基于虛擬的測控實驗教學(xué)研究

李孝茹　劉建國

摘 要 針對目前測控實驗教學(xué)以單一課程、插拔式、驗證式實驗為主等相關(guān)測控實驗現(xiàn)狀，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，緊密結(jié)合實際應(yīng)用，更好地達(dá)到實驗教學(xué)目標(biāo)，在實驗教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)知識特點，安排適宜的實驗，因材施教。圍繞“多學(xué)科綜合、緊密結(jié)合實際應(yīng)用”原則，本文提出了基于LabVIEW虛擬儀器的測控實驗教學(xué)的方法，把傳感器技術(shù)和運動控制結(jié)合在一個平臺上。

關(guān)鍵詞 傳感器 虛擬儀器 教學(xué)方式 多學(xué)科綜合

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.01.038

Control Experiments Teaching Research Based on Virtual *

LI Xiaoru， LIU Jianguo

（School of Mechanical Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093）

Abstract Single curriculum for the relevant status quo， plug-in， verify and control experiment Experiment-based monitoring and control and other experimental teaching Currently， in order to improve student interest in learning， in close connection with practical application， better achieve the objectives of experimental teaching in the experimental teaching process， according to the characteristics of the students the basics， arrange appropriate experiments， individualized. Around the "multidisciplinary， in close connection with the practical application" principle， this paper presents the experimental and control based on LabVIEW virtual instrument teaching methods， the sensor technology and motion control combined on a single platform.

Key words sensor; virtual instruments; teaching methods; multidisciplinary

0 前言

測試測量與控制技術(shù)，簡稱測控，簡短的兩個字包含了從信號的獲取、放大、傳輸、處理、應(yīng)用和控制的全過程。測控技術(shù)涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，如計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號分析與處理、工程測試技術(shù)等。測控技術(shù)系列課程教學(xué)改革的重要目標(biāo)之一就是將傳統(tǒng)的“老師為主體的驗證性實驗教學(xué)模式”改為“學(xué)生為主體的結(jié)合實際應(yīng)用的設(shè)計、分析實驗?zāi)Ｊ健?，重點培養(yǎng)提出問題、研究問題、解決問題的能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)適應(yīng)社會需求的人才。整個實驗包括從基礎(chǔ)的計算機(jī)系統(tǒng)、傳感器信號獲取、信號分析和處理，到反饋控制的一體化整體解決方案。虛擬儀器（virtual instrumention）是一種圖形化編程語言，被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，以通用的計算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，在測量和自動化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法產(chǎn)生了很大影響，虛擬儀器的應(yīng)用越來越廣泛，將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)是虛擬儀器應(yīng)用的不斷拓展和教育教學(xué)發(fā)展的必然要求，本文以虛擬儀器為開發(fā)環(huán)境，構(gòu)建了基于運動控制的傳感器實驗教學(xué)平臺。

1 基于LabVIEW的測控實驗建設(shè)思路

由于微電子、計算機(jī)、軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使新的測試?yán)碚?、測試方法以及儀器結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展成熟，基于LabVIEW虛擬儀器的測控技術(shù)創(chuàng)新實驗教學(xué)逐步形成新的發(fā)展趨勢，以計算機(jī)為核心，由強(qiáng)大的測試應(yīng)用軟件支持，具有模塊化、互換性、資源復(fù)用性，同時可方便、經(jīng)濟(jì)地組建自動測試系統(tǒng)，測控技術(shù)實驗具有以下特點：

（1）個性化的功能儀器：本實驗系統(tǒng)采用虛擬儀器將各種不同的儀器硬件連接到計算機(jī)上，運用計算機(jī)高速的軟硬件資源，將計算機(jī)硬件和測量儀器等硬件資源與計算機(jī)軟件資源有機(jī)結(jié)合起來完成特定的功能，利用該技術(shù)，可替代傳統(tǒng)測量儀器，如頻譜儀、示波器等。

（2）多學(xué)科技術(shù)交叉融合：測控技術(shù)是多學(xué)科技術(shù)交叉融合的典型技術(shù)，信息論、控制論、系統(tǒng)論是測控專業(yè)的理論基礎(chǔ)，信息技術(shù)、測控技術(shù)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是測控專業(yè)的基本技術(shù)，多學(xué)科交叉與多系統(tǒng)集成是測控專業(yè)的顯著特點。

（3）緊密聯(lián)系實際，提高學(xué)生興趣，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展需要，測控技術(shù)從最初的控制單個設(shè)備到控制整個過程及系統(tǒng)，特別是在當(dāng)今現(xiàn)代科技領(lǐng)域的尖端技術(shù)中，測控技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。

（4）內(nèi)容上由簡到難、循序漸進(jìn)：按照“基礎(chǔ)原理驗證性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗”的思路來逐步提高學(xué)生學(xué)習(xí)動手能力，讓學(xué)生從原理到實際應(yīng)用來逐步學(xué)習(xí)和認(rèn)識，最后有機(jī)會進(jìn)行創(chuàng)造性的綜合實驗。

（5）便于擴(kuò)展：虛擬儀器的軟硬件系統(tǒng)可以方便進(jìn)行重新組合和設(shè)計，靈活運用。就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件升級即可改進(jìn)整個系統(tǒng)。在利用最新技術(shù)的時候，把它們集成到現(xiàn)有的測量設(shè)備中，最終以極少的成本改進(jìn)現(xiàn)有的實驗設(shè)施。

