楊 帆，程 雯，肖 貝，李國平

(1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)智能機(jī)器人湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430074)

0 引 言

虛擬儀器技術(shù)代表測控技術(shù)的發(fā)展趨勢，并將在工控行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。虛擬儀器、現(xiàn)場總線技術(shù)已被國內(nèi)外用戶所認(rèn)可，現(xiàn)階段，有些專業(yè)課程設(shè)置落后于科技發(fā)展，專業(yè)課實驗多處于驗證性、孤立的實驗階段，有些購買的實驗裝置功能單一且封閉。而學(xué)校實驗設(shè)備經(jīng)費(fèi)有限，無力購買目前大型石化行業(yè)的控制系統(tǒng)，學(xué)生不能接觸實際工業(yè)過程，面對目前嚴(yán)峻的就業(yè)形勢，特別是要實現(xiàn)高端就業(yè)，教師必須自主研發(fā)模擬實際工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)，讓學(xué)生領(lǐng)悟控制系統(tǒng)的真諦。為使學(xué)生掌握本專業(yè)最新科技動態(tài)，更好的適應(yīng)社會發(fā)展需求，結(jié)合測控技術(shù)與儀器專業(yè)的發(fā)展前景，凝煉了“測控技術(shù)及儀器專業(yè)課程體系改革研究(20050354)”、“基于Internet及LabVIEW構(gòu)建現(xiàn)代集測控技術(shù)與控制系統(tǒng)創(chuàng)新實驗體系(2003233)”、與“基于虛擬儀器的現(xiàn)代測控儀研制(20060271)”等前沿性科研成果，構(gòu)建了獨具特色的集“課程體系改革、實驗體系創(chuàng)新和教學(xué)儀器研發(fā)”的“三位一體”教學(xué)改革研究，在人才培養(yǎng)實踐、專業(yè)與課程建設(shè)中取得了顯著的效果[1-3]。

1 測控技術(shù)與儀器專業(yè)課程體系改革

在深入研究目前測控技術(shù)與儀器專業(yè)特點的基礎(chǔ)之上，提出了本專業(yè)人才培養(yǎng)體系的優(yōu)化對策，以完善知識結(jié)構(gòu)和拓寬知識面為核心，強(qiáng)化工程設(shè)計實踐，提高專業(yè)覆蓋面，使我們既能保持我校測控技術(shù)與儀器專業(yè)已有的面向化工行業(yè)特色，同時能適應(yīng)新技術(shù)條件下儀器儀表行業(yè)的發(fā)展趨勢，培養(yǎng)符合社會需要的人才。

1.1 改革人才培養(yǎng)方案

在對用人單位人才需求展開大量調(diào)研及測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)校友成功經(jīng)驗座談會的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前測控技術(shù)發(fā)展趨勢學(xué)校定位、學(xué)科和專業(yè)的特點以及本專業(yè)目前各方面的現(xiàn)狀，修訂了人才培養(yǎng)方案。相應(yīng)的修改了教學(xué)計劃，將學(xué)科基礎(chǔ)課、專業(yè)課及實踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)分比從原來的1.5∶1.5∶1.5調(diào)整為2∶1∶1.5，突出厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)工程實踐能力教學(xué)理念。

1.2 優(yōu)化課程體系

保留原有面向石油化工行業(yè)有關(guān)儀器儀表及過程控制方面的專業(yè)基礎(chǔ)及專業(yè)方向課程,增加代表測控技術(shù)發(fā)展趨勢的“虛擬儀器”、“現(xiàn)場總線”、全英文教材雙語教學(xué)課程“《Measurement System Design And Application》”等專業(yè)課程及“現(xiàn)代測控技術(shù)綜合試驗”課程。對實驗課程進(jìn)行了良好整合，如將“單片機(jī)”及“微機(jī)原理”實驗整合成“微機(jī)控制技術(shù)”實驗課程。

