基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在高等職業(yè)技術(shù)教育中的應(yīng)用

王 桔，鄒 稷

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022)

1 中國(guó)高等職業(yè)技術(shù)教育現(xiàn)狀

職業(yè)技術(shù)教育作為一種培養(yǎng)人的社會(huì)活動(dòng)，區(qū)別于其他類型教育和其他社會(huì)活動(dòng)的根本屬性，就是它的職業(yè)性、生產(chǎn)性和社會(huì)性[1]。 眾所周知，中國(guó)的高等職業(yè)技術(shù)起步早，歷史悠久[2]。 曾為我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。 但是隨著社會(huì)生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，我國(guó)的高等職業(yè)技術(shù)教育目前也存在著一些問題。 由于本科擴(kuò)大招生，越來(lái)越多的學(xué)生寧可選擇教育質(zhì)量不高的本科教育，也不愿意選擇進(jìn)入高等職業(yè)技術(shù)教育。 因此，目前我國(guó)的高等職業(yè)技術(shù)教育處境非常尷尬。 這種情況完全與高等職業(yè)技術(shù)教育的初衷背道而馳。

在美國(guó)職業(yè)技術(shù)教育政策鼓勵(lì)高中學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入高等職業(yè)技術(shù)教育完成高等教育培養(yǎng)水平，通過2年的時(shí)間培訓(xùn)可以完成四年本科教育所不能達(dá)到的動(dòng)手操作的水平[3]321。 隨著21 世紀(jì)的來(lái)臨，美國(guó)的職業(yè)技術(shù)教育已經(jīng)有所轉(zhuǎn)變，從過去職業(yè)技術(shù)教育只是為了找工作提供入口，到現(xiàn)在轉(zhuǎn)移到職業(yè)技術(shù)教育，除了提供找工作的機(jī)會(huì)還拓寬了向?qū)W術(shù)界發(fā)展的需求與準(zhǔn)備[3]322。 因此，高等職業(yè)技術(shù)教育具有本科教育所不具備的更多優(yōu)勢(shì)：與企業(yè)接觸緊密，有針對(duì)性地培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)素質(zhì)與能力，動(dòng)手能力強(qiáng)，更適合不喜歡從事理論研究的專業(yè)型人才。 目前我國(guó)的高等職業(yè)技術(shù)教育現(xiàn)狀如下：

(1)高等職業(yè)技術(shù)教育學(xué)校雖然數(shù)量呈下降趨勢(shì)，但招生規(guī)模有所擴(kuò)大；

(2)授課內(nèi)容針對(duì)性強(qiáng)；

(3)高等職業(yè)技術(shù)教育資金緊張，辦學(xué)能力欠佳；

(4)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校與企業(yè)合作緊密，學(xué)生實(shí)踐機(jī)會(huì)多；

(5)高等職業(yè)技術(shù)教育重視實(shí)踐能力培養(yǎng)，學(xué)生就業(yè)率較高；

綜上所述，中國(guó)目前的高等職業(yè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是，教育非常重視動(dòng)手操作及實(shí)踐能力的培養(yǎng)，就業(yè)率高。而存在的問題是，資金緊張，所以辦學(xué)條件不太完善，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備陳舊，儀器更新緩慢，極其不利于教學(xué)及實(shí)驗(yàn)操作。 而基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)恰恰可以解決高等職業(yè)技術(shù)教育經(jīng)費(fèi)緊張，條件不完善的問題，將多種電子儀器的功能集中在一個(gè)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)多種傳統(tǒng)儀器的功能。

2 (NI)公司虛擬儀器技術(shù)

一直致力于測(cè)量控制系統(tǒng)與界面測(cè)試技術(shù)40 年的美國(guó)的國(guó)家儀器公司(NI)，所開發(fā)設(shè)計(jì)風(fēng)靡全球的主打產(chǎn)品即虛擬儀器技術(shù)(Labview)，它將先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于硬件平臺(tái)，模擬及測(cè)試多種工程技術(shù)問題，從而打開了將虛擬技術(shù)應(yīng)用于真實(shí)世界的里程碑[4]。

