基于Nextboard的《測控電路》實驗教學仿真的設計

王 桔， 丁 銳

(長春大學 電子信息學院，長春 130022)

基于Nextboard的《測控電路》實驗教學仿真的設計

王 桔， 丁 銳

(長春大學 電子信息學院，長春 130022)

本文基于虛擬儀器Nextboard開發平臺，實現《測控電路》實驗教學的仿真設計及在測控實驗教學中的相關應用。通過熱電偶冷端補償的方法進行溫度測量，有效地運用了LabVIEW虛擬儀器技術，將諸多重要步驟都在配備硬件的普通PC電腦上完成，使得整個測量的重點轉向軟件的設計，是虛擬儀器技術應用于測量控制領域的一個典型范例。為《測控電路》實驗課程闡述了具體的實現方法，并為實驗的改革指明了一個很好的方向。實踐表明，基于Nextbaord平臺應用于測控實驗教學具有良好的效果。

Nextboard；LabVIEW；實驗教學

1 《測控電路》實驗教學概述

“測控電路”是本科測量控制與儀器專業的專業基礎課，在電子信息類專業及相關工科領域起著舉足輕重的作用。“測控電路”這門課在學習電子電路的基礎上，還要面向生產實踐，面向測控任務，靈活掌握測量控制系統中的功能電路的應用。基本測控系統是由最前端傳感器、主要組成部分測控電路以及末端執行機構三個部分組成的。如圖1所示。

圖1 測控系統的組成

要想更加深入地理解并掌握《測控電路》這門課程，則需要將實踐與理論相結合，也就是《測控電路》的實驗教學。但是，長期以來，實驗教學方法和實驗設備的落后在一定程度上制約了實驗教學的質量。基于傳統儀器的實驗教學不僅在設備的維護上工作量較大，而且在設備的購置上成本也較高。而且，對于理工科實驗，尤其是像“測控電路”這門課理論的概念及內容更加生澀難懂，在課堂上的理論學習部分就很難讓學生明白和掌握，在《測控電路》實驗項目中通常需要多個儀器配合使用，如信號源、電壓表、示波器等，這不僅增大了設備的投入和維修成本，而且傳統儀器較大的個體也對實驗場地的需求有所增加。

此外,隨著遠程教育的不斷發展,越來越多的學生開始通過網絡進行學習。但是，遠程教育的缺點就是學習者不能夠在實驗室里做真實的相關實驗。因此，如何利用虛擬儀器這類新技術解決這些問題,已引起了很多的高校管理者和實驗工作者的關注。將這些傳統儀器集成在一臺虛擬儀器中，不但便于試驗的進行而且還降低了試驗的成本，同時也極大地提升了“測控電路”這門課程的教學水平。針對目前實驗室存在的試驗手法落后及在課堂上理論的生澀難懂的弊病，實驗教學引入虛擬儀器不但可以解決設備更新過慢、儀器老化過于嚴重等問題，還可以使試驗教學效果得以提高，甚至可以將實驗的結果搬到理論課堂，結合理論知識的講解讓學生對“測控電路”這門課程的概念理解更加容易及深刻。

2 Nextboard平臺概述

Nextboard是泛華公司為工科院校師生打造的用于工程教學的實驗平臺。平臺基于虛擬儀器技術，配合泛華及第三方自主開發的實驗模塊，可以完成傳感器、電工、模擬電路、基礎物理、控制原理等實驗。通過Nextboard平臺，學生可以隨意地動手搭建模塊電路，非常靈活地組建各種實驗電路，在動手操作的過程中，學生可以將理論知識掌握得更扎實，并且還能增強學生的學習興趣。圖2為Nextboard實驗平臺。

圖2 Nextboard實驗平臺

Nextboard實驗平臺可以通過NI公司的LabVIEW軟件隨時編寫相應程序來組建各種課程需要應用的實驗。因此，Nextboard實驗平臺需要連接NI(美國國家儀器) M、X系列的數據采集卡，Nextboard實驗平臺在搭建不同的學科實驗時，需要應用自配的不同學科的模塊，而對于不同學科的實驗，Nextboard實驗平臺所展示的通用性的確極其良好。正是良好的通用性使得Nextboard非常適合教學實驗、創新性實驗。

Nextboard還為使用者提供了一目了然的軟面板，互動性良好。Nextboard軟面板，如圖3所示。使用者可以在軟面板中直接組建各種實驗內容，泛華在軟面板中還為使用者提供了可以適用Nextboard上的全部資源。

3 RTD熱電阻實驗模塊

熱電阻(thermal resistor)是在中低溫區最常見的溫度檢測器。熱電阻的測溫原理是基于金屬導體的阻值會隨溫度增加而增大的特性來進行測量溫度的。其主要特點是：測量的精度較高，相關性能比較穩定。

