對(duì)測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)分析

摘 要：測(cè)控技術(shù)、虛擬儀器是高校自動(dòng)化與儀器專業(yè)課程教學(xué)體系中的重要組成部分，其專業(yè)技術(shù)性、實(shí)踐性相對(duì)較強(qiáng)。在教育信息化建設(shè)背景下，為提升測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器課程實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。依據(jù)課程特征與實(shí)踐教學(xué)需求，從硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩個(gè)層面出發(fā)，進(jìn)行了測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。該平臺(tái)的應(yīng)用可有效提升實(shí)踐教學(xué)的深度與廣度，滿足多層次教學(xué)需求，為學(xué)生理論知識(shí)與技能的理論與實(shí)踐學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：測(cè)控技術(shù)；虛擬儀器；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

引言

在高校自動(dòng)化與儀器專業(yè)教學(xué)中，測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器是學(xué)生所需學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)課程，在豐富學(xué)生專業(yè)知識(shí)與技能，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力等方面存在重要硬性。由測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器課程實(shí)際教學(xué)要求與教學(xué)內(nèi)容可知，其技術(shù)性、實(shí)驗(yàn)性相對(duì)較強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)占整體教學(xué)比重較大。對(duì)此，為滿足課程教學(xué)要求，提升課程教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效延伸，為教學(xué)研究提供優(yōu)質(zhì)的資源環(huán)境，有必要加強(qiáng)測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)。

一、測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器教學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)容相對(duì)較多，且技術(shù)性、實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)，如理工專業(yè)測(cè)控技術(shù)涉及到自動(dòng)控制原理、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、電子通信技術(shù)等；虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其實(shí)驗(yàn)裝置包括示波器、頻率計(jì)、波形記錄儀等。因此，測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)需滿足多項(xiàng)測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器實(shí)驗(yàn)要求，存在較強(qiáng)的開放性、創(chuàng)新性與適用性。在此次平臺(tái)設(shè)計(jì)過程中，利用PXI（Peripheral Component Interconnection，外圍組件互連）總線技術(shù)與LabWindouw/CVI軟件開發(fā)技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐[1]。平臺(tái)主要由便攜式機(jī)箱、電纜、教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱體、配套設(shè)備等共同組成。能夠依據(jù)已設(shè)定程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)自動(dòng)控制，在手動(dòng)模式操作下實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)自主設(shè)計(jì)。

二、測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控技術(shù)與虛擬儀表綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括兩大部門：一為由PXI嵌入式零槽控制裝置、數(shù)字萬用表、多功能數(shù)據(jù)采集裝置、任意波形發(fā)生裝置、便攜式機(jī)箱主體、多路復(fù)用開關(guān)以及雙口隔離轉(zhuǎn)換裝置等共同組成的便攜式機(jī)箱；二為由光電、溫度傳感器，直流電機(jī)，自動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ介_關(guān)，手動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ介_關(guān)等共同組成的教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，功能在于為測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供被測(cè)控裝置，以便于學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)裝置完成便捷式箱體內(nèi)部各模塊的實(shí)驗(yàn)操作，包括溫度測(cè)量、電機(jī)控制等[2]。與此同時(shí)，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)過程中，將實(shí)驗(yàn)面板劃分為十個(gè)區(qū)域，并通過模擬量輸入與輸出通道、數(shù)字量輸入與輸出通道、T/C定時(shí)、電氣信號(hào)測(cè)量以及電機(jī)測(cè)速等接口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)有效通信，并依托軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析。

三、測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)，是促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容有效落實(shí)的關(guān)鍵。在本次軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，采用LabWindouw/CVI軟件開發(fā)技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐。LabWindouw/CVI軟件開發(fā)是一種交互式的C語言開發(fā)平臺(tái)，蘊(yùn)含著豐富的測(cè)量、分析、工程設(shè)計(jì)資源，在測(cè)試軟件開發(fā)、故障分析軟件開發(fā)、控制與信息處理軟件開發(fā)等領(lǐng)域存在廣泛應(yīng)用性。與此同時(shí)，LabWindouw/CVI能夠有效將C語言與測(cè)控技術(shù)相結(jié)合，提升開發(fā)環(huán)境的開放性，為測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供服務(wù)。與此同時(shí)，嚴(yán)格遵循“規(guī)范性”、“嚴(yán)謹(jǐn)性”、“層次性”、“參數(shù)與模塊性”等原則進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，以促進(jìn)軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)的有效連接，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)儀器與工具操作的便利性、可行性。此外，在本次綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)共分成兩部分：一為由資源管理體系與信息管控體系組成的系統(tǒng)平臺(tái)，用于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備、元件運(yùn)行情況進(jìn)行管理；實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)文檔、實(shí)驗(yàn)成績(jī)等信息的有效管控。二為由基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性、工程性實(shí)驗(yàn)?zāi)K組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。能夠有效滿足測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，包括頻譜分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)、數(shù)字濾波器實(shí)驗(yàn)教學(xué)、信號(hào)概率密度與相關(guān)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)、遠(yuǎn)程測(cè)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)、ITEM文檔研發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、電子電路故障分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)、自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)培訓(xùn)、PXI總線應(yīng)用傳感器測(cè)速實(shí)驗(yàn)教學(xué)、電橋電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)、直流電機(jī)測(cè)速實(shí)驗(yàn)教學(xué)、多傳感器綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)等[3]。例如，在電子電路測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可利用基于PXI總線與LabWindouw/CVI軟件開發(fā)的測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)放大器電路、二極管元件、施密特電路等的特性進(jìn)行直觀展現(xiàn)，幫助學(xué)生對(duì)電子元器件、電子電路工作原理進(jìn)行進(jìn)一步的了解與掌握，提升學(xué)生基礎(chǔ)理論知識(shí)學(xué)習(xí)效率，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)中，感知知識(shí)學(xué)習(xí)樂趣。

四、測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用分析

以虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的“信號(hào)發(fā)生器開發(fā)”為例，應(yīng)用測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)波形（如正弦波）、非標(biāo)性波形（如隨機(jī)信號(hào)、白噪聲等）等的直觀顯示（圖1），學(xué)生通過系統(tǒng)顯示結(jié)果，對(duì)PXI總線的相關(guān)內(nèi)容具有了更為深刻的理解。與此同時(shí)，利用LabWindouw/CVI圖形化編程系統(tǒng)進(jìn)行編程，其程序的控制性相對(duì)較強(qiáng)，為學(xué)生自主操作能力的強(qiáng)化奠定了基礎(chǔ)，有利于增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)參與積極性，提高其對(duì)虛擬儀器板卡的應(yīng)用能力。

結(jié)論

總而言之，測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用對(duì)提升自動(dòng)化與儀器專業(yè)教學(xué)質(zhì)量與效率存在積極影響作用。本文結(jié)合測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器課程教學(xué)要求與特征，利用PXI總線技術(shù)與LabWindouw/CVI技術(shù)設(shè)計(jì)了綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)資源豐富、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容新穎、系統(tǒng)管理與維修便利，可有效滿足不同層次以及相關(guān)專業(yè)學(xué)生實(shí)踐教學(xué)需求，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)開發(fā)性、創(chuàng)新性。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：北京交通大學(xué)海濱學(xué)院）