◆陳飛 謝啟 徐偉

虛擬儀器技術(shù)課程建設(shè)與實踐*

◆陳飛 謝啟 徐偉

虛擬儀器技術(shù)課程是自動化專業(yè)（卓越計劃）測控技術(shù)應(yīng)用能力培養(yǎng)中的一門重要課程，為符合卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的要求，對課程進(jìn)行改革，將課程定位為理實一體化課程，從校企共建實踐教學(xué)平臺、教學(xué)項目設(shè)計和實施進(jìn)行建設(shè)與實踐，形成基于項目的研中學(xué)、做中學(xué)的教學(xué)模式。

虛擬儀器技術(shù)；實踐教學(xué)平臺；教學(xué)項目設(shè)計

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.086

1　前言

常熟理工學(xué)院是一所應(yīng)用型本科院校，是全國卓越工程師教育培養(yǎng)計劃高校和江蘇省卓越工程師培養(yǎng)試點(diǎn)單位，自動化專業(yè)入選國家卓越工程師教育培養(yǎng)計劃試點(diǎn)專業(yè)。自動化（卓越計劃）專業(yè)以學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、工程實踐能力和大學(xué)生職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)為核心，采用“校內(nèi)學(xué)習(xí)培養(yǎng)+校外學(xué)習(xí)培養(yǎng)”相結(jié)合的方式：校內(nèi)培養(yǎng)注重核心能力的培養(yǎng)，主要包括PLC編程與自動化系統(tǒng)集成能力、單片機(jī)開發(fā)能力和測控技術(shù)應(yīng)用能力；校外培養(yǎng)面向企業(yè)所屬行業(yè)領(lǐng)域，以專業(yè)方向進(jìn)行模塊化培養(yǎng)。

測控技術(shù)應(yīng)用能力培養(yǎng)要求學(xué)生掌握虛擬儀器技術(shù)、柔性測試技術(shù)、測控電路和工程項目管理等課程的理論知識和實踐技能，能進(jìn)行典型測控電路的設(shè)計、調(diào)試，具備熟練進(jìn)行LabVIEW編程的能力，能以虛擬儀器技術(shù)為核心，融合多種相關(guān)行業(yè)技術(shù)（如機(jī)電一體化、網(wǎng)絡(luò)通信及軟件技術(shù)），提供符合用戶需要的測試解決方案。虛擬儀器技術(shù)課程在測控技術(shù)應(yīng)用能力培養(yǎng)中起著至關(guān)重要的作用，為符合卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)要求，對虛擬儀器技術(shù)課程進(jìn)行改革。在傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，教學(xué)安排為理論課和實驗課，而且實驗課時量偏少，教師在理論課上純粹地講授課程內(nèi)容，對大綱規(guī)定的內(nèi)容做詳盡的講授，再由學(xué)生在實驗課上完成相應(yīng)的實驗。這樣的教學(xué)方式不利于學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)［1］。

*項目來源：江蘇省高校實驗室研究會立項研究課題“銜接卓越計劃企業(yè)階段培養(yǎng)的工程實踐教育中心建設(shè)與管理”（GS2013YB01）；常熟理工學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊培育立項項目（jxnh2014100）。作者：陳飛、謝啟，常熟理工學(xué)院副教授，研究方向為計算機(jī)先進(jìn)控制技術(shù)與先進(jìn)檢測技術(shù)；徐偉，常熟理工學(xué)院實驗師，研究方向為計算機(jī)先進(jìn)控制技術(shù)與先進(jìn)檢測技術(shù)（215500）。

針對傳統(tǒng)教學(xué)存在的弊端，將虛擬儀器技術(shù)課程設(shè)置為理實一體化課程，課程學(xué)時為48（其中，24學(xué)時的理論教學(xué)，24學(xué)時的實踐），授課直接安排在實驗室進(jìn)行，采用邊講邊練的形式進(jìn)行教學(xué)，突出基于項目的“研中學(xué)”“做中學(xué)”的教學(xué)模式。

2　校企合作共建實踐教學(xué)平臺

從常熟理工學(xué)院自動化專業(yè)的“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”實踐需求、課程需求出發(fā)，以校地互動、親近業(yè)界為宗旨，與上海泛華測控系統(tǒng)有限公司共建教學(xué)實踐平臺。學(xué)校和企業(yè)共同設(shè)計課程工程實踐能力培養(yǎng)要求，形成校企相互銜接的工程實踐能力訓(xùn)練平臺。平臺建設(shè)主線如圖1所示，自然界中的原始信號可以分為數(shù)字信號和模擬信號兩類：數(shù)字信號包含開關(guān)信號和脈沖序列（計數(shù)器/定時器），模擬信號包含電平信號、時域信號和頻域信號。

