《虛擬儀器》教學大綱

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課程編碼：08265029

課程名稱：虛擬儀涔

英文名稱：VirtualInstrument

開課學期：7

學時/學分:32/2（其中實驗學時:16）

課程類型：專業(yè)選修課

開課專業(yè)：測控儀器、電氣工程及其自動化專業(yè)本科生

選用教材：《虛擬儀器原理及應用》林君，謝宣松著

主要參考書：《基于LabVIEW的虛擬儀器設計》劉君華主編

《虛擬儀器的設計與實現(xiàn)》張易知編著

一、課程性質、目的與任務

《虛擬儀器》課程是一門儀器科學與計算機技術相結合的學科，是信息技術和儀器

儀表技術的結合點，是近年來迅速發(fā)展起來的一門新興的技術。

虛擬儀器利用計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的硬件來實現(xiàn)各種各樣的信號分析，史理，

完成各種各樣的測試功能，突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理，表達，傳送，存儲等方面的

限制，這種儀器具有結構靈活、研制周期短、成本低、易維護、擴展方便、軟件資

源豐富等優(yōu)點，是當今科學儀器發(fā)展的主流，也是信息技術的一個重要應用領域。

虛擬儀器課程是測控技術及儀器專業(yè)的新技術前沿課之一。它主要使學生獲得軟件

就是儀器的思想，掌握虛擬儀器的設計與實踐技術，基于多種總線標準的數(shù)據(jù)采集

與接口技術。

在科學儀器的軟件化、集成化、智能化、網(wǎng)絡化與微型化的發(fā)展趨勢下，學生需要

接觸到先進的虛擬儀器開發(fā)平臺，跟上新技術發(fā)展的步伐，這將有助于我國的高等

教育與國際接軌，推進我國儀港科學與技術的發(fā)展，

二、教學基本要求

（1）了解并掌握虛擬儀器的工作原理及工作過程。

（2）掌握利用圖形化虛擬儀辭開發(fā)平臺進行虛擬儀器設計的方法與技術。

1

（3）了解自行設計的基于網(wǎng)絡的虛擬實驗室平臺軟件及其使用方法。

（4）掌握虛擬數(shù)字存儲示波器的設計方法。

（5）掌握虛擬頻譜分析儀的設計方法。

（6）掌握基于USB總線和PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方法。

通過本課學習使學生了解虛擬儀器開發(fā)平臺，學會自己設計虛擬儀器硬件系統(tǒng)，并

利用虛擬儀器軟件平臺編寫虛擬儀潛軟件系統(tǒng)。

三、各章節(jié)內容及學時分配

第1章虛擬儀器概述（2學時）

教學目的與要求

著重掌握VI的軟件結構，VI的軟件開發(fā)。

教學內容

1.1虛擬儀器的基本概念

1.2虛擬儀器的體系

1.2.1虛擬儀器的硬件

1.2.2虛擬儀器的軟件

1.2.2.1VI的軟件結構

1.2.2.2VI的軟件開發(fā)

1.2.3網(wǎng)絡化虛擬儀器

1.3虛擬儀器面臨的挑戰(zhàn)

考核要求

了解：虛擬儀器的基本概念，虛擬儀器的體系，虛擬儀器面臨的挑戰(zhàn)

理解：虛擬儀器的硬件，虛擬儀器的軟件，網(wǎng)絡化虛擬儀器

掌握：VI的軟件結構，VI的軟件開發(fā)

第2章構架虛擬儀器軟件平臺（4學時）

教學目的與要求

著重掌握LabScene中所用到的基礎理論和關鍵技術。

教學內容

2.1G語言要素抽象

2.1.1現(xiàn)實中的硬件

2.1.2用戶界面

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2.1.3電路圖

2.1.4圖形語言要素

2.2G語言結構模型

2.2.1根樹

2.2.2層圖

2.2.3兄弟層圖

2.2.4應用

2.2.5兄弟AOV網(wǎng)

