電氣工程虛擬實(shí)踐基地建設(shè)的研究與探索

摘要：針對(duì)當(dāng)前電氣工程實(shí)踐基地不能滿足實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出建立電氣工程虛擬實(shí)踐基地的方案。將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，在現(xiàn)有實(shí)踐基地硬件和軟件基礎(chǔ)上開發(fā)電氣工程虛擬實(shí)踐基地，建立工程實(shí)踐基地管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生工程實(shí)踐申請(qǐng)管理、設(shè)備儀器管理、實(shí)踐項(xiàng)目管理以及實(shí)踐數(shù)據(jù)管理。電氣工程虛擬實(shí)踐基地采用LabVIEW圖形化編程語言為軟件開發(fā)平臺(tái)，并以Browser/Server 模式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟件、硬件設(shè)備的共享，利用LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)通信功能完成實(shí)踐數(shù)據(jù)的傳輸和保存。電氣工程虛擬實(shí)踐基地可以為學(xué)生提供開放式的實(shí)踐環(huán)境，學(xué)生可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制通過網(wǎng)絡(luò)完成相應(yīng)的工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)踐基地；LabVIEW；電氣工程；工程實(shí)踐

1 引言

黑龍江科技大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱我校）電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)為滿足推動(dòng)?xùn)|部煤電化基地建設(shè)、國(guó)家振興東北老工業(yè)基地對(duì)人才的需求，在“大德育、大工程、大實(shí)踐”三大教育理念的指導(dǎo)下不斷探索新形勢(shì)下的辦學(xué)思路，重點(diǎn)加強(qiáng)學(xué)生工程實(shí)踐能力以實(shí)現(xiàn)我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。目前我校已經(jīng)建成了基礎(chǔ)工程實(shí)踐基地與專業(yè)工程實(shí)踐基地25個(gè)、大學(xué)生創(chuàng)新工程實(shí)踐基地3個(gè)，主要完成電氣控制、電子工程、單片機(jī)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)裝配、電子工藝、通信工程、測(cè)控工程、電力系統(tǒng)、傳感器及檢測(cè)技術(shù)、工業(yè)控制、ARM、ASIC、DSP、PLC應(yīng)用等專業(yè)工程實(shí)踐。

我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)應(yīng)用型人才實(shí)踐能力培養(yǎng)的載體主要是電氣工程實(shí)踐基地，隨著我校電氣專業(yè)工程實(shí)踐力度的日益加強(qiáng)，僅局限于學(xué)生在上課時(shí)間到電氣工程實(shí)踐基地內(nèi)參加實(shí)踐的方式已嚴(yán)重滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)踐的需要，因此原有的實(shí)踐教學(xué)模式必須進(jìn)行改革。針對(duì)電氣工程實(shí)踐基地的局限性，我校提出基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，研究與探索建立電氣工程虛擬實(shí)踐基地。將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用到電氣工程實(shí)踐教學(xué)中，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)基地設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。學(xué)生可以不受時(shí)間與空間的限制進(jìn)行虛擬實(shí)踐操作，并對(duì)基地儀器設(shè)備、計(jì)算機(jī)資源以及學(xué)生實(shí)踐數(shù)據(jù)進(jìn)行共享，學(xué)生之間可以進(jìn)行協(xié)作或得到教師的遠(yuǎn)程指導(dǎo)等。

