可重构虚拟仪器测试技术教学平台

1 引言

        测试技术是我国高校工科专业的专业基础课，随专业不同课程内容和名称略有变化，如测试技术、机械工程测试技术、热能与动力工程测试技术等。除应用背景不同外，这些课程的教学内容基本相同，主要介绍温度、力、噪声等常见物理量的测量原理和测试信号的分析方法。目前，测试技术课程教学中存在的主要问题是传感器部分在课堂上教学没有实物对象，各种不同的传感器在学生看来都是一样的，相似的原理介绍让他们觉得枯燥、乏味；而信号分析理论部分则过于深奥，学生很难理解。 针对这些问题，我们，提出以虚拟仪器演示实验和工程案例为主线的测试技术课程可视化教学法；具体做法是选择若干传感器，用测量实验来呈现传感器工作原理；选择若干测量仪器分析功能，用虚拟仪器技术来展现信号分析的作用；选择若干工程案例，结合案例来介绍测试技术在工业中的应用情况。用实验和工程案例给枯燥的内容以活力、给抽象的理论以形象，改变单一的书本式教学模式，调动学生的学习热情和积极性，提高教学质量。

　　对测试技术课程教学来说，最理想的方式是将课堂放在实验室，教师一边讲解理论、一边操作测试仪器，但这并不现实。为解决课堂上实验教学环境的营造问题，我们利用承担的国家自然科学基金项目“面向制造业的可重构测量理论”中研制的可重构虚拟仪器技术，针对测试技术课程实验教学需要，开发了一个自主知识产权的可重构虚拟仪器实验教学平台（Dynamic Reconfigurable Virtual Instrument Platform）。并按照教学知识点，设计了30多个实验，形成一个虚拟仪器实验教学环境。教师在课堂上可以借助虚拟仪器演示实验使知识点可视化和动起来，活跃课堂气氛；学生在课后则可以用虚拟仪器实验验证所学理论，加深对知识的理解。DRVI已在我们承担的本科生《工程测试技术基础》国家精品课程和《工程测试与信息处理》国家精品课程(网络)中使用多年，教学效果良好。目前，国内已有约150多所大学采用该平台进行测试技术类课程教学和实验教学，取得了良好的社会效益。

2 针对教学应用的设计考虑

　　教学用虚拟仪器实验平台和科研、工业用虚拟仪器平台在技术上有其共性，但也有其特殊需求。例如，必须易学、易用；应当便于安装、携带；便于组织教学和知识点演示等。功能的完善和强大不是设计时追求的主要目标。

2.1 软件面包板模块化插接装配环境

　　在硬件电路实验中，教师、学生常用面包板来连接电子元件和构造实验电路。在面包板上有许多插接电子元件的小孔，将元件的管脚插接在小孔中就可以利用面包板快速搭建出一个简单的实验电路，十分方便。借鉴其概念，我们用计算机进程间通信的管道来模拟软导线，再用含一组软导线的容器构件来构造软件面包板；然后用管道构件将虚拟仪器功能封装为便于插接的软元件，从而构造出一个类似硬件面包板的适合于教学应用的虚拟仪器插接装配开发环境。应用时，教师和学生可以象搭积木一样在软件面包板上快速拼装出虚拟仪器实验系统。图1是虚拟仪器软件面包板的结构。
　
　　系统在技术实现上采用构件化开发方式，其优点是虚拟仪器实验开发过程中不需要编译、连接环节，可以实现软元件的即插即用和热插拔，便于教师、学生动手操作、尝试；另外，可以将虚拟仪器开发平台的体积做的很小。例如，DRVI平台大小不到5M，同时是绿色免安装。教师、学生可以方便的用U盘将其拷贝到教室、宿舍等场所的计算机上使用。

