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[摘要]虚拟仪器较之于传统仪器有诸多优点，具有高效的高效的数字信号处理和控制能力，本文分析了虚拟仪器的涵义、特点及其与传统仪器的区别，并指出当前虚拟仪器技术在数字信号处理学习中存在的主要问题，一是理论与实践脱节较为严重，二是虚拟仪器技术设备的使用效率较低，三是教学方法缺乏科学性。并据此提出了相应的对策措施。
[关键词]虚拟仪器传统仪器数字信号处理SPDCA
中图分类号：TP333.96 文献标识码：TP 文章编号：1009―914X（2013）31―0217―01
一、虚拟仪器的涵义、特点及其与传统仪器的区别
虚拟仪器（Virtual Instrument，缩写为VI）是基于计算机的仪器，是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器和传统仪器（Classical Instrument）的基本结构比较而言，传统仪器关键是硬件，开发与维护的费用高，技术更新周期长，价格高，生产商定义仪器功能，系统封闭、固定，不易与其他设备连接；而虚拟仪器关键是软件，开发与维护的费用低，技术更新周期短，价格低，并且可重复性与可配置性强，用户定义仪器功能，系统开放、灵活、与计算机的进步同步，极易与其他设备连接。利用计算机强大、高效的数字信号处理和控制能力，配合高速高精度A/D、D/A转换卡，实现与传统专用仪器相同乃至更强的功能，组成虚拟仪器。
传统仪器的数字信号处理可以参见图1。虚拟仪器的数字信号处理可以参见图2。
图1传统仪器的数字信号处理示意图
图2虚拟仪器的数字信号处理示意图
与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势，具体表现为：（１）智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。（２）复用性强，系统费用低。应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。（３）可操作性强。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印，显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高。
二、虚拟仪器技术在数字信号处理处理学习中存在的主要问题
一是理论与实践脱节较为严重。数字信号处理课程的开设前提是学生已具备高等微积分的背景，并在复数、复变函数和随机信号基础方面有较好的掌握，完成了信号与系统课程，有了付利叶变换、拉普拉斯变换的基础，对时域、频域之间的对应关系有一定的了解基础。强调用数学的方法和数字系统对信号进行处理，包括两个方面：①信号处理的数学模型--各种算法，误差分析；②算法的实现，包括：通用计算机软件实现（例如MATLAB）、专用计算机系统、各种单片机、专用数字系统、DSP、FPGA及其它专用集成器件等。在学习中，往往注重对于理论的学习，而对于具体的算法，用到虚拟仪器技术的则重视不够，一方面与虚拟仪器设备的配置有关，更为重要的在于教学模式中存在重理论轻视实践的导向。
二是虚拟仪器技术设备的使用效率较低。实验的内容局限于理论的验证和模仿训练，使得每个学生的实验内容千篇一律，将学生的思维限定在一个狭窄的范围内，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高，而且往往很多设备的利用不充分，多数实践实验室处于空闲状态，设备使用效率较低。
三是教学方法缺乏科学性。数字信号处理具有精度高、体积小、可靠性好（重复性好）、
耗电量少、成本低等特点。在当前的教学中，往往侧重于教师唱独角戏，学生的参与性不足，没有充分调动学生的积极性、主动性，学生往往觉得非常枯燥，从而对学习数字信号处理失去了兴趣。
三、发挥虚拟仪器技术在数字信号处理学习中作用的对策措施
