測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)“三位一體”的教學(xué)改革研究與實(shí)踐

楊 帆，程 雯，肖 貝，李國(guó)平

(1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學(xué)智能機(jī)器人湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

0 引 言

虛擬儀器技術(shù)代表測(cè)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，并將在工控行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。虛擬儀器、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已被國(guó)內(nèi)外用戶所認(rèn)可，現(xiàn)階段，有些專業(yè)課程設(shè)置落后于科技發(fā)展，專業(yè)課實(shí)驗(yàn)多處于驗(yàn)證性、孤立的實(shí)驗(yàn)階段，有些購(gòu)買的實(shí)驗(yàn)裝置功能單一且封閉。而學(xué)校實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)有限，無(wú)力購(gòu)買目前大型石化行業(yè)的控制系統(tǒng)，學(xué)生不能接觸實(shí)際工業(yè)過(guò)程，面對(duì)目前嚴(yán)峻的就業(yè)形勢(shì)，特別是要實(shí)現(xiàn)高端就業(yè)，教師必須自主研發(fā)模擬實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，讓學(xué)生領(lǐng)悟控制系統(tǒng)的真諦。為使學(xué)生掌握本專業(yè)最新科技動(dòng)態(tài)，更好的適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求，結(jié)合測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的發(fā)展前景，凝煉了“測(cè)控技術(shù)及儀器專業(yè)課程體系改革研究(20050354)”、“基于Internet及LabVIEW構(gòu)建現(xiàn)代集測(cè)控技術(shù)與控制系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系(2003233)”、與“基于虛擬儀器的現(xiàn)代測(cè)控儀研制(20060271)”等前沿性科研成果，構(gòu)建了獨(dú)具特色的集“課程體系改革、實(shí)驗(yàn)體系創(chuàng)新和教學(xué)儀器研發(fā)”的“三位一體”教學(xué)改革研究，在人才培養(yǎng)實(shí)踐、專業(yè)與課程建設(shè)中取得了顯著的效果[1-3]。

1 測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)課程體系改革

在深入研究目前測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，提出了本專業(yè)人才培養(yǎng)體系的優(yōu)化對(duì)策，以完善知識(shí)結(jié)構(gòu)和拓寬知識(shí)面為核心，強(qiáng)化工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，提高專業(yè)覆蓋面，使我們既能保持我校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)已有的面向化工行業(yè)特色，同時(shí)能適應(yīng)新技術(shù)條件下儀器儀表行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，培養(yǎng)符合社會(huì)需要的人才。

1.1 改革人才培養(yǎng)方案

在對(duì)用人單位人才需求展開大量調(diào)研及測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)校友成功經(jīng)驗(yàn)座談會(huì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前測(cè)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)學(xué)校定位、學(xué)科和專業(yè)的特點(diǎn)以及本專業(yè)目前各方面的現(xiàn)狀，修訂了人才培養(yǎng)方案。相應(yīng)的修改了教學(xué)計(jì)劃，將學(xué)科基礎(chǔ)課、專業(yè)課及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)分比從原來(lái)的1.5∶1.5∶1.5調(diào)整為2∶1∶1.5，突出厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)工程實(shí)踐能力教學(xué)理念。

1.2 優(yōu)化課程體系

保留原有面向石油化工行業(yè)有關(guān)儀器儀表及過(guò)程控制方面的專業(yè)基礎(chǔ)及專業(yè)方向課程,增加代表測(cè)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的“虛擬儀器”、“現(xiàn)場(chǎng)總線”、全英文教材雙語(yǔ)教學(xué)課程“《Measurement System Design And Application》”等專業(yè)課程及“現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)綜合試驗(yàn)”課程。對(duì)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了良好整合，如將“單片機(jī)”及“微機(jī)原理”實(shí)驗(yàn)整合成“微機(jī)控制技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程。