1.3 創(chuàng)新實踐教學(xué)體系

對實驗課程體系和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革與創(chuàng)新：一方面，建構(gòu)了“基于Internet及LabVIEW的現(xiàn)代集成測控技術(shù)與控制系統(tǒng)”創(chuàng)新實驗體系，編寫實驗指導(dǎo)書。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了“基于虛擬儀器的現(xiàn)代測控儀”。另一方面，實現(xiàn)了對實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的改革。對畢業(yè)設(shè)計、傳感器課程設(shè)計、單片機(jī)、微機(jī)原理等實驗進(jìn)行了大膽的改革與創(chuàng)新，畢業(yè)設(shè)計采用校內(nèi)設(shè)計與宜化模式(我校我院最早在湖北宜化股份有限公司進(jìn)行的校企聯(lián)合指導(dǎo)學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計的模式)有機(jī)結(jié)合的模式；傳感器課程設(shè)計將以往原理性設(shè)計改為集傳感器、控制算法、單片機(jī)于一體的傳感器應(yīng)用設(shè)計；實現(xiàn)了單片機(jī)、微機(jī)原理單個實驗向微機(jī)控制技術(shù)綜合實驗的轉(zhuǎn)變。此外，在開發(fā)系列設(shè)計性、綜合性實驗的基礎(chǔ)上，增加了為期兩周的現(xiàn)代測控技術(shù)綜合實驗課程，學(xué)生能開發(fā)并模擬常見各種工業(yè)控制系統(tǒng)，真正實現(xiàn)從理論到實踐的教學(xué)過程。近三年組建了三個國際聯(lián)合實驗室：武漢工程大學(xué)-美國TI.DSPS實驗室、Altera公司SOPC技術(shù)、日本瑞薩聯(lián)合實驗室。學(xué)校組建了電子信息與控制實驗教學(xué)示范中心，大學(xué)生創(chuàng)新基地，此外，還建立了10多個穩(wěn)定的校外實習(xí)基地，為各種電子設(shè)計競賽、培養(yǎng)學(xué)生實際工程應(yīng)用能力、就業(yè)創(chuàng)造了十分有利的條件[4]。

2 構(gòu)建了“基于Internet及LabVIEW的現(xiàn)代集測控技術(shù)與控制系統(tǒng)創(chuàng)新實驗體系”

有些專業(yè)課程實驗設(shè)置落后于社會的發(fā)展，實驗內(nèi)容單一，實驗設(shè)備封閉，學(xué)生只能看最后結(jié)果，不能領(lǐng)會其中奧妙，針對此將虛擬儀器、單片機(jī)、電子技術(shù)、控制理論、網(wǎng)絡(luò)等多種知識融合于一體，讓學(xué)生了解各種知識之間的聯(lián)系，了解控制系統(tǒng)從信號采集、處理、控制、顯示(數(shù)碼顯示和虛擬儀器顯示)之間的關(guān)系。設(shè)計了如下5個實驗體系。

2.1 基于USB數(shù)據(jù)采集模塊的虛擬儀器實驗系統(tǒng)

USB知識應(yīng)用非常廣泛，但學(xué)生很少知道硬件知識及如何進(jìn)行軟件程序開發(fā)。該系統(tǒng)由基于USB數(shù)據(jù)采集模塊和虛擬儀器構(gòu)成。根據(jù)采樣速度不同，設(shè)計了三種數(shù)據(jù)采集硬件模塊。利用研發(fā)的實驗裝置及自行開發(fā)的用戶軟件實現(xiàn)了正弦信號輸出[5]。

2.2 基于RS-485工業(yè)總線的通用傳感器測量虛擬儀器系統(tǒng)

該系統(tǒng)模擬了工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、處理、用虛擬儀器顯示的全過程。在工業(yè)測控中，需要能夠采集多種類型的傳感器(如光電、溫度、壓力等傳感器)信號，需遠(yuǎn)距離傳輸，所以對數(shù)據(jù)采集硬件(測量變送系統(tǒng))有特殊要求。設(shè)計中采用目前流行的RS-485工業(yè)總線、ATmega8535單片機(jī)、儀表放大器AD620、硅光電池等主要器件構(gòu)成了光電檢測實驗系統(tǒng)，用虛擬儀器軟件LabWindows/CVI(以下簡稱CVI)完成光電檢測信號的輸出[6]。

2.3 基于PWM的PID溫度控制實驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用的是經(jīng)典PWM控制方法，實驗采用燈泡作為熱源，由DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量溫度信號，送單片機(jī)實現(xiàn)溫度信號處理、PID控制及3位LED數(shù)碼對現(xiàn)場溫度顯示。由LabWindows/CVI實現(xiàn)溫度控制曲線顯示。

2.4 基于虛擬儀器的Internet模糊溫度測控系統(tǒng)的實驗室模擬

該系統(tǒng)實現(xiàn)了溫度測控及遠(yuǎn)程監(jiān)控，以AT89C51單片機(jī)和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20為主要器件制作溫度測控數(shù)據(jù)采集電路，用C51程序完成對傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)向LabVIEW的傳輸。通過PCI-6014來讀取硬件電路數(shù)據(jù)。LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、測量溫度曲線顯示、預(yù)警、模糊溫度控制及遠(yuǎn)程傳輸，用燈泡和小風(fēng)扇作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)[7-8]。

2.5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化功能的實現(xiàn)

通過將虛擬儀器軟件系統(tǒng)與B/S結(jié)構(gòu)企業(yè)應(yīng)用集成，將測控數(shù)據(jù)實時反映到企業(yè)應(yīng)用，并使用IE Web瀏覽器，通過Web訪問測控數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)基于Web的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。

