李孝茹　劉建國(guó)

摘 要 針對(duì)目前測(cè)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)以單一課程、插拔式、驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)為主等相關(guān)測(cè)控實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，更好地達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)特點(diǎn)，安排適宜的實(shí)驗(yàn)，因材施教。圍繞“多學(xué)科綜合、緊密結(jié)合實(shí)際應(yīng)用”原則，本文提出了基于LabVIEW虛擬儀器的測(cè)控實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法，把傳感器技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制結(jié)合在一個(gè)平臺(tái)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(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(cè)試測(cè)量與控制技術(shù)，簡(jiǎn)稱測(cè)控，簡(jiǎn)短的兩個(gè)字包含了從信號(hào)的獲取、放大、傳輸、處理、應(yīng)用和控制的全過(guò)程。測(cè)控技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號(hào)分析與處理、工程測(cè)試技術(shù)等。測(cè)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(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”改為“學(xué)生為主體的結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)、分析實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健?，重點(diǎn)培養(yǎng)提出問(wèn)題、研究問(wèn)題、解決問(wèn)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(huì)需求的人才。整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括從基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、傳感器信號(hào)獲取、信號(hào)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(yǔ)言，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，在測(cè)量和自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法產(chǎn)生了很大影響，虛擬儀器的應(yīng)用越來(lái)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(kāi)發(fā)環(huán)境，構(gòu)建了基于運(yùn)動(dòng)控制的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

1 基于LabVIEW的測(cè)控實(shí)驗(yàn)建設(shè)思路

由于微電子、計(jì)算機(jī)、軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，使新的測(cè)試?yán)碚摗y(cè)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(cè)控技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐步形成新的發(fā)展趨勢(shì)，以計(jì)算機(jī)為核心，由強(qiáng)大的測(cè)試應(yīng)用軟件支持，具有模塊化、互換性、資源復(fù)用性，同時(shí)可方便、經(jīng)濟(jì)地組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn)：

（1）個(gè)性化的功能儀器：本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用虛擬儀器將各種不同的儀器硬件連接到計(jì)算機(jī)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)高速的軟硬件資源，將計(jì)算機(jī)硬件和測(cè)量?jī)x器等硬件資源與計(jì)算機(jī)軟件資源有機(jī)結(jié)合起來(lái)完成特定的功能，利用該技術(shù)，可替代傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器，如頻譜儀、示波器等。

（2）多學(xué)科技術(shù)交叉融合：測(cè)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(cè)控專業(yè)的理論基礎(chǔ)，信息技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是測(cè)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(cè)控專業(yè)的顯著特點(diǎn)。

（3）緊密聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生興趣，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展需要，測(cè)控技術(shù)從最初的控制單個(gè)設(shè)備到控制整個(gè)過(guò)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(cè)控技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。

（4）內(nèi)容上由簡(jiǎn)到難、循序漸進(jìn)：按照“基礎(chǔ)原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)”的思路來(lái)逐步提高學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)手能力，讓學(xué)生從原理到實(shí)際應(yīng)用來(lái)逐步學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)，最后有機(jī)會(huì)進(jìn)行創(chuàng)造性的綜合實(shí)驗(yàn)。

（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(jì)，靈活運(yùn)用。就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新技術(shù)的時(shí)候，把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備中，最終以極少的成本改進(jìn)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)施。

