虛擬儀器技術(shù)在自動化專業(yè)課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

曹毅?張曉東?孫紅鴿

摘要：綜合課程設(shè)計(jì)對于培養(yǎng)工程應(yīng)用型自動化專業(yè)的本科生是非常重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)。虛擬儀器技術(shù)為該課程的開展提供了一種良好的平臺，可以在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建硬件實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。以具體的測控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例，闡述了虛擬儀器技術(shù)引入課程設(shè)計(jì)的開展情況。實(shí)踐表明，這種形式的課程設(shè)計(jì)極大地改善了理論與實(shí)際脫節(jié)、學(xué)生的實(shí)踐動手能力較弱的現(xiàn)狀，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了課程設(shè)計(jì)的完成質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù)；綜合課程設(shè)計(jì)；實(shí)踐環(huán)節(jié)；自動化專業(yè)

作者簡介：曹毅（1974-），男，內(nèi)蒙古包頭人，河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，副教授；張曉東（1980-），男，山東青島人，河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，講師。（河南 鄭州 450001）

基金項(xiàng)目：本文系河南省自動化特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目、河南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（課題編號：[2011]-JKGHAC-0150）、河南工業(yè)大學(xué)高等教育研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2012-15）、河南省科技創(chuàng)新杰出青年基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：114100510015）、河南省高校青年骨干教師計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2009GGJS-58）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0090-02

培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神是高等工科教育的首要任務(wù)。實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是人才培養(yǎng)的重要手段，對于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力具有無法替代的作用。綜合課程設(shè)計(jì)作為自動化專業(yè)接觸實(shí)踐練習(xí)的重要環(huán)節(jié)之一，使學(xué)生把課堂上所學(xué)的理論知識應(yīng)用到工程實(shí)踐中去，對理論和實(shí)踐的結(jié)合起著重要的作用。[1-3]為此，在河南工業(yè)大學(xué)（以下簡稱“我校”）自動化專業(yè)的培養(yǎng)計(jì)劃中，第七學(xué)期末安排了4周連續(xù)的綜合性課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，旨在促進(jìn)工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，加深學(xué)生對所學(xué)課程的認(rèn)識，對專業(yè)有更深的了解。

傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)往往是學(xué)生根據(jù)老師給出的題目，參照指導(dǎo)書，查閱相關(guān)手冊，進(jìn)行模仿或仿真設(shè)計(jì)。由于時(shí)間限制和場地、經(jīng)費(fèi)等原因的局限，課程設(shè)計(jì)往往都是紙上談兵，很難進(jìn)行實(shí)物的模擬調(diào)試，再加上部分學(xué)生考研和就業(yè)求職的影響，學(xué)生的積極性、主動性很難調(diào)動起來，課程設(shè)計(jì)常常流于形式，應(yīng)付交差。

近幾年隨著我校對學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的重視，我院的實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了NI數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件，另外實(shí)驗(yàn)室還配備了多種硬件實(shí)驗(yàn)平臺。此外，經(jīng)過多年的積累，很多教師擁有了一定數(shù)量和質(zhì)量的硬件設(shè)備和工程經(jīng)驗(yàn)，為課程設(shè)計(jì)的開展奠定了軟硬件基礎(chǔ)。通過學(xué)校的投入，多個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室也正在進(jìn)行開放式實(shí)驗(yàn)改革，在一定程度上保證了工程實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)條件。教師在課程設(shè)計(jì)的要求上，為確認(rèn)學(xué)生設(shè)計(jì)方法的正確性，逐漸增加了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的要求。這樣就使學(xué)生通過課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的練習(xí)，既提高了動手能力，同時(shí)也增加了工程實(shí)踐認(rèn)識。

本文在介紹自動化專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想后，結(jié)合兩個(gè)實(shí)例，具體闡述虛擬儀器技術(shù)在綜合課程設(shè)計(jì)中的實(shí)現(xiàn)過程，為課程設(shè)計(jì)的開展和學(xué)生實(shí)踐能力的提高提供一些案例和方法。

一、自動化專業(yè)課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想

“自動控制系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)是自動化專業(yè)的一門綜合性課程設(shè)計(jì)，學(xué)生需要根據(jù)教師提出的課題項(xiàng)目以及相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)和性能要求，靈活地綜合性運(yùn)用儀表、控制軟件、工藝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)等各方面的知識解決工程實(shí)際問題，進(jìn)行系統(tǒng)集成綜合設(shè)計(jì)。[4]

