虛擬儀器技術(shù)及其在電廠化學(xué)儀表實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

張衛(wèi)紅，劉玉秋，陳建華

(1.東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林吉林132012，2.東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林132012;3.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林132012)

隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，20世紀(jì)末虛擬儀器技術(shù)受到廣泛重視并快速進(jìn)入實(shí)用階段。計(jì)算機(jī)作為最富有現(xiàn)代科技特色的教學(xué)工具，越來越多地應(yīng)用到了教育領(lǐng)域的各個(gè)方面。高校化學(xué)學(xué)科的人才培養(yǎng)在很大程度上依賴于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的培養(yǎng)才會(huì)使學(xué)生具有更好的創(chuàng)新能力與良好的專業(yè)素質(zhì)。

虛擬儀器技術(shù)為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一種嶄新的教學(xué)模式。電廠化學(xué)儀表實(shí)驗(yàn)是我院專業(yè)實(shí)驗(yàn)課之一，課程內(nèi)容抽象、涉及面廣、信息量大。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于教學(xué)資金投入有限，實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器相對(duì)落后等問題，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊，無法適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生的知識(shí)體系在深度和廣度上的構(gòu)建受到影響。將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于電廠化學(xué)儀表實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，使現(xiàn)場(chǎng)的最先進(jìn)的儀器儀表技術(shù)通過虛擬儀器構(gòu)建出來應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從而使學(xué)生能夠直接掌握現(xiàn)場(chǎng)的先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更生動(dòng)直觀，有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1 虛擬儀器技術(shù)概述

虛擬儀器是通用計(jì)算機(jī)硬件資源、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電路與通用計(jì)算機(jī)軟件資源的有機(jī)結(jié)合。虛擬儀器既具有傳統(tǒng)儀器的基本功能，又能由用戶根據(jù)自己的需要，定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，并且測(cè)試系統(tǒng)功能可根據(jù)軟件模塊的功能及不同組合而靈活配置。虛擬儀器具有良好的功能擴(kuò)展和靈活的界面?zhèn)€性化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。其主要有以下特點(diǎn):

(1)性價(jià)比高，使用方便，易于維護(hù);

(2)強(qiáng)大的信號(hào)處理能力。可以同時(shí)對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行定時(shí)高效的測(cè)量，最大限度地減少誤差，大大提高檢測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的測(cè)量控制;

3)具有靈活的人機(jī)界面設(shè)計(jì)功能。

2 傳統(tǒng)教學(xué)改革措施的嘗試

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)“附屬”于理論教學(xué)，多半是在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)由于教學(xué)資金投入有限，實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器相對(duì)落后等問題的存在，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容滯后于現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。使學(xué)生的知識(shí)體系在深度和廣度上的構(gòu)建受到影響。針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)這一突顯矛盾，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了“因地制宜改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的嘗試，即在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，增添了有誤實(shí)驗(yàn)和綜合研究實(shí)驗(yàn)，利用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)、調(diào)研機(jī)會(huì)，將現(xiàn)場(chǎng)淘汰的儀器儀表作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，由于淘汰儀器會(huì)在結(jié)構(gòu)和原理部分存在一些缺陷，找到其原因，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的提高和加深理論認(rèn)識(shí)具有十分重要意義?；谝陨纤枷?，利用淘汰儀器與實(shí)驗(yàn)室陳舊實(shí)驗(yàn)儀器，我們開設(shè)了有誤實(shí)驗(yàn)和綜合研究實(shí)驗(yàn)，即學(xué)生要找到儀器在結(jié)構(gòu)和原理設(shè)計(jì)不合理的地方或損壞的零部件，在此基礎(chǔ)上提出學(xué)生自己的分析見解和改進(jìn)方案，并對(duì)儀器加以改進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生在理論的基礎(chǔ)上在實(shí)踐中摸索研究。但這種改革嘗試仍存在一定問題，例如:學(xué)生仍然接觸不到先進(jìn)高檔儀器，并解決不了每年遞增學(xué)生做實(shí)驗(yàn)緊張問題等。

