CN110570735B - 基于visa的虚实结合虚拟实验构建方法 - Google Patents
基于visa的虚实结合虚拟实验构建方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于VISA的虚实结合虚拟实验构建方法，包括以下步骤：S10，VISA数据的获取和处理；S20，虚拟数据与实际数据的比对；S30，数据模型的建立；S40，虚实结合的故障排查方式；S50，置信区间判定；S60，故障类型排查及故障展示。本发明通过虚拟实验交互操作信息采集，以数据为依据联系实验操作、总结等过程；改变传统的以实验结果为驱动的实验教学组织模式，将实验转化为阶段性目标集合，并将测量数据与预习数据建立信息比对模型，实现实验过程的自我矫正。
Description
技术领域
本发明属于模拟仿真技术领域，具体涉及一种基于VISA的虚实结合虚拟实验构建方法。
背景技术
由于计算机和多媒体技术的发展，基于虚拟技术的实验教学成为目前实验教学中的一个主要手段。一些研究人员和学校的教师在实验教学中尝试将虚拟实验融入到实验教学过程中。目前多使用MULTISIM、PROTEL、MATLSB等软件系统，以及工作平台EWB(ELECTRONICS WORKVENCH)来应用于电子技术的仿真。
很多研究已经表明，虚拟实验对于实验教学成果会带来更加积极的影响。但是，在虚拟实验与实体实验的关系上，目前很多学者指出，两者在教学上还存在着一些问题：目前的虚实结合除了部分计算机相关课程以外，大部分是以虚拟实验作为实验预习过程的主要组织工具，通过理论准备、实验现象认识、创新性实验设计等方面，以虚拟实验作为主要的教学手段，以实体实验作为教学目的，融合虚拟实验和实体实验，将实验的过程转化为从理论到实践、从抽象的知识到实际的现象的学习过程，实现虚实结合，优势互补，有效培养学习者的实践能力，构建理论课程到实践课程的桥梁。
这种虚实结合方式，虚拟实验和实体实验之间实现了一定程度的联通，但是在联通内容上更多的是基于教学内容的联通，而尚未达到基于数据、学习内容、评价体系的全方位联通。
因此，如何找到一种基于虚拟实验与实体实验相融合的实验教学组织方法，以学习者学习交互数据和行为数据作为虚拟实验与实体实验的连接工具，以提高虚拟实验在实体实验中所发挥的作用。
发明内容
鉴于以上存在的技术问题，本发明用于提供一种基于VISA的虚实结合虚拟实验构建方法，该方法基于该方法基于VISA通信协议、数学模型、虚拟仿真来实现虚实结合虚拟实验的构建。VISA是虚拟仪器软件体系结构的缩写(即VIRTUAL INSTRUMENTS SOFTWAREARCHITECTURE)，实质上是一个I/O口软件库及其规范的总称。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
S10，VISA数据的获取和处理；
S20，虚拟数据与实际数据的比对；
S30，数据模型的建立；
S40，虚实结合的故障排查方式；
S50，置信区间判定；
S60，故障类型排查及故障展示。
优选地，所述VISA数据的获取与处理具体包括以下步骤：
S11，进行实体实验过程，采集实体实验的数据并记录于虚拟实验系统中；
S12，采用基于VISA协议的仪器设备，并在实验场地内构建局域网络，联通实验室内各个仪器设备；
S13，通过设备的TP地址映射设备的编号，使设备在系统内与用户的实验位置进行一一对应，根据用户的位置信息向服务器发出请求，获取与该位置信息相匹配的设备编号信息，并映射到设备的IP信息；
S14，服务器程序以该TP信息作为依据，向对应的设备发送VISA协议请求，获取当前设备的数据，存储于虚拟实验系统中与该测试点对应的数据节点中。
优选地，所述虚拟数据与实际数据的比对具体包括以下步骤：
S21，获取到实体实验数据之后，将所获取的测量数据与虚拟实验中所生成的数学公式进行验证；
S22，判断结果数据上是否符合虚拟实验电路的数学关系。
优选地，进行所述虚拟实验时，将当前的虚拟实验操作过程性数据以及结果性数据进行储存，再与实体实验之间进行交互时以此文件作为参考进行数据通信。
优选地，所述数据模型的建立具体包括以下步骤：
S31，在预先设定的电路上设定必要的检测点，根据电路原理，将电路中各个点的波形用数学的关系存储于文件中，其中数学关系的表征为输入与输出之间的数学关系；
