龐景月 曹曉莉 姚行艷 江 超

（重慶工商大學(xué)人工智能學(xué)院，重慶 400067）

0 引言

從19世紀初到20世紀末，測量儀器經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字儀器、智能儀器等階段，發(fā)展到現(xiàn)在的虛擬儀器。虛擬儀器是儀器類發(fā)展的重要趨勢，虛擬儀器功能強大，可實現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號發(fā)生器等多種普通儀器的功能。虛擬儀器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于重慶工商大學(xué)電子測量、振動分析、聲學(xué)分析、故障診斷、航天航空、軍事工程、電力工程、機械工程、建筑工程、鐵路交通、地質(zhì)勘探、生物醫(yī)療、教學(xué)及科研等諸多方面。目前針對儀器類、電子、自動化等專業(yè)已經(jīng)開設(shè)了虛擬儀器課程，并作為必修的專業(yè)拓展課程，通過LabVIEW軟件中前面板以及程序框圖設(shè)計的講授，使學(xué)生掌握以LabVIEW為平臺的測試、測量及實驗系統(tǒng)的開發(fā)方法和編程技巧，增強對于儀器軟件面板設(shè)計的實踐能力。但是在實際的課程環(huán)節(jié)設(shè)置以及教學(xué)開展過程中，往往由于課時以及專業(yè)限制，很多本科生課程的設(shè)計中虛擬儀器教學(xué)都集中于儀器軟面板的設(shè)計以及相應(yīng)控件的使用方法上，缺少對于硬件平臺以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)全流程的鍛煉。因此，本文將重點探討虛擬儀器實驗課程的設(shè)置以及實踐方法，以實際生活中的物理量采集為基礎(chǔ)，搭建其數(shù)據(jù)采集、傳輸以及顯示、存儲的全流程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輔以逐層深入的項目式教學(xué)以及練習(xí)，提出從軟件到硬件的實踐思路以及解決方案，為全面提升工科類相應(yīng)專業(yè)的實踐動手能力提供重要的參考思路。

1 以溫度數(shù)據(jù)采集項目為例的課程整體方案設(shè)計

溫度，作為日常生活中的常用物理量，其采集貼近生活，易于理解與入手，而且是工業(yè)過程采集中重要的物理量，對于評估設(shè)備的性能狀態(tài)至關(guān)重要。因此，本文以溫度數(shù)據(jù)采集為例，設(shè)計12課時的實驗課程，鍛煉學(xué)生的軟面板設(shè)計以及ELVIS的平臺使用能力，為學(xué)生構(gòu)建物理量的采集、存儲、顯示等功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程。整個項目的遞進方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 溫度數(shù)據(jù)采集實驗的項目式遞進方案設(shè)計

實驗課程以項目式方式開展，首先提出項目需求，以ELVIS和LabVIEW為平臺，設(shè)計集數(shù)據(jù)采集、顯示以及存儲為一體的儀器界面以及硬件電路，具體支持華氏/攝氏兩種顯示方式，溫度上限可以靈活設(shè)定，而且當(dāng)溫度超限時，報警計算器加1；當(dāng)用戶單擊“開始采集”按鈕后，系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，并用進度條指示當(dāng)前進度；采集過程中若單擊“暫停”按鈕則會彈出對話框暫停采集；采集點數(shù)可設(shè)置，在數(shù)據(jù)采集完畢后才能停止系統(tǒng)。

1.1 兩種溫度轉(zhuǎn)換體制實現(xiàn)

第一次課程要求利用隨機數(shù)實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集的模擬，支持攝氏以及華氏的溫度數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的20～40之間的隨機數(shù)，支持華氏/攝氏兩種顯示方式，可以設(shè)定溫度上限，當(dāng)溫度超限時，報警計算器加1。

1.2 數(shù)據(jù)的波形顯示

此部分將在第一次實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上，重點增加溫度圖表顯示（圖表）功能，圖表具備實時呈現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的功能，并具備溫度數(shù)據(jù)的循環(huán)產(chǎn)生功能。

1.3 溫度數(shù)據(jù)存儲至文件

增加保存溫度記錄功能（文件I/O）：文本文件格式（如序號、時間、溫度值）增加瀏覽溫度記錄功能（文件I/O）。讀取以及寫入表格文件的寫法中，表格文件是帶有特殊格式的文本文件，行數(shù)據(jù)用回車，列之間用制表符分隔；文件寫入以及讀寫操作涉及文件路徑操作。