图1 软件面包板结构
 
　　图2是在DRVI上装配出的典型信号频谱分析实验运行界面。

图2 典型信号频谱分析实验装配图

2.2 浏览器/虚拟仪器双屏显示结构

　　在教学设计中，我们按测试技术课程体系结构和知识点选择的虚拟仪器实验有30多个，实验脚本、实验说明、理论参考等加起来约有100多个电子文件。最理想的方式是采用网页文件的超级链接方式对这些文件进行管理，并按教学体系对实验进行分类、组织和查找。但虚拟仪器和浏览器是两种不同技术实现形式的东西，让虚拟仪器支持浏览器很难，同样让浏览器支持虚拟仪器也不容易。为此，我们利用IE浏览器可以作为ActiveX控件整体嵌入的特点，将IE浏览器嵌入在虚拟仪器界面中。为保证浏览器界面和虚拟仪器界面不冲突，在阅读实验说明等网页文件时将IE控件最大化，将虚拟仪器界面隐藏；在做虚拟仪器实验时，则将虚拟仪器界面激活，IE控件最小化和隐藏；也就是实现所谓的浏览器/虚拟仪器双屏显示结构。

　　另外，为便于在虚拟仪器和浏览器间做自动操作切换，我们在虚拟仪器中增加了超级链接控件，点击虚拟仪器中的超级链接时可以自动切换到浏览器界面，并加载链接的网页文件。在浏览器中则利用钩子函数对其增加超链接内容辩识和过滤功能，点击浏览器中的超级链接时，浏览器先判断是网页还是虚拟仪器实验脚本，若是网页则交由浏览器显示，若是实验脚本则交由虚拟仪器处理。如图3所显示。

图3 用浏览器/虚拟仪器双屏结构实现操作联动

　　利用浏览器/虚拟仪器双屏显示结构，实验时教师、学生可以在平台内嵌的浏览器中阅读实验目录、实验内容等信息，点击网页中的链接，则可以直接调出相关虚拟仪器实验进行操作，使用十分方便。

2.3 复合虚拟仪器文档

　　在测试技术教学实验设计中，一个知识点可能会分解为几个关联的虚拟仪器实验。例如，在讲解信号调制解调知识点时，主要内容有信号的同步调制与解调，信号的偏置调制与解调，以及载波频率的影响等。这些内容若放在一个虚拟仪器界面中往往显示不下，若作为不同的虚拟仪器实验处理，使用时又要来回加载虚拟仪器脚本。

　　为此，我们利用了Windows复合文档可以存储多个文件的技术，将同一知识点中的若干个虚拟仪器脚本组合在一起，形成一个复合虚拟仪器文档。加载虚拟仪器复合文档时，将相关的虚拟仪器实验同时加载，并以页帧方式层叠显示在虚拟仪器窗口中。点击虚拟仪器界面右侧的页帧选择按钮，就可以在组内的虚拟仪器实验中进行快速切换。
图4是信号调制解调知识点的虚拟仪器复合文档的显示情况。实验时可以用页帧在信号同步调制与解调实验、偏置电压的影响实验和载波频率的影响实验中进行快速跳转。

图4 信号调制解调知识点虚拟仪器复合文档显示界面

2.4 Signal Basic脚本语言

　　教学用虚拟仪器平台的另一个特点是必须具有更强的开放性，学生除了直接使用波形信号发生器、频谱分析等集成在平台中的虚拟仪器功能模块外，还要能够了解它们在虚拟仪器中是如何实现的；也就是说学生能够根据所学的有效值计算、相关函数计算等数学公式，自己设计出虚拟仪器分析功能。

　　为实现这一目的，我们利用了Windows平台提供的VBScript脚本语言，将其集成到虚拟仪器平台中，并添加FFT、FIR等常用信号分析函数、声卡、摄像头等硬件操作函数，以及画线、画圆等图形功能函数，形成一个满足测试技术课程教学需要的专用脚本语言，称之为Signal Basic。

图5 正弦波信号发生器Signal Basic代码和界面

　　例如，正弦波信号的数学公式为： 
                      (1)

　　其中A为正弦波信号幅值、f为频率、为初相位。这个公式对学生来说丝毫不陌生，但通过学生自己动手编程设计成一个正弦波信号发生器后，他们对知识的理解深度就会完全不同。图5是用Signal Basic脚本语言设计的正弦波信号发生器的例子，只需简单的几行代码就可以完成。图中Document.xxx部分函数就是我们在VBScript中扩展的专用函数，Sin函数、For语句等常规语言元素是VBScript的自有功能。

