《虚拟仪器》教学大纲

《虚拟仪器》教学大纲Normal07.8磅02falsefalsefalseMicrosoftInternetExplorer4课程编码：08265029课程名称：虚拟仪器英文名称：VirtualInstrument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1.2.2.1VI的软件结构1.2.2.2VI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2.1G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2.2G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2.4G语言运行机制2.4.1可视化元素V2.4.2消息及消息存放场所M2.4.3规则R2.4.4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2.5.8G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2.8.2LabScene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CMsgTargetX2.10LabScene类框架2.10.1LabScene基础类包2.10.3G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2.11.1Command模式2.11.2Singleton模式2.11.3Dispatcher模式2.11.4Builder模式2.11.5Factory模式2.11.6Observer模式2.11.7State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4.1.1PCI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5.1LabScene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5.2LabScene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5.3LabScene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5.4LabScene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3302在LabVIEW软件开发平台下独立编程显示数据以及把数据传