王 桔， 丁 銳

(長春大學(xué) 電子信息學(xué)院，長春 130022)

基于Nextboard的《測控電路》實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真的設(shè)計(jì)

王 桔， 丁 銳

(長春大學(xué) 電子信息學(xué)院，長春 130022)

本文基于虛擬儀器Nextboard開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)《測控電路》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的仿真設(shè)計(jì)及在測控實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的相關(guān)應(yīng)用。通過熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行溫度測量，有效地運(yùn)用了LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，將諸多重要步驟都在配備硬件的普通PC電腦上完成，使得整個(gè)測量的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向軟件的設(shè)計(jì)，是虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于測量控制領(lǐng)域的一個(gè)典型范例。為《測控電路》實(shí)驗(yàn)課程闡述了具體的實(shí)現(xiàn)方法，并為實(shí)驗(yàn)的改革指明了一個(gè)很好的方向。實(shí)踐表明，基于Nextbaord平臺應(yīng)用于測控實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有良好的效果。

Nextboard；LabVIEW；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

1 《測控電路》實(shí)驗(yàn)教學(xué)概述

“測控電路”是本科測量控制與儀器專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在電子信息類專業(yè)及相關(guān)工科領(lǐng)域起著舉足輕重的作用?！皽y控電路”這門課在學(xué)習(xí)電子電路的基礎(chǔ)上，還要面向生產(chǎn)實(shí)踐，面向測控任務(wù)，靈活掌握測量控制系統(tǒng)中的功能電路的應(yīng)用?；緶y控系統(tǒng)是由最前端傳感器、主要組成部分測控電路以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成的。如圖1所示。

圖1 測控系統(tǒng)的組成

要想更加深入地理解并掌握《測控電路》這門課程，則需要將實(shí)踐與理論相結(jié)合，也就是《測控電路》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但是，長期以來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的落后在一定程度上制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量?；趥鹘y(tǒng)儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅在設(shè)備的維護(hù)上工作量較大，而且在設(shè)備的購置上成本也較高。而且，對于理工科實(shí)驗(yàn)，尤其是像“測控電路”這門課理論的概念及內(nèi)容更加生澀難懂，在課堂上的理論學(xué)習(xí)部分就很難讓學(xué)生明白和掌握，在《測控電路》實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中通常需要多個(gè)儀器配合使用，如信號源、電壓表、示波器等，這不僅增大了設(shè)備的投入和維修成本，而且傳統(tǒng)儀器較大的個(gè)體也對實(shí)驗(yàn)場地的需求有所增加。

此外,隨著遠(yuǎn)程教育的不斷發(fā)展,越來越多的學(xué)生開始通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)。但是，遠(yuǎn)程教育的缺點(diǎn)就是學(xué)習(xí)者不能夠在實(shí)驗(yàn)室里做真實(shí)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。因此，如何利用虛擬儀器這類新技術(shù)解決這些問題,已引起了很多的高校管理者和實(shí)驗(yàn)工作者的關(guān)注。將這些傳統(tǒng)儀器集成在一臺虛擬儀器中，不但便于試驗(yàn)的進(jìn)行而且還降低了試驗(yàn)的成本，同時(shí)也極大地提升了“測控電路”這門課程的教學(xué)水平。針對目前實(shí)驗(yàn)室存在的試驗(yàn)手法落后及在課堂上理論的生澀難懂的弊病，實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入虛擬儀器不但可以解決設(shè)備更新過慢、儀器老化過于嚴(yán)重等問題，還可以使試驗(yàn)教學(xué)效果得以提高，甚至可以將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果搬到理論課堂，結(jié)合理論知識的講解讓學(xué)生對“測控電路”這門課程的概念理解更加容易及深刻。

2 Nextboard平臺概述

Nextboard是泛華公司為工科院校師生打造的用于工程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)平臺。平臺基于虛擬儀器技術(shù)，配合泛華及第三方自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，可以完成傳感器、電工、模擬電路、基礎(chǔ)物理、控制原理等實(shí)驗(yàn)。通過Nextboard平臺，學(xué)生可以隨意地動(dòng)手搭建模塊電路，非常靈活地組建各種實(shí)驗(yàn)電路，在動(dòng)手操作的過程中，學(xué)生可以將理論知識掌握得更扎實(shí)，并且還能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。圖2為Nextboard實(shí)驗(yàn)平臺。

圖2 Nextboard實(shí)驗(yàn)平臺

Nextboard實(shí)驗(yàn)平臺可以通過NI公司的LabVIEW軟件隨時(shí)編寫相應(yīng)程序來組建各種課程需要應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)。因此，Nextboard實(shí)驗(yàn)平臺需要連接NI(美國國家儀器) M、X系列的數(shù)據(jù)采集卡，Nextboard實(shí)驗(yàn)平臺在搭建不同的學(xué)科實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要應(yīng)用自配的不同學(xué)科的模塊，而對于不同學(xué)科的實(shí)驗(yàn)，Nextboard實(shí)驗(yàn)平臺所展示的通用性的確極其良好。正是良好的通用性使得Nextboard非常適合教學(xué)實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。

Nextboard還為使用者提供了一目了然的軟面板，互動(dòng)性良好。Nextboard軟面板，如圖3所示。使用者可以在軟面板中直接組建各種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，泛華在軟面板中還為使用者提供了可以適用Nextboard上的全部資源。

3 RTD熱電阻實(shí)驗(yàn)?zāi)K

熱電阻(thermal resistor)是在中低溫區(qū)最常見的溫度檢測器。熱電阻的測溫原理是基于金屬導(dǎo)體的阻值會隨溫度增加而增大的特性來進(jìn)行測量溫度的。其主要特點(diǎn)是：測量的精度較高，相關(guān)性能比較穩(wěn)定。

