結合工程實際開展虛擬儀器課程實驗教學

胡景春, 徐國榮, 趙學敏, 柏忠山

(1. 江西應用科技學院 信息工程學院, 江西 南昌 330004；2. 南昌航空大學 信息工程學院, 江西 南昌 330063)

結合工程實際開展虛擬儀器課程實驗教學

胡景春1,2, 徐國榮1, 趙學敏1, 柏忠山1

(1. 江西應用科技學院 信息工程學院, 江西 南昌 330004；2. 南昌航空大學 信息工程學院, 江西 南昌 330063)

對虛擬儀器課程的實驗教學進行了改革,在實驗教學中結合實際工程項目的應用。以“汽車歧管壓力傳感器自動測量標定系統”工程實際項目為例,在實驗教學中通過提出問題、現場參觀、仿真實驗和問題解析的方法,有效地解決了實驗內容只限于初步的驗證性實驗的問題,大大提高了課程教學的效果。

虛擬儀器課程； 實驗教學改革； 教學-工程結合

目前,在電子信息、計算機、自動化等許多專業的教學中,都設有虛擬儀器儀表方面的課程,主要是基于NI公司的虛擬儀器軟件開發平臺LabVEIW開展課程的實驗教學。

由于NI公司生產的與LabVEIW軟件相配套的虛擬儀器的硬件模塊價格昂貴,在以往的實驗教學中大量采用虛擬儀器比較困難,有些課程的實驗只能采用編寫虛擬儀器人機交互界面的方法,用計算機實現功能的程序框圖,而學生對于虛擬儀器儀表的測控功能則只能有表面的了解,幾乎沒有親自動手實驗,更不用說掌握和實際應用了[1]。為此,結合工程實際進行了虛擬儀器課程實驗教學改革。

1 問題的提出及引發的思考

過去,在儀器儀表課程的教學中,學生會提出“虛擬儀器儀表如何才能像真正的儀器儀表一樣實際實現測控功能”這樣的問題。這說明課程教學并沒有達到對虛擬儀器真正理解以及掌握其應用技術的效果。

上述學生提出的問題,反映了課程教學中實驗環節的不足對課程教學有較大的影響。現階段,在我國應用型本科高等教育教學改革中,通過實踐環節提高學生對所學知識的應用能力,更具有實際意義。在課程教學中,要使虛擬儀器儀表實際實現測控功能,實際上就是立足在知識的應用上。為此,應該提供一種實驗環境,讓學生能夠通過實驗而感知、印證和深化有關技術和知識。在一時不能購買硬件模塊的情況下,可以結合教師承擔的實際工程項目進行虛擬儀器課程實驗教學[2-3]。

2 實驗教學中工程實際項目的選擇

由于多年從事儀器儀表方面的教學和科研工作,進行了一些虛擬儀器工程項目的設計開發。把工程實際成果引入教學,設計好實驗教學的各個環節,必定會帶來良好效果。

作為課程實驗的內容,選擇工程實際項目主要應考慮以下方面[4-5]:

(1) 工程項目應與課程教學的實驗有關,比如虛擬儀器、LabVEIW程序設計等；

(2) 工程項目涉及內容比較多,不能盲目選擇,而是重點選擇硬件接口控制方面的實驗內容；

(3) 注意實驗的可行性,即:實驗條件能實現、學生自己能完成、實驗效果能擴展,使實驗對學生的深入學習和知識應用打下良好基礎。

為此,選擇了為一家企業設計開發的“汽車歧管壓力傳感器自動測量標定系統”的測量與控制部分作為儀器儀表實驗教學內容,進行課程實驗設計。

3 實驗環節設計及實現

“汽車歧管壓力傳感器自動測量標定系統”采用虛擬儀器技術開發,其硬件由工控機和自行設計的微機PCI總線虛擬儀器插卡(該“插卡”已獲得國家專利)和外部接口驅動板組成；軟件采用LabVEIW和C++開發。為了使實驗和工程實際結合達到預期的效果,在完成了基礎性實驗的基礎上,結合工程實際和課程教學的要求,按4個步驟來設計學生的實驗,即提出問題、現場參觀、實驗仿真和問題解析[6-9]。

