虛擬儀器課程實驗教學—逐層深入的項目式綜合實踐

龐景月 曹曉莉 姚行艷 江 超

（重慶工商大學人工智能學院，重慶 400067）

0 引言

從19世紀初到20世紀末，測量儀器經歷了模擬儀器、數字儀器、智能儀器等階段，發展到現在的虛擬儀器。虛擬儀器是儀器類發展的重要趨勢，虛擬儀器功能強大，可實現示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發生器等多種普通儀器的功能。虛擬儀器已經廣泛應用于重慶工商大學電子測量、振動分析、聲學分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機械工程、建筑工程、鐵路交通、地質勘探、生物醫療、教學及科研等諸多方面。目前針對儀器類、電子、自動化等專業已經開設了虛擬儀器課程，并作為必修的專業拓展課程，通過LabVIEW軟件中前面板以及程序框圖設計的講授，使學生掌握以LabVIEW為平臺的測試、測量及實驗系統的開發方法和編程技巧，增強對于儀器軟件面板設計的實踐能力。但是在實際的課程環節設置以及教學開展過程中，往往由于課時以及專業限制，很多本科生課程的設計中虛擬儀器教學都集中于儀器軟面板的設計以及相應控件的使用方法上，缺少對于硬件平臺以及數據采集系統全流程的鍛煉。因此，本文將重點探討虛擬儀器實驗課程的設置以及實踐方法，以實際生活中的物理量采集為基礎，搭建其數據采集、傳輸以及顯示、存儲的全流程數據采集系統，輔以逐層深入的項目式教學以及練習，提出從軟件到硬件的實踐思路以及解決方案，為全面提升工科類相應專業的實踐動手能力提供重要的參考思路。

1 以溫度數據采集項目為例的課程整體方案設計

溫度，作為日常生活中的常用物理量，其采集貼近生活，易于理解與入手，而且是工業過程采集中重要的物理量，對于評估設備的性能狀態至關重要。因此，本文以溫度數據采集為例，設計12課時的實驗課程，鍛煉學生的軟面板設計以及ELVIS的平臺使用能力，為學生構建物理量的采集、存儲、顯示等功能的數據采集系統流程。整個項目的遞進方案設計如圖1所示。

圖1 溫度數據采集實驗的項目式遞進方案設計

實驗課程以項目式方式開展，首先提出項目需求，以ELVIS和LabVIEW為平臺，設計集數據采集、顯示以及存儲為一體的儀器界面以及硬件電路，具體支持華氏/攝氏兩種顯示方式，溫度上限可以靈活設定，而且當溫度超限時，報警計算器加1；當用戶單擊“開始采集”按鈕后，系統開始采集數據，并用進度條指示當前進度；采集過程中若單擊“暫停”按鈕則會彈出對話框暫停采集；采集點數可設置，在數據采集完畢后才能停止系統。

1.1 兩種溫度轉換體制實現

第一次課程要求利用隨機數實現溫度數據采集的模擬，支持攝氏以及華氏的溫度數據的轉換。隨機數發生器產生的20～40之間的隨機數，支持華氏/攝氏兩種顯示方式，可以設定溫度上限，當溫度超限時，報警計算器加1。

1.2 數據的波形顯示

此部分將在第一次實驗內容的基礎上，重點增加溫度圖表顯示（圖表）功能，圖表具備實時呈現溫度數據的功能，并具備溫度數據的循環產生功能。

1.3 溫度數據存儲至文件

增加保存溫度記錄功能（文件I/O）：文本文件格式（如序號、時間、溫度值）增加瀏覽溫度記錄功能（文件I/O）。讀取以及寫入表格文件的寫法中，表格文件是帶有特殊格式的文本文件，行數據用回車，列之間用制表符分隔；文件寫入以及讀寫操作涉及文件路徑操作。

1.4 事件結構響應數據采集起止

在LabVIEW平臺中一個重要的概念就是數據流，在編程的時候可以來設置某些事件來對數據流進行干預，比如說單擊鼠標產生事件、按下鍵盤按鍵等，這些都可以被當作為事件結構的條件，進而實現對程序的控制。本程序使用布爾值的改變來進行采集程序的開啟；用事件結構編寫“模擬溫度監測系統”程序。

1.5 基于ELVIS平臺的室溫采集硬件設計

NI教育實驗室虛擬儀器套件（NI ELVIS）是一個工程實驗室解決方案，用于基于項目的學習，它結合了儀器和嵌入式設計與Web驅動的體驗，在實驗室、工作室和翻轉課堂上創建積極的學習環境，對工程基礎和系統設計有更深入的理解。對于溫度數據采集系統需結合實際的硬件元件以及輸入輸出接口設計電路采集部分。

1.6 軟硬件協同調試

軟硬件協同調試則將LabVIEW的軟件界面以及硬件電路、驅動電路等進行協同調試，實現具備數據采集開始、結束、溫度數據采集存儲、顯示等功能的數據采集系統。

基于以上的項目設計，在實驗課程中講述最終目標以及各節課的目標，按照層層深入的方式，增加項目功能，如第一節課實現兩種溫度轉換體制，分別設計前面板實現攝氏與華氏溫度的轉換，然后逐漸增加數據波形顯示、數據存儲、事件結構的數據采集控制開始與結束等，在完成軟件功能設計后，隨機數模擬的溫度采集系統部分將采用硬件的ELVIS平臺以及溫度傳感代替，并實現ELVIS與軟件前面板的協同調試，從而在實驗課上完成整個項目。

