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基于虚拟仪器的物理实验数字化仪表设计与应用

2021-07-21 21:10:25初中论文 56人已围观

免费预览:基于虚拟仪器的物理实验数字化仪表设计与应用
[摘 要] 目前, 传统的中学实验教学大部分是由老师进行演示实验为主, 学生独立做实验的很少,造成我国中小学生动手能力差的原因,加上新课程
改革, 科学探究不仅被作为重要的理念强调、 作为教学建议提出, 而且被列入了课程目标和内容标准之中。 但在中学开展探究性实验教学多年来,存在提供探究性实验教学的设备紧缺问题。 目前市面上有此实验设备也是中外合资的或是进口的设备,价格贵,不宜推广,笔者通过研究开发了一个数字化探性实验系统平台, 适应中国国情的发展, 解决当前中小学校数字化探究性实验设备紧缺问题。
[关健词] labveiw 数字化 探究性实验 系统 设计
课题背景
目前, 传统的中学实验教学大部分是由老师进行演示实验为主, 部分实验由学生分组做实验,这部分的实验很少,就拿高中的物理科来讲,学生动手做的实验也不过多,还有很多实验在中小学校无法做到,只能由老师理论上讲解,例如: 磁场, 声波等等看不见、摸不着的东西,面对高中生来说,确实是一个难点。所以造成我国的中小学生动手能力差的主要原因。
2004 年 9 月全国中小学生课程进行新一轮的改革, 科学探究不仅被作为重要的理念强调、作为教学建议提出,而且被列入了课程目标和内容标准之中。但在中学开展探究性实验教学多年来,特别是在实行高中新课程这一年多来,一直存在以下几个困难:一是探究活动需要时间的与紧张课时的矛盾;二是探究实验设备特别是较高精度的数字化实验设备的需要与实际设备不足的矛盾,; 三是课本上验证性实验过多而探究性实验不足的矛盾;四是定性实验过多,定量实验过少的矛盾。针对以上的矛盾, 摆在面前的是最大困难的是要有一套价格便宜的较高精度的数字化实验设备问题和解决学生进行实验操作,

目前,国内中小学校实验的设备都是传统的实验设备,不适合探究性实验的需要。就拿走在时代前沿的国际大都市广州市的中小学 校都还没能做到与教材同时使用数字化探究性虚拟仪器实验教学系统平台。笔者经过研究, 发现可以用电脑的声卡作为数据采集器, 用虚拟仪器
labview 软件工具开发一套中学数字化探究性实验系统平台, 解决中小学的数字化探究性实验室设备的问题
一、 虚拟仪器测试系统及数据采集原理
1 、所谓虚拟仪器, 就是加在计算机上的一些软件和硬件,
它们具有和实际独立仪器( 如电压表、 万用表、 示波器和逻辑分析仪) 类似的外观和性能, 使用者操作这台计算机, 就像是在操纵一台他自己专门设计的传统电子仪器。 虚拟仪器技术的实质是充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。 它是一种功能意义上的仪器, 其核心是在最少量的硬件模块支持下, 用软件实现传统仪器数据采集、 存储、分析、 显示的功能。 一个完整的虚拟仪器测量系统由用虚拟仪器软件平台和硬件组织起来的。如下图:








2、数据采集原理:
数据采集卡(器)是一个模拟信号转换成数字信号的一个插到计算机中的卡或通过串口、USB 口连接到计算机的设备。其实它就是一个 A/ D, D/ A 转换器。虚拟仪器软件平台通过数据采集卡( 器) 采集到数字信号进行分析及处理再显示、存储、传递。
二、声卡数据采集工作原理[1]
声音的本质是一种波,表现为振幅、频率、相位等物理量的连续性变化。 声卡作为语音信号与计算机的通用接口, 其主要功能就是将所获取的模拟音频信号转换为数字信号, 经过 DSP 音效芯片的处理, 将该数字信号转换为模拟信号输出。 声卡的基本工作流程为[2]: 输入时, 麦克风或线路输入(Line In) 获取的音频信号通过 A/ D 转换器转换成数字信号, 送到计算机进行播放、 录音等各种处理; 输出时,计算机通过总线将数字化的声音信号以 PCM(脉冲编码调制) 方式送到 D/ A 转换器, 变成模拟的音频信号, 进而通过功率放大器或线路输出(Line Out) 送到音箱等设备转换为声波,人耳侦测到环境空气压力的改变, 大脑将其解释为声音。
衡量声卡的技术指标包括采样频率、 采样位数( 即量化精度)、 声道数、信噪比(SNR) 和总谐波失真( THD) 等, 主要介绍如下:
(1) ) 采样频率 每秒采集声音样本的数量。采样频率越高,记录的声音波形就越准确, 保真度就越高, 但采样数据量相应变大, 要求的存储空间也越多。
(2) 采 样 位 数 将 声 音 从 模 拟 信 号 转 化 为 数 字 信 号 的 二 进 制 位 数(bit)。 位数越高, 在定域内能表示的声波振幅的数目越多,记录的音质也就越高。例如,16 位声卡把音频信号的大小分为 216=65536 个量化等级来实施上述转换。
目前一般的声卡最高采样频率可达 96KHz; 采样位数可达 16 位甚至 32 位;声道数为 2 ,即立体声双声道,可同时采集两路信号, 需要时还可选用多路输入的高档声卡或配置多块声卡; 每路输入信号的最高频率可达 22.05 KHz, 输出 16 位的数字音频信号, 而 16 位数字系统的信噪比可达 96 dB。
三、 图形化编程语言Labview开发环境
LabVIEW 是一种图形化的编程语言和开发环境。它功能强大且灵活, 包含内容丰富的数据采集、分析、显示和存储工具。Lab VIEW 用于实现对实际物理量的采集、分析和表达,利用它可以方便快捷地建立自己的虚拟仪器。以 LabVIEW 为代表的图形化程序语言, 又称为 G 语言。使用这种语言编程时,基本上不需要编写程序代码,而是“ 绘制” 程序流程图。

LabVIEW 与虚拟仪器有着紧密联系,在 LabVIEW 中开发的程序都被称为 VI( 或虚拟仪器) , 其扩展名为 vi。VI 包括三个部分: 前面板( Front Panel )、程序框图( Block Diagram )和图标/连接器( Icon and Connector Pane)。
  程 序 前 面 板 用 于 设置输入数值和观察输出量,用于模拟真实仪表的前面板。在程序前面板上,输入量称为控制器( Control) , 输出量称 为 显 示 器
( Indicator) 。 控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上, 如旋钮、开关、按钮、图表、图形等, 这使这得前面板直观易懂。
程序框图是定义 VI 功能的程序源代码。每一个程序前面板都对应着一段框图程序。框图程序用 LabVIEW 图形编程语言编写,可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据,节点被用来实现函数和功能调用,图框被用来实现结构化程序控制命令,而连线代表程序执行过程中的数据流, 定义了框图内的数据流动方向。
图标/连接器是子 VI 被其它 VI 调用的接口。

图标是子 VI 在其他程序框图中被调用的节点表现形式; 而连接器则表示节点数据的输入/ 输出口,


图标 连

就象函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一
— 对应。连接器一般情况下隐含不显示, 除非用户选择打开观察它。

四、虚拟电压表仪器的程序设计
使用 LABVIEW 构建基于声卡的虚拟仪器的数据采集流程与一般的数据采集卡并无多大的差别。一般过程都是按下图所示进行设计。












声卡数据采集模块是根据用户设置的声音格式从声卡获得数据。采集到的数据及其力的变化特性以直观的图形方式呈现于用户面前。下面是
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