虚拟仪器技术在自动化专业课程设计中的应用研究

曹毅?张晓东?孙红鸽

摘要：综合课程设计对于培养工程应用型自动化专业的本科生是非常重要的实践环节。虚拟仪器技术为该课程的开展提供了一种良好的平台，可以在理论学习的基础上，学生在较短的时间内构建硬件实验样机。以具体的测控实验系统为例，阐述了虚拟仪器技术引入课程设计的开展情况。实践表明，这种形式的课程设计极大地改善了理论与实际脱节、学生的实践动手能力较弱的现状，调动了学生的学习兴趣，提高了课程设计的完成质量。

关键词：虚拟仪器技术；综合课程设计；实践环节；自动化专业

作者简介：曹毅（1974-），男，内蒙古包头人，河南工业大学电气工程学院，副教授；张晓东（1980-），男，山东青岛人，河南工业大学电气工程学院，讲师。（河南 郑州 450001）

基金项目：本文系河南省自动化特色专业建设项目、河南省教育科学“十二五”规划课题（课题编号：[2011]-JKGHAC-0150）、河南工业大学高等教育研究项目（项目编号：2012-15）、河南省科技创新杰出青年基金项目（项目编号：114100510015）、河南省高校青年骨干教师计划项目（项目编号：2009GGJS-58）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）07-0090-02

培养学生的工程实践能力和创新精神是高等工科教育的首要任务。实践教学环节是人才培养的重要手段，对于提高学生的综合素质、培养学生的创新精神与实践能力具有无法替代的作用。综合课程设计作为自动化专业接触实践练习的重要环节之一，使学生把课堂上所学的理论知识应用到工程实践中去，对理论和实践的结合起着重要的作用。[1-3]为此，在河南工业大学（以下简称“我校”）自动化专业的培养计划中，第七学期末安排了4周连续的综合性课程设计环节，旨在促进工程实践能力的培养，加深学生对所学课程的认识，对专业有更深的了解。

传统的课程设计往往是学生根据老师给出的题目，参照指导书，查阅相关手册，进行模仿或仿真设计。由于时间限制和场地、经费等原因的局限，课程设计往往都是纸上谈兵，很难进行实物的模拟调试，再加上部分学生考研和就业求职的影响，学生的积极性、主动性很难调动起来，课程设计常常流于形式，应付交差。

近几年随着我校对学生工程实践能力培养的重视，我院的实验室引进了NI数据采集卡和LabVIEW软件，另外实验室还配备了多种硬件实验平台。此外，经过多年的积累，很多教师拥有了一定数量和质量的硬件设备和工程经验，为课程设计的开展奠定了软硬件基础。通过学校的投入，多个专业实验室也正在进行开放式实验改革，在一定程度上保证了工程实践环节的实验条件。教师在课程设计的要求上，为确认学生设计方法的正确性，逐渐增加了实验验证的要求。这样就使学生通过课程设计环节的练习，既提高了动手能力，同时也增加了工程实践认识。

本文在介绍自动化专业课程设计指导思想后，结合两个实例，具体阐述虚拟仪器技术在综合课程设计中的实现过程，为课程设计的开展和学生实践能力的提高提供一些案例和方法。

一、自动化专业课程设计的指导思想

“自动控制系统”课程设计是自动化专业的一门综合性课程设计，学生需要根据教师提出的课题项目以及相关的技术指标和性能要求，灵活地综合性运用仪表、控制软件、工艺设计、计算机等各方面的知识解决工程实际问题，进行系统集成综合设计。[4]

如何在现有资源条件下，“以学科知识为基础，以应用实践为核心，以培养创造性思维为重点”进行课程设计项目的選择，成为其能否收到预期效果的关键。这些项目既不能超出学生现有的知识水平与操作技能，也不能让学生完全照搬已有的成果，对相关课程知识能够进行适度拓宽、提高和综合应用，同时又要考虑到场地、设备和资金投入等因素。此外，还要尽量面向实际，让学生拿到题目后有真实感，使课程设计真正起到培养学生分析问题、解决问题和锻炼系统设计能力的作用。将虚拟仪器技术引入到课程设计中，采用“软硬结合”的方法，起到了很好的效果。

二、虚拟仪器技术简介

虚拟仪器是在计算机基础上通过增加相关硬件和软件构建而成的、具有可视化界面的仪器。[5-6]虚拟仪器表现形式和功能类似于实际的仪器，但其程序很容易改变设置和功能。在实验室采用的是美国NI公司开发的LabVIEW软件和相应的数据采集卡。LabVIEW特别适用于实验室与多品种小批量生产线等需要经常改变仪器和设备参数、功能的场合，以及对信号进行分析研究、传输等场合。在自动化专业的教学中需要应用多类、多台昂贵的仪器，如果使用功能固定的台式仪器，不仅价格昂贵，而且操作技术复杂，而应用虚拟仪器技术则可提高实验效率，降低实验成本，增强学生学习的积极性。

LabVIEW中附加了PID控制工具套件，利用它可以简便、高效地设计控制算法。另外，LabVIEW是一个开放的虚拟仪器开发平台，用户可以根据自己的硬件配置进行数据采集和仪器控制，从而实现数据实时采集的高效处理。

三、测控系统实例及要求

1.步进电机移动系统

该课题的目的在于了解步进电机速度和位置控制的基础上，应用LabVIEW技术，设计基于PC机的控制系统，精确控制步进电机驱动滑台移动的速度、位置、正反转等物理量，满足移动驱动的要求。系统硬件联接原理如图1所示。

