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课程编码：08265029
课程名称：虚拟仪器
英文名称：Virtual Instrument
开课学期：7
学时/学分：32/2（其中实验学时：16）
课程类型：专业选修课
开课专业：测控仪器、电气工程及其自动化专业本科生
选用教材：《虚拟仪器原理及应用》林君，谢宣松著
主要参考书：《基于LabVIEW的虚拟仪器设计》刘君华主编
《虚拟仪器的设计与实现》张易知编著
执笔人：林君
一、课程性质、目的与任务
《虚拟仪器》课程是一门仪器科学与计算机技术相结合的学科，是信息技术和仪器仪表技术的结合点，是近年来迅速发展起来的一门新兴的技术。
虚拟仪器利用计算机软件代替传统仪器的硬件来实现各种各样的信号分析，处理，完成各种各样的测试功能，突破传统仪器在数据处理，表达，传送，存储等方面的限制，这种仪器具有结构灵活、研制周期短、成本低、易维护、扩展方便、软件资源丰富等优点，是当今科学仪器发展的主流，也是信息技术的一个重要应用领域。
虚拟仪器课程是测控技术及仪器专业的新技术前沿课之一。它主要使学生获得软件就是仪器的思想，掌握虚拟仪器的设计与实践技术，基于多种总线标准的数据采集与接口技术。
在科学仪器的软件化、集成化、智能化、网络化与微型化的发展趋势下，学生需要接触到先进的虚拟仪器开发平台，跟上新技术发展的步伐，这将有助于我国的高等教育与国际接轨，推进我国仪器科学与技术的发展。
二、教学基本要求
（1）了解并掌握虚拟仪器的工作原理及工作过程。
（2）掌握利用图形化虚拟仪器开发平台进行虚拟仪器设计的方法与技术。
（3）了解自行设计的基于网络的虚拟实验室平台软件及其使用方法。
（4）掌握虚拟数字存储示波器的设计方法。
（5）掌握虚拟频谱分析仪的设计方法。
（6）掌握基于USB总线和PCI总线的数据采集系统设计方法。
通过本课学习使学生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。
三、各章节内容及学时分配
第1章 虚拟仪器概述（2学时）
教学目的与要求
着重掌握VI的软件结构，VI的软件开发。
教学内容
1.1 虚拟仪器的基本概念
1.2 虚拟仪器的体系
1.2.1 虚拟仪器的硬件
1.2.2 虚拟仪器的软件
1.2.2.1 VI的软件结构
1.2.2.2 VI的软件开发
1.2.3 网络化虚拟仪器
1.3 虚拟仪器面临的挑战
考核要求
了解：虚拟仪器的基本概念，虚拟仪器的体系，虚拟仪器面临的挑战
理解：虚拟仪器的硬件，虚拟仪器的软件，网络化虚拟仪器
掌握：VI的软件结构，VI的软件开发
第2章 构架虚拟仪器软件平台（4学时）
教学目的与要求
着重掌握LabScene中所用到的基础理论和关键技术。
教学内容
2.1 G语言要素抽象
2.1.1现实中的硬件
2.1.2用户界面
2.1.3电路图
2.1.4图形语言要素
2.2 G语言结构模型
2.2.1根树
2.2.2层图
2.2.3兄弟层图
2.2.4应用
2.2.5兄弟AOV网
2.3 正交三叉树
2.3.1 正交线段
2.3.2 定点和交点
2.3.3 段线
2.3.4 正交线路图
2.3.5 正交三叉树的连线
2.4 G语言运行机制
2.4.1 可视化元素V
2.4.2 消息及消息存放场所M
2.4.3 规则R
2.4.4 模型的运行流程
2.4.5 消息执行统计
2.5 内存管理
2.5.1 数据的存储特征
2.5.2 内存地址描述模型
2.5.3 内存数据描述模型
2.5.4 分配算法
2.5.5 访问算法
2.5.6 回收算法
2.5.7 算法对G语言特定功能的支持
2.5.8 G语言中运行效果比较
2.6 扩展性需求
2.6.1 动态加载外部实现
2.6.2 第三方节点
2.7 脚本解析算法
2.7.1 总体框架
