虛擬儀器技術課程建設與實踐*

◆陳飛 謝啟 徐偉

虛擬儀器技術課程建設與實踐*

◆陳飛 謝啟 徐偉

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

虛擬儀器技術；實踐教學平臺；教學項目設計

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

1　前言

常熟理工學院是一所應用型本科院校，是全國卓越工程師教育培養計劃高校和江蘇省卓越工程師培養試點單位，自動化專業入選國家卓越工程師教育培養計劃試點專業。自動化（卓越計劃）專業以學生自主學習能力、創新創業能力、工程實踐能力和大學生職業素養培養為核心，采用“校內學習培養+校外學習培養”相結合的方式：校內培養注重核心能力的培養，主要包括PLC編程與自動化系統集成能力、單片機開發能力和測控技術應用能力；校外培養面向企業所屬行業領域，以專業方向進行模塊化培養。

測控技術應用能力培養要求學生掌握虛擬儀器技術、柔性測試技術、測控電路和工程項目管理等課程的理論知識和實踐技能，能進行典型測控電路的設計、調試，具備熟練進行LabVIEW編程的能力，能以虛擬儀器技術為核心，融合多種相關行業技術（如機電一體化、網絡通信及軟件技術），提供符合用戶需要的測試解決方案。虛擬儀器技術課程在測控技術應用能力培養中起著至關重要的作用，為符合卓越工程師培養目標要求，對虛擬儀器技術課程進行改革。在傳統的教學方法中，教學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容，對大綱規定的內容做詳盡的講授，再由學生在實驗課上完成相應的實驗。這樣的教學方式不利于學生創新能力、實踐應用能力的培養［1］。

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

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

2　校企合作共建實踐教學平臺

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

虛擬儀器技術課程的主要任務是運用LabVIEW、NIDAQmx、數據采集卡和傳感器，附以必要的信號調理電路實現對信號的采集（生成）、分析和處理。數據采集卡（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、揚聲器、編程器等，執行器件有直流電機、步進電機及其他附屬器件（發光二極管、數碼管、芯片等）。傳感器、執行器等的選擇考慮了能模擬或接近或直接應用于實際工程項目中的器件，從而能更好地培養學生的工程實踐能力，為校外學習培養奠定基礎。

3　虛擬儀器技術課程教學項目設計

自動化（卓越計劃）專業在第6學期開設LabVIEW編程實訓（2周），通過編程實訓使學生掌握虛擬儀器系統的基本構成及基本設計思想，掌握LabVIEW軟件的編程環境、編程方法等方面的內容。第7學期開設虛擬儀器技術課程。虛擬儀器技術課程采用基于項目的教學方法，通過與企業工程師探討溝通，以“必須、實用、夠用”為宗旨來設計每一項目，如表1所示。

圖1　平臺建設主線

表1　項目列表

表1所設計的項目涉及工業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為運用NI-DAQmx完成工業測控系統項目所必須具備的硬件和軟件基礎，序號3～8的是基礎項目，序號9、10為綜合性項目。

通過基礎項目的學習和實踐，使學生掌握常用傳感器的使用、信號調理電路的設計和NI PCI-6221數據采集卡的使用，鞏固LabVIEW程序設計基本知識，如數組、簇、表格、程序運行結構和文件存儲等，掌握運用LabVIEW和NI-DAQmx進行模擬信號、數字信號采集（生成）、分析和處理的方法，掌握事件結構、使用事件的對話框、狀態機設計模式、帶事件結構的狀態機設計模式。

通過綜合性項目的學習和實踐，進一步深入運用LabVIEW和NI-DAQmx進行多種信號采集（生成）、分析和處理的方法，掌握工程應用中常用的設計模式：狀態機設計模式、雙循環結構、生產者/消費者設計模式、主從設計模式等，提升虛擬儀器技術在工程中的應用能力［6］。

4　虛擬儀器技術課程項目教學實施

虛擬儀器技術課程在實驗室進行一體化的教學，使學生具備一定的LabVIEW軟件編程能力和NI數據采集系統軟硬件知識，完成8個項目的硬件、軟件設計。任課教師首先對所帶的班級進行分組，形成項目團隊；繼而下達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。項目團隊領到項目要求后，對項目進行分析討論，將項目分成若干個核心任務，在完成任務的過程中掌握項目所涉及的軟硬件知識，最終完成項目。