虛擬儀器技術(shù)課程的主要任務(wù)是運(yùn)用LabVIEW、NIDAQmx、數(shù)據(jù)采集卡和傳感器，附以必要的信號調(diào)理電路實現(xiàn)對信號的采集（生成）、分析和處理。數(shù)據(jù)采集卡（Nextboard）選用的是NI公司的PCI-6221，傳感器包含溫度傳感器（熱敏電阻、熱電偶等）、稱重傳感器、霍爾傳感器、駐極體麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、編程器等，執(zhí)行器件有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及其他附屬器件（發(fā)光二極管、數(shù)碼管、芯片等）。傳感器、執(zhí)行器等的選擇考慮了能模擬或接近或直接應(yīng)用于實際工程項目中的器件，從而能更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，為校外學(xué)習(xí)培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

3　虛擬儀器技術(shù)課程教學(xué)項目設(shè)計

自動化（卓越計劃）專業(yè)在第6學(xué)期開設(shè)LabVIEW編程實訓(xùn)（2周），通過編程實訓(xùn)使學(xué)生掌握虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成及基本設(shè)計思想，掌握LabVIEW軟件的編程環(huán)境、編程方法等方面的內(nèi)容。第7學(xué)期開設(shè)虛擬儀器技術(shù)課程。虛擬儀器技術(shù)課程采用基于項目的教學(xué)方法，通過與企業(yè)工程師探討溝通，以“必須、實用、夠用”為宗旨來設(shè)計每一項目，如表1所示。

圖1　平臺建設(shè)主線

表1　項目列表

表1所設(shè)計的項目涉及工業(yè)實際中常用的六類傳感器信號的采集及處理：溫度、電橋測量、測頻、編碼器、壓電式集成電路和光敏傳感器［2-5］。其中序號1、2為運(yùn)用NI-DAQmx完成工業(yè)測控系統(tǒng)項目所必須具備的硬件和軟件基礎(chǔ)，序號3～8的是基礎(chǔ)項目，序號9、10為綜合性項目。

通過基礎(chǔ)項目的學(xué)習(xí)和實踐，使學(xué)生掌握常用傳感器的使用、信號調(diào)理電路的設(shè)計和NI PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的使用，鞏固LabVIEW程序設(shè)計基本知識，如數(shù)組、簇、表格、程序運(yùn)行結(jié)構(gòu)和文件存儲等，掌握運(yùn)用LabVIEW和NI-DAQmx進(jìn)行模擬信號、數(shù)字信號采集（生成）、分析和處理的方法，掌握事件結(jié)構(gòu)、使用事件的對話框、狀態(tài)機(jī)設(shè)計模式、帶事件結(jié)構(gòu)的狀態(tài)機(jī)設(shè)計模式。

通過綜合性項目的學(xué)習(xí)和實踐，進(jìn)一步深入運(yùn)用LabVIEW和NI-DAQmx進(jìn)行多種信號采集（生成）、分析和處理的方法，掌握工程應(yīng)用中常用的設(shè)計模式：狀態(tài)機(jī)設(shè)計模式、雙循環(huán)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計模式、主從設(shè)計模式等，提升虛擬儀器技術(shù)在工程中的應(yīng)用能力［6］。

4　虛擬儀器技術(shù)課程項目教學(xué)實施

虛擬儀器技術(shù)課程在實驗室進(jìn)行一體化的教學(xué)，使學(xué)生具備一定的LabVIEW軟件編程能力和NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟硬件知識，完成8個項目的硬件、軟件設(shè)計。任課教師首先對所帶的班級進(jìn)行分組，形成項目團(tuán)隊；繼而下達(dá)項目及項目所需完成的最低要求及在項目完成中必須使用的知識。項目團(tuán)隊領(lǐng)到項目要求后，對項目進(jìn)行分析討論，將項目分成若干個核心任務(wù)，在完成任務(wù)的過程中掌握項目所涉及的軟硬件知識，最終完成項目。

領(lǐng)取項目 要求用霍爾元件、直流電機(jī)等模擬電動自行車的行駛原理。使用線性霍爾模擬自行車調(diào)速車轉(zhuǎn)把的工作狀態(tài)，直流電機(jī)模擬自行車車輪轉(zhuǎn)動，使用開關(guān)型霍爾傳感器測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，以此判定當(dāng)前車速是高速、中速還是低速。

項目分析 簡單地可將項目直接分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，首先需要完成硬件設(shè)計。從領(lǐng)取的項目中得知本項目需要用到霍爾元件（開關(guān)型和線性型）、直流電機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221，通過查找資料熟悉器件，依照電動自行車的行駛原理對項目進(jìn)行分解：1）運(yùn)用LabVIEW控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動；2）使用開關(guān)型霍爾元件實現(xiàn)對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的采集，運(yùn)用LabVIEW對所采集的信號進(jìn)行處理；3）使用線性霍爾元件模擬電動車把手的旋轉(zhuǎn)，運(yùn)用線性霍爾元件的輸出量控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動［3］。