如何在現(xiàn)有資源條件下，“以學(xué)科知識為基礎(chǔ)，以應(yīng)用實(shí)踐為核心，以培養(yǎng)創(chuàng)造性思維為重點(diǎn)”進(jìn)行課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選擇，成為其能否收到預(yù)期效果的關(guān)鍵。這些項(xiàng)目既不能超出學(xué)生現(xiàn)有的知識水平與操作技能，也不能讓學(xué)生完全照搬已有的成果，對相關(guān)課程知識能夠進(jìn)行適度拓寬、提高和綜合應(yīng)用，同時(shí)又要考慮到場地、設(shè)備和資金投入等因素。此外，還要盡量面向?qū)嶋H，讓學(xué)生拿到題目后有真實(shí)感，使課程設(shè)計(jì)真正起到培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和鍛煉系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的作用。將虛擬儀器技術(shù)引入到課程設(shè)計(jì)中，采用“軟硬結(jié)合”的方法，起到了很好的效果。

二、虛擬儀器技術(shù)簡介

虛擬儀器是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的、具有可視化界面的儀器。[5-6]虛擬儀器表現(xiàn)形式和功能類似于實(shí)際的儀器，但其程序很容易改變設(shè)置和功能。在實(shí)驗(yàn)室采用的是美國NI公司開發(fā)的LabVIEW軟件和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡。LabVIEW特別適用于實(shí)驗(yàn)室與多品種小批量生產(chǎn)線等需要經(jīng)常改變儀器和設(shè)備參數(shù)、功能的場合，以及對信號進(jìn)行分析研究、傳輸?shù)葓龊?。在自動化專業(yè)的教學(xué)中需要應(yīng)用多類、多臺昂貴的儀器，如果使用功能固定的臺式儀器，不僅價(jià)格昂貴，而且操作技術(shù)復(fù)雜，而應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)則可提高實(shí)驗(yàn)效率，降低實(shí)驗(yàn)成本，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

LabVIEW中附加了PID控制工具套件，利用它可以簡便、高效地設(shè)計(jì)控制算法。另外，LabVIEW是一個(gè)開放的虛擬儀器開發(fā)平臺，用戶可以根據(jù)自己的硬件配置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和儀器控制，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的高效處理。

三、測控系統(tǒng)實(shí)例及要求

1.步進(jìn)電機(jī)移動系統(tǒng)

該課題的目的在于了解步進(jìn)電機(jī)速度和位置控制的基礎(chǔ)上，應(yīng)用LabVIEW技術(shù)，設(shè)計(jì)基于PC機(jī)的控制系統(tǒng)，精確控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滑臺移動的速度、位置、正反轉(zhuǎn)等物理量，滿足移動驅(qū)動的要求。系統(tǒng)硬件聯(lián)接原理如圖1所示。

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制需要通過使用LabVIEW中源碼級設(shè)備驅(qū)動程序DAQ-mx實(shí)現(xiàn)。控制數(shù)據(jù)采集卡通過BNC-2120中的定時(shí)I/O輸出計(jì)數(shù)器脈沖頻率，通過循環(huán)結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、事件結(jié)構(gòu)等來完成對輸出脈沖頻率的控制。步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)是通過控制數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字I/O輸出的高低電平來實(shí)現(xiàn)。此外，數(shù)據(jù)采集的主要任務(wù)是對限位開關(guān)信號的采集，通過BNC-2120中的定時(shí)I/O進(jìn)行信號的采集，當(dāng)滑臺遇到限位開關(guān)時(shí)步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

LabVIEW前面板如圖2所示，包括啟動開關(guān)，正/反轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)按鈕，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)顯示指示燈，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)按鈕和轉(zhuǎn)速顯示按鈕，報(bào)警顯示即限位開關(guān)指示燈。

通過該課題，學(xué)生可以了解步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制方法，熟悉數(shù)字脈沖控制電機(jī)速度的方法，了解在工程實(shí)際中如何做到電機(jī)的平穩(wěn)起停和運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.旋轉(zhuǎn)毛刷聲波信號故障檢測器

本課題利用數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221并結(jié)合LabVIEW軟件對特定旋轉(zhuǎn)毛刷的聲波信號進(jìn)行采集及分析，通過在頻域和時(shí)域內(nèi)對采集的數(shù)據(jù)加以處理，識別旋轉(zhuǎn)毛刷是否產(chǎn)生故障，并針對不同情況予以警告。