2.7.2 可配置系统实现
2.7.3 脚本生成语法
2.7.4 解释执行过程及运算
2.8 网络构架设计
2.8.1 网络化虚拟仪器系统的模式
2.8.2 LabScene网络化体系
2.8.3 网络协议
2.8.4 详细设计
2.9 通用类框架
2.9.1 基于事件的窗口驱动模型
2.9.2 类信息及其运行期识别能力
2.9.3 类体系的建立
2.9.4 动态创建能力
2.9.5 保存及动态生成的持久化能力
2.9.6 消息响应类CMsgTargetX
2.10 LabScene类框架
2.10.1 LabScene基础类包
2.10.3 G语言基本要素的相关类
2.10.4 三个最主要的节点类
2.11 设计模式的应用
2.11.1 Command模式
2.11.2 Singleton模式
2.11.3 Dispatcher模式
2.11.4 Builder模式
2.11.5 Factory模式
2.11.6 Observer模式
2.11.7 State模式
2.12 用户界面接口框架
2.12.1 基本用户控件
2.12.2 数组和簇
2.13 图形代码框架
2.13.1 功能节点及容器节点
2.13.2 输入输出管脚
2.13.3 连接关系
2.13.4 模块化设计
2.13.5 图形编辑功能
考核要求
了解：G语言
理解：虚拟仪器软件LabScene特征
掌握：G语言要素，数据结构基础，运行机制，内存管理，网络构架，类库体系以及设计模式
第3章 G语言在LabScene中的实现（4学时）
教学目的与要求
LabScene中的各种不同功能的控件，节点以及数组、结构、列表。
教学内容
3.1 基本数据类型及其操作
3.1.1 数字型
3.1.1.1 基本数学运算节点
3.1.1.2 类型转换节点
3.1.1.3 三角函数节点
3.1.1.4 对数节点
3.1.1.5 附加常量节点
3.1.2布尔型
3.1.2.1 布尔运算
3.1.2.2 比较运算
3.1.3 字符串
3.1.3.1 字符串控件
3.1.3.2 字符串节点
3.2 变量、数组与簇
3.2.1本地变量
3.2.2数组
3.2.3簇
3.3 结构与属性控制
3.3.1For循环
3.3.2While循环
3.3.3顺序结构
3.3.4选择结构
3.3.5公式节点
3.4 波形显示控件
3.4.1事后记录波形控件（简单记录示波器）
3.4.2实时趋势图控件（实时示波器）
3.4.3复杂记录示波器
3.5 文件操作
3.5.1 文件存取
3.5.2 文件操作节点
3.6 时间及对话框
3.6.1时间控件
3.6.2对话框控件
3.7 设备及仪器
3.8 数学分析
3.9 信号产生
3.10 控制控件
3.11 高级控件
3.12 仪器设备
3.13 节点的扩展
3.13.1 本地节点的使用
3.13.2 网络构架设计
考核要求
了解：高级语言的各种数据类型
理解：高级语言的各种数据类型的操作
掌握：LabScene中的各种不同功能的控件，节点以及数组、结构、列表。
第4章 虚拟仪器硬件系统设计（8学时）
教学目的与要求
着重掌握虚拟仪器硬件系统的设计。
教学内容
4.1 基于PCI总线的数据采集卡的开发
4.1.1 PCI局部总线概述
4.1.2基于PCI总线数据采集卡总体设计方案
4.1.3采集系统硬件部分设计
4.1.4采集系统软件设计
4.2 基于USB总线的数字示波器模块的开发
4.2.1USB总线概述
4.2.2基于USB总线示波器模块概述
4.2.3示波器硬件系统设计
4.2.4示波器软件系统设计
4.2.5示波器测试效果
4.3 基于USB总线的LCR测试模块的开发
4.3.1基于USB总线LCR测试仪的总体设计方案
4.3.2虚拟LCR测试仪算法实现
4.3.3LCR硬件系统设计
4.3.4系统测试结果
4.4 基于USB总线任意波形发生卡的开发
