實驗相比，虛擬儀器實驗有一個不足，就是缺乏實物實驗。其實，運行虛擬儀器軟件的PC機自身就是一個含有豐富測試資源的裝置。例如，計算機上的光電鼠標(biāo)是一個光電傳感器、麥克風(fēng)是一個電容傳感器、攝象頭是一個CCD傳感器，計算機聲卡是一個雙通道的A/D卡+ D/A卡。

　　在測試技術(shù)虛擬儀器實驗教學(xué)平臺設(shè)計上我們充分利用了這一有利條件，將聲卡、攝象頭驅(qū)動集成在平臺中，形成一個基于PC的測試實驗室。學(xué)生可以PC機鼠標(biāo)做光電傳感器原理實驗，用麥克風(fēng)做電容傳感器原理實驗，用攝象頭做CCD原理實驗，用聲卡做A/D、D/A卡工作原理實驗。從而解決了課堂上傳感器和測試系統(tǒng)部分教學(xué)中因缺乏實物而枯燥、乏味的問題。

圖7 基于PC聲卡的信號發(fā)生器

　　這樣，我們可以不花費任何額外的硬件代價，就可以在教師上課、學(xué)生上網(wǎng)的PC機上建立起一個功能強大的含實物和硬件的測試實驗室。通過它，教師可以在課堂上向?qū)W生展示測試技術(shù)的原理和應(yīng)用；課后學(xué)生也可以自己動手做實驗和設(shè)計小測量裝置，在實踐中將所學(xué)的知識融會貫通，培養(yǎng)自己觀察問題和解決問題的能力。圖7是我們利用聲卡設(shè)計的信號發(fā)生器界面。

3.3 基于工程案例的實驗教學(xué)

　　為了理論聯(lián)系實際和開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)眼界，我們還發(fā)揮課程組成員承擔(dān)過大量科研項目的優(yōu)勢，從承擔(dān)的科研項目中抽象出橋梁固有頻率測量、齒輪箱振動故障源分析、汽車發(fā)動機加速過程噪聲分析等16個工程測量案例，并設(shè)計成虛擬儀器仿真模塊，集成在虛擬儀器實驗教學(xué)平臺中。圖8是轉(zhuǎn)子實驗臺模型和用其設(shè)計的軸心軌跡測量實驗。

圖8 轉(zhuǎn)子實驗臺模型和軸心軌跡測量實驗中的應(yīng)用

4 結(jié)論

　　“教學(xué)工作是學(xué)校的主旋律，提高教學(xué)質(zhì)量是學(xué)校永恒的主題”。為提高測試技術(shù)課程教學(xué)水平和質(zhì)量，課程組發(fā)揮在虛擬儀器領(lǐng)域的科研優(yōu)勢，開發(fā)了DRVI可重構(gòu)虛擬儀器實驗教學(xué)平臺，使測試技術(shù)課程中因沒有實物對象而枯燥、乏味的傳感器原理部分變得具體和生動，使中抽象難學(xué)的信號分析理論部分變得直觀、形象，課程教學(xué)質(zhì)量和效果得到很大提高。