Nextboard 平臺(tái)是深圳泛華公司專門為工科院校師生打造的用于工程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 泛華自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在美國(guó)NI 公司開發(fā)的虛擬儀器技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合其實(shí)驗(yàn)?zāi)K而設(shè)計(jì)的。 Nextboard 平臺(tái)為使用者提供了多種實(shí)驗(yàn)?zāi)K，包括各種傳感器模塊，模擬電子實(shí)驗(yàn)、電子通信實(shí)驗(yàn)、測(cè)量控制實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。 因此，學(xué)生通過泛華Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的各種實(shí)驗(yàn)?zāi)K，可以自主搭建各種電路，從而更加清晰深入地理解各個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理及觀察實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果[5-7]。

由于Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在NI 公司的虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，因此，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)軟件上可以應(yīng)用NI 公司的Labview 軟件編寫程序語(yǔ)言，從而修改或設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過程[8]。 正是由于Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完美的模塊性及交互性，Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)非常適合大多數(shù)的工程實(shí)驗(yàn)應(yīng)用[9-10]。

Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。 在完成各種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)硬件平臺(tái)及軟件同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件平臺(tái)如圖1 所示。 打開Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件界面，可以看到它具有非常良好的界面設(shè)計(jì)，如圖2 所示。

圖1 Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 Nextboard 軟面板

3 熱敏電阻實(shí)驗(yàn)?zāi)K

熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化而變化的傳感器，它屬于熱電阻的一種，對(duì)溫度敏感，因此在不同的溫度下，阻值也會(huì)不盡相同。

3.1 熱敏電阻工作原理

熱敏電阻的特點(diǎn)是阻值隨溫度變化而變化。 熱敏電阻的曲線是伏安特性曲線，曲線呈非線性。 若電子和空穴的濃度分別為n、p，遷移率分別為μn、μp，則半導(dǎo)體的電導(dǎo)為：

因?yàn)閚、p、μn、μp都是溫度T 的函數(shù)，所以電導(dǎo)是溫度的函數(shù)，因此可由測(cè)量電導(dǎo)而推算出溫度的高低，并能做出電阻—溫度特性曲線。 這就是熱敏電阻的工作原理。

假設(shè)，電阻和溫度之間的關(guān)系是線性的，則：R = kT

R = 電阻變化；

T = 溫度變化；

k= 一階的電阻溫度系數(shù)。

3.2 熱敏電阻實(shí)驗(yàn)

3.2.1 熱敏電阻實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)

Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了熱敏電阻模塊，可供使用者應(yīng)用測(cè)試熱敏電阻實(shí)驗(yàn)，圖3 為熱敏電阻實(shí)驗(yàn)?zāi)K。 熱敏電阻實(shí)驗(yàn)由兩個(gè)部分組成，分別為硬件部分設(shè)計(jì)與軟件部分設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)?zāi)K電路板有三種不同的電阻值可供選擇連接，而模塊上用虛線描繪的電阻表示需要外接備選電阻，因此當(dāng)連接虛線的R 阻值不同，恒流源的電流也會(huì)不同。 恒流源法演示部分給出了恒流源電路圖。 供電電流i=Vcc/Ri，Rt代表熱敏電阻，Vt 代表熱敏電阻兩端電壓，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，為了更清楚地了解電路測(cè)量原理，Vcc 和Vt 可以任意修改。 實(shí)際測(cè)量中，Vcc 為固定值，Vt 值通過數(shù)據(jù)采集卡采集，其數(shù)值由電流以及熱敏電阻阻值共同決定。 在實(shí)驗(yàn)?zāi)M完成后，手動(dòng)實(shí)測(cè)Nextsense02 上的Vcc 值，并將其填入定值測(cè)量部分。

