測控技術與儀器專業“三位一體”的教學改革研究與實踐

楊 帆，程 雯，肖 貝，李國平

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

0 引 言

虛擬儀器技術代表測控技術的發展趨勢，并將在工控行業得到廣泛的應用。虛擬儀器、現場總線技術已被國內外用戶所認可，現階段，有些專業課程設置落后于科技發展，專業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。而學校實驗設備經費有限，無力購買目前大型石化行業的控制系統，學生不能接觸實際工業過程，面對目前嚴峻的就業形勢，特別是要實現高端就業，教師必須自主研發模擬實際工業現場控制系統，讓學生領悟控制系統的真諦。為使學生掌握本專業最新科技動態，更好的適應社會發展需求，結合測控技術與儀器專業的發展前景，凝煉了“測控技術及儀器專業課程體系改革研究(20050354)”、“基于Internet及LabVIEW構建現代集測控技術與控制系統創新實驗體系(2003233)”、與“基于虛擬儀器的現代測控儀研制(20060271)”等前沿性科研成果，構建了獨具特色的集“課程體系改革、實驗體系創新和教學儀器研發”的“三位一體”教學改革研究，在人才培養實踐、專業與課程建設中取得了顯著的效果[1-3]。

1 測控技術與儀器專業課程體系改革

在深入研究目前測控技術與儀器專業特點的基礎之上，提出了本專業人才培養體系的優化對策，以完善知識結構和拓寬知識面為核心，強化工程設計實踐，提高專業覆蓋面，使我們既能保持我校測控技術與儀器專業已有的面向化工行業特色，同時能適應新技術條件下儀器儀表行業的發展趨勢，培養符合社會需要的人才。

1.1 改革人才培養方案

在對用人單位人才需求展開大量調研及測控技術與儀器專業畢業校友成功經驗座談會的基礎上，結合目前測控技術發展趨勢學校定位、學科和專業的特點以及本專業目前各方面的現狀，修訂了人才培養方案。相應的修改了教學計劃，將學科基礎課、專業課及實踐教學環節學分比從原來的1.5∶1.5∶1.5調整為2∶1∶1.5，突出厚基礎、寬口徑、強工程實踐能力教學理念。

1.2 優化課程體系

保留原有面向石油化工行業有關儀器儀表及過程控制方面的專業基礎及專業方向課程,增加代表測控技術發展趨勢的“虛擬儀器”、“現場總線”、全英文教材雙語教學課程“《Measurement System Design And Application》”等專業課程及“現代測控技術綜合試驗”課程。對實驗課程進行了良好整合，如將“單片機”及“微機原理”實驗整合成“微機控制技術”實驗課程。

1.3 創新實踐教學體系

對實驗課程體系和教學內容進行了改革與創新：一方面，建構了“基于Internet及LabVIEW的現代集成測控技術與控制系統”創新實驗體系，編寫實驗指導書。在此基礎上研發了“基于虛擬儀器的現代測控儀”。另一方面，實現了對實踐性教學環節的改革。對畢業設計、傳感器課程設計、單片機、微機原理等實驗進行了大膽的改革與創新，畢業設計采用校內設計與宜化模式(我校我院最早在湖北宜化股份有限公司進行的校企聯合指導學生完成畢業設計的模式)有機結合的模式；傳感器課程設計將以往原理性設計改為集傳感器、控制算法、單片機于一體的傳感器應用設計；實現了單片機、微機原理單個實驗向微機控制技術綜合實驗的轉變。此外，在開發系列設計性、綜合性實驗的基礎上，增加了為期兩周的現代測控技術綜合實驗課程，學生能開發并模擬常見各種工業控制系統，真正實現從理論到實踐的教學過程。近三年組建了三個國際聯合實驗室：武漢工程大學-美國TI.DSPS實驗室、Altera公司SOPC技術、日本瑞薩聯合實驗室。學校組建了電子信息與控制實驗教學示范中心，大學生創新基地，此外，還建立了10多個穩定的校外實習基地，為各種電子設計競賽、培養學生實際工程應用能力、就業創造了十分有利的條件[4]。

2 構建了“基于Internet及LabVIEW的現代集測控技術與控制系統創新實驗體系”

有些專業課程實驗設置落后于社會的發展，實驗內容單一，實驗設備封閉，學生只能看最后結果，不能領會其中奧妙，針對此將虛擬儀器、單片機、電子技術、控制理論、網絡等多種知識融合于一體，讓學生了解各種知識之間的聯系，了解控制系統從信號采集、處理、控制、顯示(數碼顯示和虛擬儀器顯示)之間的關系。設計了如下5個實驗體系。

2.1 基于USB數據采集模塊的虛擬儀器實驗系統

USB知識應用非常廣泛，但學生很少知道硬件知識及如何進行軟件程序開發。該系統由基于USB數據采集模塊和虛擬儀器構成。根據采樣速度不同，設計了三種數據采集硬件模塊。利用研發的實驗裝置及自行開發的用戶軟件實現了正弦信號輸出[5]。

2.2 基于RS-485工業總線的通用傳感器測量虛擬儀器系統

該系統模擬了工業現場數據采集、處理、用虛擬儀器顯示的全過程。在工業測控中，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，需遠距離傳輸，所以對數據采集硬件(測量變送系統)有特殊要求。設計中采用目前流行的RS-485工業總線、ATmega8535單片機、儀表放大器AD620、硅光電池等主要器件構成了光電檢測實驗系統，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