一是要实现理论与实践的结合。要紧密联系学生的实际，将系统教学与专题教育结合起来，理论与实践结合起来，切实改革教学内容，改进教学方法，改善教学手段。数字信号处理包括离散时间信号与系统的时域分析方法；变换域分析方法（包括Z变换、频域分析）；离散傅立叶变换与快速算法及其应用；数字滤波器的实现方法及其结构；IIR与FIR滤波器的设计方法；数字信号处理中的有限字长效应等方面的内容，应该在以弄清基本概念的基础上，加强练习，并配合适当的上机实验。如利用C语言上机实验，利用MATLAB软件包中的信号处理工具箱进行数字信号处理。
二是要提高虚拟仪器设备的使用效率。这主要是强调加强虚拟仪器设备的使用，在学生学号离散线性时不变确定信号与系统的基本理论与分析方法的基础上，可以进行DSP实验操作。DSP是实现数字信号处理的主要器件，通过系统中引入DSP，可以灵活地对应用进行：替换、修改、升级。另外，DSP系统具备以下特点：对噪声不敏感、减少器件数量、缩短开发时间、降低系统成本和功耗。
三是采取科学合理的教学方法。笔者认为融合了系统论、控制论和教育论的SPDCA教育模式可以在发挥虚拟仪器技术在数字信号处理学习的作用中予以采纳和推广。具体来讲，SPDCA包含五个阶段，即serach：虚拟仪器技术与数字信号处理的采集与分析过程；plan：决策与计划的制定过程；do：决策和计划的执行过程；check：思想政治工作决策和计划执行结果的检察；action：最后效果的总结与处理。这五个过程依顺序不断循环，既保证了系拟仪器技术与数字信号处理统的有效连接性又克服了循环断裂的现象，而且在开展拟仪器技术与数字信号处理工作的过程中还可以在计划阶段与接收教育者共同制定方案，体现了受教育者的主体参与性，这样在目标明确、方案合理、过程科学的情况下，产生良好的学习与教学效果就是情理之中的事情了。
参考文献
[1] 火元莲，张洁英.基于虚拟仪器技术的数字信号处理实验室的构建[J].自动化与仪器仪表，2009，（1）：89-91.
[2] 黄文清，戴瑜兴.基于DSP和虚拟仪器技术的电能质量监测系统设计[J].低压电器，2005，（5）：32-35.
[3] 巩萍，祁雪梅.虚拟仪器技术及其在实验教学中的应用[J].长沙大学学报，2007，21（2）：103-104.
[4] 杨宏韬，李秀兰，林晓梅等.虚拟仪器技术在生物医学工程专业实验教学中的应用[J].长春工业大学学报：高教研究版，2011，32（3）：55-56.
[5] 王海云，周淑萍.数字信号处理课程与虚拟仪器[J].高等理科教育，2009，（3）：112-114.
[关键词]虚拟仪器传统仪器数字信号处理SPDCA
中图分类号：TP333.96 文献标识码：TP 文章编号：1009―914X（2013）31―0217―01
一、虚拟仪器的涵义、特点及其与传统仪器的区别
虚拟仪器（Virtual Instrument，缩写为VI）是基于计算机的仪器，是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器和传统仪器（Classical Instrument）的基本结构比较而言，传统仪器关键是硬件，开发与维护的费用高，技术更新周期长，价格高，生产商定义仪器功能，系统封闭、固定，不易与其他设备连接；而虚拟仪器关键是软件，开发与维护的费用低，技术更新周期短，价格低，并且可重复性与可配置性强，用户定义仪器功能，系统开放、灵活、与计算机的进步同步，极易与其他设备连接。利用计算机强大、高效的数字信号处理和控制能力，配合高速高精度A/D、D/A转换卡，实现与传统专用仪器相同乃至更强的功能，组成虚拟仪器。
传统仪器的数字信号处理可以参见图1。虚拟仪器的数字信号处理可以参见图2。
图1传统仪器的数字信号处理示意图
图2虚拟仪器的数字信号处理示意图
与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的技术优势，具体表现为：（１）智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。（２）复用性强，系统费用低。应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。（３）可操作性强。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印，显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高。