S32，建立关系表征库，对于可调节性的器件，设置标志。
优选地，所述虚实结合的故障排查方式具体包括以下步骤：
S41，根据电路内部的关系，采用树状结构的方式；
S42，如在最终的数学对比关系上存在不同，则返回到上一级子节点，通过手工测试上一级节点；
S43，将上一级节点与对应的数学关系进行比对，确定该点的数据是否在置信区间；
S44，如果在置信区间，则确定该点没有问题；如果不在置信区间，则该点存在错误；
S45，完成后继续遍历上一级，再次进行测试和判定；
S46，将节点的上一级与下一级之间的数据关系进行比对，通过节点的父节点与子节点之间进行置信区间比对，判断当前故障是否存在故障。
优选地，所述置信区间判定具体包括以下步骤：
S51，通过VISA协议获取当前的波形，将当前的波形转化为近似的输出数学关系；
S52，通过VISA协议获取信号相关设备的数值，对比输入和输出之间的关系，确定近似的数学关系；
S53，与预留的数据进行比对。
优选地，所述故障类型排查具体包括以下步骤：
S61，根据故障的类型，在虚拟实验界面上进行反向遍历，确定故障类型；
S62，根据故障的类型判断当前属于何种错误。
优选地，所述故障类型包括断路、电路连接错误和参数调节错误。
优选地，所述故障展示为在确定故障类型后，在虚拟实验界面进行反向遍历，进行相应的错误提示。
采用本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明改变了传统多媒体实验预习方法为虚拟实验预习方法，通过虚拟实验交互操作信息采集，以数据为依据联系实验操作、总结等过程；
(2)本发明在实验操作过程中，改变传统的以实验结果为驱动的实验教学组织模式，将实验转化为阶段性目标集合，并将测量数据与预习数据建立信息比对模型，实现实验过程的自我矫正；
(3)以实验预习数据、实验操作数据为核心，建立基于实验学习过程化、形象化的总结方法；结合实验过程数据采集以及基于数据的结果评定方法，从实验学习、实验过程以及实验结果建立多维度、科学化的实验评价体系。
附图说明
图1为本发明实施例的基于VISA的虚实结合虚拟实验构建方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明公开了一种基于VISA的虚实结合虚拟实验构建方法，该方法基于支持VISA协议的实验设备，建设局域网络，通过IP映射将设备与用户一一对应而获取数据，将所获取的实际测量数据与虚拟实验中所生成的数学公式进行验证；将电路中各个点的波形用数学的关系存储于文件中，预先建立表征库，从而建立数据模型；通过将所获取的测量数据与虚拟实验中所生成的数学公式进行验证，判断结果数据上是否符合虚拟实验电路的数学关系，实现虚实结合的故障排查；通过VISA协议获取实验波形并转化为近似数学关系，再获取数据得出输入与输出之间的转化关系，与预留数据相比对，从而判断置信区间；最后根据数据的差异对实验进行反向遍历，判断出实验故障类型，并由此推断出实验过程中的失误，进行错误提示。由此完成了基于VISA的虚实结合虚拟实验构建。
包括以下步骤：
S10，VISA数据的获取和处理；
S20，虚拟数据与实际数据的比对；
S30，数据模型的建立；
S40，虚实结合的故障排查方式；
S50，置信区间判定；
S60，故障类型排查及故障展示。
一具体实施例中，S10中VISA数据的获取与处理具体包括以下步骤：
S11，进行实体实验过程，采集实体实验的数据并记录于虚拟实验系统中；
S12，采用基于VISA协议的仪器设备，并在实验场地内构建局域网络，联通实验室内各个仪器设备；
S13，通过设备的IP地址映射设备的编号，使设备在系统内与用户的实验位置进行一一对应，根据用户的位置信息向服务器发出请求，获取与该位置信息相匹配的设备编号信息，并映射到设备的IP信息；
S14，服务器程序以该IP信息作为依据，向对应的设备发送VISA协议请求，获取当前设备的数据，存储于虚拟实验系统中与该测试点对应的数据节点中。
在VISA数据的获取与处理之前，对虚拟实验平台构建考虑到整体设计方案需要实现基于PC和ANDROID的跨平台性，以及学习者和教学者访问边界性等方面考虑，以浏览器作为承载平台，通过HTML5的CANVAS作为虚拟电路的设计、交互容器，以JAVASCRIPT作为逻辑控制语言，实现相应的实验逻辑需求。在实验室网络连接上，通过交换机，在实验室内搭建局域网络环境，并为每台设备配备局域网内独立的IP地址便于数据访问以及指令传递。