3.1 提出問題

根據“汽車歧管壓力傳感器自動測量標定系統”工程實際項目已解決的問題,結合虛擬儀器的測量和控制,提出幾個需要弄清楚的關鍵問題,讓學生帶著這些問題進行實驗和學習,尋找答案。

該工程項目是在圖1所示系統環境下,用微機實現虛擬儀器功能,自動對放在工作容器中的歧管壓力傳感器進行檢測和標定[8-9]。為此,需要對工作容器中的標準壓力和溫度進行實時測量,同時可以根據設置要求,對容器中的壓力和溫度進行調節控制。其中,溫度調節是通過控制加熱器和制冷器實現,壓力要通過密封門、正壓閥和真空閥調節。

圖1 系統測控環境

本課程的實驗,并不要求學生搞清楚項目的所有控制對象和原理,而主要是了解和掌握虛擬儀器軟件如何直接控制這些對象。在實驗開始前提出2個問題,讓學生帶著這樣的問題去進行實驗:(1)LabVIEW如何對硬件接口控制,該虛擬儀器操作界面(前面板)和程序框圖(后面板)設計如何處理和實現；(2)試編寫一個對系統控制對象進行控制的自檢程序。

3.2 現場參觀

帶學生到企業現場觀察系統工作的實際情況(或者播放系統工作的視頻資料),可以使學生真實感受到虛擬儀器儀表的實際應用,提高了對虛擬儀器課程意義的認識和學習興趣。學生每逢到現場參觀,都反映出非常大的興趣和熱情,對完成后續實驗也表現出迫不及待的愿望。

3.3 實驗仿真

因為現場設備和實驗條件有限,實際的實驗是不可能讓學生都在企業完成的。為此,自行設計制作了與工程實際功能相近的虛擬儀器插卡和外部控制對象仿真板(見圖2)。圖2左邊的插卡直接插入微機PCI總線,安裝好總線接口驅動程序,插卡通過扁平電纜和微機外面的控制對象仿真板連接。仿真板上設計了9個與系統控制對象對應的LED顯示,分別對應密封門、加熱器、制冷器、增壓閥、減壓閥、真空閥等的控制狀態顯示,可以通過軟件進行控制實驗。這樣,僅用3 000多元就在20臺套微機上構建了虛擬儀器測控仿真系統,不僅大大降低了構建虛擬儀器實驗系統的成本,而且和工程實際相結合,使學生在知識的應用上得到一次實際的鍛煉[7,10-11]。

圖2 虛擬儀器插卡和控制對象仿真板

有了這樣的實驗平臺,再把原來的虛擬儀器測控程序交給學生,讓學生運行和分析程序,體驗虛擬儀器的實際效果。

3.4 問題解析

通過帶著問題學習，在實驗仿真平臺進行實驗和解析程序,絕大多數學生達到了較為理想的學習效果,深入了解了虛擬儀器的前面板、后面板和儀器測控對象三者之間的關系,較好地理解了以下課程教學和實驗中的一些重點和難點。

(1) 虛擬儀器的結構和硬、軟件之間的關系。虛擬儀器依靠計算機技術,硬件設計實現板卡化,軟件設計可以充分發揮計算機的智能化和滿足應用需求的靈活性。

(2) LabVIEW對實際硬件的控制方法。首先用高級語言編寫底層硬件接口的驅動程序,然后形成動態鏈接庫(DLL)文件,而LabVIEW只需要用Call Library Function Node節點來調用DLL中的函數。本系統DLL文件controller.dll是用Visual C++ 6.0來生成的。將這個DLL文件提供給學生直接使用,學生通過LabVIEW的Call Library Function Node節點調用,學習和掌握LabVIEW控制硬件的過程和方法。

