测控技术与仪器专业“三位一体”的教学改革研究与实践

杨 帆，程 雯，肖 贝，李国平

(1.武汉工程大学电气信息学院，湖北 武汉 430074；2.武汉工程大学智能机器人湖北省重点实验室,湖北 武汉 430074)

0 引 言

虚拟仪器技术代表测控技术的发展趋势，并将在工控行业得到广泛的应用。虚拟仪器、现场总线技术已被国内外用户所认可，现阶段，有些专业课程设置落后于科技发展，专业课实验多处于验证性、孤立的实验阶段，有些购买的实验装置功能单一且封闭。而学校实验设备经费有限，无力购买目前大型石化行业的控制系统，学生不能接触实际工业过程，面对目前严峻的就业形势，特别是要实现高端就业，教师必须自主研发模拟实际工业现场控制系统，让学生领悟控制系统的真谛。为使学生掌握本专业最新科技动态，更好的适应社会发展需求，结合测控技术与仪器专业的发展前景，凝炼了“测控技术及仪器专业课程体系改革研究(20050354)”、“基于Internet及LabVIEW构建现代集测控技术与控制系统创新实验体系(2003233)”、与“基于虚拟仪器的现代测控仪研制(20060271)”等前沿性科研成果，构建了独具特色的集“课程体系改革、实验体系创新和教学仪器研发”的“三位一体”教学改革研究，在人才培养实践、专业与课程建设中取得了显著的效果[1-3]。

1 测控技术与仪器专业课程体系改革

在深入研究目前测控技术与仪器专业特点的基础之上，提出了本专业人才培养体系的优化对策，以完善知识结构和拓宽知识面为核心，强化工程设计实践，提高专业覆盖面，使我们既能保持我校测控技术与仪器专业已有的面向化工行业特色，同时能适应新技术条件下仪器仪表行业的发展趋势，培养符合社会需要的人才。

1.1 改革人才培养方案

在对用人单位人才需求展开大量调研及测控技术与仪器专业毕业校友成功经验座谈会的基础上，结合目前测控技术发展趋势学校定位、学科和专业的特点以及本专业目前各方面的现状，修订了人才培养方案。相应的修改了教学计划，将学科基础课、专业课及实践教学环节学分比从原来的1.5∶1.5∶1.5调整为2∶1∶1.5，突出厚基础、宽口径、强工程实践能力教学理念。

1.2 优化课程体系

保留原有面向石油化工行业有关仪器仪表及过程控制方面的专业基础及专业方向课程,增加代表测控技术发展趋势的“虚拟仪器”、“现场总线”、全英文教材双语教学课程“《Measurement System Design And Application》”等专业课程及“现代测控技术综合试验”课程。对实验课程进行了良好整合，如将“单片机”及“微机原理”实验整合成“微机控制技术”实验课程。

1.3 创新实践教学体系

对实验课程体系和教学内容进行了改革与创新：一方面，建构了“基于Internet及LabVIEW的现代集成测控技术与控制系统”创新实验体系，编写实验指导书。在此基础上研发了“基于虚拟仪器的现代测控仪”。另一方面，实现了对实践性教学环节的改革。对毕业设计、传感器课程设计、单片机、微机原理等实验进行了大胆的改革与创新，毕业设计采用校内设计与宜化模式(我校我院最早在湖北宜化股份有限公司进行的校企联合指导学生完成毕业设计的模式)有机结合的模式；传感器课程设计将以往原理性设计改为集传感器、控制算法、单片机于一体的传感器应用设计；实现了单片机、微机原理单个实验向微机控制技术综合实验的转变。此外，在开发系列设计性、综合性实验的基础上，增加了为期两周的现代测控技术综合实验课程，学生能开发并模拟常见各种工业控制系统，真正实现从理论到实践的教学过程。近三年组建了三个国际联合实验室：武汉工程大学-美国TI.DSPS实验室、Altera公司SOPC技术、日本瑞萨联合实验室。学校组建了电子信息与控制实验教学示范中心，大学生创新基地，此外，还建立了10多个稳定的校外实习基地，为各种电子设计竞赛、培养学生实际工程应用能力、就业创造了十分有利的条件[4]。

2 构建了“基于Internet及LabVIEW的现代集测控技术与控制系统创新实验体系”

有些专业课程实验设置落后于社会的发展，实验内容单一，实验设备封闭，学生只能看最后结果，不能领会其中奥妙，针对此将虚拟仪器、单片机、电子技术、控制理论、网络等多种知识融合于一体，让学生了解各种知识之间的联系，了解控制系统从信号采集、处理、控制、显示(数码显示和虚拟仪器显示)之间的关系。设计了如下5个实验体系。

2.1 基于USB数据采集模块的虚拟仪器实验系统

USB知识应用非常广泛，但学生很少知道硬件知识及如何进行软件程序开发。该系统由基于USB数据采集模块和虚拟仪器构成。根据采样速度不同，设计了三种数据采集硬件模块。利用研发的实验装置及自行开发的用户软件实现了正弦信号输出[5]。

2.2 基于RS-485工业总线的通用传感器测量虚拟仪器系统

该系统模拟了工业现场数据采集、处理、用虚拟仪器显示的全过程。在工业测控中，需要能够采集多种类型的传感器(如光电、温度、压力等传感器)信号，需远距离传输，所以对数据采集硬件(测量变送系统)有特殊要求。设计中采用目前流行的RS-485工业总线、ATmega8535单片机、仪表放大器AD620、硅光电池等主要器件构成了光电检测实验系统，用虚拟仪器软件LabWindows/CVI(以下简称CVI)完成光电检测信号的输出[6]。