3.1 RTD熱電阻的工作原理

熱電阻是基于電阻的熱效應來進行測溫的，即電阻阻值會隨溫度的改變而改變的特性。金屬熱電阻的阻值與溫度的關系表達式如下，即

Rt = Rt0[ 1 + α ( t - t0) ]

(1)

此式中Rt是溫度t時的電阻阻值；Rt0是溫度為t0時對應的電阻值，α是溫度系數，半導體熱敏電阻阻值與溫度的關系為

Rt = A e B/t

(2)

此式中Rt是溫度為t時的電阻阻值，A、B取決于材質的結構常數。

Nextboard實驗平臺提供了多種實驗模塊，而熱電偶實驗模塊則是《測控電路》中非常重要的實驗模塊。因此，應用此模塊可以對該課程實驗方便、快捷、直觀的演示。熱電偶實驗模塊如圖4所示。

4 Nextboard實驗平臺組建

熱電偶實驗平臺由兩個方面組建而成。一個是硬件設計，另一個是軟件實驗平臺界面。硬件設計中，應用Nextboard硬件平臺，插入熱電偶實驗模塊，利用杜邦線搭建實驗電路，如圖5所示，開啟平臺電源。在熱電偶實驗模塊上，如圖4所示。用虛線表示需要外接備選電阻，分別有3種不同的電阻值可供選擇。根據用戶所選的電阻值不同，得到的放大倍數也不盡相同。放大倍數=備選電阻值/50Ω，若實驗選擇10KΩ，則放大倍數Gain=10KΩ/50Ω=200倍。

圖5 RTD熱電阻硬件接線

圖6 RTD熱電偶實驗界面

泛華Nextboard實驗軟件平臺為我們提供了交互良好的實驗界面。打開nextboard軟面板nextpad，在 nextpad 主界面中選擇熱電偶實驗圖標，雙擊進入，RTD熱電偶實驗界面如圖6所示。

結合著Nextboard面板中的硬件連線，單擊Nextpad軟件界面中的運行按鈕，可以在Nextpad運行面板中看到熱電偶實驗運行的曲線數據，如圖7所示。并且還可以將熱電偶的實驗數據以Word形式進行保存，以便后期使用。實驗數據的保存，如圖8所示。因此，從實驗運行的結果可以清楚地得到與理論課程中所得到的結論完全相同。

圖7 RTD測溫曲線

圖8 實驗數據保存

5 《測控電路》實驗教學總結

“測控電路”是一門專門針對測控技術與儀器專業的基礎課，通過對測控系統的分析，測控系統主要由3部分組成，最前端是信號的采集，中間為測控電路，最末端為執行輸出。而測控電路則是處理信號、放大、去噪及運算的最重要的一個組成。而熱電偶部分則是《測控電路》運算放大內容中的重中之重。對于熱電偶的實驗，原理比較難掌握，常規的實驗平臺即不方便，又不能形象的演示出運算放大的規律及趨勢。而應用泛華Nextboard實驗平臺下的熱電偶實驗模塊，搭建完成的熱電偶實驗則可以更清楚，更簡潔地讓學生快速并扎實地掌握《測控電路》放大電路部分中的經典測控電路。同時發現應用Nextboard平臺完成實驗使得學生們的求知欲更加高漲，更能提高學生們的動手能力。因此，我們可以進一步應用Nextboard平臺結合LabVIEW軟件，設計更多課程教學實驗，為理論課程更加完美的結合實驗內容做出更好的探索及推廣。

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責任編輯：劉 琳

DesignforExperimentTeachingSimulationofMeasurementandControlCircuitBasedonNextboard

WANG Ju, DING Rui

(College Electronic Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

This paper realizes the simulation design ofMeasurementandControlCircuitand its related application in experimental teaching based on the virtual instrument Nextboard development platform, which carries out temperature measurement by thermocouple cold end compensation and effectively uses LabVIEW virtual instrument technology to complete a number of important steps on a regular PC computer equipped with hardware, making the key to entire measurement turn to the design of the software and being a typical example of the application of virtual instrument technology in the field of measurement and control. This paper expounds the concrete realization method forMeasurementandControlCircuitexperiment course and points out a good direction for the experiment reform. The practice shows that the application of Nextbaord platform has good effect in the experimental teaching.

Nextboard; LabVIEW; experimental teaching

2016-11-21

吉林省教育科學“十三五”規劃課題(GH16096)

王桔(1980-)，女，吉林長春人，講師，博士，主要從事電子與通信工程方面研究。

G642

A

1009-3907(2017)10-0099-03