(3) 在虛擬儀器的軟件設計中,“數據流驅動”和“事件驅動”相結合的概念及其應用。在結合工程實際進行軟件設計時,由于控制對象多、控制方法較復雜,學生在用“探針”對程序進行調試時,能夠感受到程序中數據流的流向,加深了對結構化程序的理解。又由于要求學生完成對系統控制對象進行控制的自檢程序編寫,并對不同功能按鍵進行選擇,使學生較好地掌握了“事件驅動”的理念和方法。掌握“數據流驅動”和“事件驅動”相結合的虛擬儀器程序設計,為復雜的虛擬儀器軟件設計打下了基礎。

4 實驗效果的評估

結合工程實際,對江西應用科技學院2屆學生的虛擬儀器課程實驗教學進行了改革,取得了較好的實驗教學效果。

(1) 促進了課程教學和工程實際結合,培養了學生學用結合的理念,避免了虛擬儀器“虛講虛做”的教學,而實現虛擬儀器實講實做、學用結合[12]。

(2) 工程項目具有很強的實踐性,對學生實驗的要求明確,大大提高了學生一試身手的熱情和探求未知的興趣。

(3) 發揮了學生自主學習的積極性和提高實踐能力的主動性。雖然對學生提出的有關實驗問題不多,但實際上它涉及到課程學習中許多重要知識點的貫穿和運用,要完成好這樣的綜合性、設計性實驗并不容易。學生需要自學和分析系統中原來的部分程序,在此基礎上編寫多個控制對象的“自檢”程序。圖3是學生設計的系統自檢程序示例,其中圖3(a)是虛擬儀器的操作界面,通過對按鈕或旋鈕的操作,實現對控制對象仿真板的控制,通過板上不同LED的顯示、微機屏幕信號燈和信號圖形的顯示,達到對系統自檢的目的。圖3(b)是虛擬儀器的程序框圖,“數據流驅動”和“事件驅動”相結合,用“按鍵”啟動事件,實現相應的功能。程序結構簡潔直觀,功能明確,也給人們一種“美”的感受,達到較好的實驗教學效果。

(4)為了支持學生做好實驗,彌補部分學生實驗課時的不足或強化實踐的愿望,實驗室實現了課外開放,這對結合工程實際開展實驗是很有意義的[13]。

圖3 學生結合工程實際完成的系統自檢程序參考文獻(References)

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[9] 郭昊慶,胡景春,寧金躍.多路可編程壓力傳感器自動調校系統硬件設計[J].電子技術應用,2012,38(12):74-76.

[10] 王芳,李濱,宋瑛琳.國外高校實驗教學經驗及啟示[J].實驗室科學,2012,15(5):1-3.

[11] 龍春陽.國外高校實驗教學改革的經驗、特點及啟示[J].中國電力教育,2009(19):137-138.

[12] 解東光,趙珩.虛擬儀器技術課程建設的實踐與認識[J].東北電力大學學報,2010(5):33-35.

[13] 裴斐,金秋.高校計算機實驗室開放實驗教學管理模式探討[J].教育與職業,2011(30):156-157.

A method of experimental teaching by combining Virtual Instrument course with engineering practice

Hu Jingchun1,2, Xu Guorong1, Zhao Xuemin1, Bai Zhongshan1

(1. School of Information Engineering, Jiangxi Applied Science and Technology College,Nanchang 330004, China; 2. School of Information Engineering,Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China)

The reformation of experimental teaching and learning in the course of Virtual Instrument is introduced. Combination of practical engineering project with teaching and learning is applied. In the experimental teaching and learning, the automatic measurement and calibration system for automobile manifold pressure sensor is taken as an actual project application example, through raising questions, site visits, laboratory simulation and analytical method, the experimental content only for preliminary validation experiment problems can be solved effectively, and it can greatly improve the teaching and learning effect.

Virtual Instrument course; experimental teaching reform; combination of teaching and learning with engineering

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.029

2016-06-15

江西科技廳項目(20143BBM26122)；江西教育廳科技項目(151311)

胡景春(1951—),男,遼寧寬甸,碩士,教授,主要研究方向為計算機控制系統.

E-mail：cyhj5102@qq.com

G423. 07

: A

: 1002-4956(2016)12-0118-03