3 虛擬電廠化學(xué)儀表實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

隨著虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的逐步發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)上的應(yīng)用也越來越深入和廣泛，許多高校及科研院所都積極地投入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建，開展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。根據(jù)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，充分利用LabVIEW的強(qiáng)大功能和計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件(處理器、存儲(chǔ)器、顯示器)和測(cè)量儀器(傳感器、數(shù)據(jù)采集卡)等硬件資源與LabVIEW軟件功能(包括圖形用戶界面、數(shù)據(jù)的分析處理、通訊等)有機(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)建了電廠化學(xué)儀表虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)［2］。

與傳統(tǒng)儀器相同之處，虛擬儀器也是由信號(hào)的采集與控制、信號(hào)的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出這三大功能構(gòu)成。其中，由測(cè)試硬件完成信號(hào)的采集與控制，而信號(hào)分析與處理、結(jié)果表達(dá)與輸出則由計(jì)算機(jī)來完成。同時(shí)應(yīng)用虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)功能構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)體系。電廠化學(xué)儀表虛擬實(shí)驗(yàn)室組成見圖1。

上述系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)選擇檢測(cè)不同化學(xué)參數(shù)所需的傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡及各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材［3］。傳感器拾取被測(cè)信號(hào)，經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和預(yù)濾波，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過RS232總線或PCI總線送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出。

圖1 電廠化學(xué)儀表虛擬實(shí)驗(yàn)室組成

4 虛擬儀器技術(shù)在電廠化學(xué)儀表實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)在理工科學(xué)生培養(yǎng)中占有重要地位，對(duì)于深化學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握、培養(yǎng)學(xué)生分析及解決問題的能力具有重要作用。克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)弊端，彌補(bǔ)教學(xué)條件的不足，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)拓展實(shí)驗(yàn)空間，有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量及效率。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)硬件系統(tǒng)及虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)造程序和有關(guān)數(shù)據(jù)庫等軟件系統(tǒng)的完善，虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得以廣泛應(yīng)用。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)室儀器種類繁多，許多儀器價(jià)格昂貴，易損壞。電廠化學(xué)儀表虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建既能降低儀器成本，又能使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有深入直觀的認(rèn)識(shí)，有效提高授課效果。磷酸根分析儀是化學(xué)監(jiān)督中重要監(jiān)測(cè)儀表之一，在線磷酸根快速分析儀是一套集成電子實(shí)驗(yàn)虛擬儀器系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采取模塊化方式編程，各種測(cè)量參數(shù)作為子程序，方便系統(tǒng)功能的更新與擴(kuò)展。程序主界面通過按鈕的方式調(diào)用各個(gè)測(cè)量參數(shù)界面，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)測(cè)量功能。本文以磷酸根分析儀為例建立虛擬儀器模式。該虛擬儀器主要分為硬件部分和軟件部分。

4.1 硬件部分

根據(jù)測(cè)控對(duì)象選取相應(yīng)的傳感器，磷酸根分析儀我們選用光電傳感器，根據(jù)傳感器的類型選取相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、放大，調(diào)理后的信號(hào)流程如下:

信號(hào)源—→調(diào)理電路—→A/D轉(zhuǎn)換器—→單片機(jī)89C51—→串口RS232—→上位機(jī)Lab —→VIEW 程序［4］。

4.2 軟件部分

系統(tǒng)采用美國NI公司Lab VIEW 8.0軟件平臺(tái)，編程實(shí)現(xiàn)了磷酸根濃度、溫度的自動(dòng)測(cè)量，界面如圖2所示。