2.3正交三叉樹

2.3.1正交線段

2.3.2定點和交點

2.3.3段線

2.3.4正交線路圖

2.3.5正交三叉樹的連線

2.4G語言運行機制

2.4.1可視化元素V

2.4.2消息及消息存放場所M

2.4.3規(guī)則R

2.4.4模型的運行流程

2.4.5消息執(zhí)行統(tǒng)計

2.5內存管理

2.5.1數(shù)據(jù)的存儲特征

2.5.2內存地址描述模型

2.5.3內存數(shù)據(jù)描述模型

2.5.4分配算法

2.5.5訪問算法

2.5.6回收算法

2.5.7算法對G語言特定功能的支持

2.5.8G語言中運行效果比較

2.6擴展性需求

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2.11.7State模式

2.12用戶界面接口框架

2.12.1基本用戶控件

2.12.2數(shù)組和簇

2.13圖形代碼框架

2.13.1功能節(jié)點及容器節(jié)點

2.13.2輸入輸出管腳

2.13.3連接關系

2.13.4模塊化設計

2.13.5圖形編輯功能

考核要求

了解：G語言

理解：虛擬儀器軟件LabSccnc特征

掌握：G語言要素，數(shù)據(jù)結構基礎，運行機制，內存管理，網(wǎng)絡構架，類庫體系以及

設計模式

第3章G語言在LabScene中的實現(xiàn)（4學時）

教學目的與要求

LabScene中的各種不同功能的控件，節(jié)點以及數(shù)組、結構、列表。

教學內容

3.1基本數(shù)據(jù)類型及其操作

3.1.1數(shù)字型

3.1.1.1基本數(shù)學運算節(jié)點

3.1.1.2類型轉換節(jié)點

3.1.1.3二角函數(shù)節(jié)點

3.1.1.4對數(shù)節(jié)點

3.1.1.5附加常量節(jié)點

3.1.2布爾型

3.1.2.1布爾運算

3.1.2.2比較運算

3.1.3字符串

5

3.1.3.1字符串控件

3.1.3.2字符串節(jié)點

3.2變量、數(shù)組與簇

3.2.1本地變量

3.2.2數(shù)組

3.2.3簇

3.3結構與屬性控制

3.3.IFor循環(huán)

3.3.2While循環(huán)

3.3.3順序結構

3.3.4選擇結構

3.3.5公式節(jié)點

3.4波形顯示控件

3.4.1事后記錄波形控件（簡單記錄示波器）

3.4.2實時趨勢圖控件（實時示波器）

3.4.3復雜記錄示波器

3.5文件操作

3.5.1文件存取

3.5.2文件操作節(jié)點

3.6時間及對話框

3.6.1時間控件

3.6.2對話框控件

3.7設備及儀器

3.H數(shù)學分析

3.9信號產(chǎn)生

3.10控制控件

3.11高級控件

3.12儀器設備

3.13節(jié)點的擴展

3.13.1本地節(jié)點的使用

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3.13.2網(wǎng)絡構架設計

考核要求

了解：高級語言的各種數(shù)據(jù)類型

理解：高級語言的各種數(shù)據(jù)類型的操作

掌握：LabScene中的各種不同功能的控件，節(jié)點以及數(shù)組、結構、列表。

第4章虛擬儀器硬件系統(tǒng)設計（8學時）

教學目的與要求

著重掌握虛擬儀器硬件系統(tǒng)的設計。

教學內容

4.1基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡的開發(fā)

4.1.1PCI局部總線概述

4.1.2基于PCI總線數(shù)據(jù)采集卡總體設計方案

4.1.3采集系統(tǒng)硬件部分設計

4.1.4采集系統(tǒng)軟件設計

4.2基于USB總線的數(shù)字示波器模塊的開發(fā)

4.2.1USB總線概述

4.2.2基于USB總線示波器模塊概述

4.2.3示波器硬件系統(tǒng)設計

4.2.4示波器軟件系統(tǒng)設計

4.2.5示波器測試效果

4.3基于USB總線的LCR測試模塊的開發(fā)

4.3.1基于USB總線LCR測試儀的總體設計方案

4.3.2虛擬LCR測試儀算法實現(xiàn)

4.3.3LCR硬件系統(tǒng)設計

4.3.4系統(tǒng)測試結果

4.4基于USB總線任意波形發(fā)生卡的開發(fā)