2.3 基于PWM的PID温度控制实验系统

该系统采用的是经典PWM控制方法，实验采用灯泡作为热源，由DS18B20数字温度传感器测量温度信号，送单片机实现温度信号处理、PID控制及3位LED数码对现场温度显示。由LabWindows/CVI实现温度控制曲线显示。

2.4 基于虚拟仪器的Internet模糊温度测控系统的实验室模拟

该系统实现了温度测控及远程监控，以AT89C51单片机和单总线数字温度传感器DS18B20为主要器件制作温度测控数据采集电路，用C51程序完成对传感器的数据采集和数据向LabVIEW的传输。通过PCI-6014来读取硬件电路数据。LabVIEW实现数据处理、测量温度曲线显示、预警、模糊温度控制及远程传输，用灯泡和小风扇作为执行机构[7-8]。

2.5 系统网络化功能的实现

通过将虚拟仪器软件系统与B/S结构企业应用集成，将测控数据实时反映到企业应用，并使用IE Web浏览器，通过Web访问测控数据，可以实现基于Web的远程测控系统。

3 教学仪器研发

该实验仪器是对实验体系测控装置的整合、扩展与深化，研发的实验仪器可以针对不同层次的学生完成不同的实验：基础差的学生可以观摩和复述实验过程；成绩一般的学生能够通过观摩实验，组建简单的测控系统；成绩优异的学生可以自行设计开放性实验。同时，该实验装置针对电子设计竞赛及挑战杯、求实杯等竞赛，能有效提高学生的应赛水平和技能，实验仪器在武汉工程大学测控专业进行试点实验，学生反映良好。

3.1 教学仪器总体设计

对象应方便在实验仪器内安装，实验过程透明，实验结果直观，因而确定6种实验硬件系统集成于同一仪表：(1)光电测控、(2)温度测控、(3)直流电机转速测控、(4)步进电机转速控制、(5)超声波测距、(6)红外传输。

3.2 实验仪器硬件设计

为完成上述六种信号的测控，选择了两种硬件实现方案，其中一种是用单片机作为控制器，利用上位机监控。设计了相关电路和PCB板。另一种方案MCU选用NXP(PHILIPS)LPC2138 ARM7；显示设备(液晶)选用KS0108 128×64单色STN液晶模块；执行机构选用4N35光电耦合器隔离驱动TIP122大功率达林顿晶体管，进而驱动继电器；与RS-485网络的通信先选用MAX232将MCU串口转换成为RS-232串口，然后通过RS-232 to RS-485转换器连接到RS-485网络上用液晶屏显示。上、下位机通过RS232信通。

3.3 系统软件设计

针对不同的测控系统，采用相应控制算法(如PID算法、自整定PID算法、模糊控制算法)，利用单片机或虚拟仪器实现这些控制算法。另外利用LabVIEW完成上位机监控界面，实现上述五种对象的测量与控制。

4 “三位一体”教学改革的辐射效应

为实现教学型大学向教学研究型大学转变，提高学生的动手能力与就业率，在测控技术与仪器专业进行了集“课程体系改革、实验体系创新、教学仪器研发”的“三位一体”系列教学改革与研究，在人才培养实践中取得了显著效果，成果得到了较好的推广与应用。

4.1 学生培养质量显著提高

参与特色班培养与训练的学生，近四年获全国、省级大学生电子设计大赛、全国“飞思卡尔”智能汽车大赛、瑞萨超级MCU模型车赛一、二、三等奖共计30多项。获湖北省优秀学士学位论文一、二、三等奖共计16项。近三年有20名左右的团队学生因动手能力出色被浙大中控、湖北宜化等单位在毕业前录用。

4.2 教学改革成效显著

a.通过课程体系改革、实验体系创新、教学仪器研发、联合实验室建设、实验课程进行了良好整合。2008年“电子信息与控制实验教学示范中心”被评为省级实验教学示范中心。

b.通过专业建设与课程体系改革研究与实践，电路、测控技术与仪器两门课程于2008年分别被评为省级精品课程和省级品牌专业。

4.3 项目研究成果得到较好推广应用

利用所取得的研究成果与杭州赛特传感器有限公司联合开发传感器实验装置。研究开发的系列实验及项目研究成果已经在武汉工程大学、及与武汉工业大学合作科研项目中得到应用。

4.4 研究理论成果

在项目研究过程中，发表了30多篇与研究内容相关的有价值论文，其中16篇被EI检索，出版教材两部，发表多篇论文在国内引起了广泛的关注，并被广泛引用。

参考文献:

[1]杨帆，刘畅.基于D-S证据理论的多传感器目标识别应用[J].武汉工程大学学报，2009，31(1)：73-75.

[2]刘书廷，金太东，胡博，等.BP-PID在锅炉蒸气压力控制中的应用[J].武汉工程大学学报，2009，31(7)：90-94.

[3]熊俊俏，郝毫毫，刘增华.精密位移测控系统的设计[J].武汉工程大学学报，2009，31(9)：59-61.

[4]杨帆，李国平，赵党军，等.传感器课程设计改革与实现[J].武汉工程大学学报,2007，(5)：88-90.

[5]杨帆，赵世平.基于虚拟仪器的USB高速数据采集卡设计[J].自动化仪表，2007，(9)：12-20.

[6]杨帆，李国平.基于虚拟仪器的直流电机转速测控实验系统研究[J].电子器件,2008,31(2):676-679.

[7]Can Saygin,Firat Kahraman. A Web-based programmable logic controller laboratory for manufacturing engineering education [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2004,24, (7-8) :590-598.

[8]杨帆，姜燕.基于LLC的大功率智能充电器研究[J].武汉工程大学学报，2009，31(5)：80-83.