1.3 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)體系

對(duì)實(shí)驗(yàn)課程體系和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了改革與創(chuàng)新：一方面，建構(gòu)了“基于Internet及LabVIEW的現(xiàn)代集成測(cè)控技術(shù)與控制系統(tǒng)”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系，編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。在此基礎(chǔ)上研發(fā)了“基于虛擬儀器的現(xiàn)代測(cè)控儀”。另一方面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的改革。對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)、傳感器課程設(shè)計(jì)、單片機(jī)、微機(jī)原理等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了大膽的改革與創(chuàng)新，畢業(yè)設(shè)計(jì)采用校內(nèi)設(shè)計(jì)與宜化模式(我校我院最早在湖北宜化股份有限公司進(jìn)行的校企聯(lián)合指導(dǎo)學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的模式)有機(jī)結(jié)合的模式；傳感器課程設(shè)計(jì)將以往原理性設(shè)計(jì)改為集傳感器、控制算法、單片機(jī)于一體的傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)、微機(jī)原理單個(gè)實(shí)驗(yàn)向微機(jī)控制技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。此外，在開發(fā)系列設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增加了為期兩周的現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生能開發(fā)并模擬常見各種工業(yè)控制系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)從理論到實(shí)踐的教學(xué)過(guò)程。近三年組建了三個(gè)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室：武漢工程大學(xué)-美國(guó)TI.DSPS實(shí)驗(yàn)室、Altera公司SOPC技術(shù)、日本瑞薩聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。學(xué)校組建了電子信息與控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，大學(xué)生創(chuàng)新基地，此外，還建立了10多個(gè)穩(wěn)定的校外實(shí)習(xí)基地，為各種電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際工程應(yīng)用能力、就業(yè)創(chuàng)造了十分有利的條件[4]。

2 構(gòu)建了“基于Internet及LabVIEW的現(xiàn)代集測(cè)控技術(shù)與控制系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)體系”

有些專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)置落后于社會(huì)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，實(shí)驗(yàn)設(shè)備封閉，學(xué)生只能看最后結(jié)果，不能領(lǐng)會(huì)其中奧妙，針對(duì)此將虛擬儀器、單片機(jī)、電子技術(shù)、控制理論、網(wǎng)絡(luò)等多種知識(shí)融合于一體，讓學(xué)生了解各種知識(shí)之間的聯(lián)系，了解控制系統(tǒng)從信號(hào)采集、處理、控制、顯示(數(shù)碼顯示和虛擬儀器顯示)之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)了如下5個(gè)實(shí)驗(yàn)體系。

2.1 基于USB數(shù)據(jù)采集模塊的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

USB知識(shí)應(yīng)用非常廣泛，但學(xué)生很少知道硬件知識(shí)及如何進(jìn)行軟件程序開發(fā)。該系統(tǒng)由基于USB數(shù)據(jù)采集模塊和虛擬儀器構(gòu)成。根據(jù)采樣速度不同，設(shè)計(jì)了三種數(shù)據(jù)采集硬件模塊。利用研發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置及自行開發(fā)的用戶軟件實(shí)現(xiàn)了正弦信號(hào)輸出[5]。

2.2 基于RS-485工業(yè)總線的通用傳感器測(cè)量虛擬儀器系統(tǒng)

該系統(tǒng)模擬了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、處理、用虛擬儀器顯示的全過(guò)程。在工業(yè)測(cè)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(hào)，需遠(yuǎn)距離傳輸，所以對(duì)數(shù)據(jù)采集硬件(測(cè)量變送系統(tǒng))有特殊要求。設(shè)計(jì)中采用目前流行的RS-485工業(yè)總線、ATmega8535單片機(jī)、儀表放大器AD620、硅光電池等主要器件構(gòu)成了光電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用虛擬儀器軟件LabWindows/CVI(以下簡(jiǎn)稱CVI)完成光電檢測(cè)信號(hào)的輸出[6]。

2.3 基于PWM的PID溫度控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用的是經(jīng)典PWM控制方法，實(shí)驗(yàn)采用燈泡作為熱源，由DS18B20數(shù)字溫度傳感器測(cè)量溫度信號(hào)，送單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)處理、PID控制及3位LED數(shù)碼對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度顯示。由LabWindows/CVI實(shí)現(xiàn)溫度控制曲線顯示。

2.4 基于虛擬儀器的Internet模糊溫度測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室模擬

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度測(cè)控及遠(yuǎn)程監(jiān)控，以AT89C51單片機(jī)和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20為主要器件制作溫度測(cè)控?cái)?shù)據(jù)采集電路，用C51程序完成對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)向LabVIEW的傳輸。通過(guò)PCI-6014來(lái)讀取硬件電路數(shù)據(jù)。LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、測(cè)量溫度曲線顯示、預(yù)警、模糊溫度控制及遠(yuǎn)程傳輸，用燈泡和小風(fēng)扇作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)[7-8]。

2.5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化功能的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)將虛擬儀器軟件系統(tǒng)與B/S結(jié)構(gòu)企業(yè)應(yīng)用集成，將測(cè)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映到企業(yè)應(yīng)用，并使用IE Web瀏覽器，通過(guò)Web訪問(wèn)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)基于Web的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)。

3 教學(xué)儀器研發(fā)