2 項目式管理流程深入課堂

在整個12學時的課程設計過程中，按照項目過程執行方式，即讓學生按照項目式執行方式，完成項目需求分析、軟面板概要設計以及硬件設計，并按照深度遞增方式執行，最終撰寫項目驗收報告。以此流程為學生們規范項目管理，為后續的工程項目的實施奠定文件管理以及流程基礎，培養學生們的實踐動手能力。

其中項目需求部分需包含基本的溫度數據采集要求，按照規范文檔，在課程過程中完成，并且在此之前，會為學生講授溫度數據采集的意義，及不同場景下溫度數據采集的注意事項等，讓學生在進行項目開發前了解行業背景以及行業發展動態，知悉簡單的溫度數據采集后的應用場景，拓展工程視野。

軟面板設計環節會以實驗報告的形式執行，包括實驗步驟以及軟面板設計的結果等，此部分更重要的是軟件板的功能正確性和完整性的確認，以及會以思考題的方式考察學生對于控件使用的掌握程度。

硬件設計環節會在溫度數據模擬實現的基礎上，對ELVIS平臺進行利用，結合傳感器采集溫度數據或者人體溫度等，結合運放實現溫度數據的采集，此部分重點考察學生對于硬件驅動、硬件電路設計以及軟硬件協同調試能力的掌握。

在各個環節中，教師都應及時督促學生們的項目進度，對難點重點進行演示、講授與提示，并拓展虛擬儀器的課外知識點，強調以項目組的形式，分小組進行實驗設計，保證實驗課的課堂效率與學習效果。

3 做、講、寫多角度考核能力

針對實際的工程型人才，要求其具備項目實踐、項目講解以及項目文檔寫作能力等，在實際的常規實驗課程環節中，通常是以鍛煉學生的動手能力為主，但在實際的項目中，文檔規范、項目驗收講述等同樣重要，為此，在實驗過程中增強過程考核，培養學生們的實際動手能力，項目內容講述以及項目文檔撰寫能力，從多種角度加強綜合型人才的培養，如講述項目的背景，項目的方案、項目的調試過程以及最終結果的演示等，并對文檔的規范性進行考核。以此從做、講、寫多角度考核學生們的能力。

4 應用拓展延伸知識體系

溫度數據采集系統在實驗課上的搭建與實現是相對簡單的過程，而透過該項目了解數據采集系統以及溫度數據采集系統的應用場景和在不同場景中對溫度數據采集系統的需求是非常重要的拓展行業背景的內容。因此在最后項目完成后，應拓展以下背景與行業內容：

4.1 數據采集系統的組成以及設計要求

在此部分主要講述數據采集系統的數據采集部分，可以采用的數據采集卡、傳感器等，數據傳輸以及通信協議、數據存儲文件要求等，豐富課堂內容。

以上相關內容知識點的拓展將豐富學生們關于構建數據采集系統的全流程認知。以此進一步提升與其他課程交叉知識點的遷移以及運用能力。

4.2 溫度數據采集系統的應用場景

溫度數據作為工業系統中設備故障與否的重要物理量，在不同的應用場景中均有涉及，如航空發動機的溫度數據、工廠車間的數據采集、工業過程環節的數據采集等，在這其中以一兩個場景為例，為學生們講解溫度是如何采集的，需要注意哪些問題，溫度數據又是如何應用的。

如變壓器油溫監測，油浸式變壓器依靠油作冷卻介質，主要用于配電等大容量變壓器。運行時繞組和鐵芯的熱量先傳給油，然后通過油傳給冷卻介質。如果油溫超過規定值，會縮短使用壽命或燒毀變壓器，因此必須對變壓器油溫進行監測與控制。發電廠變壓器油溫監控系統一般由計算機、溫度傳感器、信號調理電路、顯示儀表、輸入裝置、輸出裝置、驅動電路和風扇等部分組成。溫度傳感器檢測變壓器上層油溫，通過調理電路轉換為電壓信號，送入現場顯示儀表與監控中心計算機，用以顯示、處理、記錄和判斷。當超過規定上限溫度值時，計算機經輸出裝置發出控制信號，驅動風扇轉動降低油溫。調理電路可用溫度變送器，將溫度變化轉換為1～5V的標準電壓值。

以上相關案例的講解以及呈現將為學生們拓展簡單實驗課程與實際應用的思路，遷移其實際應用能力，為后續相應比賽以及課程設計提供思路。

4.3 溫度數據采集的注意事項

結合溫度采集系統，為學生們講授溫度數據采集系統的設計注意事項，如采集的溫度范圍、數據的傳輸距離、數據量對存儲設備的要求、傳感器如何選擇等，以此對照實驗中室溫數據采集系統，豐富現有案例的基礎知識。并比較虛擬儀器的優勢，軟面板設計靈活，體會軟件即儀器的概念。

5 結語

虛擬儀器以LabVIEW語言為基礎，通過軟件前面板設計實現儀器的靈活設計以及優化，目前在航空航天、消費電子、工業過程等領域具有重要的市場需求以及應用前景。該課程是儀器類、電子信息類等專業的一門重要專業課程，以培養儀器設計與實現工程人才為目標，但目前存在軟件教學為主，實驗系統性設計不足的問題。本文以溫度數據采集案例為例，設計虛擬儀器課程實驗實踐方案，以逐層深入的方式，培養學生對于數據采集系統的整體認知，具有較好的參考作用，可在本科課程設計中進行示范性教學。