系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)的屏幕代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表的操作面板，包括顯示器、指示燈、旋鈕、開關(guān)、按鍵等，學(xué)生可以通過鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的各種控件。傳統(tǒng)儀器電路部分的功能則是通過編制相應(yīng)的虛擬儀器程序替代。通過事件結(jié)構(gòu)或分支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)虛擬面板相應(yīng)的功能的選擇、各種工作參數(shù)的設(shè)置等。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬磷酸根分析儀界面更加美觀，功能更加豐富［5］。用戶可以通過點(diǎn)擊“DY9010介紹”按鈕瀏覽磷酸根實(shí)驗(yàn)原理、儀器功能特點(diǎn)等，通過點(diǎn)擊“操作步驟簡(jiǎn)介”按鈕瀏覽儀器操作步驟。

圖2 虛擬磷酸根分析儀

虛擬磷酸根分析儀操作步驟:

4.2.1 開機(jī)

點(diǎn)擊開機(jī)按鈕，儀器的所以指示等將同時(shí)亮2秒中，然后熄滅。這表明儀器初始狀態(tài)正常。將虛擬磷表的流路系統(tǒng)連接完畢后，儀器進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。

4.2.2 標(biāo)定

儀器測(cè)量前，單擊標(biāo)定按鈕，可進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定后儀器會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)標(biāo)定曲線的斜率、偏移量。若測(cè)量前不進(jìn)行標(biāo)定，儀器會(huì)自動(dòng)讀取上次標(biāo)定曲線的斜率、偏移量。

4.2.3 測(cè)量

測(cè)量對(duì)應(yīng)功能鍵位復(fù)位/測(cè)量復(fù)用按鈕。該按鍵有兩個(gè)功能:首次點(diǎn)擊，實(shí)現(xiàn)儀器恢復(fù)初始化狀態(tài)，儀器各種顯示均恢復(fù)為默認(rèn)值;再次點(diǎn)擊，儀器將進(jìn)行測(cè)量，程序?qū)⑴c串口進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)采集傳感器信號(hào)，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的處理，最后通過表盤和顯示框進(jìn)行顯示，測(cè)量結(jié)果的正確與否通過測(cè)量指示燈指示。

數(shù)據(jù)采集通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，利用RS-232串口傳送至上位機(jī)。點(diǎn)擊“進(jìn)行串口實(shí)驗(yàn)”按鈕，虛擬儀器將會(huì)顯示從串口同步讀入虛擬儀器的數(shù)據(jù)，用戶可以通過選擇采集次數(shù)來決定采集數(shù)據(jù)的多少，數(shù)據(jù)間采集間隔是默認(rèn)的。采集的數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)用于離線分析虛擬磷表的工作情況［6］。

5 結(jié)束語

虛擬儀器能夠?qū)崿F(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，其成本低，開發(fā)快，人機(jī)界面友好，應(yīng)用方便，可有效減少傳統(tǒng)儀器組合測(cè)試中的誤差問題。虛擬化學(xué)儀器實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建使學(xué)生能夠通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)所學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)習(xí)和演練，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知深度，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力與創(chuàng)新意識(shí)。同時(shí)也改善了設(shè)備不足帶來的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不完善等問題。通過教學(xué)實(shí)踐證明，化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建切實(shí)可行，并取得了預(yù)期效果。

［1］王舞禮，楊華.基于虛擬儀器技術(shù)的計(jì)算機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010，27(1):80-82.

［2］張躍勤，王新輝，李云龍.基于數(shù)據(jù)采集的虛擬儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2007，24(11):82-85.

［3］蔡共宣.虛擬儀器在測(cè)試技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2007，5(1):56-58.

［4］劉剛，嵇英華，蔡十華.虛擬儀器技術(shù)及其在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.江西教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，28(3):15-17.

［5］張小牛，侯國屏，趙偉.虛擬儀器技術(shù)回顧與展望［J］.測(cè)控技術(shù)2000，19(9):22-24.

［6］張躍勤，雷敏.基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及其應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)，2006，15(3):2-4.