檢測技術與虛擬儀器的實踐教學平臺的建設

劉潔，徐青青，趙海芳

（宿遷學院機電工程學院，江蘇宿遷223800）

檢測技術與虛擬儀器的實踐教學平臺的建設

劉潔，徐青青，趙海芳

（宿遷學院機電工程學院，江蘇宿遷223800）

為了適應檢測技術發展對工程應用型人才的需求，就開展檢測技術與虛擬儀器實踐教學平臺建設中有關實驗室的建設、綜合測試實驗系統、實驗課程內容、教學手段等方面的探索與實踐進行了介紹。并以農業大棚為例詳細說明了該平臺的應用。教學效果表明，將虛擬儀器引用到檢測技術實踐教學平臺中，培養了學生的綜合實踐能力和創新能力。

檢測技術；虛擬儀器；Labview；傳感器

為了適應現代檢測技術飛速發展對工程應用型人才的需求的目標，現以宿遷學院機械制造及其自動化專業為教學改革對象，開展了檢測技術與虛擬儀器實踐教學平臺的研究。主要開發了既與教學水平相適應又提高學生動手能力的實踐教學軟硬件設施。

1 實驗室的建設與儀器設計及綜合測試實驗系統組成

虛擬儀器通過軟件融合了計算機軟件資源與儀器硬件資源，結合了儀器硬件的控制、檢測能力和計算機的計算、處理功能。虛擬儀器還通過計算機軟件實現數據的獲取、顯示、存儲、分析、處理，集成了儀器硬件的所有用戶界面、采集、分析、輸出、控制等一系列的功能。虛擬儀器的應用面極廣、功能靈活、容易構建，主要是由于用戶可以自己定義專用測量儀器。基于此，要求機械制造及其自動化專業的學生利用課余時間自行學習有關檢測技術與虛擬儀器的課程。使學生在已學的電子技術、測試技術、微機原理的基礎上，掌握最新的檢測技術與儀器設計技術。

現有的測試與控制技術實驗室，采用的是深圳德普施公司的DRVI可重組虛擬儀器平臺作為綜合實驗系統的構建基礎。現有25臺微機，1臺作為服務器兼教師機，管理和監控其余24臺學生機的數據傳輸與實驗。教師機配備200 kHz采樣率的多通道數據采集儀和20 MHz高速采樣率的數據采集板卡，并連接各實驗子系統[1]。用作為現有實驗設備的補充，開發了基于虛擬儀器的實踐教學平臺。該平臺包括圖形化編程軟件和模塊化硬件采集設備。其中，圖形化編程軟件采用的是Labview軟件，而模塊化硬件采集設備則使用了Arduino控制器及各種傳感器。學生可以根據應用需要，在新的實驗平臺上自己組裝虛擬儀器和構建個性化的工業檢測系統。

在該平臺上，Arduino控制器負責采集數據和輸出執行的任務。信號的獲取和采集部分由各類傳感器實現，信號的分析與處理及后續結果的輸出與顯示則靠Labview軟件完成。在該平臺上，Labview與Arduino之間擁有多種相互通信的協議，如VXI、GPIB，RS232和RS485等。平臺的綜合系統框架圖如圖1所示。Labview還為Arduino開發了專門的工具包，使得Arduino的編程變得更加容易。

圖1 基于Labview與Arduino的綜合系統構架圖

2 實驗教學的選題

實驗課程內容采用的是層次化實驗的模式。根據實驗的教學定位、學生的能力和興趣，將教學實驗分為基礎檢測實驗、綜合應用實驗、實戰探索實驗3個層次。基礎檢測實驗注重培養學生對基礎理論、知識的理解；綜合應用實驗注重培養學生綜合運用所學知識解決檢測問題；實戰探索實驗注重培養學生探索、創新能力。基礎實驗階段確定以下4個實驗：多個舵機的控制、數碼管顯示、基于光敏電阻的光強計、虛擬電壓表。綜合應用實驗階段確定以下4個實驗：多路數據采集、熱電偶高溫檢測、超聲波測距、小量程電子稱重系統。實戰探索階段確定了以下4個實驗：無線遙控智能小車、基于網絡的遠程智能家居、基于Zig－Bee的個人小型氣象站、農業大棚監測系統[2]。同時又要以農業大棚監測系統項目為例，具體介紹該實驗系統的平臺搭建。以上實驗選題既考慮到學生現有的知識水平，又能方便學生進行適度拓展。

3 應用范例———農業大棚各項數據監測與虛擬儀器設計

本實驗提出設計目的和要求，在教師的要求下，學生5人1組預習相關文獻和資料，然后確定其實驗測量方案。實驗所需設備和器件由學生自行選擇。以下為實驗設計的主要過程和內容。