任務(wù)實現(xiàn) 通過查找資料，發(fā)現(xiàn)有兩種控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動的常用方法：控制直流電機(jī)兩端的供電電壓或用PWM波。在實施過程中，學(xué)生選擇控制電機(jī)兩端電壓的方法，發(fā)現(xiàn)用MAX軟件控制數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221 AO通道輸出直流電機(jī)的額定電壓時，電機(jī)并不轉(zhuǎn)動。通過項目組討論發(fā)現(xiàn)，直流電機(jī)的功率比較大，而PCI-6221 AO通道的輸出電流較小，提出硬件設(shè)計中需考慮驅(qū)動電路。當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動起來時，學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識到器件參數(shù)和廠家提供的數(shù)據(jù)手冊的重要性，MAX軟件在項目調(diào)試設(shè)計中的便利性。

在完成直流電機(jī)控制電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，運(yùn)用LabVIEW 和NI-DAQmx函數(shù)完成模擬量輸出信號的程序設(shè)計。在程序調(diào)試中，當(dāng)學(xué)生關(guān)閉程序后直流電機(jī)依然在轉(zhuǎn)動，分析發(fā)現(xiàn)在程序設(shè)計中AO通道輸出電平信號后，在任務(wù)結(jié)束前并未將其置為0。在一項項任務(wù)完成的過程中，學(xué)生會遇到各種意想不到的問題，在一個個問題的解決過程中完成知識的學(xué)習(xí)和掌握。

項目實現(xiàn) 項目的實現(xiàn)并非是任務(wù)的簡單完成，任務(wù)的完成僅是幫助學(xué)生完成項目的硬件電路的設(shè)計和部分功能的實現(xiàn)。項目實現(xiàn)還包含前面板和程序框圖的設(shè)計。前面板設(shè)計是完成項目的最前期需要考慮的，需要擺放哪些控件，需要有什么樣的信息提示，需要用戶填寫什么信息，需要什么樣的信息反饋，等等。程序框圖設(shè)計中若程序相對較復(fù)雜，可考慮工程實踐中使用較多的狀態(tài)機(jī)架構(gòu)、生產(chǎn)者與消費(fèi)者架構(gòu)等，為增強(qiáng)程序的可讀性功能相對獨(dú)立的可生成子VI進(jìn)行調(diào)用，同時對程序加必要的注釋。

通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能將軟件學(xué)習(xí)與硬件設(shè)計緊密結(jié)合起來，同時在項目的實施過程中鍛煉了工程設(shè)計中應(yīng)具備的團(tuán)隊合作、查閱專業(yè)文獻(xiàn)資料等一系列的綜合應(yīng)用能力。

5　結(jié)束語

按照“卓越計劃”人才培養(yǎng)目標(biāo)及特點(diǎn)確定自動化（卓越計劃）專業(yè)學(xué)生采用校內(nèi)+校外培養(yǎng)的模式。校內(nèi)培養(yǎng)注重核心能力（PLC編程與自動化系統(tǒng)集成能力、單片機(jī)開發(fā)能力和測控技術(shù)應(yīng)用能力）的培養(yǎng)，其中虛擬儀器技術(shù)課程是測控技術(shù)應(yīng)用能力培養(yǎng)中所涉及的一門重要的、實踐性強(qiáng)、應(yīng)用性強(qiáng)的課程。從課程的定位、能力培養(yǎng)目標(biāo)的確定，

到與課程相配套的實驗平臺的建設(shè)，教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)體系的設(shè)計，到教學(xué)實施，這是一項系統(tǒng)工程。采用基于項目的教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、發(fā)現(xiàn)和分析問題的能力、動手能力、協(xié)作和互助能力、交際和交流能力。在課程建設(shè)和實踐中有效地實現(xiàn)學(xué)校與企業(yè)的深度合作，打破傳統(tǒng)教育的自我封閉模式，使學(xué)生具備虛擬儀器技術(shù)工程實踐的基本能力與素質(zhì)，為企業(yè)階段的培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。■

［1］汪弦.《虛擬測試技術(shù)》課程的教學(xué)定位與教學(xué)改革［J］.教育教學(xué)論壇，2014（2）：50-51.

［2］白云，高育鵬，胡小江.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

［3］姚金明，楊俊杰.自行車轉(zhuǎn)速里程表的設(shè)計［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報，2013（3）：249-252.

［4］張春林.自動門系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（1）：165-166.

［5］楊敏.一種基于nextboard的聲音采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013（23）：30.

［6］常峰.通過虛擬儀器技術(shù)課程教學(xué)改革促進(jìn)學(xué)生專業(yè)綜合能力提高［J］.考試周刊，2014（82）：8-9.

G642.3

B

1671-489X（2016）12-0086-03