虚拟仪器设计应用

Virtual Instrument: Design and Application

一、课程的性质和目的

课程性质：本课程是理工科类电子信息工程、通信工程、计算机科学与技术、自动化、机电一体化等专业本科生的一门侧重于软件和硬件设计应用能力方向的专业课。

虚拟仪器系统是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物，它利用计算机系统的强大功能，结合相应的软件、硬件，突破传统仪器在数据处理、显示、传送等方面的限制，使用户可以方便地对其进行维护、扩展、升级等，广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、生化制药和工业生产制造等各种领域。

目的：通过本课程的学习，可以使学生掌握LabVIEW软件，学会数据采集、输出编程，掌握虚拟仪器系统的综合设计方法，了解虚拟仪器开发平台，学会自己设计虚拟仪器硬件系统，并利用虚拟仪器软件平台编写虚拟仪器软件系统。

在计算机技术的推动下，以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络化测量仪器及测试系统得到了迅猛的发展，使得测量仪器数据采集系统的设计和实现技术产生了深刻的变化。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、检测技术、微电子技术、通信技术以及图形化编程技术，成为当代仪器发展的一个重要方向。基于图形化编程语言的虚拟仪器测量方法，代表了测量仪器与自动测试系统、未来仪器的发展方向，是未来测试领域中的主流技术。

（一）理论、知识方面

通过本课程的理论教学，旨在使学生初步掌握工业标准图形化编程工具，开发测试测量应用程序的方法。掌握虚拟仪器系统的基本构成及基本设计思想，学习应用图形化语言进行编程和设计。以基于LabVIEW图形化编程语言的虚拟仪器开发平台为基础，学习掌握LabVIEW编程环境、编程方法、数据采集、信号分析与处理等方面的内容。

（二）能力、技能方面

在掌握基本理论知识和编程方法的基础上，通过上机实验，培养学生的工程应用能力，能够从测量问题本身出发，题目分析，电路组成等设计合理的测量方案，利用数据采集卡和相应的硬件设施，解决实际的测量问题。使学生掌握虚拟仪器系统软件的设计方法，完成一些数据采集等简单的测试测量任务。

二、课程教学内容及基本要求

本课程是学生本科阶段接触的一门工程应用的课程，以G语言作为一门设计语言向学生介绍搭建测试系统的设计思想。本课程教学的主要任务：理论课的教学以数据流模型为核心，以数据的存储与处理这一主线全面介绍G语言中的主要内容，包括：LabVIEW的数据类型、VI的创建与编辑、子VI的创建与调用，LabVIEW的循环结构，数据采集等，并将面向过程的程序设计思想贯穿其中，掌握一些常用算法的设计与实现方法。同时，合理设置实验内容以配合理论课的教学，明确每一个实验的训练目标，体现分层次的实验理念，对每个程序的重点难点给学生适当的提示使学生少走弯路尽快入门。通过学习本课程，学生应达到：基本掌握图形化程序设计方法，具有分析问题的能力，并具有用G语言编程解决问题的基本能力。较熟练地掌握一种开发工具的使用，具有一定的测试测量分析问题的能力。培养学生自己动手设计开发仪器和组建自动测试系统的能力。