4.4.1USB总线任意波形发生卡基本原理
4.4.2USB任意波形发生器总体设计方案
4.4.3任意波形发生器硬件系统开发
4.4.4系统测试结果
4.5 基于以太网总线嵌入式Web开发
4.5.1TCP/IP协议栈简介
4.5.2基于以太网总线嵌入式Web总体方案设计
4.5.3以太网控制器RTL8019AS介绍
4.5.4嵌入式Web硬件系统设计
4.5.5嵌入式Web软件系统设计
4.5.6嵌入式Web调试及测试结果
4.6 基于RS232总线虚拟冲击功测试模块的开发
4.6.1虚拟冲击功测试原理
4.6.2系统设计总体方案
4.6.3虚拟冲击功测试仪硬件系统设计
4.6.4冲击功测试效果
考核要求
了解：基于LabScene的虚拟仪器测试系统。
理解：各种硬件模块。
掌握：虚拟仪器硬件系统的设计。
第5章LabScene开发平台的应用（4学时）
教学目的与要求
着重掌握在LabScene软件平台下运用虚拟仪器硬件系统编写各种程序。
教学内容
5.1 LabScene在虚拟仪器教学实验系统中的应用
5.1.1任意波形发生器的结构与组成
5.1.2软件的设计与实现
5.2 LabScene在虚拟电子测量系统中的应用
5.2.1虚拟数字示波器设计
5.2.2LCR虚拟测试仪的设计
5.3 LabScene在工程实际中的应用
5.3.1冲击功虚拟测试仪的结构与组成
5.3.2软件的设计与实现
5.4 LabScene的网络应用
5.4.1网络信号发生卡
5.4.2网络信号发生卡软件的设计与实现
考核要求
了解：LabScene的应用。
理解：LabScene软件的设计。
掌握：在LabScene软件平台下运用虚拟仪器硬件系统编写各种程序。
四、实验：
a) 实验目的与任务
虚拟仪器课程是测控技术及仪器专业的新技术前沿课之一。它主要使学生获得软件就是仪器的思想，掌握虚拟仪器的设计与实践技术，基于多种总线标准的数据采集与接口技术。本实验课是完成课程教学的重要环节，其目的是使学生掌握虚拟仪器与虚拟实验室的解决方案和组构技术，接受基本的实验技能训练，培养学生在虚拟仪器设计领域中独立处理问题和解决问题的能力。
b) 实验教学基本要求
（1）了解并掌握虚拟仪器的工作原理及工作过程。
（2）掌握利用图形化虚拟仪器开发平台进行虚拟仪器设计的方法与技术。
（3）了解自行设计的基于网络的虚拟实验室平台软件及其使用方法。
（4）掌握虚拟数字存储示波器的设计方法。
（5）掌握虚拟频谱分析仪的设计方法。
（6）掌握基于USB总线和PCI总线的数据采集系统设计方法。
c) 实验教材或指导书
校编《虚拟仪器实验教材》
d) 实验项目一览表
序号
| 实验项目
| 内容提要
| 实验
类型
| 学时
分配
| 主要仪器
设 备
| 实验
地点
| 备注
|
1
| 熟悉LabVIEW软件开发平台环境
| 创建子VI程序以及采集数据程序
| 编程
| 2
| 电脑
| 地质宫330
|
|
2
| 在LabVIEW软件开发平台下独立编程
| 显示数据以及把数据传送到文件
| 编程
| 2
| 电脑
| 地质宫330
|
|
3
| 熟悉LabScene软件开发平台环境
| 创建子VI程序以及实现波形的显示、波形的频谱分析及波形的逆变换
| 编程
| 2
| 电脑
| 地质宫330
|
|
4
| 在LabScene软件开发平台下独立编程
| 产生正弦波和白噪声并合成
| 编程
| 2
| 电脑
| 地质宫330
|
|
5
| 虚拟信号发生器实验
| 编写信号发生器程序
| 编程
| 2
| 电脑
硬件板卡
示波器
| 地质宫330
|
|
6
| 虚拟频谱分析仪实验
| 编写频谱分析仪程序
| 编程
| 2
| 电脑
硬件板卡
信号发生器
| 地质宫330
|
|
五、考核方式：课上点名，课后作业，期末写报告
六、备注：无
