自动化专业实验设备的自主研制与二次开发

侯 震，杨婷婷，刘文泉，杜新虎

(西北工业大学 自动化学院，陕西 西安 710072)

随着我国高等教育教学改革的不断深入，高校在进一步提升实验教学环节对培养学生综合能力、创新精神等方面的探索与实践也在不断加强[1]。而如何提供给学生合理、高效的实验教学设备是这项工作中的重点、难点[2-3]。有了实实在在的硬件支撑平台，教学体系的完善、实验教学模式的改变、实验教学方法的更新等相关工作的开展就不再是纸上谈兵、水中望月。项目组根据我校自动化专业实验室经费投入有限、学生接待量大等具体情况，制定了自主研制与二次开发同时并行的思路。

1 自主研制

“自动控制原理”是自动化专业最主要的一门专业主干课程[4]，原有的配套实验设备已经老化，无法满足课程的基本需求。国内市场上的设备设计过于粗糙，知识点之间缺乏贯穿综合，项目组决定自主研制。

ACES-II自动控制综合实验平台在设计时，除了考虑满足提出的基本技术指标外，还着重考虑了实验系统的综合性、多用途以及高效可靠等方面的实际教学需求。实验平台硬件采用NI(美国国家仪器)公司USB总线数据采集模块，软件采用NI公司Labwindows/CVI开发。可进行“自动控制原理”、“现代控制理论”、“计算机控制”和“虚拟仪器技术”4门课程的配套实验，以及综合性实验、自主创新实验、相关课程的课程设计等教学实践环节。配套的软件界面如图1所示，包括直流电机转速、水箱液位、加热源温度3个控制对象，均具有内部和外部2种控制方式。学生不但可以通过计算机进行数字PID控制，也可利用实验电路区搭建各种控制回路，实现对控制对象的控制。

图1 ACES-II 虚拟示波器界面

实验电路区所有实验参数的选择和设定均通过拨动开关实现选择和切换，通过开关选择不同的电阻电容，实现参数调整，如图2所示。这种设计大大简化了电路连接，增加了系统的可靠性[5]。实验台采用全钢板结构，元器件经过严格筛选。所有连接线均采用带硬弹簧φ4mm连接头的2.5mm2连线，连接接触可靠，不宜损坏，适合多班次学生实验使用。功能区全部采用模块结构，统一接口，易于维护和更换。

图2 实验电路区1功能面板示意图

2 二次开发

二次开发主要是针对以下2类设备：

(1) 实验室已有的一些设备，主要功能虽然完好，但是以验证性实验项目为主。实验项目的设计没有从课程和专业的总体出发，相互独立、没有联系、过于粗糙，没有明确体现出实际工程应用背景，有一些为了实验而实验的感觉。

(2) 另外还有一些设备，由于购买年代较早，没有数字化的功能，不能直接和计算机连接，影响了功能的进一步提升。对于这两类设备，完全丢弃报废不但过于可惜，而且重新建设无论从方式上还是经费方面都不现实。

我们认为以现有设备为基础平台、在费用投入很低的前提下，充分发挥教师的创造力、挖掘现有资源、改造现有设备、重新规划设计能够激发学生主动进行实验的自主类实验项目，是一种切实可行的方案。

2.1 “传感器与检测技术实验台”二次开发

实验室现有“传感器与检测技术实验台”10套，可进行包括多种常用传感器在内的20余种实验项目，主要以验证性实验项目为主。经过对现有设备和资源进行整合、改造，二次设计开发自主类实验项目15项，课内33学时，经费投入少于3万元。