本設(shè)計(jì)中采用的聲波信號采集傳感器為駐極體式麥克風(fēng)，該麥克風(fēng)通過接線盒BNC-2120的AI0模擬輸入口接入，信號進(jìn)入采集卡后經(jīng)過LabVIEW的DAQ-mx進(jìn)行后續(xù)的處理。在LabVIEW里加入while循環(huán)結(jié)構(gòu)、DAQ助手采集聲波信號，然后通過濾波器VI進(jìn)行濾波。經(jīng)過單頻信號提取把聲波信號的頻率和幅值提取出來，分別對聲波信號的頻率和幅值范圍進(jìn)行分析，當(dāng)聲波信號達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)給出提醒信息。軟件系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

根據(jù)系統(tǒng)需要完成的檢測功能，設(shè)計(jì)的前面板如圖4所示。圖中左邊第一欄是開關(guān)按鈕，第二欄設(shè)定采樣率、采樣數(shù)，第三欄是基于頻率的毛刷運(yùn)行狀態(tài)顯示，有三個(gè)顯示燈，正常工作時(shí)“工作正?！睙魰兙G，當(dāng)其頻率大于或小于閾值頻率10%時(shí)，“預(yù)警”燈會變黃，而當(dāng)其頻率超過閾值頻率30%時(shí)，“應(yīng)急?！睙魰兗t。基于幅值的檢測與頻率檢測類似。時(shí)間顯示框是用來記錄故障發(fā)生的時(shí)間。兩個(gè)圖像示波器，分別顯示實(shí)時(shí)的聲波頻率和幅值。

在這里旋轉(zhuǎn)毛刷噪音的采集采用了數(shù)據(jù)采集卡。實(shí)際上，對于單通道的聲波采集，也可以通過電腦上配備的聲卡完成，這樣可以進(jìn)一步降低硬件配置的要求。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解振動波轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出的轉(zhuǎn)換過程，以及高頻信號采集的過程；熟悉在時(shí)域和頻域內(nèi)對于聲波信號處理的方法，對于特征信號的識別與提取的一般手段。

以上兩個(gè)實(shí)例僅是課程設(shè)計(jì)中的部分問題，對于各種問題的難度控制在3～4周之內(nèi)可以完成。學(xué)生可以通過類似題目的鍛煉，使用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡迅速地搭建測控系統(tǒng)，在測控系統(tǒng)中使用圖形化的語言修改軟件，較快實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的物理樣機(jī)。在設(shè)計(jì)過程中，教師提出課題要求并提供必要的硬件設(shè)備，學(xué)生通過資料的查找和不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中的難點(diǎn)并給出解決的辦法。在考核學(xué)生的時(shí)候，教師通過其程序的編寫、系統(tǒng)的運(yùn)行和文字報(bào)告就可以給出一個(gè)相對合理的成績。

四、結(jié)語

綜合課程設(shè)計(jì)方法已在我校控制工程系自動化專業(yè)進(jìn)行了5年的實(shí)踐。5年來，對設(shè)計(jì)內(nèi)容和教學(xué)指導(dǎo)方法進(jìn)行了不斷的探索和完善，形成了符合培養(yǎng)自動化工程師要求的綜合課程設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和方法。實(shí)踐結(jié)果表明，虛擬儀器技術(shù)在我校自動化專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)中得到了成功的應(yīng)用。學(xué)生普遍反映，該課程設(shè)計(jì)可以在較短時(shí)間內(nèi)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了一次完整的、系統(tǒng)性的工程實(shí)踐訓(xùn)練，加強(qiáng)了對理論知識的融會貫通和對實(shí)踐動手能力的鍛煉，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)以及為將來走入科研工作崗位打下了良好的基礎(chǔ)。

基于虛擬儀器技術(shù)的綜合課程設(shè)計(jì)的開出得到了河南省教育廳自動化特色專業(yè)教學(xué)改革項(xiàng)目、河南省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目、河南工業(yè)大學(xué)高等教育研究資助項(xiàng)目的支持，并獲得了我校電氣工程學(xué)院嵌入式系統(tǒng)、傳感器技術(shù)和過程控制等多個(gè)實(shí)驗(yàn)室提供的幫助，[7]在此特表感謝。

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（責(zé)任編輯：宋秀麗）