該實(shí)驗(yàn)儀器是對(duì)實(shí)驗(yàn)體系測(cè)控裝置的整合、擴(kuò)展與深化，研發(fā)的實(shí)驗(yàn)儀器可以針對(duì)不同層次的學(xué)生完成不同的實(shí)驗(yàn)：基礎(chǔ)差的學(xué)生可以觀摩和復(fù)述實(shí)驗(yàn)過(guò)程；成績(jī)一般的學(xué)生能夠通過(guò)觀摩實(shí)驗(yàn)，組建簡(jiǎn)單的測(cè)控系統(tǒng)；成績(jī)優(yōu)異的學(xué)生可以自行設(shè)計(jì)開放性實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)裝置針對(duì)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽及挑戰(zhàn)杯、求實(shí)杯等競(jìng)賽，能有效提高學(xué)生的應(yīng)賽水平和技能，實(shí)驗(yàn)儀器在武漢工程大學(xué)測(cè)控專業(yè)進(jìn)行試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生反映良好。

3.1 教學(xué)儀器總體設(shè)計(jì)

對(duì)象應(yīng)方便在實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)安裝，實(shí)驗(yàn)過(guò)程透明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀，因而確定6種實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)集成于同一儀表：(1)光電測(cè)控、(2)溫度測(cè)控、(3)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)控、(4)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、(5)超聲波測(cè)距、(6)紅外傳輸。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)計(jì)

為完成上述六種信號(hào)的測(cè)控，選擇了兩種硬件實(shí)現(xiàn)方案，其中一種是用單片機(jī)作為控制器，利用上位機(jī)監(jiān)控。設(shè)計(jì)了相關(guān)電路和PCB板。另一種方案MCU選用NXP(PHILIPS)LPC2138 ARM7；顯示設(shè)備(液晶)選用KS0108 128×64單色STN液晶模塊；執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用4N35光電耦合器隔離驅(qū)動(dòng)TIP122大功率達(dá)林頓晶體管，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)繼電器；與RS-485網(wǎng)絡(luò)的通信先選用MAX232將MCU串口轉(zhuǎn)換成為RS-232串口，然后通過(guò)RS-232 to RS-485轉(zhuǎn)換器連接到RS-485網(wǎng)絡(luò)上用液晶屏顯示。上、下位機(jī)通過(guò)RS232信通。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)不同的測(cè)控系統(tǒng)，采用相應(yīng)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(jī)或虛擬儀器實(shí)現(xiàn)這些控制算法。另外利用LabVIEW完成上位機(jī)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)上述五種對(duì)象的測(cè)量與控制。

4 “三位一體”教學(xué)改革的輻射效應(yīng)

為實(shí)現(xiàn)教學(xué)型大學(xué)向教學(xué)研究型大學(xué)轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生的動(dòng)手能力與就業(yè)率，在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)進(jìn)行了集“課程體系改革、實(shí)驗(yàn)體系創(chuàng)新、教學(xué)儀器研發(fā)”的“三位一體”系列教學(xué)改革與研究，在人才培養(yǎng)實(shí)踐中取得了顯著效果，成果得到了較好的推廣與應(yīng)用。

4.1 學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量顯著提高

參與特色班培養(yǎng)與訓(xùn)練的學(xué)生，近四年獲全國(guó)、省級(jí)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)“飛思卡爾”智能汽車大賽、瑞薩超級(jí)MCU模型車賽一、二、三等獎(jiǎng)共計(jì)30多項(xiàng)。獲湖北省優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文一、二、三等獎(jiǎng)共計(jì)16項(xiàng)。近三年有20名左右的團(tuán)隊(duì)學(xué)生因動(dòng)手能力出色被浙大中控、湖北宜化等單位在畢業(yè)前錄用。

4.2 教學(xué)改革成效顯著

a.通過(guò)課程體系改革、實(shí)驗(yàn)體系創(chuàng)新、教學(xué)儀器研發(fā)、聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了良好整合。2008年“電子信息與控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心”被評(píng)為省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。

b.通過(guò)專業(yè)建設(shè)與課程體系改革研究與實(shí)踐，電路、測(cè)控技術(shù)與儀器兩門課程于2008年分別被評(píng)為省級(jí)精品課程和省級(jí)品牌專業(yè)。

4.3 項(xiàng)目研究成果得到較好推廣應(yīng)用

利用所取得的研究成果與杭州賽特傳感器有限公司聯(lián)合開發(fā)傳感器實(shí)驗(yàn)裝置。研究開發(fā)的系列實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目研究成果已經(jīng)在武漢工程大學(xué)、及與武漢工業(yè)大學(xué)合作科研項(xiàng)目中得到應(yīng)用。

4.4 研究理論成果

在項(xiàng)目研究過(guò)程中，發(fā)表了30多篇與研究?jī)?nèi)容相關(guān)的有價(jià)值論文，其中16篇被EI檢索，出版教材兩部，發(fā)表多篇論文在國(guó)內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注，并被廣泛引用。

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