如图3所示，综合性实验项目中传感器不再单独出现，而是从课程的整体内容出发，把课程中的多个知识点组合在一起，方便学生比较和对各知识点特点的掌握。调理电路部分的实验项目是在前面综合性项目的基础上产生，所有的调理电路均考虑工程实际应用需要，提出明确的技术指标，而不是简单的原理验证[6]。计算机检测控制部分使用NI(美国国家仪器)和研华的PCI、USB等总线采集卡，引入虚拟仪器的概念，与目前的实际工程应用相对应。同时，在这部分实验项目设计时着重考虑学生对所学专业多门课程知识的融会与应用，而不仅只是局限于传感器与检测技术一门课程。提高部分实验项目不列入实验教学课时，学生可以在课外选做[7]。根据实际的教学计划，这几部分的内容也可进行多种组合和删减。

图3 自主类实验项目组成

2.2 “直流随动系统学习机”二次开发

实验室现有的“XSJ-2直流随动系统学习机”结构合理、组成元件具有较强代表性，在近些年的实验教学中发挥了很好的作用，但是没有数字化功能。随着计算机控制、网络化控制、虚拟仪器等新的具有明确实际工程应用背景的课程内容的不断加强，对实验教学设备数字化功能、网络化功能的要求越来越明确。随动系统实验装置的数字化改造方案如图4所示[8]。

图4 随动系统数字化改造组成框图

数据采集模块选用美国国家仪器(NI)公司的USB总线数据采集卡USB-6009。调理电路部分主要完成把反馈电位器输出、测速发电机输出电压范围调理为+5 V ～-5 V，以及调整USB-6009输出的模拟电压控制信号，达到方便采集卡采样和下一级的功率放大电路工作的目的。数据采集模块通过USB接口由计算机供电，调理电路从XSJ-2直流随动系统学习机实验面板直接取电，实验装置不需再另外添加电源[9-10]。转速给定、位置给定以及控制算法等功能的实现，均可在计算机中通过软件完成。该装置的软件部分采用美国国家仪器公司的图形化编程语言LabVIEW7.0开发[11]。

经过数字化改造后的随动系统实验装置，由于我们没有改变原有实验设备任何的功能和结构，所以该实验装置除了可完成原有的开环控制系统、直流电机转速控制、位置随动等典型模拟实验内容外，还添加了直流电机转速计算机控制实验、数字式位置随动系统实验、网络化控制实验等典型数字化、网络化的实验内容[12]。

3 结束语

新形势下，如何切实有效提升实验教学环节的质量，一切为了学生是我们每个教育工作者都要面对的任务。虽然困难不少，但是我们相信设计开发符合时代发展需求的综合性设计性实验项目，让它适应实验教学发展的要求为教学服务，是一项具有很大操作空间的新课题。

[1] 侯震，张洁.挖掘整合实验室资源开发综合型设计性实验[J].实验技术与管理，2010，27(3)：121-123.

[2] 王光明，张玘.测控技术专业实验教学改革[J].实验室研究与探索，2008，27(3)：106-108.

[3] 刘晓文，薛雪，陈佳真.电路实验立体化教材的建设与实践[J].实验技术与管理，2013，30(12)：18-21.

[4] 胡寿松.自动控制原理 [M].4版.北京：科学出版社，2001.

[5] 赛尔吉欧·佛朗哥(美).基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计 [M]. 3版.西安：西安交通大学出版社，2004.

[6] 孙建民，杨清梅.传感器技术[M].北京：清华大学出版社，2007.

[7] 松井邦彦(日).传感器实用电路设计与制作[M].梁瑞林,译.北京：科学出版社，2005.

[8] 清华大学科教仪器厂.XSJ-2型小功率随动系统学习机实验指导书[Z].1998.

[9] 杨乐平，李海涛，杨磊. LabVIEW程序设计与应用 [M].2版.北京：电子工业出版社，2005.

[10] 王超，李可，杜奔新.虚拟仪器技术在实验中应用的研究[J].实验技术与管理，2013，30(12)：105-107.

[11] 王伟，孟祥贵，安寅.基于工程教育的实验教学模式探索[J].实验技术与管理，2013，30(10)：172-174.

[12] 高金源.计算机控制系统[M].北京：高等教育出版社，2003.