2.5 实验过程AVI抓屏和曲线加粗演示模式

　　在教学中，常常需要借助虚拟仪器实验来对一些较难理解的理论内容进行演示。现场虚拟仪器实验操作和演示一是费时间，二是容易出错。为此，我们利用了Windows DirectX多媒体开发库中提供的视频文件读写技术，在虚拟仪器实验教学平台中集成了AVI抓屏功能，可以将虚拟仪器实验过程直接保存为AVI视频文件。

　　在用虚拟仪器进行演示实验时还有一个问题，就是波形、频谱等曲线的线条较细，投影后教室后排的同学很难看清楚。为此，我们设置了曲线加粗演示模式。在该模式下，将实验中的波形、频谱等曲线用加粗的线条显示。这点很象PPT文件和Word文件投影后的显示区别，虽然这只是一个不起眼的技术改进，但却可以使教学演示效果提高许多。

3 测试技术教学中的应用情况

3.1 信号分析理论的可视化实验教学

　　波形分析、频谱分析、相关分析等信号分析理论是测试技术课程教学中的难点，傅立叶变换公式、卷积分定理等常常让学生很头疼。为提高教学效果，我们借助虚拟仪器实验将这些理论知识进行可视化表达。下面是我们在教学中设计的部分复合文档结构的虚拟仪器实验目录，每个实验中又含若干个小实验：

1）典型信号时域波形分析实验
2）典型信号的频谱分析与应用实验
3）典型信号的相关分析与应用实验
4）典型信号的概率密度分析与应用实验
5）FFT谱分析中的误差和改进方法实验
6）数字滤波器设计与应用实验
………

　　例如，图6是我们设计的虚拟仪器形式的信号合成与分解实验。学生通过直观的感受，可以更深刻的理解傅立叶变换的工程意义，激发他们的学习兴趣。

图6 波形合成与分解实验

 
3.2 基于PC机测试资源的实物教学

　　与实验室中开出的测试实验相比，虚拟仪器实验有一个不足，就是缺乏实物实验。其实，运行虚拟仪器软件的PC机自身就是一个含有丰富测试资源的装置。例如，计算机上的光电鼠标是一个光电传感器、麦克风是一个电容传感器、摄象头是一个CCD传感器，计算机声卡是一个双通道的A/D卡+ D/A卡。

　　在测试技术虚拟仪器实验教学平台设计上我们充分利用了这一有利条件，将声卡、摄象头驱动集成在平台中，形成一个基于PC的测试实验室。学生可以PC机鼠标做光电传感器原理实验，用麦克风做电容传感器原理实验，用摄象头做CCD原理实验，用声卡做A/D、D/A卡工作原理实验。从而解决了课堂上传感器和测试系统部分教学中因缺乏实物而枯燥、乏味的问题。

图7 基于PC声卡的信号发生器

　　这样，我们可以不花费任何额外的硬件代价，就可以在教师上课、学生上网的PC机上建立起一个功能强大的含实物和硬件的测试实验室。通过它，教师可以在课堂上向学生展示测试技术的原理和应用；课后学生也可以自己动手做实验和设计小测量装置，在实践中将所学的知识融会贯通，培养自己观察问题和解决问题的能力。图7是我们利用声卡设计的信号发生器界面。

3.3 基于工程案例的实验教学

　　为了理论联系实际和开阔学生的学术眼界，我们还发挥课程组成员承担过大量科研项目的优势，从承担的科研项目中抽象出桥梁固有频率测量、齿轮箱振动故障源分析、汽车发动机加速过程噪声分析等16个工程测量案例，并设计成虚拟仪器仿真模块，集成在虚拟仪器实验教学平台中。图8是转子实验台模型和用其设计的轴心轨迹测量实验。

图8 转子实验台模型和轴心轨迹测量实验中的应用

4 结论

　　“教学工作是学校的主旋律，提高教学质量是学校永恒的主题”。为提高测试技术课程教学水平和质量，课程组发挥在虚拟仪器领域的科研优势，开发了DRVI可重构虚拟仪器实验教学平台，使测试技术课程中因没有实物对象而枯燥、乏味的传感器原理部分变得具体和生动，使中抽象难学的信号分析理论部分变得直观、形象，课程教学质量和效果得到很大提高。