該系統采用的是經典PWM控制方法，實驗采用燈泡作為熱源，由DS18B20數字溫度傳感器測量溫度信號，送單片機實現溫度信號處理、PID控制及3位LED數碼對現場溫度顯示。由LabWindows/CVI實現溫度控制曲線顯示。

2.4 基于虛擬儀器的Internet模糊溫度測控系統的實驗室模擬

該系統實現了溫度測控及遠程監控，以AT89C51單片機和單總線數字溫度傳感器DS18B20為主要器件制作溫度測控數據采集電路，用C51程序完成對傳感器的數據采集和數據向LabVIEW的傳輸。通過PCI-6014來讀取硬件電路數據。LabVIEW實現數據處理、測量溫度曲線顯示、預警、模糊溫度控制及遠程傳輸，用燈泡和小風扇作為執行機構[7-8]。

2.5 系統網絡化功能的實現

通過將虛擬儀器軟件系統與B/S結構企業應用集成，將測控數據實時反映到企業應用，并使用IE Web瀏覽器，通過Web訪問測控數據，可以實現基于Web的遠程測控系統。

3 教學儀器研發

該實驗儀器是對實驗體系測控裝置的整合、擴展與深化，研發的實驗儀器可以針對不同層次的學生完成不同的實驗：基礎差的學生可以觀摩和復述實驗過程；成績一般的學生能夠通過觀摩實驗，組建簡單的測控系統；成績優異的學生可以自行設計開放性實驗。同時，該實驗裝置針對電子設計競賽及挑戰杯、求實杯等競賽，能有效提高學生的應賽水平和技能，實驗儀器在武漢工程大學測控專業進行試點實驗，學生反映良好。

3.1 教學儀器總體設計

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

3.2 實驗儀器硬件設計

為完成上述六種信號的測控，選擇了兩種硬件實現方案，其中一種是用單片機作為控制器，利用上位機監控。設計了相關電路和PCB板。另一種方案MCU選用NXP(PHILIPS)LPC2138 ARM7；顯示設備(液晶)選用KS0108 128×64單色STN液晶模塊；執行機構選用4N35光電耦合器隔離驅動TIP122大功率達林頓晶體管，進而驅動繼電器；與RS-485網絡的通信先選用MAX232將MCU串口轉換成為RS-232串口，然后通過RS-232 to RS-485轉換器連接到RS-485網絡上用液晶屏顯示。上、下位機通過RS232信通。

3.3 系統軟件設計

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

4 “三位一體”教學改革的輻射效應

為實現教學型大學向教學研究型大學轉變，提高學生的動手能力與就業率，在測控技術與儀器專業進行了集“課程體系改革、實驗體系創新、教學儀器研發”的“三位一體”系列教學改革與研究，在人才培養實踐中取得了顯著效果，成果得到了較好的推廣與應用。

4.1 學生培養質量顯著提高

參與特色班培養與訓練的學生，近四年獲全國、省級大學生電子設計大賽、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。獲湖北省優秀學士學位論文一、二、三等獎共計16項。近三年有20名左右的團隊學生因動手能力出色被浙大中控、湖北宜化等單位在畢業前錄用。

4.2 教學改革成效顯著

a.通過課程體系改革、實驗體系創新、教學儀器研發、聯合實驗室建設、實驗課程進行了良好整合。2008年“電子信息與控制實驗教學示范中心”被評為省級實驗教學示范中心。

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

4.3 項目研究成果得到較好推廣應用

利用所取得的研究成果與杭州賽特傳感器有限公司聯合開發傳感器實驗裝置。研究開發的系列實驗及項目研究成果已經在武漢工程大學、及與武漢工業大學合作科研項目中得到應用。

4.4 研究理論成果

在項目研究過程中，發表了30多篇與研究內容相關的有價值論文，其中16篇被EI檢索，出版教材兩部，發表多篇論文在國內引起了廣泛的關注，并被廣泛引用。

參考文獻:

[1]楊帆，劉暢.基于D-S證據理論的多傳感器目標識別應用[J].武漢工程大學學報，2009，31(1)：73-75.

[2]劉書廷，金太東，胡博，等.BP-PID在鍋爐蒸氣壓力控制中的應用[J].武漢工程大學學報，2009，31(7)：90-94.

[3]熊俊俏，郝毫毫，劉增華.精密位移測控系統的設計[J].武漢工程大學學報，2009，31(9)：59-61.

[4]楊帆，李國平，趙黨軍，等.傳感器課程設計改革與實現[J].武漢工程大學學報,2007，(5)：88-90.

[5]楊帆，趙世平.基于虛擬儀器的USB高速數據采集卡設計[J].自動化儀表，2007，(9)：12-20.

[6]楊帆，李國平.基于虛擬儀器的直流電機轉速測控實驗系統研究[J].電子器件,2008,31(2):676-679.

[7]Can Saygin,Firat Kahraman. A Web-based programmable logic controller laboratory for manufacturing engineering education [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2004,24, (7-8) :590-598.

[8]楊帆，姜燕.基于LLC的大功率智能充電器研究[J].武漢工程大學學報，2009，31(5)：80-83.