对于数据储存与虚拟实验再现，在数据存储管理上，在局域网内布置一台数据服务器，主要用来存储学习者的虚拟实验设计数据、操作数据以及过程测量数据等信息；同时服务器需要联通互联网，方便学习者在外部环境下对于虚拟实验相关的访问及传递。在实验室内虚拟实验再现上，考虑到具体的搭建成本以及场地等方面的要求，以低成本的ANDROID平板电脑作为虚拟实验设计内容再现和数据测量的配合端，学生也可以通过自带的手机、平板电脑或者PC作为实验辅助端。
对于虚拟电路搭建，每一个虚拟实验操作事件的建立时，将会生成一个描述当前虚拟实验操作的描述性文件，用来存储当前的虚拟实验操作过程性数据以及结果性数据，在与实体实验之间进行交互的时候也是将以这一个文件作为参考进行数据通信。
在实验过程中，在器件库中查找所需要的器件单元，选取后，将器件编号写入到浏览器程序的数据中，拖拽到指定位置后释放，器件单元将会根据器件的大小信息以及释放位置的坐标信息，首先计算电路器件单元在电路区域内的坐标定点信息，并根据器件库建立时所设定的输入点和输出点的坐标信息进行相对计算，获取当前电路单元在整个电路区域中的坐标信息，并以对象列表的形式写入到当前虚拟实验操作事件所对应的数据存储文件。
对于静态工作点调试，在虚拟实验的静态工作点调试的过程中，其实现的实质是通过调整输入信号(信号源的输出幅度)以及实验电路中的可变电阻器来实现对于静态工作点的调试；在实现原理上，实现获取最终输出端与输入端、滑动变阻器之间的数学关系，之后采集当前信号源输出正弦信号的幅度值和滑动变阻器的阻值，带入到公式中，判定当前输出状态，并计算出在滑动变阻器的阻值数据下所能接受的最大幅度值之间的数据，并判定出现失真的状态，并存储于浏览器的内存堆栈中；当用户在寻找失真的过程中，将会在客户端进行计算，当达到失真临界点时，浏览器进行相应的响应，将失真数据模型发送给示波器模块，进行失真状态的展示；当用户在通过调整滑动变阻器寻找静态工作点时，获取当前调整的滑动变阻器的之后，计算当前所能接受的最大输入幅度，重复这一个过程。
在调整静态工作点的过程中，将用户每一次调整的过程作为一个独立的数据记录描述文件中，作为对于用户理解静态工作点的影响性参数，通过调整的趋势判断用户对于静态工作点以及调整静态工作点的理解。
具体实施例中，虚拟数据与实际数据的比对具体包括以下步骤：
S21，获取到实体实验数据之后，将所获取的测量数据与虚拟实验中所生成的数学公式进行验证；
S22，判断结果数据上是否符合虚拟实验电路的数学关系。
优选地，进行所述虚拟实验时，将当前的虚拟实验操作过程性数据以及结果性数据进行储存，再与实体实验之间进行交互时以此文件作为参考进行数据通信。
数据模型的建立具体包括以下步骤：
S31，在预先设定的电路上设定必要的检测点，根据电路原理，将电路中各个点的波形用数学的关系存储于文件中，其中数学关系的表征为输入与输出之间的数学关系；
S32，建立关系表征库，对于可调节性的器件，设置标志；
虚实结合的故障排查方式具体包括以下步骤：
S41，根据电路内部的关系，采用树状结构的方式；
S42，如在最终的数学对比关系上存在不同，则返回到上一级子节点，通过手工测试上一级节点；
S43，将上一级节点与对应的数学关系进行比对，确定该点的数据是否在置信区间；
S44，如果在置信区间，则确定该点没有问题；如果不在置信区间，则该点存在错误；
S45，完成后继续遍历上一级，再次进行测试和判定；
S46，将节点的上一级与下一级之间的数据关系进行比对，通过节点的父节点与子节点之间进行置信区间比对，判断当前故障是否存在故障。
置信区间判定具体包括以下步骤：
S51，通过VISA协议获取当前的波形，将当前的波形转化为近似的输出数学关系；
S52，通过VISA协议获取信号相关设备的数值，对比输入和输出之间的关系，确定近似的数学关系；
S53，与预留的数据进行比对。
优选地，所述故障类型排查具体包括以下步骤：
S61，根据故障的类型，在虚拟实验界面上进行反向遍历，确定故障类型；
S62，根据故障的类型判断当前属于何种错误。
故障类型包括断路、电路连接错误和参数调节错误。
故障展示为在确定故障类型后，在虚拟实验界面进行反向遍历，进行相应的错误提示。
在具体应用中，实验预习部分，在已经搭建好的实验电路以及常用虚拟仪器的基础上，通过虚拟导线将实验电路和虚拟仪器按照设计进行连接。逐步调整信号源的输出幅度以及可调电阻，实现静态工作点的调试。