在硬件部分設(shè)計(jì)中首先將熱電偶實(shí)驗(yàn)?zāi)K插入Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面板上，如圖4 所示。 分壓法演示部分顯示了分壓法電路圖，分壓電阻Ri 和Rt 串聯(lián)。 當(dāng)Rt 改變時(shí)，Ri 兩端電壓VRi 以及Rt 兩端電壓Vt 都改變。 電流值為i=VRi/Ri=(Vcc-Vt)/Ri，再通過計(jì)算Rt=Vt/i 計(jì)電流i=Vcc/Ri，當(dāng)將虛線Ri 連接到備選電阻20 KΩ 時(shí)，Vcc=2.5 V，則電流i=2.5 V/20 KΩ=0.12 5mA。 熱敏電阻實(shí)驗(yàn)硬件連線如圖4 所示。

圖3 熱敏電阻實(shí)驗(yàn)?zāi)K

3.2.2 熱敏電阻實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)

由于Nextboard 是由NI 公司的Matlab 軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的，因此也為使用者提供了良好的實(shí)驗(yàn)交互界面及豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。 打開Nextboard 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的熱敏電阻實(shí)驗(yàn)界面，如圖5 所示。 從熱敏電阻實(shí)驗(yàn)界面中可以看到該實(shí)驗(yàn)主要由六個(gè)部分組成，傳感器的介紹、特征曲線、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)M等。 豐富的內(nèi)容為使用者提供了諸多熱敏電阻實(shí)驗(yàn)的相關(guān)理論及相關(guān)介紹。 若需要查看熱敏電阻實(shí)驗(yàn)的傳感器介紹及熱敏電阻的工作原理，可以點(diǎn)擊傳感器的介紹進(jìn)入，如圖6 如示。

圖4 RTD 熱電阻硬件接線

圖5 熱敏電阻實(shí)驗(yàn)界面

圖6 熱敏電阻實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中，Vcc 和Vt 可以任意調(diào)節(jié)。 實(shí)際測(cè)量中，Vcc 為固定值，Vt 值通過數(shù)據(jù)采集卡采集，其數(shù)值由電流以及熱敏電阻阻值共同決定。 在硬件連線中，已經(jīng)將備選電阻R=20 KΩ 連接到恒流源電路中Ri 位置。 將Ri 其修改為實(shí)際連接值20 KΩ。 左上角顯示的Vcc 值為模擬實(shí)驗(yàn)面板填入的實(shí)測(cè)值。 右上角的Vt值為數(shù)據(jù)采集卡采集到的電壓值，如圖7 所示。

點(diǎn)擊開始采集按鈕，實(shí)測(cè)面板將給出測(cè)量到的Vt 值以及根據(jù)該值計(jì)算出來(lái)的電流、電阻和溫度值。 如圖8 所示，顯示了溫度變化曲線(T)以及阻值在特性曲線(R)上的對(duì)應(yīng)位置。 可以得出結(jié)論，熱敏電阻特性曲線為反時(shí)特性曲線，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，阻值越小。

圖7 熱敏電阻實(shí)驗(yàn)數(shù)值

圖8 熱敏電阻R-T 特性曲線

4 基于虛擬儀器Nextpad 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用

中國(guó)目前的高等職業(yè)技術(shù)存在的問題是，資金緊張，實(shí)驗(yàn)辦學(xué)條件不太完善，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備陳舊，儀器更新緩慢，極其不利于教學(xué)及實(shí)驗(yàn)操作。 因此將基于虛擬儀器技術(shù)的Nextpad 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入高等職業(yè)技術(shù)教育中去，不僅可以解決資金的問題，還可以將教學(xué)條件提高與國(guó)際水平接軌，開拓學(xué)生的思維，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，將職業(yè)技術(shù)教育重視實(shí)踐操作的優(yōu)勢(shì)繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大。 因此，基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于高等職業(yè)技術(shù)教育中，完全可行并具有未來(lái)前景。