通过本门课程的学习，要求掌握以下内容：

1、掌握L abVIEW的基本编程方法。

2、掌握虚拟仪器操作界面的设计

3、掌握基本数据采集、掌握虚拟仪器软件、硬件系统基本设计。

4、了解LabVIEW常用外部接口、与第三方软件结合使用的功能

5、能用虚拟仪器技术进行简单计算机测试系统的设计和综合应用。

（一）课程教学内容及知识模块顺序

1．知识单元一: 绪论：虚拟仪器概述、虚拟仪器的构成及其分类（2学时）

（1）知识点一：虚拟仪器、虚拟仪器技术、LabVIEW基本概念。

（2）知识点二：LabVIEW编程环境

（3）知识点三：LabVIEW选项板，G语言编程基础

（4）知识点四：创建、运行、调试VI的基本方法及使用技巧

• 教学基本要求：

  通过本章的学习，使学生对虚拟仪器技术有一个初步认识，建立虚拟仪器基本概念，熟悉LabVIEW软件特点及工作环境，了解G语言的编程模式及特点。

  重点、难点

  重点：虚拟仪器、虚拟仪器技术、LabVIEW基本概念，LabVIEW操作模板。

  难点：G语言编程基础

  2．知识单元二: 虚拟仪器的创建与调试（2学时）

  （1）知识点一：创建VI、编辑VI

  （2）知识点二：VI的调试与运行

• 教学基本要求：

  掌握LabVIEW的基本操作—创建、编辑与调试，了解VI的程序调试技巧。

• 重点、难点

  重点：创建VI、编辑VI

  难点：簇型数据、VI的调试与运行

  3． 知识单元三: 创建子VI （2学时）

  （1）知识点一：图标的创建和编辑

  （2）知识点二：连接器端口的设置、创建子VI

  （3）知识点三：子VI的调用

• 教学基本要求：掌握编辑VI图标和进行连接器端口的设置,掌握创建子VI的两种方法，熟练调用子VI；理解VI的层次结构；了解VI添加到用户库的方法。

• 重点、难点

重点：子VI的创建

难点：连接器端口的设置

4．知识单元四:（6学时）

（1）知识点一：LabVIEW的基本数据类型

（2）知识点二：LabVIEW数组型数据

（3）知识点三：字符串型数据

（4）知识点四：簇型数据、不同类型函数的综合应用

• 教学基本要求：

  掌握LabVIEW的基本数据类型，数组型数据，簇型数据、字符串型数据。了解不同类型函数的综合应用

• 重点、难点

  重点：基本数据类型、数组型数据、字符串型数据

  难点：簇型数据、不同类型函数的综合应用

  5． 知识单元五: （4学时）

  （1）知识点一：FOR循环、While循环

  （2）知识点二：条件结构、顺序结构

  （3）知识点三：局部变量与全局变量

  （4）知识点四：公式节点、MathScript节点和MATLAB脚本节点

• 教学基本要求：掌握LabVIEW的循环与结构。掌握使用For循环、While循环.了解局部变量与全局变量、公式节点、MathScript节点和MATLAB脚本节点

• 重点、难点

  重点：循环与结构

  难点：While循环结构

  6． 知识单元六:公式节点、属性节点 、状态机结构（6学时）

  （1）知识点一：公式节点的使用

  （2）知识点二：属性节点的使用

  （3）知识点三：状态机结构编程流程

• 教学基本要求：掌握状态机结构的编程技巧、灵活应用公式节点、属性节点。

7． 知识单元七: 数据采集DAQmax（10学时）

（1）知识点一：DAQ系统的构成

（2）知识点二：DAQ系统的功能

    （3）知识点三：数据采集卡的安装和配置

    （4）知识点四：DAQMAX的使用

（5）知识点五：数据采集助手使用

（6）知识点六：DAQ Assistant Express VI使用

• 教学基本要求：了解数据采集的基础知识，如数据采集系统的构成，不同的信号类型与信号处理方法；熟练掌握数据采集板卡的安装步骤；了解数据采集板卡的操作与配置，熟悉数据采集助手的使用方法。掌握DAQ Assistant Express VI构建数据采集VI的方法。

• 重点、难点

  重点：DAQmax的使用配置、数据采集助手的使用

  难点：DAQ Assistant Express VI构建数据采集VI

（二）课程的重点、难点及解决办法

重点：

创建VI、编辑VI、循环与结构、数组型数据、字符串型数据、子VI的创建、数据采集助手。

难点：

VI程序的调试、VI程序的结构、结构的建立与应用、数组的创建和初始化，簇的创建，子VI的创建与调用、数据采集系统设计、测试系统设计。

以上知识点对于学习LabVIEW图形化编程语言至关重要，但恰恰是初学者最难掌握的内容。

解决办法：

理论课的课堂教学要充分利用多媒体课件辅助课堂教学，教材应尽量达到以下要求：教材应当讲求前后知识的连贯性，从学生已掌握的知识引出新的内容，以较自然的方式引入新内容，降低难度。