1.4 事件結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集起止

在LabVIEW平臺中一個重要的概念就是數(shù)據(jù)流，在編程的時候可以來設(shè)置某些事件來對數(shù)據(jù)流進行干預(yù)，比如說單擊鼠標產(chǎn)生事件、按下鍵盤按鍵等，這些都可以被當(dāng)作為事件結(jié)構(gòu)的條件，進而實現(xiàn)對程序的控制。本程序使用布爾值的改變來進行采集程序的開啟；用事件結(jié)構(gòu)編寫“模擬溫度監(jiān)測系統(tǒng)”程序。

1.5 基于ELVIS平臺的室溫采集硬件設(shè)計

NI教育實驗室虛擬儀器套件（NI ELVIS）是一個工程實驗室解決方案，用于基于項目的學(xué)習(xí)，它結(jié)合了儀器和嵌入式設(shè)計與Web驅(qū)動的體驗，在實驗室、工作室和翻轉(zhuǎn)課堂上創(chuàng)建積極的學(xué)習(xí)環(huán)境，對工程基礎(chǔ)和系統(tǒng)設(shè)計有更深入的理解。對于溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需結(jié)合實際的硬件元件以及輸入輸出接口設(shè)計電路采集部分。

1.6 軟硬件協(xié)同調(diào)試

軟硬件協(xié)同調(diào)試則將LabVIEW的軟件界面以及硬件電路、驅(qū)動電路等進行協(xié)同調(diào)試，實現(xiàn)具備數(shù)據(jù)采集開始、結(jié)束、溫度數(shù)據(jù)采集存儲、顯示等功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

基于以上的項目設(shè)計，在實驗課程中講述最終目標以及各節(jié)課的目標，按照層層深入的方式，增加項目功能，如第一節(jié)課實現(xiàn)兩種溫度轉(zhuǎn)換體制，分別設(shè)計前面板實現(xiàn)攝氏與華氏溫度的轉(zhuǎn)換，然后逐漸增加數(shù)據(jù)波形顯示、數(shù)據(jù)存儲、事件結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集控制開始與結(jié)束等，在完成軟件功能設(shè)計后，隨機數(shù)模擬的溫度采集系統(tǒng)部分將采用硬件的ELVIS平臺以及溫度傳感代替，并實現(xiàn)ELVIS與軟件前面板的協(xié)同調(diào)試，從而在實驗課上完成整個項目。

2 項目式管理流程深入課堂

在整個12學(xué)時的課程設(shè)計過程中，按照項目過程執(zhí)行方式，即讓學(xué)生按照項目式執(zhí)行方式，完成項目需求分析、軟面板概要設(shè)計以及硬件設(shè)計，并按照深度遞增方式執(zhí)行，最終撰寫項目驗收報告。以此流程為學(xué)生們規(guī)范項目管理，為后續(xù)的工程項目的實施奠定文件管理以及流程基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生們的實踐動手能力。

其中項目需求部分需包含基本的溫度數(shù)據(jù)采集要求，按照規(guī)范文檔，在課程過程中完成，并且在此之前，會為學(xué)生講授溫度數(shù)據(jù)采集的意義，及不同場景下溫度數(shù)據(jù)采集的注意事項等，讓學(xué)生在進行項目開發(fā)前了解行業(yè)背景以及行業(yè)發(fā)展動態(tài)，知悉簡單的溫度數(shù)據(jù)采集后的應(yīng)用場景，拓展工程視野。

軟面板設(shè)計環(huán)節(jié)會以實驗報告的形式執(zhí)行，包括實驗步驟以及軟面板設(shè)計的結(jié)果等，此部分更重要的是軟件板的功能正確性和完整性的確認，以及會以思考題的方式考察學(xué)生對于控件使用的掌握程度。

硬件設(shè)計環(huán)節(jié)會在溫度數(shù)據(jù)模擬實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，對ELVIS平臺進行利用，結(jié)合傳感器采集溫度數(shù)據(jù)或者人體溫度等，結(jié)合運放實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集，此部分重點考察學(xué)生對于硬件驅(qū)動、硬件電路設(shè)計以及軟硬件協(xié)同調(diào)試能力的掌握。

在各個環(huán)節(jié)中，教師都應(yīng)及時督促學(xué)生們的項目進度，對難點重點進行演示、講授與提示，并拓展虛擬儀器的課外知識點，強調(diào)以項目組的形式，分小組進行實驗設(shè)計，保證實驗課的課堂效率與學(xué)習(xí)效果。