領取項目 要求用霍爾元件、直流電機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速車轉把的工作狀態，直流電機模擬自行車車輪轉動，使用開關型霍爾傳感器測量電機轉速，以此判定當前車速是高速、中速還是低速。

項目分析 簡單地可將項目直接分為硬件設計和軟件設計，首先需要完成硬件設計。從領取的項目中得知本項目需要用到霍爾元件（開關型和線性型）、直流電機和數據采集卡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行分解：1）運用LabVIEW控制直流電機轉動；2）使用開關型霍爾元件實現對直流電機轉速的采集，運用LabVIEW對所采集的信號進行處理；3）使用線性霍爾元件模擬電動車把手的旋轉，運用線性霍爾元件的輸出量控制直流電機轉動［3］。

任務實現 通過查找資料，發現有兩種控制直流電機轉動的常用方法：控制直流電機兩端的供電電壓或用PWM波。在實施過程中，學生選擇控制電機兩端電壓的方法，發現用MAX軟件控制數據采集卡PCI-6221 AO通道輸出直流電機的額定電壓時，電機并不轉動。通過項目組討論發現，直流電機的功率比較大，而PCI-6221 AO通道的輸出電流較小，提出硬件設計中需考慮驅動電路。當直流電機轉動起來時，學生已經認識到器件參數和廠家提供的數據手冊的重要性，MAX軟件在項目調試設計中的便利性。

在完成直流電機控制電路設計的基礎上，運用LabVIEW 和NI-DAQmx函數完成模擬量輸出信號的程序設計。在程序調試中，當學生關閉程序后直流電機依然在轉動，分析發現在程序設計中AO通道輸出電平信號后，在任務結束前并未將其置為0。在一項項任務完成的過程中，學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習和掌握。

項目實現 項目的實現并非是任務的簡單完成，任務的完成僅是幫助學生完成項目的硬件電路的設計和部分功能的實現。項目實現還包含前面板和程序框圖的設計。前面板設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。程序框圖設計中若程序相對較復雜，可考慮工程實踐中使用較多的狀態機架構、生產者與消費者架構等，為增強程序的可讀性功能相對獨立的可生成子VI進行調用，同時對程序加必要的注釋。

通過課程學習，學生不僅能將軟件學習與硬件設計緊密結合起來，同時在項目的實施過程中鍛煉了工程設計中應具備的團隊合作、查閱專業文獻資料等一系列的綜合應用能力。

5　結束語

按照“卓越計劃”人才培養目標及特點確定自動化（卓越計劃）專業學生采用校內+校外培養的模式。校內培養注重核心能力（PLC編程與自動化系統集成能力、單片機開發能力和測控技術應用能力）的培養，其中虛擬儀器技術課程是測控技術應用能力培養中所涉及的一門重要的、實踐性強、應用性強的課程。從課程的定位、能力培養目標的確定，

到與課程相配套的實驗平臺的建設，教學內容、教學體系的設計，到教學實施，這是一項系統工程。采用基于項目的教學方法，培養學生的自學能力、發現和分析問題的能力、動手能力、協作和互助能力、交際和交流能力。在課程建設和實踐中有效地實現學校與企業的深度合作，打破傳統教育的自我封閉模式，使學生具備虛擬儀器技術工程實踐的基本能力與素質，為企業階段的培養打下基礎。■

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

［2］白云，高育鵬，胡小江.基于LabVIEW的數據采集與處理技術［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2009.

［3］姚金明，楊俊杰.自行車轉速里程表的設計［J］.上海電力學院學報，2013（3）：249-252.

［4］張春林.自動門系統的設計與應用［J］.數字技術與應用，2014（1）：165-166.

［5］楊敏.一種基于nextboard的聲音采集系統設計［J］.科技創新導報，2013（23）：30.

［6］常峰.通過虛擬儀器技術課程教學改革促進學生專業綜合能力提高［J］.考試周刊，2014（82）：8-9.

G642.3

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1671-489X（2016）12-0086-03