3 虛擬測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體內(nèi)容

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括虛擬儀器軟件和測(cè)控系統(tǒng)硬件。虛擬儀器采用LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有界面友好、易于掌握、編程靈活、設(shè)計(jì)效率高等優(yōu)點(diǎn)，硬件平臺(tái)包括數(shù)據(jù)采集卡、各類實(shí)驗(yàn)用傳感器、信號(hào)調(diào)理電路及各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材。傳感器的輸出信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采集，經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)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(dòng)。另外，還包含驅(qū)動(dòng)控制模塊、電機(jī)，工業(yè)對(duì)象等，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用不同的工業(yè)模組，仿真工業(yè)測(cè)試環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生掌握測(cè)試測(cè)量和電機(jī)控制的實(shí)驗(yàn)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(cè)控系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1中的測(cè)控對(duì)象可以是運(yùn)動(dòng)機(jī)械對(duì)象，如伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，可以是運(yùn)動(dòng)對(duì)象的位移、速度、加速度等參量，也可以是過(guò)程參數(shù)，傳感器是檢測(cè)裝置，能感受被測(cè)量的信息，是自動(dòng)檢測(cè)和控制的首要環(huán)節(jié)，將待測(cè)參數(shù)值按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他信號(hào)輸出;調(diào)理電路就是信息處理電路，將待測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，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(hào)處理的一部分;分析主要指采用LabVIEW提供的豐富的函數(shù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)采集到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，對(duì)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(shí)際儀器相似的旋鈕、開(kāi)關(guān)、指示燈及其他控制部件。

4 實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

4.1 運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用TS-ICD-5A智能控制器，被控對(duì)象為1000線的伺服電機(jī)。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前，學(xué)生必須仔細(xì)閱讀智能控制與驅(qū)動(dòng)模塊軟硬件說(shuō)明書(shū)，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(dòng)器的設(shè)置、運(yùn)動(dòng)編程、實(shí)際物理單位和以編碼器表示的內(nèi)部編程的計(jì)算機(jī)單位的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)器映射等相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，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(dòng)模塊動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，可以檢測(cè)各類電機(jī)參數(shù)，發(fā)送電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制指令，讀取編碼器、I/O通道、AD通道的反饋，輕松實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)控制以及相關(guān)信號(hào)檢測(cè)，編制LabVIEW程序，圖2所示的運(yùn)動(dòng)控制虛擬面板為簡(jiǎn)單的電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)前面板。

4.2 傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

以測(cè)控電路原理實(shí)驗(yàn)和虛擬儀器仿真實(shí)驗(yàn)為主，結(jié)合理論知識(shí)，讓學(xué)生自己動(dòng)手搭建相對(duì)應(yīng)的儀器與電路，使其扎實(shí)地掌握測(cè)控系統(tǒng)中涉及的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，以模塊化工業(yè)對(duì)象為載體，設(shè)計(jì)了光電開(kāi)關(guān)傳感器、電渦流傳感器、振動(dòng)加速度傳感器、振動(dòng)速度傳感器、磁電傳感器等各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器實(shí)驗(yàn)。圖3顯示了本實(shí)驗(yàn)?zāi)K提供的一種磁電轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量原理。傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，將工程測(cè)試與傳感器、信號(hào)與系統(tǒng)、虛擬儀器等課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，理論聯(lián)系實(shí)際。

4.3 綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)

在掌握以上的知識(shí)后，教師對(duì)現(xiàn)有對(duì)象提出新的設(shè)計(jì)思路或要求，讓學(xué)生重新設(shè)計(jì)或改裝實(shí)驗(yàn)對(duì)象，得到期望的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，學(xué)生可以整合運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)和傳感器實(shí)驗(yàn)的對(duì)象開(kāi)發(fā)綜合測(cè)控對(duì)象。鍛煉三個(gè)方面的能力。（1）學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制原理，伺服電機(jī)的調(diào)速特性，運(yùn)動(dòng)控制卡的接線，電機(jī)的各種參數(shù)設(shè)置，運(yùn)動(dòng)模式。（2）學(xué)習(xí)各種傳感器的基本原理，實(shí)用范圍，以及在各種測(cè)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(shí)，包含硬件連線和軟件采集。

5 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)控實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)是由相關(guān)的傳感器、測(cè)量?jī)x器和測(cè)試裝置有機(jī)結(jié)合而獲得有用信息，并實(shí)施控制。測(cè)控實(shí)驗(yàn)采用LabVIEW作為測(cè)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(cè)量平臺(tái)，不僅可降低實(shí)驗(yàn)儀器費(fèi)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(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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