重点难点在讲授时，课件的制作要真正演示程序的执行过程，同时仍然要坚持使用板书配合画一些流程图或内存示意图帮助学生理解。

每一个项目内容要与相应的理论知识相配套，明确目标，提示难点，并定制每一个项目的项目报告，使学生在完成报告的过程中体会到每一题对学生训练的方向和要求。实验教学要体现分层次的教学理念，将测试应用要求作为项目内容的一部分贯穿在每一个应用中，循环渐进训练学生使其逐步掌握图形化程序设计的方法、编程方法与调试方法，加深对重点难点的理解并提高应用能力。

三、实验实践环节及基本要求

1．实验实践教学环节在本课程中的作用及要求

本课程是实践性很强的课程，上机实验环节对于整个课程的学习至关重要。学生通过上机实验才能更好地理解理论知识，将这些理论知识真正用于程序中解决问题，会用G语言图形化编程才是学习这门课的最终目的。上机实验环节重在培养学生运用G语言进行基本的面向过程的程序设计的能力。对学生在编程风格、结构化程序设计方法等方面进行系统和严格的训练，使学生熟练掌握一种LabVIEW集成开发工具的使用，特别强调数据采集卡的使用。

    2.实验项目

    项目一：创建幅值、频率可调的正弦波发生器设计（2学时）

    项目二：汽车仪表盘控制系统设计（2学时）

    项目三：交通灯控制系统设计（2学时）

    项目四：温度采集监测系统设计（2学时）

    项目五：声音信号采集系统设计（2学时）

    项目六：数据采集、报警综合系统设计（2学时）

    四、本课程与其它课程的联系与分工

    本课程为本科生进入大学后的第一门虚拟仪器技术设计应用课程，先修课是C语言程序设计、传感器与检测技术、电子测量技术。本课程使学生掌握了必要的编程能力、数据采集、虚拟仪器系统设计，为学生毕业设计打下良好的基础。

    五、对学生能力培养的要求

通过课程学习，培养学生运用所学专业知识从事虚拟仪器的应用、实现和测试的能力，以及独立分析问题和解决问题的能力。使学生在G语言图形化编程的基础上，很好的应用现代电子测试测量技术、虚拟仪器技术，结合工程应用具有开发项目的能力，分析处理数据的能力和数据采集控制的能力，项目应用开发的能力。

六、课程学时分配

总学时32，其中讲授16学时，项目设计实验16学时。课程主要内容和学时分配见课程学时分配表。

课程学时分配表

七、主要教学方法

采用混合式教学方法，主要开展DCL以设计、实施项目设计为中心的学习。将案例介绍给学生，从中提取出将要解决的问题，培养学生的合作、展示、设计和实验的能力。

优化课堂教学、强化课外训练，采用的DCL教学方法充分调动学生学习的主动性，让学生学得生动、学得有兴趣、学得有信心。

八、建议教材和主要教学参考书目

1．教材

   [1]《LabVIEW与MATLAB混合编程技术（第一版）》，曲丽荣，胡容等，机械工业出版社，2008年

2．主要参考书

   [1]《LabVIEW快速入门与提高》，孙秋野，柳昂，王云爽编著，西安交通大学出版社，2009年

[2]《LabVIEW8.20程序设计从入门到精通》，陈锡辉，张银鸿编著，清华大学出版社，2006年

[3]《LabVIEW程序设计与应用》，杨乐平，李海涛，肖相生等编著，电子工业出版社, 2007年

九 、课程考核

本课程采用闭卷考试方式，总评成绩由平时成绩和期末成绩组成，无期中考试。平时成绩占总评的40%，期末成绩占总评的60%。平时成绩从作业、上课出勤率、项目设计实验等几方面进行考核。

十、说明

该课程为新生第一门接触现代电子测试技术---虚拟仪器技术的设计课程，第一章的内容中应该补充一些新技术概论等相关的知识。第一次实验应该对操作系统和编程环境的使用作一定的要求和实训。

本大纲适用于电子信息工程、通信工程、电子科学与技术、微电子等机电一体化专业的虚拟仪器技术专业选修课。

执笔人：曲丽荣    审核人：赵航     教学院长（主任）：王芳