3.1 RTD熱電阻的工作原理

熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)來進(jìn)行測溫的，即電阻阻值會隨溫度的改變而改變的特性。金屬熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系表達(dá)式如下，即

Rt = Rt0[ 1 + α ( t - t0) ]

(1)

此式中Rt是溫度t時(shí)的電阻阻值；Rt0是溫度為t0時(shí)對應(yīng)的電阻值，α是溫度系數(shù)，半導(dǎo)體熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系為

Rt = A e B/t

(2)

此式中Rt是溫度為t時(shí)的電阻阻值，A、B取決于材質(zhì)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。

Nextboard實(shí)驗(yàn)平臺提供了多種實(shí)驗(yàn)?zāi)K，而熱電偶實(shí)驗(yàn)?zāi)K則是《測控電路》中非常重要的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。因此，應(yīng)用此模塊可以對該課程實(shí)驗(yàn)方便、快捷、直觀的演示。熱電偶實(shí)驗(yàn)?zāi)K如圖4所示。

4 Nextboard實(shí)驗(yàn)平臺組建

熱電偶實(shí)驗(yàn)平臺由兩個(gè)方面組建而成。一個(gè)是硬件設(shè)計(jì)，另一個(gè)是軟件實(shí)驗(yàn)平臺界面。硬件設(shè)計(jì)中，應(yīng)用Nextboard硬件平臺，插入熱電偶實(shí)驗(yàn)?zāi)K，利用杜邦線搭建實(shí)驗(yàn)電路，如圖5所示，開啟平臺電源。在熱電偶實(shí)驗(yàn)?zāi)K上，如圖4所示。用虛線表示需要外接備選電阻，分別有3種不同的電阻值可供選擇。根據(jù)用戶所選的電阻值不同，得到的放大倍數(shù)也不盡相同。放大倍數(shù)=備選電阻值/50Ω，若實(shí)驗(yàn)選擇10KΩ，則放大倍數(shù)Gain=10KΩ/50Ω=200倍。

圖5 RTD熱電阻硬件接線

圖6 RTD熱電偶實(shí)驗(yàn)界面

泛華Nextboard實(shí)驗(yàn)軟件平臺為我們提供了交互良好的實(shí)驗(yàn)界面。打開nextboard軟面板nextpad，在 nextpad 主界面中選擇熱電偶實(shí)驗(yàn)圖標(biāo)，雙擊進(jìn)入，RTD熱電偶實(shí)驗(yàn)界面如圖6所示。

結(jié)合著Nextboard面板中的硬件連線，單擊Nextpad軟件界面中的運(yùn)行按鈕，可以在Nextpad運(yùn)行面板中看到熱電偶實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的曲線數(shù)據(jù)，如圖7所示。并且還可以將熱電偶的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以Word形式進(jìn)行保存，以便后期使用。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存，如圖8所示。因此，從實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的結(jié)果可以清楚地得到與理論課程中所得到的結(jié)論完全相同。

圖7 RTD測溫曲線

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存

5 《測控電路》實(shí)驗(yàn)教學(xué)總結(jié)

“測控電路”是一門專門針對測控技術(shù)與儀器專業(yè)的基礎(chǔ)課，通過對測控系統(tǒng)的分析，測控系統(tǒng)主要由3部分組成，最前端是信號的采集，中間為測控電路，最末端為執(zhí)行輸出。而測控電路則是處理信號、放大、去噪及運(yùn)算的最重要的一個(gè)組成。而熱電偶部分則是《測控電路》運(yùn)算放大內(nèi)容中的重中之重。對于熱電偶的實(shí)驗(yàn)，原理比較難掌握，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)平臺即不方便，又不能形象的演示出運(yùn)算放大的規(guī)律及趨勢。而應(yīng)用泛華Nextboard實(shí)驗(yàn)平臺下的熱電偶實(shí)驗(yàn)?zāi)K，搭建完成的熱電偶實(shí)驗(yàn)則可以更清楚，更簡潔地讓學(xué)生快速并扎實(shí)地掌握《測控電路》放大電路部分中的經(jīng)典測控電路。同時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用Nextboard平臺完成實(shí)驗(yàn)使得學(xué)生們的求知欲更加高漲，更能提高學(xué)生們的動(dòng)手能力。因此，我們可以進(jìn)一步應(yīng)用Nextboard平臺結(jié)合LabVIEW軟件，設(shè)計(jì)更多課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)，為理論課程更加完美的結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容做出更好的探索及推廣。

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責(zé)任編輯：劉 琳

DesignforExperimentTeachingSimulationofMeasurementandControlCircuitBasedonNextboard

WANG Ju, DING Rui

(College Electronic Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

This paper realizes the simulation design ofMeasurementandControlCircuitand its related application in experimental teaching based on the virtual instrument Nextboard development platform, which carries out temperature measurement by thermocouple cold end compensation and effectively uses LabVIEW virtual instrument technology to complete a number of important steps on a regular PC computer equipped with hardware, making the key to entire measurement turn to the design of the software and being a typical example of the application of virtual instrument technology in the field of measurement and control. This paper expounds the concrete realization method forMeasurementandControlCircuitexperiment course and points out a good direction for the experiment reform. The practice shows that the application of Nextbaord platform has good effect in the experimental teaching.

Nextboard; LabVIEW; experimental teaching

2016-11-21

吉林省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題(GH16096)

王桔(1980-)，女，吉林長春人，講師，博士，主要從事電子與通信工程方面研究。

G642

A

1009-3907(2017)10-0099-03