3 做、講、寫多角度考核能力

針對實際的工程型人才，要求其具備項目實踐、項目講解以及項目文檔寫作能力等，在實際的常規(guī)實驗課程環(huán)節(jié)中，通常是以鍛煉學(xué)生的動手能力為主，但在實際的項目中，文檔規(guī)范、項目驗收講述等同樣重要，為此，在實驗過程中增強過程考核，培養(yǎng)學(xué)生們的實際動手能力，項目內(nèi)容講述以及項目文檔撰寫能力，從多種角度加強綜合型人才的培養(yǎng)，如講述項目的背景，項目的方案、項目的調(diào)試過程以及最終結(jié)果的演示等，并對文檔的規(guī)范性進行考核。以此從做、講、寫多角度考核學(xué)生們的能力。

4 應(yīng)用拓展延伸知識體系

溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在實驗課上的搭建與實現(xiàn)是相對簡單的過程，而透過該項目了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用場景和在不同場景中對溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求是非常重要的拓展行業(yè)背景的內(nèi)容。因此在最后項目完成后，應(yīng)拓展以下背景與行業(yè)內(nèi)容：

4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成以及設(shè)計要求

在此部分主要講述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分，可以采用的數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等，數(shù)據(jù)傳輸以及通信協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲文件要求等，豐富課堂內(nèi)容。

以上相關(guān)內(nèi)容知識點的拓展將豐富學(xué)生們關(guān)于構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的全流程認知。以此進一步提升與其他課程交叉知識點的遷移以及運用能力。

4.2 溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用場景

溫度數(shù)據(jù)作為工業(yè)系統(tǒng)中設(shè)備故障與否的重要物理量，在不同的應(yīng)用場景中均有涉及，如航空發(fā)動機的溫度數(shù)據(jù)、工廠車間的數(shù)據(jù)采集、工業(yè)過程環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集等，在這其中以一兩個場景為例，為學(xué)生們講解溫度是如何采集的，需要注意哪些問題，溫度數(shù)據(jù)又是如何應(yīng)用的。

如變壓器油溫監(jiān)測，油浸式變壓器依靠油作冷卻介質(zhì)，主要用于配電等大容量變壓器。運行時繞組和鐵芯的熱量先傳給油，然后通過油傳給冷卻介質(zhì)。如果油溫超過規(guī)定值，會縮短使用壽命或燒毀變壓器，因此必須對變壓器油溫進行監(jiān)測與控制。發(fā)電廠變壓器油溫監(jiān)控系統(tǒng)一般由計算機、溫度傳感器、信號調(diào)理電路、顯示儀表、輸入裝置、輸出裝置、驅(qū)動電路和風(fēng)扇等部分組成。溫度傳感器檢測變壓器上層油溫，通過調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，送入現(xiàn)場顯示儀表與監(jiān)控中心計算機，用以顯示、處理、記錄和判斷。當(dāng)超過規(guī)定上限溫度值時，計算機經(jīng)輸出裝置發(fā)出控制信號，驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動降低油溫。調(diào)理電路可用溫度變送器，將溫度變化轉(zhuǎn)換為1～5V的標準電壓值。

以上相關(guān)案例的講解以及呈現(xiàn)將為學(xué)生們拓展簡單實驗課程與實際應(yīng)用的思路，遷移其實際應(yīng)用能力，為后續(xù)相應(yīng)比賽以及課程設(shè)計提供思路。

4.3 溫度數(shù)據(jù)采集的注意事項

結(jié)合溫度采集系統(tǒng)，為學(xué)生們講授溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計注意事項，如采集的溫度范圍、數(shù)據(jù)的傳輸距離、數(shù)據(jù)量對存儲設(shè)備的要求、傳感器如何選擇等，以此對照實驗中室溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，豐富現(xiàn)有案例的基礎(chǔ)知識。并比較虛擬儀器的優(yōu)勢，軟面板設(shè)計靈活，體會軟件即儀器的概念。

5 結(jié)語

虛擬儀器以LabVIEW語言為基礎(chǔ)，通過軟件前面板設(shè)計實現(xiàn)儀器的靈活設(shè)計以及優(yōu)化，目前在航空航天、消費電子、工業(yè)過程等領(lǐng)域具有重要的市場需求以及應(yīng)用前景。該課程是儀器類、電子信息類等專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，以培養(yǎng)儀器設(shè)計與實現(xiàn)工程人才為目標，但目前存在軟件教學(xué)為主，實驗系統(tǒng)性設(shè)計不足的問題。本文以溫度數(shù)據(jù)采集案例為例，設(shè)計虛擬儀器課程實驗實踐方案，以逐層深入的方式，培養(yǎng)學(xué)生對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體認知，具有較好的參考作用，可在本科課程設(shè)計中進行示范性教學(xué)。