3 教學(xué)儀器研發(fā)

該實驗儀器是對實驗體系測控裝置的整合、擴(kuò)展與深化，研發(fā)的實驗儀器可以針對不同層次的學(xué)生完成不同的實驗：基礎(chǔ)差的學(xué)生可以觀摩和復(fù)述實驗過程；成績一般的學(xué)生能夠通過觀摩實驗，組建簡單的測控系統(tǒng)；成績優(yōu)異的學(xué)生可以自行設(shè)計開放性實驗。同時，該實驗裝置針對電子設(shè)計競賽及挑戰(zhàn)杯、求實杯等競賽，能有效提高學(xué)生的應(yīng)賽水平和技能，實驗儀器在武漢工程大學(xué)測控專業(yè)進(jìn)行試點實驗，學(xué)生反映良好。

3.1 教學(xué)儀器總體設(shè)計

對象應(yīng)方便在實驗儀器內(nèi)安裝，實驗過程透明，實驗結(jié)果直觀，因而確定6種實驗硬件系統(tǒng)集成于同一儀表：(1)光電測控、(2)溫度測控、(3)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測控、(4)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、(5)超聲波測距、(6)紅外傳輸。

3.2 實驗儀器硬件設(shè)計

為完成上述六種信號的測控，選擇了兩種硬件實現(xiàn)方案，其中一種是用單片機(jī)作為控制器，利用上位機(jī)監(jiān)控。設(shè)計了相關(guān)電路和PCB板。另一種方案MCU選用NXP(PHILIPS)LPC2138 ARM7；顯示設(shè)備(液晶)選用KS0108 128×64單色STN液晶模塊；執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用4N35光電耦合器隔離驅(qū)動TIP122大功率達(dá)林頓晶體管，進(jìn)而驅(qū)動繼電器；與RS-485網(wǎng)絡(luò)的通信先選用MAX232將MCU串口轉(zhuǎn)換成為RS-232串口，然后通過RS-232 to RS-485轉(zhuǎn)換器連接到RS-485網(wǎng)絡(luò)上用液晶屏顯示。上、下位機(jī)通過RS232信通。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

針對不同的測控系統(tǒng)，采用相應(yīng)控制算法(如PID算法、自整定PID算法、模糊控制算法)，利用單片機(jī)或虛擬儀器實現(xiàn)這些控制算法。另外利用LabVIEW完成上位機(jī)監(jiān)控界面，實現(xiàn)上述五種對象的測量與控制。

4 “三位一體”教學(xué)改革的輻射效應(yīng)

為實現(xiàn)教學(xué)型大學(xué)向教學(xué)研究型大學(xué)轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生的動手能力與就業(yè)率，在測控技術(shù)與儀器專業(yè)進(jìn)行了集“課程體系改革、實驗體系創(chuàng)新、教學(xué)儀器研發(fā)”的“三位一體”系列教學(xué)改革與研究，在人才培養(yǎng)實踐中取得了顯著效果，成果得到了較好的推廣與應(yīng)用。

4.1 學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量顯著提高

參與特色班培養(yǎng)與訓(xùn)練的學(xué)生，近四年獲全國、省級大學(xué)生電子設(shè)計大賽、全國“飛思卡爾”智能汽車大賽、瑞薩超級MCU模型車賽一、二、三等獎共計30多項。獲湖北省優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文一、二、三等獎共計16項。近三年有20名左右的團(tuán)隊學(xué)生因動手能力出色被浙大中控、湖北宜化等單位在畢業(yè)前錄用。

4.2 教學(xué)改革成效顯著

a.通過課程體系改革、實驗體系創(chuàng)新、教學(xué)儀器研發(fā)、聯(lián)合實驗室建設(shè)、實驗課程進(jìn)行了良好整合。2008年“電子信息與控制實驗教學(xué)示范中心”被評為省級實驗教學(xué)示范中心。

b.通過專業(yè)建設(shè)與課程體系改革研究與實踐，電路、測控技術(shù)與儀器兩門課程于2008年分別被評為省級精品課程和省級品牌專業(yè)。

4.3 項目研究成果得到較好推廣應(yīng)用

利用所取得的研究成果與杭州賽特傳感器有限公司聯(lián)合開發(fā)傳感器實驗裝置。研究開發(fā)的系列實驗及項目研究成果已經(jīng)在武漢工程大學(xué)、及與武漢工業(yè)大學(xué)合作科研項目中得到應(yīng)用。

4.4 研究理論成果

在項目研究過程中，發(fā)表了30多篇與研究內(nèi)容相關(guān)的有價值論文，其中16篇被EI檢索，出版教材兩部，發(fā)表多篇論文在國內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注，并被廣泛引用。

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