基于“虚拟仪器”技术的电类实验教学系统开发.doc

基于“虚拟仪器”技术的电类实验教学系统开发 摘要：以NI公司的虚拟仪器技术的软硬件为基础，开发了基于“虚拟仪器”技术的电类实验教学系统，该系统包含三级登陆界面的设计和数据管理、自动控制原理虚拟实验系统、传感器与数据采集虚拟实验系统、自动化测试虚拟实验系统、典型控制系统虚拟实验系统，涵盖了自动化相关专业的主要内容。既有助于学生对理论知识的学习，也有助于学生创新能力的提高。 近年来，随着高校在校生规模的不断扩大，以及国家对高校教学质量、办学条件的严格要求，国内高校对教学实验设备有着巨大的需求。鉴于目前高校教学经费相对不足，难以在较短时间内扩充和更新大量的实验设备，同时实验设备的管理维护、实验室的完全对外开放也存在各种各样的问题，因此使一些应该开设的教学实验无法保质、保量的正常进行，这在一定程度上会影响到教学质量的提高。采用虚拟实验室系统则可以弥补这些方面的不足，学生足不出户便可以做各种各样的实验，获得与真实实验一样的收获，从而丰富感性认识，加深对教学内容的理解。 同时，高校学生拥有计算机的比重较高，学校机房、网络设施也较完备，使用虚拟实验系统，学生只要有一台计算机，或者再加上几个数据板卡，就可以选择不同类型的实验项目进行实验，不受时间地点的限制，同时大大降低了实验室管理人员和实验指导教师的劳动强度。因此，我们立足于自己的专业，开发了基于“虚拟仪器”技术的电类实验教学系统。 二、实验系统的主要研究内容 基于“虚拟仪器”技术的电类实验教学系统是把控制仿真、传感器选型和数据采集、自动化测试、典型控制系统设计等自动化关键技术综合在一起的实验系统，主要开发了该实验系统的登陆界面和数据的管理设计、自动控制原理虚拟实验系统、传感器与数据采集虚拟实验系统、自动化测试实验系统、典型控制虚拟实验系统。 （一）登陆界面和数据的管理设计 登陆界面包含三级界面：登陆主界面的设计（如图1，后台程序如图2）、选择不同项目进行实验的二级子界面（如图3）、子实验系统的具体实验项目选择三级子界面设计（如图4，以自动控制原理虚拟实验系统为例）。其中登陆主界面主要是该系统的简单介绍，是实验人员和管理员的登陆管理；二级子界面设计，完成对不同子实验系统的选择；具体实验项目选择界面共有四个：用于选择自动控制原理的实验系统、传感器与数据采集实验系统、自动化测试实验系统和典型控制实验系统中某个具体实验。 数据的管理设计主要是数据库的管理以及实验数据结果的保存、报表的设计等。用户包括管理员和普通登陆人员两种形式。管理员可以对普通用户进行管理，而普通人员只能进行密码修改（如图5）。 （二）实验内容的设计 该实验系统中包含四个子实验系统，涵盖自动化相关专业的主要专业课内容：从控制设计与仿真到传感器和数据采集，再到电子测量中常用到仪表的设计和自动化测试平台的搭建，最后是典型控制系统，既与自动化专业的基本培养目标相一致，又注意学生创新能力的培养。 因此，自动控制原理的理论性较强，实验内容为控制设计与仿真实验，注重某个参数发生了变化，或增加某个环节系统响应的变化情况。自动控制原理虚拟实验系统包括：基于LabVIEW的一阶系统典型环节分析、二阶系统时域分析、系统稳定性、频域分析、系统校正、采样系统、采样系统校正和非线性控制系统分析8个虚拟实验，图6和图7是其中一个实验的前面板和后台程序。 传感器与数据采集实验内容既有传统传感器的实验，又有新型传感器的实验，但实验的开发注重把传感器放到实际的监控系统中去完成数据采集，只监不控，设置越限报警。该虚拟实验系统包括基于“虚拟仪器”技术的热电偶测温、霍尔传感器测重、热电阻和湿度传感器的温湿度检测、电涡流传感器测振动、超声波测距、烟雾传感器、烟雾报警器等七个虚拟实验。 自动化测试实验系统包含两部分内容：一是利用虚拟仪器技术设计电子测量过程中常用到的虚拟仪表，让学生通过实验熟悉常用仪表的使用方法；二是利用虚拟仪器技术搭建具体的测试平台，让学生了解虚拟仪表在测试系统中的作用，该实验系统包括：基于“虚拟仪器”的虚拟示波器，虚拟函数信号发生器实验，多项参数可调的脉冲信号发生器实验，单车测试平台开发实验，多通道、多接口通用测试平台，实验远程通信测试实验。 典型控制实验系统包含了单片机控制系统、过程控制系统、运动控制系统的设计，涉及到被控对象、传感器选型、数据采集硬件确定、通信程序、控制算法、上位机监控界面设计，是自动化技术的综合体现，为学生今后从事系统开发提供了锻炼机会。该实验系统包括基于“虚拟仪器”的电能质量分析系统、智能车仿真系统、水文雨量监测系统、污水处理监控系统和机器人运动控制系统。 三、实验系统的创新点 利用虚拟仪器的强大软硬件功能，把控制仿真、传感器选型、数据采集、自动化测试、典型控制系统设计等自动化关键技术综合在一起的实验系统，作为硬件实验室的有益补充，解决在实验设备老化、实验设备不足、实验经费紧张和实验时间不够的情况下，如何提高学生综合技能和实践技能的问题。 从基础到综合、从简单到复杂的实验内容设计，符合学生学习规律；实验项目的可拓展性设计，有利于激发学生的创新思维；虚拟仪器的灵活多变性，简单易学的特点使得学生的创新思维能够实现。因此该系统的开发可以为学生提供一个进行自主学习和创新设计的平台。 仪器和系统的设计是自动化应用型本科人才拥有一技之长的途径之一。虚拟仪器技术中的软件即仪器和系统，仪器和系统的设计涵盖了自动化专业的软硬件技术，学生通过实验在更好地掌握专业知识的同时，也学习了和自己专业密切相关的虚拟仪器技术，并成为学生的一技之长，这有利于提高学生的就业竞争力和工作后的影响力。 四、系统的推广使用价值 该实验系统可以在只有一台计算机或少量硬件设备，甚至不需要任何硬件设备的情况下进行实验，同时利用不同的软件模块，相同的硬件设备，使用者可以进行不同的实验，或根据自己的想法搭建不同的其他实验项目，学生普遍反映较好，因此在广大高校中具有推广应用价值。