3 虛擬測控實驗系統(tǒng)整體內(nèi)容

整個實驗系統(tǒng)包括虛擬儀器軟件和測控系統(tǒng)硬件。虛擬儀器采用LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，具有界面友好、易于掌握、編程靈活、設(shè)計效率高等優(yōu)點，硬件平臺包括數(shù)據(jù)采集卡、各類實驗用傳感器、信號調(diào)理電路及各種相關(guān)實驗器材。傳感器的輸出信號由數(shù)據(jù)采集卡采集，經(jīng)由信號調(diào)理電路對信號進(jìn)行放大和濾波，使其與數(shù)據(jù)采集卡中的A/D轉(zhuǎn)換器相匹配并提供足夠的驅(qū)動。另外，還包含驅(qū)動控制模塊、電機(jī)，工業(yè)對象等，根據(jù)不同的實驗內(nèi)容，采用不同的工業(yè)模組，仿真工業(yè)測試環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生掌握測試測量和電機(jī)控制的實驗技能，讓學(xué)生在自由創(chuàng)新的空間形成正確的、科學(xué)的思想，測控系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1中的測控對象可以是運動機(jī)械對象，如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，可以是運動對象的位移、速度、加速度等參量，也可以是過程參數(shù)，傳感器是檢測裝置，能感受被測量的信息，是自動檢測和控制的首要環(huán)節(jié)，將待測參數(shù)值按一定規(guī)律變換成為電信號或其他信號輸出;調(diào)理電路就是信息處理電路，將待測信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號，以便數(shù)據(jù)采集卡或控制器接收，這部分既可作為傳感器原理的一部分，也可作為信號處理的一部分;分析主要指采用LabVIEW提供的豐富的函數(shù)庫，將數(shù)據(jù)采集到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，對其進(jìn)行分析、處理;顯示采用虛擬儀器圖形化的軟件面板替代常規(guī)的傳統(tǒng)儀器面板，同樣具有實際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其他控制部件。

4 實驗?zāi)K設(shè)計

4.1 運動控制實驗?zāi)K設(shè)計

本實驗采用TS-ICD-5A智能控制器，被控對象為1000線的伺服電機(jī)。開始實驗之前，學(xué)生必須仔細(xì)閱讀智能控制與驅(qū)動模塊軟硬件說明書，掌握電機(jī)控制線和電源線與控制器的連接方式，模擬量、數(shù)字量怎么接入控制器，驅(qū)動器的設(shè)置、運動編程、實際物理單位和以編碼器表示的內(nèi)部編程的計算機(jī)單位的轉(zhuǎn)換、存儲器映射等相關(guān)知識點，工程文件配置包含電機(jī)參數(shù)、編碼器線數(shù)、控制模式以及相應(yīng)控制參數(shù)信息，然后使用LabVIEW調(diào)用智能控制與數(shù)字伺服驅(qū)動模塊動態(tài)鏈接庫，可以檢測各類電機(jī)參數(shù)，發(fā)送電機(jī)運動控制指令，讀取編碼器、I/O通道、AD通道的反饋，輕松實現(xiàn)電機(jī)的開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)控制以及相關(guān)信號檢測，編制LabVIEW程序，圖2所示的運動控制虛擬面板為簡單的電機(jī)控制實驗前面板。

4.2 傳感器實驗?zāi)K設(shè)計

以測控電路原理實驗和虛擬儀器仿真實驗為主，結(jié)合理論知識，讓學(xué)生自己動手搭建相對應(yīng)的儀器與電路，使其扎實地掌握測控系統(tǒng)中涉及的基礎(chǔ)知識點，以模塊化工業(yè)對象為載體，設(shè)計了光電開關(guān)傳感器、電渦流傳感器、振動加速度傳感器、振動速度傳感器、磁電傳感器等各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器實驗。圖3顯示了本實驗?zāi)K提供的一種磁電轉(zhuǎn)速傳感器測量原理。傳感器實驗?zāi)K以驗證性實驗為主，將工程測試與傳感器、信號與系統(tǒng)、虛擬儀器等課程的教學(xué)與實驗緊密結(jié)合，理論聯(lián)系實際。

4.3 綜合實驗?zāi)K設(shè)計

在掌握以上的知識后，教師對現(xiàn)有對象提出新的設(shè)計思路或要求，讓學(xué)生重新設(shè)計或改裝實驗對象，得到期望的實驗結(jié)果。例如，學(xué)生可以整合運動控制實驗和傳感器實驗的對象開發(fā)綜合測控對象。鍛煉三個方面的能力。（1）學(xué)習(xí)運動控制原理，伺服電機(jī)的調(diào)速特性，運動控制卡的接線，電機(jī)的各種參數(shù)設(shè)置，運動模式。（2）學(xué)習(xí)各種傳感器的基本原理，實用范圍，以及在各種測試條件下不同傳感器的選型方法。（3）學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)采集的相關(guān)知識，包含硬件連線和軟件采集。

5 結(jié)束語

測控實驗的關(guān)鍵技術(shù)是由相關(guān)的傳感器、測量儀器和測試裝置有機(jī)結(jié)合而獲得有用信息，并實施控制。測控實驗采用LabVIEW作為測量軟件，將硬件可靠性與LabVIEW軟件的通用、高效性相結(jié)合，方便組合各種不同的虛擬儀器測量平臺，不僅可降低實驗儀器費用，達(dá)到資源的充分利用，而且激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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