電氣工程虛擬實踐基地建設的研究與探索

摘要：針對當前電氣工程實踐基地不能滿足實踐教學的發展現狀，提出建立電氣工程虛擬實踐基地的方案。將計算機技術、網絡技術和虛擬儀器技術相結合，在現有實踐基地硬件和軟件基礎上開發電氣工程虛擬實踐基地，建立工程實踐基地管理系統，實現學生工程實踐申請管理、設備儀器管理、實踐項目管理以及實踐數據管理。電氣工程虛擬實踐基地采用LabVIEW圖形化編程語言為軟件開發平臺，并以Browser/Server 模式結構實現軟件、硬件設備的共享，利用LabVIEW的網絡通信功能完成實踐數據的傳輸和保存。電氣工程虛擬實踐基地可以為學生提供開放式的實踐環境，學生可以不受時間、地點的限制通過網絡完成相應的工程實踐。

關鍵詞：虛擬實踐基地；LabVIEW；電氣工程；工程實踐

1 引言

黑龍江科技大學（以下簡稱我校）電氣工程及其自動化專業為滿足推動東部煤電化基地建設、國家振興東北老工業基地對人才的需求，在“大德育、大工程、大實踐”三大教育理念的指導下不斷探索新形勢下的辦學思路，重點加強學生工程實踐能力以實現我校應用型人才培養的目標。目前我校已經建成了基礎工程實踐基地與專業工程實踐基地25個、大學生創新工程實踐基地3個，主要完成電氣控制、電子工程、單片機基礎、計算機裝配、電子工藝、通信工程、測控工程、電力系統、傳感器及檢測技術、工業控制、ARM、ASIC、DSP、PLC應用等專業工程實踐。

我校電氣工程及其自動化專業應用型人才實踐能力培養的載體主要是電氣工程實踐基地，隨著我校電氣專業工程實踐力度的日益加強，僅局限于學生在上課時間到電氣工程實踐基地內參加實踐的方式已嚴重滯后于信息時代和工程實踐的需要，因此原有的實踐教學模式必須進行改革。針對電氣工程實踐基地的局限性，我校提出基于計算機技術、網絡技術和虛擬儀器技術，研究與探索建立電氣工程虛擬實踐基地。將虛擬儀器技術運用到電氣工程實踐教學中，通過計算機網絡實現學生對基地設備的遠程控制。學生可以不受時間與空間的限制進行虛擬實踐操作，并對基地儀器設備、計算機資源以及學生實踐數據進行共享，學生之間可以進行協作或得到教師的遠程指導等。

2 電氣工程虛擬實踐基地的構建

2.1 構建方案

利用計算機技術、網絡技術和虛擬儀器技術建立網絡化的電氣工程虛擬實踐基地。學生進行虛擬實踐時，被授權的學生客戶端通過登陸Web瀏覽器發出實踐請求命令，安裝有LabVIEW軟件的虛擬實踐系統服務器接收實踐命令并響應。根據學生客戶端不同的實踐請求分配相應實踐基地儀器設備，在實踐過程中將實踐結果與顯示界面實時發送到客戶端，在客戶端進行實時顯示。網絡化的電氣工程虛擬實踐基地采用瀏覽器/服務器模式（Browser/Server 模式），如圖1所示。學生在客戶端可以進行遠程工程實踐請求、實踐數據分析處理、存儲及實踐結果的可視化顯示；客戶端通過互聯網登陸Web服務器訪問“電氣工程虛擬實踐基地”網站，在相關網頁上提出實踐請求；不斷通過互聯網訪問Web服務器，Web服務器將客戶端發出的遠程訪問和遠程控制請求進行邏輯處理，然后通過校內局域網提交給應用服務器。應用服務器根據客戶端不同的實踐請求，分配實踐基地、管理和調度各基地儀器設備、接收Web服務器傳遞的實踐指令并調用相關實踐模塊與實踐設備。在實踐過程中產生的實踐現象、相應的實踐數據通過DataSocket在Internet中進行發布。

2.2 硬件環境

虛擬實踐基地硬件環境由計算機硬件系統和測控功能硬件兩部分組成。計算機硬件系統可以采用臺式計算機、工控機等，管理虛擬實踐基地的軟件、硬件資源。測控功能硬件是指輸入輸出接口設備（I/O接口），可以采集實踐中產生的被測輸入信號、并進行信號放大、模/數轉換等處理。由于我校電氣工程實踐基地較多，每個基地的儀器設備所需的通信方式也不相同，因此，根據每個實踐基地儀器的通信方式選擇接口總線。電氣工程虛擬實踐基地根據具體情況主要采用基于PCI插槽的DAQ數據采集卡、GPIB總線接口、串口總線接口、VXI/PXI總線模塊和CAN現場總線模塊等標準總線接口。

