虛擬測控實驗教學分析

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摘要：針對目前測控實驗教學以單一課程、插拔式、驗證式實驗為主等相關測控實驗現狀，為了提高學生學習興趣，緊密結合實際應用，更好地達到實驗教學目標，在實驗教學過程中，根據學生的基礎知識特點，安排適宜的實驗，因材施教。圍繞“多學科綜合、緊密結合實際應用”原則，本文提出了基于LabVIEW虛擬儀器的測控實驗教學的方法，把傳感器技術和運動控制結合在一個平臺上。

關鍵詞：傳感器；虛擬儀器；教學方式；多學科綜合

0前言

測試測量與控制技術，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、應用和控制的全過程。測控技術涉及多個學科領域，如計算機技術、電子技術、自動控制技術、傳感器技術、信號分析與處理、工程測試技術等。測控技術系列課程教學改革的重要目標之一就是將傳統的“老師為主體的驗證性實驗教學模式”改為“學生為主體的結合實際應用的設計、分析實驗模式”，重點培養提出問題、研究問題、解決問題的能力，提高學生的學習興趣和創新能力，培養適應社會需求的人才。整個實驗包括從基礎的計算機系統、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（virtualinstrumention）是一種圖形化編程語言，被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件，以通用的計算機硬件及操作系統為依托，在測量和自動化領域得到廣泛應用，而且對傳統的實驗教學方法產生了很大影響，虛擬儀器的應用越來越廣泛，將虛擬儀器技術應用于教育教學是虛擬儀器應用的不斷拓展和教育教學發展的必然要求，本文以虛擬儀器為開發環境，構建了基于運動控制的傳感器實驗教學平臺。

1基于LabVIEW的測控實驗建設思路

由于微電子、計算機、軟件和網絡技術的發展，使新的測試理論、測試方法以及儀器結構不斷發展成熟，基于LabVIEW虛擬儀器的測控技術創新實驗教學逐步形成新的發展趨勢，以計算機為核心，由強大的測試應用軟件支持，具有模塊化、互換性、資源復用性，同時可方便、經濟地組建自動測試系統，測控技術實驗具有以下特點：

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

（2）多學科技術交叉融合：測控技術是多學科技術交叉融合的典型技術，信息論、控制論、系統論是測控專業的理論基礎，信息技術、測控技術、系統網絡技術是測控專業的基本技術，多學科交叉與多系統集成是測控專業的顯著特點。

（3）緊密聯系實際，提高學生興趣,隨著生產技術的發展需要，測控技術從最初的控制單個設備到控制整個過程及系統，特別是在當今現代科技領域的尖端技術中，測控技術起著至關重要的作用。

（4）內容上由簡到難、循序漸進：按照“基礎原理驗證性實驗、設計性實驗、綜合性實驗、創新性實驗”的思路來逐步提高學生學習動手能力，讓學生從原理到實際應用來逐步學習和認識，最后有機會進行創造性的綜合實驗。

（5）便于擴展：虛擬儀器的軟硬件系統可以方便進行重新組合和設計，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整個系統。在利用最新技術的時候，把它們集成到現有的測量設備中，最終以極少的成本改進現有的實驗設施。

2虛擬測控實驗系統整體內容

整個實驗系統包括虛擬儀器軟件和測控系統硬件。虛擬儀器采用LabVIEW圖形化開發環境，具有界面友好、易于掌握、編程靈活、設計效率高等優點，硬件平臺包括數據采集卡、各類實驗用傳感器、信號調理電路及各種相關實驗器材。傳感器的輸出信號由數據采集卡采集，經由信號調理電路對信號進行放大和濾波，使其與數據采集卡中的A/D轉換器相匹配并提供足夠的驅動。另外，還包含驅動控制模塊、電機，工業對象等，根據不同的實驗內容，采用不同的工業模組，仿真工業測試環境，培養學生掌握測試測量和電機控制的實驗技能，讓學生在自由創新的空間形成正確的、科學的思想，測控系統總體框。測控對象可以是運動機械對象，如伺服電機、步進電機等，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，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節，將待測參數值按一定規律變換成為電信號或其他信號輸出；調理電路就是信息處理電路，將待測信號轉化為標準電信號，以便數據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提供的豐富的函數庫，將數據采集到的標準數字信號，對其進行分析、處理；顯示采用虛擬儀器圖形化的軟件面板替代常規的傳統儀器面板，同樣具有實際儀器相似的旋鈕、開關、指示燈及其他控制部件。

3實驗模塊設計

3.1運動控制實驗模塊設計

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。開始實驗之前，學生必須仔細閱讀智能控制與驅動模塊軟硬件說明書，掌握電機控制線和電源線與控制器的連接方式，模擬量、數字量怎么接入控制器，驅動器的設置、運動編程、實際物理單位和以編碼器表示的內部編程的計算機單位的轉換、存儲器映射等相關知識點，工程文件配置包含電機參數、編碼器線數、控制模式以及相應控制參數信息，然后使用LabVIEW調用智能控制與數字伺服驅動模塊動態鏈接庫，可以檢測各類電機參數，發送電機運動控制指令，讀取編碼器、I/O通道、AD通道的反饋，輕松實現電機的開環、半閉環、全閉環控制以及相關信號檢測，編制LabVIEW程序，圖2所示的運動控制虛擬面板為簡單的電機控制實驗前面板。

3.2傳感器實驗模塊設計

以測控電路原理實驗和虛擬儀器仿真實驗為主，結合理論知識，讓學生自己動手搭建相對應的儀器與電路，使其扎實地掌握測控系統中涉及的基礎知識點，以模塊化工業對象為載體，設計了光電開關傳感器、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標準傳感器實驗。圖3顯示了本實驗模塊提供的一種磁電轉速傳感器測量原理。傳感器實驗模塊以驗證性實驗為主，將工程測試與傳感器、信號與系統、虛擬儀器等課程的教學與實驗緊密結合，理論聯系實際。

3.3綜合實驗模塊設計

在掌握以上的知識后，教師對現有對象提出新的設計思路或要求，讓學生重新設計或改裝實驗對象，得到期望的實驗結果。例如，學生可以整合運動控制實驗和傳感器實驗的對象開發綜合測控對象。鍛煉三個方面的能力。（1）學習運動控制原理，伺服電機的調速特性，運動控制卡的接線，電機的各種參數設置，運動模式。（2）學習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）學習數據采集的相關知識，包含硬件連線和軟件采集。

4結束語

測控實驗的關鍵技術是由相關的傳感器、測量儀器和測試裝置有機結合而獲得有用信息，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，達到資源的充分利用，而且激發學生自主學習的積極性，促進學生動手能力和創新意識的培養。

參考文獻

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[3]魏宏波,劉篤喜.基于虛擬儀器技術的測控教學實驗系統的構建[J].計算機工程與設計,2008.29(5).

作者：李孝茹 劉建國 單位：上海理工大學機械工程學院