2 電氣工程虛擬實(shí)踐基地的構(gòu)建

2.1 構(gòu)建方案

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)建立網(wǎng)絡(luò)化的電氣工程虛擬實(shí)踐基地。學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)踐時(shí)，被授權(quán)的學(xué)生客戶端通過登陸Web瀏覽器發(fā)出實(shí)踐請(qǐng)求命令，安裝有LabVIEW軟件的虛擬實(shí)踐系統(tǒng)服務(wù)器接收實(shí)踐命令并響應(yīng)。根據(jù)學(xué)生客戶端不同的實(shí)踐請(qǐng)求分配相應(yīng)實(shí)踐基地儀器設(shè)備，在實(shí)踐過程中將實(shí)踐結(jié)果與顯示界面實(shí)時(shí)發(fā)送到客戶端，在客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。網(wǎng)絡(luò)化的電氣工程虛擬實(shí)踐基地采用瀏覽器/服務(wù)器模式（Browser/Server 模式），如圖1所示。學(xué)生在客戶端可以進(jìn)行遠(yuǎn)程工程實(shí)踐請(qǐng)求、實(shí)踐數(shù)據(jù)分析處理、存儲(chǔ)及實(shí)踐結(jié)果的可視化顯示；客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)登陸Web服務(wù)器訪問“電氣工程虛擬實(shí)踐基地”網(wǎng)站，在相關(guān)網(wǎng)頁上提出實(shí)踐請(qǐng)求；不斷通過互聯(lián)網(wǎng)訪問Web服務(wù)器，Web服務(wù)器將客戶端發(fā)出的遠(yuǎn)程訪問和遠(yuǎn)程控制請(qǐng)求進(jìn)行邏輯處理，然后通過校內(nèi)局域網(wǎng)提交給應(yīng)用服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)客戶端不同的實(shí)踐請(qǐng)求，分配實(shí)踐基地、管理和調(diào)度各基地儀器設(shè)備、接收Web服務(wù)器傳遞的實(shí)踐指令并調(diào)用相關(guān)實(shí)踐模塊與實(shí)踐設(shè)備。在實(shí)踐過程中產(chǎn)生的實(shí)踐現(xiàn)象、相應(yīng)的實(shí)踐數(shù)據(jù)通過DataSocket在Internet中進(jìn)行發(fā)布。

2.2 硬件環(huán)境

虛擬實(shí)踐基地硬件環(huán)境由計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)和測(cè)控功能硬件兩部分組成。計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)可以采用臺(tái)式計(jì)算機(jī)、工控機(jī)等，管理虛擬實(shí)踐基地的軟件、硬件資源。測(cè)控功能硬件是指輸入輸出接口設(shè)備（I/O接口），可以采集實(shí)踐中產(chǎn)生的被測(cè)輸入信號(hào)、并進(jìn)行信號(hào)放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等處理。由于我校電氣工程實(shí)踐基地較多，每個(gè)基地的儀器設(shè)備所需的通信方式也不相同，因此，根據(jù)每個(gè)實(shí)踐基地儀器的通信方式選擇接口總線。電氣工程虛擬實(shí)踐基地根據(jù)具體情況主要采用基于PCI插槽的DAQ數(shù)據(jù)采集卡、GPIB總線接口、串口總線接口、VXI/PXI總線模塊和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線模塊等標(biāo)準(zhǔn)總線接口。

2.2.1 基于數(shù)據(jù)采集卡的虛擬儀器

DAQ數(shù)據(jù)采集卡是電氣工程虛擬實(shí)踐基地?cái)?shù)據(jù)采集接口的一種實(shí)現(xiàn)方式。將DAQ數(shù)據(jù)采集卡插入到計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）的PCI插槽中，實(shí)踐基地的模擬設(shè)備與DAQ數(shù)據(jù)采集卡的A/D、D/A相連，利用數(shù)據(jù)采集卡可方便快速地組建基于計(jì)算機(jī)的虛擬系統(tǒng)。這種方式完全可以滿足電氣工程虛擬實(shí)踐基地測(cè)量環(huán)節(jié)的精度要求。

2.2.2 基于GPIB總線的虛擬儀器

GPIB通用接口總線是虛擬實(shí)踐基地計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與帶有GPIB接口的傳統(tǒng)儀器設(shè)備之間的一種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。該方式采用GPIB接口卡將若干GPIB儀器連接起來，利用計(jì)算機(jī)對(duì)電氣工程虛擬實(shí)踐基地儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)操作和控制，可高效靈活地完成各種不同規(guī)模的工程實(shí)踐測(cè)試測(cè)量任務(wù)。采用GPIB技術(shù)可以預(yù)先編制好測(cè)試程序，由計(jì)算機(jī)按照預(yù)定的工作流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試、自動(dòng)操作和控制實(shí)踐基地的儀器設(shè)備。

2.2.3 基于串口總線的虛擬儀器

工程實(shí)踐基地的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采用串口儀器設(shè)備與控制模塊相連接方式實(shí)現(xiàn)。將基地內(nèi)帶有RS-232C/RS485總線接口的儀器設(shè)備通過RS-232C/ RS485總線與計(jì)算機(jī)組成虛擬儀器系統(tǒng)。根據(jù)電氣工程虛擬實(shí)踐基地儀器的實(shí)際需要還可以采用USB總線和IEEE-1394總線。

2.2.4 基于VXI/PXI總線的虛擬儀器

VXI（VMEbusExtension for Instrumentation）總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線。由于VXI總線標(biāo)準(zhǔn)開放，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、定時(shí)與同步較精確的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電氣工程虛擬實(shí)踐基地使用結(jié)構(gòu)緊湊、靈活方便的模塊化設(shè)計(jì)以及組織大規(guī)模集成化虛擬實(shí)踐系統(tǒng)的需求。PXI總線是PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和良好的性價(jià)比，因此在電氣工程虛擬實(shí)踐基地在高頻段的測(cè)試實(shí)踐中可以采用PXI總線。