在基于485總線的農業大棚監控系統中，每個節點配置一個Arduino控制器，通過MAX485模塊掛在RS-485總線上。Arduino控制器需要完成以下功能：接收和判斷命令、采集和傳輸溫濕度、光照和水分數據。Arduino控制器利用MAX485模塊通過串口從RS-485總線上接收上位機發來的命令、分析得到有效命令，再根據命令碼實現溫濕度、光照和水分數據的采集，并上傳給Labview軟件。

3.1 傳感器的選擇與接線

Arduino從四個傳感器讀出溫度、濕度、光照強度、土壤濕度和CO2濃度后，將數據通過串口發送到labview，每次十個字節，每個參數占兩個字節。例如：溫度：25℃，濕度50，光照強度：30，土壤濕度：47，CO2濃度：10，則串口數據為25 50 30 10 47.DHT11溫濕度傳感器中DATA是數據輸出引腳，輸出為數字量，Arduino通過此引腳讀出溫度和濕度數據。將光敏電阻模塊的AO引腳接到Arduino的A0端口，讀取模擬量。程序中已經將光照強度分為0-100。土壤水分傳感器也是模擬量輸出，AO是它的模擬量輸出引腳，接到Arduino的A1端口，程序也已經讀出數據分為0-100檔。CO2傳感器也是模擬量輸出傳感器，模擬量輸出引腳接到Arduino的A2端口，獨處的數據分為0-100檔[3]。

3.2 虛擬儀器軟面板設計及運行

農業大棚各項數據監測系統Labview上位機前面板如圖2所示。按照在線測量數據傳輸邏輯控制流程對各軟件芯片依次進行屬性設置。保存該測量系統的IC文件，運行測量系統，根據所選擇的節點向RS-485總線上發送不同節點的溫度、濕度、光照、水分、CO2氣體的數據采集命令。點開運行，Labview會將串口接收到的數據一一截取到對應的顯示框中。程序中也可以在上下限的輸入框中輸入警報值。不在上下限范圍，會有紅燈亮起，分析并記錄實驗結果。教師機驗收與檢查學生設計的測量軟面板及運行情況[4]。

圖2 農業大棚各項數據監測系統LabView上位機前面板

4 虛擬儀器的實踐教學平臺使用的效果及體會

4.1 結合專業知識，增強了學生的綜合實踐能力

通過建設該實驗平臺，將虛擬儀器應用于檢測技術實驗教學中，不但使學生學會使用虛擬儀器軟件進行平臺搭建，而且有機結合了多門學科知識，使學生進一步理清各專業課間的聯系，更加容易理解本專業的相關課程內涵[5]。

4.2 調動了學習積極性，提高了學生的實驗興趣

檢測技術與虛擬儀器設計實驗課程相當于一個實訓項目。虛擬儀器平臺是開放式的，使學生的實驗內容、實驗方式靈活多變，擴大了學生的創造空間[6]。學生學習興趣及學習積極性都大大提高。

4.3 培養了學生的創新能力和創新意識

本平臺可以由學生自己構思實驗方案、編寫應用程序、獨立調試設備，將學習的主動權交給學生，使學生成為檢測技術與虛擬儀器設計實驗的主體。綜合性、設計性實驗使學生手腦有機結合起來，培養了他們的創新能力和創新意識。

[1]盧超，仁吉林，鄔冠華.測試技術與虛擬儀器綜合性實驗教學的探索與實踐[J].實驗技術與管理，2006（1）：73-76.

[2]沈金鑫.Arduino與LabVIEW開發實戰[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3]袁本華，董錚．基于Arduino控制板的溫室大棚測溫系統設計[J]．安徽農業科技，2012，40（8）：5049-5050.

[4]秦華，孫曉松．基于Arduino的環境狀況監測系統設計[J]．無線互聯科技，2013，29（1）：59-61.

[5]王文娣，楊靜，霍曉靜.利用虛擬儀器技術改革創新實驗教學模式[J].河北農業大學學報：農林教育版，2012（2）：53 -55.

[6]黃偉，霍江輝.虛擬儀器技術在傳感器實驗教學中的應用[J].科技信息，2012（31）：266.

Detection Technology and the Construction of Practice Teaching Platform of Virtual Instrument

LIU Jie，XU Qing-qing，ZHAO Hai－fang
（Suqian College，Mechanical and Electrical Engineering College，Suqian Jiangsu 223800，China）

In order to meet the demand for engineering applied talents detection technology development，this paper introduces the laboratory construction，comprehensive test experiment system and experiment course content，teaching means，etc.And in agricultural greenhouses，for example to illustrate the application of the platform in detail.Teaching effect shows that the reference to the virtual instrument testing technology in the practice teaching platform，cultivating the students’comprehensive practice ability and innovation ability.

detection technology；virtual instrument；labview；sensor

G642

A

1672-545X（2017）06-0250-02

2017-03-17

宿遷學院教學改革項目（sqc2016jg43，sqc2016jg41）；江蘇高校品牌專業建設工程資助項（PPZY2015C252）

劉潔（1981－），女，江蘇鹽城人，本科，實驗師，主要從事傳感與檢測技術方面的研究。