虛擬儀器技術在自動化專業課程設計中的應用研究

曹毅?張曉東?孫紅鴿

摘要：綜合課程設計對于培養工程應用型自動化專業的本科生是非常重要的實踐環節。虛擬儀器技術為該課程的開展提供了一種良好的平臺，可以在理論學習的基礎上，學生在較短的時間內構建硬件實驗樣機。以具體的測控實驗系統為例，闡述了虛擬儀器技術引入課程設計的開展情況。實踐表明，這種形式的課程設計極大地改善了理論與實際脫節、學生的實踐動手能力較弱的現狀，調動了學生的學習興趣，提高了課程設計的完成質量。

關鍵詞：虛擬儀器技術；綜合課程設計；實踐環節；自動化專業

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

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

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

培養學生的工程實踐能力和創新精神是高等工科教育的首要任務。實踐教學環節是人才培養的重要手段，對于提高學生的綜合素質、培養學生的創新精神與實踐能力具有無法替代的作用。綜合課程設計作為自動化專業接觸實踐練習的重要環節之一，使學生把課堂上所學的理論知識應用到工程實踐中去，對理論和實踐的結合起著重要的作用。[1-3]為此，在河南工業大學（以下簡稱“我校”）自動化專業的培養計劃中，第七學期末安排了4周連續的綜合性課程設計環節，旨在促進工程實踐能力的培養，加深學生對所學課程的認識，對專業有更深的了解。

傳統的課程設計往往是學生根據老師給出的題目，參照指導書，查閱相關手冊，進行模仿或仿真設計。由于時間限制和場地、經費等原因的局限，課程設計往往都是紙上談兵，很難進行實物的模擬調試，再加上部分學生考研和就業求職的影響，學生的積極性、主動性很難調動起來，課程設計常常流于形式，應付交差。

近幾年隨著我校對學生工程實踐能力培養的重視，我院的實驗室引進了NI數據采集卡和LabVIEW軟件，另外實驗室還配備了多種硬件實驗平臺。此外，經過多年的積累，很多教師擁有了一定數量和質量的硬件設備和工程經驗，為課程設計的開展奠定了軟硬件基礎。通過學校的投入，多個專業實驗室也正在進行開放式實驗改革，在一定程度上保證了工程實踐環節的實驗條件。教師在課程設計的要求上，為確認學生設計方法的正確性，逐漸增加了實驗驗證的要求。這樣就使學生通過課程設計環節的練習，既提高了動手能力，同時也增加了工程實踐認識。

本文在介紹自動化專業課程設計指導思想后，結合兩個實例，具體闡述虛擬儀器技術在綜合課程設計中的實現過程，為課程設計的開展和學生實踐能力的提高提供一些案例和方法。

一、自動化專業課程設計的指導思想

“自動控制系統”課程設計是自動化專業的一門綜合性課程設計，學生需要根據教師提出的課題項目以及相關的技術指標和性能要求，靈活地綜合性運用儀表、控制軟件、工藝設計、計算機等各方面的知識解決工程實際問題，進行系統集成綜合設計。[4]

如何在現有資源條件下，“以學科知識為基礎，以應用實踐為核心，以培養創造性思維為重點”進行課程設計項目的選擇，成為其能否收到預期效果的關鍵。這些項目既不能超出學生現有的知識水平與操作技能，也不能讓學生完全照搬已有的成果，對相關課程知識能夠進行適度拓寬、提高和綜合應用，同時又要考慮到場地、設備和資金投入等因素。此外，還要盡量面向實際，讓學生拿到題目后有真實感，使課程設計真正起到培養學生分析問題、解決問題和鍛煉系統設計能力的作用。將虛擬儀器技術引入到課程設計中，采用“軟硬結合”的方法，起到了很好的效果。

二、虛擬儀器技術簡介

虛擬儀器是在計算機基礎上通過增加相關硬件和軟件構建而成的、具有可視化界面的儀器。[5-6]虛擬儀器表現形式和功能類似于實際的儀器，但其程序很容易改變設置和功能。在實驗室采用的是美國NI公司開發的LabVIEW軟件和相應的數據采集卡。LabVIEW特別適用于實驗室與多品種小批量生產線等需要經常改變儀器和設備參數、功能的場合，以及對信號進行分析研究、傳輸等場合。在自動化專業的教學中需要應用多類、多臺昂貴的儀器，如果使用功能固定的臺式儀器，不僅價格昂貴，而且操作技術復雜，而應用虛擬儀器技術則可提高實驗效率，降低實驗成本，增強學生學習的積極性。

LabVIEW中附加了PID控制工具套件，利用它可以簡便、高效地設計控制算法。另外，LabVIEW是一個開放的虛擬儀器開發平臺，用戶可以根據自己的硬件配置進行數據采集和儀器控制，從而實現數據實時采集的高效處理。

三、測控系統實例及要求

1.步進電機移動系統

該課題的目的在于了解步進電機速度和位置控制的基礎上，應用LabVIEW技術，設計基于PC機的控制系統，精確控制步進電機驅動滑臺移動的速度、位置、正反轉等物理量，滿足移動驅動的要求。系統硬件聯接原理如圖1所示。