2.2.5 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的虛擬儀器

CAN總線是一種雙向全數(shù)字化、多主方式的串行局域網(wǎng)通訊總線。在電氣工程虛擬實(shí)踐基地的電氣控制系統(tǒng)中采用CAN 總線協(xié)議，控制器采用SJA1000型總線控制器，它與物理總線之間的接口采用PCA82C250型總線收發(fā)器。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

電氣工程虛擬實(shí)踐基地采用LabVIEW軟件為開發(fā)平臺(tái)，該應(yīng)用軟件可以為用戶提供一個(gè)圖形化程序語言的集成開發(fā)環(huán)境。LabVIEW集成了滿足電氣工程虛擬實(shí)踐基地所需的DAQ數(shù)據(jù)采集卡、GPIB總線接口、RS-232和RS-485串口總線接口、VXI總線模塊通訊的全部功能。在電氣工程虛擬實(shí)踐基地的Web服務(wù)器端設(shè)計(jì)開發(fā)工程實(shí)踐項(xiàng)目網(wǎng)頁，利用LabVIEW的網(wǎng)頁發(fā)布功能，學(xué)生客戶端就可以通過互聯(lián)網(wǎng)登陸網(wǎng)頁瀏覽器訪問服務(wù)器端的虛擬儀器，進(jìn)行訪問相應(yīng)的工程實(shí)踐基地。

基于LabVIEW模塊化的編程思想，將每個(gè)工程實(shí)踐基地的實(shí)踐項(xiàng)目編制成具有一定實(shí)踐功能的子VI，如果存在較復(fù)雜的功能模塊也可以采用封裝成下一級(jí)子 VI的實(shí)現(xiàn)方法。在電氣工程虛擬實(shí)踐基地應(yīng)用程序服務(wù)器端將每個(gè)功能子 VI 以模塊化的方式加入到實(shí)踐系統(tǒng)中。這種模塊化的設(shè)計(jì)方法維護(hù)與擴(kuò)展方便，只需要將新的實(shí)踐項(xiàng)目加入到虛擬儀器主控程序中，或修改實(shí)踐系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的實(shí)踐功能子VI模塊，就可以完成虛擬實(shí)踐系統(tǒng)的更新與維護(hù)。

2.4 管理系統(tǒng)的建立

學(xué)生在客戶端通過Internet進(jìn)入電氣工程虛擬實(shí)踐基地的網(wǎng)站，在網(wǎng)頁上進(jìn)入實(shí)踐基地列表選擇要實(shí)踐的基地，選擇實(shí)踐項(xiàng)目和閱讀實(shí)踐說明后開始進(jìn)行相關(guān)的實(shí)踐操作。設(shè)計(jì)電氣工程虛擬實(shí)踐基地網(wǎng)站，登陸系統(tǒng)后首先進(jìn)入主界面，在主界面中選擇實(shí)踐基地及實(shí)踐項(xiàng)目。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)踐之前，必須先登陸通過服務(wù)頁面提交所需實(shí)踐資源預(yù)約申請(qǐng)，在申請(qǐng)中詳細(xì)說明實(shí)踐原理以及實(shí)踐資源組成。管理人員根據(jù)實(shí)踐基地條件判斷是否批準(zhǔn)申請(qǐng)，指導(dǎo)教師根據(jù)實(shí)踐方案是否可行判斷是否批準(zhǔn)申請(qǐng)。

3 結(jié)論

虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了實(shí)踐教學(xué)方式的改革，將虛擬儀器引入到電氣工程實(shí)踐基地的建設(shè)中，能有效地降低工程實(shí)踐的成本、提高工程實(shí)踐的效率，并且可以在工程實(shí)踐過程中實(shí)現(xiàn)學(xué)生之間相互協(xié)作和資源共享。因此建立氣工程虛擬工程實(shí)踐基地，是我校實(shí)踐教學(xué)改革的一個(gè)新的發(fā)展方向。電氣工程虛擬實(shí)踐基地具有比傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)參與實(shí)踐更為靈活多樣的表現(xiàn)形式，在提高學(xué)生動(dòng)手能力、促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)技術(shù)手段、創(chuàng)新發(fā)展等方面將發(fā)揮重要的作用。

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