仿真教學(xué)儀器分析論文范文

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1LabVIEW軟件概述

LabVIEW是LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench的英文縮寫，是一個(gè)圖形化的開發(fā)軟件，結(jié)合了圖形化編程方式，具有高性能與靈活性，專門為測試、測量及自動(dòng)化控制的應(yīng)用設(shè)計(jì)配置功能，為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析與數(shù)據(jù)顯示等提供了必要的開發(fā)工具[6]。用LabVIEW軟件開發(fā)的應(yīng)用程序叫做VI(VirtualInstrument，即虛擬儀器)。VI是由圖標(biāo)、連線以及框圖所構(gòu)成的應(yīng)用程序，由前面板和后面板兩部分構(gòu)成，前面板是應(yīng)用程序的操作界面，主要由控制量和顯示量構(gòu)成。在程序運(yùn)行時(shí)，用戶通過控制量輸入數(shù)據(jù)并控制程序的運(yùn)行，而顯示量則主要用于顯示程序運(yùn)行的結(jié)構(gòu)。本文采用美國NI公司LabVIEW8.0軟件平臺(tái)。

1.1前面板模塊前面板用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出量。程序前面板是模擬真實(shí)儀表的面板，用戶可以從控制工具箱中選用許多圖板，如旋鈕、開關(guān)、按鈕、數(shù)字顯示、計(jì)量器、LED顯示器、圖表等。完成設(shè)計(jì)后只需在程序執(zhí)行時(shí)按一下開關(guān)，撥動(dòng)一下旋鈕，將圖形局部放大或是從鍵盤輸入一個(gè)值，便可以完全操控整個(gè)儀器。

1.2方塊圖程序的編程每個(gè)前面板都配有一個(gè)對應(yīng)的方塊圖程序，方塊圖程序也稱做框圖程序。方塊圖程序可以把它理解成傳統(tǒng)程序的源代碼，方塊圖中的部件可以看成程序節(jié)點(diǎn)，如循環(huán)控制事件控制和算術(shù)功能等，這些部件用連線連接，以定義方塊圖內(nèi)數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。LabVIEW方塊圖程序的結(jié)構(gòu)為模塊化結(jié)構(gòu)，因此每一個(gè)LabVIEW程序都可以單獨(dú)執(zhí)行，或者被其他程序當(dāng)成子程序來調(diào)用。甚至可以為每個(gè)子程序設(shè)計(jì)不同的圖標(biāo)，如此便可以設(shè)計(jì)出一組可供修改，交換或與其他LabVIEW程序相鏈接的子程序庫，以符合用戶不同的需求。LabVIEW的主要特點(diǎn)[7]為：(1)采用圖形化(數(shù)據(jù)流)的編程語言，編程簡單，開發(fā)周期短。(2)采用數(shù)據(jù)流編程模式，能同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序的多個(gè)任務(wù)系統(tǒng)。(3)提供了豐富的用于數(shù)據(jù)采集、分析、表達(dá)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的函數(shù)庫。

2基于LabVIEW的仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)在理工科學(xué)生培養(yǎng)中占有重要地位，對于深化學(xué)生對知識(shí)的理解和掌握、培養(yǎng)學(xué)生分析及解決問題的能力具有重要作用。仿真教學(xué)系統(tǒng)能拓展實(shí)驗(yàn)空間，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量及效率。大型分析儀器種類繁多，價(jià)格昂貴，易損壞。儀器分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建既能降低儀器成本，又能使學(xué)生對理論知識(shí)有深入直觀的認(rèn)識(shí)，有效提高授課效果。電化學(xué)工作站是電化學(xué)測量系統(tǒng)的簡稱，是電化學(xué)研究和教學(xué)常用的測量設(shè)備，可進(jìn)行循環(huán)伏安法、交流阻抗法、交流伏安法等多種測量。本文以循環(huán)伏安法為例建立虛擬仿真系統(tǒng)。具體包括程序結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)，前面板設(shè)計(jì)和框圖程序設(shè)計(jì)。

2.1仿真系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)首先進(jìn)行程序結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)，循環(huán)伏安虛擬仿真系統(tǒng)流程如圖1所示。

2.2仿真系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)前面板是用于人機(jī)交互的程序圖形用戶窗口，本系統(tǒng)前面板包括實(shí)驗(yàn)技術(shù)設(shè)定、控制參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、波形顯示等功能。本文以6×10-3mol/L鐵氰化鉀在0.1mol/L氯化鉀溶液中的循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)為例，設(shè)計(jì)鐵氰化鉀循環(huán)伏安虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前面板，如圖2所示。前面板由旋鈕、按鈕、圖形和其他控制與顯示對象等組成，通過鼠標(biāo)和鍵盤輸入數(shù)據(jù)、控制按鈕，即可在計(jì)算機(jī)顯示器上直接觀看結(jié)果。首先在前面板中進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，VI程序運(yùn)行時(shí)通過數(shù)據(jù)控制端口傳遞到框圖程序中，供節(jié)點(diǎn)使用，程序運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)輸出，通過指示端口傳遞到前面板中相應(yīng)位置，其中電壓步長用以調(diào)節(jié)電壓E的間隔，X-Y圖顯示鐵氰化鉀的循環(huán)伏安曲線。控制界面美觀大方，操作方便，可直觀反映電流隨電壓變化。

2.3仿真系統(tǒng)框圖程序設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)框圖程序如圖3所示，仿真循環(huán)伏安系統(tǒng)程序框圖采用導(dǎo)入Excel表格形式輸入數(shù)據(jù)，包括報(bào)告表格、表格索引、獲取表格數(shù)據(jù)、數(shù)組索引及傳送數(shù)據(jù)的連線。通過程序運(yùn)算后的數(shù)為據(jù)轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，再連接到圖形顯示控件，實(shí)現(xiàn)鐵氰化鉀的模擬仿真循環(huán)伏安曲線。

2.4氣相色譜儀模擬仿真教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用上述設(shè)計(jì)循環(huán)伏安模擬仿真教學(xué)系統(tǒng)同樣方法，建立了氣相色譜儀模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，前面板如圖4所示，該系統(tǒng)能生動(dòng)、形象地模擬運(yùn)行與傳統(tǒng)儀器相同的實(shí)驗(yàn)效果。即可節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，又激發(fā)了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的興趣和創(chuàng)造性，此外，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展也給仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)帶來了資源的共享性。

3結(jié)論

本文基于LabVIEW軟件開發(fā)循環(huán)伏安及氣相色譜儀模擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，將該系統(tǒng)應(yīng)用于儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)，一方面緩解了儀器設(shè)備少，教學(xué)資源不足的問題。另一方面，學(xué)生通過計(jì)算機(jī)就能對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)和演練，增強(qiáng)了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知深度，帶來一種如臨現(xiàn)場的親身感受，提高了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)效果，是一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。同時(shí)，基于LabVIEW的仿真設(shè)計(jì)思路和方法對其它儀器仿真設(shè)計(jì)制作也具有一定的參考價(jià)值。盡管使用仿真技術(shù)構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室能解決部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式中存在的一些問題，但并不代表其可以代替實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)室與實(shí)際操作兩者結(jié)合方能更有效地達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

作者：秦玉華張騰宇羊建夏李圣杰李騰現(xiàn)秦翠燕姚甜單位：瓊州學(xué)院理工學(xué)院東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院