在完成静态工作点调试后，通过虚拟万用表、虚拟示波器等设备对于电路中的静态工作点电压，输出波形等数据进行虚拟测试；并接入电阻Rs，进行输入电阻相关计算参数测量；同时根据实验内容，对于实验电路的负载以及幅频特性等参数的测量。
完成虚拟实验数据测试后，保存当前电路的设计以及测量数据，完成以下虚拟实验操作过程，首先用户通过辅助实验端，载入虚拟实验电路图；并根据虚拟实验设计内容，搭建实验电路；并联通仪器设备和电源；
在电路搭建的过程中，根据虚拟实验设计中的节点，对于每一节点相关的实验电路搭建步骤进行测量，并对于数据通过实验辅助端采集，获取用户的实验过程数据和操作数据等信息。
在完成电路搭建之后，根据实验内容进行相应的静态工作点测试、现象观察以及数据测量；并对于相应的结果通过虚拟实验平台进行采集。
应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。
Claims (5)
1.基于Visa的虚实结合虚拟实验构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10，Visa数据的获取和处理；
S20，虚拟数据与实际数据的比对；
S30，数据模型的建立；数据模型的建立具体包括以下步骤：
S31，在预先设定的电路上设定必要的检测点，根据电路原理，将电路中各个点的波形用数学的关系存储于文件中，其中数学关系的表征为输入与输出之间的数学关系；
S32，建立关系表征库，对于可调节性的器件，设置标志；
S40，虚实结合的故障排查方式；所述虚实结合的故障排查方式具体包括以下步骤：
S41，根据电路内部的关系，采用树状结构的方式；
S42，如在最终的数学对比关系上存在不同，则返回到上一级子节点，通过手工测试上一级节点；
S43，将上一级节点与对应的数学关系进行比对，确定该点的数据是否在置信区间；
S44，如果在置信区间，则确定该点没有问题；如果不在置信区间，则该点存在错误；
S45，完成后继续遍历上一级，再次进行测试和判定；
S46，将节点的上一级与下一级之间的数据关系进行比对，通过节点的父节点与子节点之间进行置信区间比对，判断当前是否存在故障；
S50，置信区间判定；所述置信区间判定具体包括以下步骤：
S51，通过visa协议获取当前的波形，将当前的波形转化为近似的输出数学关系；
S52，通过visa协议获取信号相关设备的数值，对比输入和输出之间的关系，确定近似的数学关系；
S53，与预留的数据进行比对；
S60，故障类型排查及故障展示；所述故障类型排查具体包括以下步骤：
S61，在虚拟实验界面上进行反向遍历，确定故障类型；
S62，根据故障的类型判断当前属于何种错误，所述故障类型包括断路、电路连接错误和参数调节错误。
2.如权利要求1所述的基于Visa的虚实结合虚拟实验构建方法，其特征在于，
所述Visa数据的获取与处理具体包括以下步骤：
S11，进行实体实验过程，采集实体实验的数据并记录于虚拟实验系统中；
S12，采用基于VISA协议的仪器设备，并在实验场地内构建局域网络，联通实验室内各个仪器设备；
S13，通过设备的IP地址映射设备的编号，使设备在系统内与用户的实验位置进行一一对应，根据用户的位置信息向服务器发出请求，获取与该位置信息相匹配的设备编号信息，并映射到设备的ip信息；
S14，服务器程序以该ip信息作为依据，向对应的设备发送visa协议请求，获取当前设备的数据，存储于虚拟实验系统中与测试点对应的数据节点中。
3.如权利要求1所述的基于Visa的虚实结合虚拟实验构建方法，其特征在于，所述虚拟数据与实际数据的比对具体包括以下步骤：
S21，获取到实体实验数据之后，将所获取的测量数据与虚拟实验中所生成的数学公式进行验证；
S22，判断结果数据上是否符合虚拟实验电路的数学关系。
4.如权利要求3所述的基于Visa的虚实结合虚拟实验构建方法，其特征在于，进行所述虚拟实验时，将当前的虚拟实验操作过程性数据以及结果性数据进行储存，再与实体实验之间进行交互时以此文件作为参考进行数据通信。
5.如权利要求1所述的基于Visa的虚实结合虚拟实验构建方法，其特征在于，所述故障展示为在确定故障类型后，在虚拟实验界面进行反向遍历，进行相应的错误提示。
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