步进电机的运动控制需要通过使用LabVIEW中源码级设备驱动程序DAQ-mx实现。控制数据采集卡通过BNC-2120中的定时I/O输出计数器脉冲频率，通过循环结构、选择结构、事件结构等来完成对输出脉冲频率的控制。步进电机的正反转是通过控制数据采集卡的数字I/O输出的高低电平来实现。此外，数据采集的主要任务是对限位开关信号的采集，通过BNC-2120中的定时I/O进行信号的采集，当滑台遇到限位开关时步进电机停止转动。

LabVIEW前面板如图2所示，包括启动开关，正/反转的调节按钮，正转、反转显示指示灯，转速的调节按钮和转速显示按钮，报警显示即限位开关指示灯。

通过该课题，学生可以了解步进电机的运动控制方法，熟悉数字脉冲控制电机速度的方法，了解在工程实际中如何做到电机的平稳起停和运转。

2.旋转毛刷声波信号故障检测器

本课题利用数据采集卡PCI-6221并结合LabVIEW软件对特定旋转毛刷的声波信号进行采集及分析，通过在频域和时域内对采集的数据加以处理，识别旋转毛刷是否产生故障，并针对不同情况予以警告。

本设计中采用的声波信号采集传感器为驻极体式麦克风，该麦克风通过接线盒BNC-2120的AI0模擬输入口接入，信号进入采集卡后经过LabVIEW的DAQ-mx进行后续的处理。在LabVIEW里加入while循环结构、DAQ助手采集声波信号，然后通过滤波器VI进行滤波。经过单频信号提取把声波信号的频率和幅值提取出来，分别对声波信号的频率和幅值范围进行分析，当声波信号达到某个范围时给出提醒信息。软件系统流程图如图3所示。

根据系统需要完成的检测功能，设计的前面板如图4所示。图中左边第一栏是开关按钮，第二栏设定采样率、采样数，第三栏是基于频率的毛刷运行状态显示，有三个显示灯，正常工作时“工作正常”灯会变绿，当其频率大于或小于阈值频率10%时，“预警”灯会变黄，而当其频率超过阈值频率30%时，“应急停”灯会变红。基于幅值的检测与频率检测类似。时间显示框是用来记录故障发生的时间。两个图像示波器，分别显示实时的声波频率和幅值。

在这里旋转毛刷噪音的采集采用了数据采集卡。实际上，对于单通道的声波采集，也可以通过电脑上配备的声卡完成，这样可以进一步降低硬件配置的要求。通过该实验，学生可以了解振动波转换成电压信号输出的转换过程，以及高频信号采集的过程；熟悉在时域和频域内对于声波信号处理的方法，对于特征信号的识别与提取的一般手段。

以上两个实例仅是课程设计中的部分问题，对于各种问题的难度控制在3～4周之内可以完成。学生可以通过类似题目的锻炼，使用LabVIEW和数据采集卡迅速地搭建测控系统，在测控系统中使用图形化的语言修改软件，较快实现一个完整的物理样机。在设计过程中，教师提出课题要求并提供必要的硬件设备，学生通过资料的查找和不断进行实验，发现其中的难点并给出解决的办法。在考核学生的时候，教师通过其程序的编写、系统的运行和文字报告就可以给出一个相对合理的成绩。

四、结语

综合课程设计方法已在我校控制工程系自动化专业进行了5年的实践。5年来，对设计内容和教学指导方法进行了不断的探索和完善，形成了符合培养自动化工程师要求的综合课程设计教学内容和方法。实践结果表明，虚拟仪器技术在我校自动化专业综合课程设计中得到了成功的应用。学生普遍反映，该课程设计可以在较短时间内搭建实验系统，获得了一次完整的、系统性的工程实践训练，加强了对理论知识的融会贯通和对实践动手能力的锻炼，为后续的毕业设计以及为将来走入科研工作岗位打下了良好的基础。

基于虚拟仪器技术的综合课程设计的开出得到了河南省教育厅自动化特色专业教学改革项目、河南省教育科学“十二五”规划项目、河南工业大学高等教育研究资助项目的支持，并获得了我校电气工程学院嵌入式系统、传感器技术和过程控制等多个实验室提供的帮助，[7]在此特表感谢。

参考文献：

[1]岳继光，余有灵，苏永清，等.坚持控制理论特色注重工程能力培养[J].长春工业大学学报（高教研究版），2011，32（3）：1-3.

[2]杨玲玲，高军礼，陈玮，等.自动化专业国家级特色专业的若干问题研究与实践[J].广东工业大学学报（社会科学版），2010，（S1）：211-212，215.

[3]蔡林沁，岑明，虞继敏，等.自动化专业课程设计实践创新能力培养策略与方法[J].中国教育技术装备，2012，（15）：43-44，48.

[4]于微波，刘克平，刘玥.自动化专业实践教学模式的改革与实践[J].实验室研究与探索，2011，（10）：375-376，385.

[5]孙军，刘海哲，欧道江.基于LabVIEW的控制系统设计与仿真[J].机电产品开发与创新，2011，（5）：97-99.

[6]刘宏达，闻子侠，马忠丽.基于虚拟仪器技术的远程测控实验系统开发[J].实验技术与管理，2009，26（11）：75-79.

[7]孙红鸽，臧义，曹毅.传感技术专业课程实验教学改革与实践[J].现代教育技术，2009，（S1）：306，309-310.

（责任编辑：宋秀丽）