二、虚拟仪器技术在数字信号处理处理学习中存在的主要问题
一是理论与实践脱节较为严重。数字信号处理课程的开设前提是学生已具备高等微积分的背景，并在复数、复变函数和随机信号基础方面有较好的掌握，完成了信号与系统课程，有了付利叶变换、拉普拉斯变换的基础，对时域、频域之间的对应关系有一定的了解基础。强调用数学的方法和数字系统对信号进行处理，包括两个方面：①信号处理的数学模型--各种算法，误差分析；②算法的实现，包括：通用计算机软件实现（例如MATLAB）、专用计算机系统、各种单片机、专用数字系统、DSP、FPGA及其它专用集成器件等。在学习中，往往注重对于理论的学习，而对于具体的算法，用到虚拟仪器技术的则重视不够，一方面与虚拟仪器设备的配置有关，更为重要的在于教学模式中存在重理论轻视实践的导向。
二是虚拟仪器技术设备的使用效率较低。实验的内容局限于理论的验证和模仿训练，使得每个学生的实验内容千篇一律，将学生的思维限定在一个狭窄的范围内，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高，而且往往很多设备的利用不充分，多数实践实验室处于空闲状态，设备使用效率较低。
三是教学方法缺乏科学性。数字信号处理具有精度高、体积小、可靠性好（重复性好）、
耗电量少、成本低等特点。在当前的教学中，往往侧重于教师唱独角戏，学生的参与性不足，没有充分调动学生的积极性、主动性，学生往往觉得非常枯燥，从而对学习数字信号处理失去了兴趣。
三、发挥虚拟仪器技术在数字信号处理学习中作用的对策措施
一是要实现理论与实践的结合。要紧密联系学生的实际，将系统教学与专题教育结合起来，理论与实践结合起来，切实改革教学内容，改进教学方法，改善教学手段。数字信号处理包括离散时间信号与系统的时域分析方法；变换域分析方法（包括Z变换、频域分析）；离散傅立叶变换与快速算法及其应用；数字滤波器的实现方法及其结构；IIR与FIR滤波器的设计方法；数字信号处理中的有限字长效应等方面的内容，应该在以弄清基本概念的基础上，加强练习，并配合适当的上机实验。如利用C语言上机实验，利用MATLAB软件包中的信号处理工具箱进行数字信号处理。
二是要提高虚拟仪器设备的使用效率。这主要是强调加强虚拟仪器设备的使用，在学生学号离散线性时不变确定信号与系统的基本理论与分析方法的基础上，可以进行DSP实验操作。DSP是实现数字信号处理的主要器件，通过系统中引入DSP，可以灵活地对应用进行：替换、修改、升级。另外，DSP系统具备以下特点：对噪声不敏感、减少器件数量、缩短开发时间、降低系统成本和功耗。
三是采取科学合理的教学方法。笔者认为融合了系统论、控制论和教育论的SPDCA教育模式可以在发挥虚拟仪器技术在数字信号处理学习的作用中予以采纳和推广。具体来讲，SPDCA包含五个阶段，即serach：虚拟仪器技术与数字信号处理的采集与分析过程；plan：决策与计划的制定过程；do：决策和计划的执行过程；check：思想政治工作决策和计划执行结果的检察；action：最后效果的总结与处理。这五个过程依顺序不断循环，既保证了系拟仪器技术与数字信号处理统的有效连接性又克服了循环断裂的现象，而且在开展拟仪器技术与数字信号处理工作的过程中还可以在计划阶段与接收教育者共同制定方案，体现了受教育者的主体参与性，这样在目标明确、方案合理、过程科学的情况下，产生良好的学习与教学效果就是情理之中的事情了。
参考文献
[1] 火元莲，张洁英.基于虚拟仪器技术的数字信号处理实验室的构建[J].自动化与仪器仪表，2009，（1）：89-91.
[2] 黄文清，戴瑜兴.基于DSP和虚拟仪器技术的电能质量监测系统设计[J].低压电器，2005，（5）：32-35.
[3] 巩萍，祁雪梅.虚拟仪器技术及其在实验教学中的应用[J].长沙大学学报，2007，21（2）：103-104.
[4] 杨宏韬，李秀兰，林晓梅等.虚拟仪器技术在生物医学工程专业实验教学中的应用[J].长春工业大学学报：高教研究版，2011，32（3）：55-56.
[5] 王海云，周淑萍.数字信号处理课程与虚拟仪器[J].高等理科教育，2009，（3）：112-114.