4.4.1USB總線任意波形發(fā)生卡基本原理

4.4.2USB任意波形發(fā)生器總體設計方案

4.4.3任意波形發(fā)生器硬件系統(tǒng)開發(fā)

4.4.4系統(tǒng)測試結果

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4.5基于以太網(wǎng)總線嵌入式Web開發(fā)

4.5.1TCP/1P協(xié)議棧簡介

4.5.2基于以太網(wǎng)總線嵌入式Web總體方案設計

4.5.3以太網(wǎng)控制器RTL8019AS介紹

4.5.4嵌入式Web硬件系統(tǒng)設計

4.5.5嵌入式Web軟件系統(tǒng)設計

4.5.6嵌入式Web調試及測試結果

4.6基于RS232總線虛擬沖擊功測試模塊的開發(fā)

4.6.1虛擬沖擊功測試原理

4.6.2系統(tǒng)設計總體方案

4.6.3虛擬沖擊功測試儀硬件系統(tǒng)設計

4.6.4沖擊功測試效果

考核要求

了解：基于LabScene的虛擬儀器測試系統(tǒng)。

理解：各種硬件模塊。

掌握：虛擬儀器硬件系統(tǒng)的設計。

第5章LabScene開發(fā)平臺的應用（4學時）

教學目的與要求

著重掌握在LabScene軟件平臺下運用虛擬儀器硬件系統(tǒng)編寫各種程序。

教學內容

5.1LabScene在虛擬儀器教學實驗系統(tǒng)中的應用

5.1.1任意波形發(fā)生器的結構與組成

5.1.2軟件的設計與實現(xiàn)

5.2LahScane在虛擬電子測量系統(tǒng)中的應用

5.2.1虛擬數(shù)字示波器設計

5.2.2LCR虛擬測試儀的設計

5.3LabScene在工程實際中的應用

5.3.1沖擊功虛擬測試儀的結構與組成

5.3.2軟件的設計與實現(xiàn)

5.4LabScene的網(wǎng)絡應用

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5.4.1網(wǎng)絡信號發(fā)生卡

5.4.2網(wǎng)絡信號發(fā)生卡軟件的設計與實現(xiàn)

考核要求

了解：LabScene的應用。

理解：LabScene軟件的設計。

掌握：在LabScene軟件平臺下運用虛擬儀器硬件系統(tǒng)編寫各種程序。

四、實驗：

a）實驗目的與任務

虛擬儀器課程是測控技術及儀潛專業(yè)的新技術前沿課之一。它主要使學生獲得軟件

就是儀器的思想，掌握虛擬儀器的設計與實踐技術，基于多種總線標準的數(shù)據(jù)采集

與接口技術。本實驗課是完成課程教學的重要環(huán)節(jié)，其目的是使學生掌握虛擬儀器

與虛擬實驗室的解決方案和組構技術，接受基本的實驗技能訓練，培養(yǎng)學生在虛擬

儀器設計領域中獨立處理問題和解決問題的能力。

b）實驗教學基本要求

（1）了解并掌握虛擬儀器的工作原理及工作過程。

（2）掌握利用圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺進行虛擬儀器設計的方法與技術。

（3）了解自行設計的基于網(wǎng)絡的虛擬實驗室平臺軟件及其使用方法。

（4）掌握虛擬數(shù)字存儲示波器的設計方法。

（5）掌握虛擬頻譜分析儀的設計方法。

（6）掌握基于USB總線和PCI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方法。

c）實驗教材或指導書

校編《虛擬儀器實驗教材》

實驗項目一覽表

實驗

序

實驗學時主要儀器

地

點

號實驗項目內容提要備注

類型分配設備

1熟悉LabVTEW創(chuàng)建子VI程編程2電腦地質宮

軟件開發(fā)平臺序以及采集330

環(huán)境數(shù)據(jù)程序

2在LabVIEW軟顯示數(shù)據(jù)以編程2電腦地質宮

件開發(fā)平臺下及把數(shù)據(jù)傳330

獨立編程送到文件

3熟悉創(chuàng)建子VI程編程2電腦地質宮

LabScene軟序以及實現(xiàn)330

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