2.2.1 基于數據采集卡的虛擬儀器

DAQ數據采集卡是電氣工程虛擬實踐基地數據采集接口的一種實現方式。將DAQ數據采集卡插入到計算機（PC機）的PCI插槽中，實踐基地的模擬設備與DAQ數據采集卡的A/D、D/A相連，利用數據采集卡可方便快速地組建基于計算機的虛擬系統。這種方式完全可以滿足電氣工程虛擬實踐基地測量環節的精度要求。

2.2.2 基于GPIB總線的虛擬儀器

GPIB通用接口總線是虛擬實踐基地計算機系統與帶有GPIB接口的傳統儀器設備之間的一種標準通信協議。該方式采用GPIB接口卡將若干GPIB儀器連接起來，利用計算機對電氣工程虛擬實踐基地儀器設備實現操作和控制，可高效靈活地完成各種不同規模的工程實踐測試測量任務。采用GPIB技術可以預先編制好測試程序，由計算機按照預定的工作流程實現自動測試、自動操作和控制實踐基地的儀器設備。

2.2.3 基于串口總線的虛擬儀器

工程實踐基地的實時監控系統采用串口儀器設備與控制模塊相連接方式實現。將基地內帶有RS-232C/RS485總線接口的儀器設備通過RS-232C/ RS485總線與計算機組成虛擬儀器系統。根據電氣工程虛擬實踐基地儀器的實際需要還可以采用USB總線和IEEE-1394總線。

2.2.4 基于VXI/PXI總線的虛擬儀器

VXI（VMEbusExtension for Instrumentation）總線是一種高速計算機總線。由于VXI總線標準開放，具有數據傳輸速率高、定時與同步較精確的優點，能夠滿足電氣工程虛擬實踐基地使用結構緊湊、靈活方便的模塊化設計以及組織大規模集成化虛擬實踐系統的需求。PXI總線是PCI總線在儀器領域的擴展，具有較高的數據傳輸速率和良好的性價比，因此在電氣工程虛擬實踐基地在高頻段的測試實踐中可以采用PXI總線。

2.2.5 CAN現場總線的虛擬儀器

CAN總線是一種雙向全數字化、多主方式的串行局域網通訊總線。在電氣工程虛擬實踐基地的電氣控制系統中采用CAN 總線協議，控制器采用SJA1000型總線控制器，它與物理總線之間的接口采用PCA82C250型總線收發器。

2.3 軟件設計

電氣工程虛擬實踐基地采用LabVIEW軟件為開發平臺，該應用軟件可以為用戶提供一個圖形化程序語言的集成開發環境。LabVIEW集成了滿足電氣工程虛擬實踐基地所需的DAQ數據采集卡、GPIB總線接口、RS-232和RS-485串口總線接口、VXI總線模塊通訊的全部功能。在電氣工程虛擬實踐基地的Web服務器端設計開發工程實踐項目網頁，利用LabVIEW的網頁發布功能，學生客戶端就可以通過互聯網登陸網頁瀏覽器訪問服務器端的虛擬儀器，進行訪問相應的工程實踐基地。

基于LabVIEW模塊化的編程思想，將每個工程實踐基地的實踐項目編制成具有一定實踐功能的子VI，如果存在較復雜的功能模塊也可以采用封裝成下一級子 VI的實現方法。在電氣工程虛擬實踐基地應用程序服務器端將每個功能子 VI 以模塊化的方式加入到實踐系統中。這種模塊化的設計方法維護與擴展方便，只需要將新的實踐項目加入到虛擬儀器主控程序中，或修改實踐系統中對應的實踐功能子VI模塊，就可以完成虛擬實踐系統的更新與維護。

2.4 管理系統的建立

學生在客戶端通過Internet進入電氣工程虛擬實踐基地的網站，在網頁上進入實踐基地列表選擇要實踐的基地，選擇實踐項目和閱讀實踐說明后開始進行相關的實踐操作。設計電氣工程虛擬實踐基地網站，登陸系統后首先進入主界面，在主界面中選擇實踐基地及實踐項目。學生在進行實踐之前，必須先登陸通過服務頁面提交所需實踐資源預約申請，在申請中詳細說明實踐原理以及實踐資源組成。管理人員根據實踐基地條件判斷是否批準申請，指導教師根據實踐方案是否可行判斷是否批準申請。

3 結論

虛擬儀器技術的發展推動了實踐教學方式的改革，將虛擬儀器引入到電氣工程實踐基地的建設中，能有效地降低工程實踐的成本、提高工程實踐的效率，并且可以在工程實踐過程中實現學生之間相互協作和資源共享。因此建立氣工程虛擬工程實踐基地，是我校實踐教學改革的一個新的發展方向。電氣工程虛擬實踐基地具有比傳統現場參與實踐更為靈活多樣的表現形式，在提高學生動手能力、促進實踐教學技術手段、創新發展等方面將發揮重要的作用。

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