步進電機的運動控制需要通過使用LabVIEW中源碼級設備驅動程序DAQ-mx實現。控制數據采集卡通過BNC-2120中的定時I/O輸出計數器脈沖頻率，通過循環結構、選擇結構、事件結構等來完成對輸出脈沖頻率的控制。步進電機的正反轉是通過控制數據采集卡的數字I/O輸出的高低電平來實現。此外，數據采集的主要任務是對限位開關信號的采集，通過BNC-2120中的定時I/O進行信號的采集，當滑臺遇到限位開關時步進電機停止轉動。

LabVIEW前面板如圖2所示，包括啟動開關，正/反轉的調節按鈕，正轉、反轉顯示指示燈，轉速的調節按鈕和轉速顯示按鈕，報警顯示即限位開關指示燈。

通過該課題，學生可以了解步進電機的運動控制方法，熟悉數字脈沖控制電機速度的方法，了解在工程實際中如何做到電機的平穩起停和運轉。

2.旋轉毛刷聲波信號故障檢測器

本課題利用數據采集卡PCI-6221并結合LabVIEW軟件對特定旋轉毛刷的聲波信號進行采集及分析，通過在頻域和時域內對采集的數據加以處理，識別旋轉毛刷是否產生故障，并針對不同情況予以警告。

本設計中采用的聲波信號采集傳感器為駐極體式麥克風，該麥克風通過接線盒BNC-2120的AI0模擬輸入口接入，信號進入采集卡后經過LabVIEW的DAQ-mx進行后續的處理。在LabVIEW里加入while循環結構、DAQ助手采集聲波信號，然后通過濾波器VI進行濾波。經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行分析，當聲波信號達到某個范圍時給出提醒信息。軟件系統流程圖如圖3所示。

根據系統需要完成的檢測功能，設計的前面板如圖4所示。圖中左邊第一欄是開關按鈕，第二欄設定采樣率、采樣數，第三欄是基于頻率的毛刷運行狀態顯示，有三個顯示燈，正常工作時“工作正常”燈會變綠，當其頻率大于或小于閾值頻率10%時，“預警”燈會變黃，而當其頻率超過閾值頻率30%時，“應急停”燈會變紅。基于幅值的檢測與頻率檢測類似。時間顯示框是用來記錄故障發生的時間。兩個圖像示波器，分別顯示實時的聲波頻率和幅值。

在這里旋轉毛刷噪音的采集采用了數據采集卡。實際上，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，這樣可以進一步降低硬件配置的要求。通過該實驗，學生可以了解振動波轉換成電壓信號輸出的轉換過程，以及高頻信號采集的過程；熟悉在時域和頻域內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。

以上兩個實例僅是課程設計中的部分問題，對于各種問題的難度控制在3～4周之內可以完成。學生可以通過類似題目的鍛煉，使用LabVIEW和數據采集卡迅速地搭建測控系統，在測控系統中使用圖形化的語言修改軟件，較快實現一個完整的物理樣機。在設計過程中，教師提出課題要求并提供必要的硬件設備，學生通過資料的查找和不斷進行實驗，發現其中的難點并給出解決的辦法。在考核學生的時候，教師通過其程序的編寫、系統的運行和文字報告就可以給出一個相對合理的成績。

四、結語

綜合課程設計方法已在我校控制工程系自動化專業進行了5年的實踐。5年來，對設計內容和教學指導方法進行了不斷的探索和完善，形成了符合培養自動化工程師要求的綜合課程設計教學內容和方法。實踐結果表明，虛擬儀器技術在我校自動化專業綜合課程設計中得到了成功的應用。學生普遍反映，該課程設計可以在較短時間內搭建實驗系統，獲得了一次完整的、系統性的工程實踐訓練，加強了對理論知識的融會貫通和對實踐動手能力的鍛煉，為后續的畢業設計以及為將來走入科研工作崗位打下了良好的基礎。

基于虛擬儀器技術的綜合課程設計的開出得到了河南省教育廳自動化特色專業教學改革項目、河南省教育科學“十二五”規劃項目、河南工業大學高等教育研究資助項目的支持，并獲得了我校電氣工程學院嵌入式系統、傳感器技術和過程控制等多個實驗室提供的幫助，[7]在此特表感謝。

參考文獻：

[1]岳繼光，余有靈，蘇永清，等.堅持控制理論特色注重工程能力培養[J].長春工業大學學報（高教研究版），2011，32（3）：1-3.

[2]楊玲玲，高軍禮，陳瑋，等.自動化專業國家級特色專業的若干問題研究與實踐[J].廣東工業大學學報（社會科學版），2010，（S1）：211-212，215.

[3]蔡林沁，岑明，虞繼敏，等.自動化專業課程設計實踐創新能力培養策略與方法[J].中國教育技術裝備，2012，（15）：43-44，48.

[4]于微波，劉克平，劉玥.自動化專業實踐教學模式的改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2011，（10）：375-376，385.

[5]孫軍，劉海哲，歐道江.基于LabVIEW的控制系統設計與仿真[J].機電產品開發與創新，2011，（5）：97-99.

[6]劉宏達，聞子俠，馬忠麗.基于虛擬儀器技術的遠程測控實驗系統開發[J].實驗技術與管理，2009，26（11）：75-79.

[7]孫紅鴿，臧義，曹毅.傳感技術專業課程實驗教學改革與實踐[J].現代教育技術，2009，（S1）：306，309-310.

（責任編輯：宋秀麗）