电气工程虚拟实践基地建设的研究与探索

摘要：针对当前电气工程实践基地不能满足实践教学的发展现状，提出建立电气工程虚拟实践基地的方案。将计算机技术、网络技术和虚拟仪器技术相结合，在现有实践基地硬件和软件基础上开发电气工程虚拟实践基地，建立工程实践基地管理系统，实现学生工程实践申请管理、设备仪器管理、实践项目管理以及实践数据管理。电气工程虚拟实践基地采用LabVIEW图形化编程语言为软件开发平台，并以Browser/Server 模式结构实现软件、硬件设备的共享，利用LabVIEW的网络通信功能完成实践数据的传输和保存。电气工程虚拟实践基地可以为学生提供开放式的实践环境，学生可以不受时间、地点的限制通过网络完成相应的工程实践。

关键词：虚拟实践基地；LabVIEW；电气工程；工程实践

1 引言

黑龙江科技大学（以下简称我校）电气工程及其自动化专业为满足推动东部煤电化基地建设、国家振兴东北老工业基地对人才的需求，在“大德育、大工程、大实践”三大教育理念的指导下不断探索新形势下的办学思路，重点加强学生工程实践能力以实现我校应用型人才培养的目标。目前我校已经建成了基础工程实践基地与专业工程实践基地25个、大学生创新工程实践基地3个，主要完成电气控制、电子工程、单片机基础、计算机装配、电子工艺、通信工程、测控工程、电力系统、传感器及检测技术、工业控制、ARM、ASIC、DSP、PLC应用等专业工程实践。

我校电气工程及其自动化专业应用型人才实践能力培养的载体主要是电气工程实践基地，随着我校电气专业工程实践力度的日益加强，仅局限于学生在上课时间到电气工程实践基地内参加实践的方式已严重滞后于信息时代和工程实践的需要，因此原有的实践教学模式必须进行改革。针对电气工程实践基地的局限性，我校提出基于计算机技术、网络技术和虚拟仪器技术，研究与探索建立电气工程虚拟实践基地。将虚拟仪器技术运用到电气工程实践教学中，通过计算机网络实现学生对基地设备的远程控制。学生可以不受时间与空间的限制进行虚拟实践操作，并对基地仪器设备、计算机资源以及学生实践数据进行共享，学生之间可以进行协作或得到教师的远程指导等。

2 电气工程虚拟实践基地的构建

2.1 构建方案

利用计算机技术、网络技术和虚拟仪器技术建立网络化的电气工程虚拟实践基地。学生进行虚拟实践时，被授权的学生客户端通过登陆Web浏览器发出实践请求命令，安装有LabVIEW软件的虚拟实践系统服务器接收实践命令并响应。根据学生客户端不同的实践请求分配相应实践基地仪器设备，在实践过程中将实践结果与显示界面实时发送到客户端，在客户端进行实时显示。网络化的电气工程虚拟实践基地采用浏览器/服务器模式（Browser/Server 模式），如图1所示。学生在客户端可以进行远程工程实践请求、实践数据分析处理、存储及实践结果的可视化显示；客户端通过互联网登陆Web服务器访问“电气工程虚拟实践基地”网站，在相关网页上提出实践请求；不断通过互联网访问Web服务器，Web服务器将客户端发出的远程访问和远程控制请求进行逻辑处理，然后通过校内局域网提交给应用服务器。应用服务器根据客户端不同的实践请求，分配实践基地、管理和调度各基地仪器设备、接收Web服务器传递的实践指令并调用相关实践模块与实践设备。在实践过程中产生的实践现象、相应的实践数据通过DataSocket在Internet中进行发布。

2.2 硬件环境

虚拟实践基地硬件环境由计算机硬件系统和测控功能硬件两部分组成。计算机硬件系统可以采用台式计算机、工控机等，管理虚拟实践基地的软件、硬件资源。测控功能硬件是指输入输出接口设备（I/O接口），可以采集实践中产生的被测输入信号、并进行信号放大、模/数转换等处理。由于我校电气工程实践基地较多，每个基地的仪器设备所需的通信方式也不相同，因此，根据每个实践基地仪器的通信方式选择接口总线。电气工程虚拟实践基地根据具体情况主要采用基于PCI插槽的DAQ数据采集卡、GPIB总线接口、串口总线接口、VXI/PXI总线模块和CAN现场总线模块等标准总线接口。

2.2.1 基于数据采集卡的虚拟仪器

DAQ数据采集卡是电气工程虚拟实践基地数据采集接口的一种实现方式。将DAQ数据采集卡插入到计算机（PC机）的PCI插槽中，实践基地的模拟设备与DAQ数据采集卡的A/D、D/A相连，利用数据采集卡可方便快速地组建基于计算机的虚拟系统。这种方式完全可以满足电气工程虚拟实践基地测量环节的精度要求。

2.2.2 基于GPIB总线的虚拟仪器

GPIB通用接口总线是虚拟实践基地计算机系统与带有GPIB接口的传统仪器设备之间的一种标准通信协议。该方式采用GPIB接口卡将若干GPIB仪器连接起来，利用计算机对电气工程虚拟实践基地仪器设备实现操作和控制，可高效灵活地完成各种不同规模的工程实践测试测量任务。采用GPIB技术可以预先编制好测试程序，由计算机按照预定的工作流程实现自动测试、自动操作和控制实践基地的仪器设备。

2.2.3 基于串口总线的虚拟仪器

工程实践基地的实时监控系统采用串口仪器设备与控制模块相连接方式实现。将基地内带有RS-232C/RS485总线接口的仪器设备通过RS-232C/ RS485总线与计算机组成虚拟仪器系统。根据电气工程虚拟实践基地仪器的实际需要还可以采用USB总线和IEEE-1394总线。

2.2.4 基于VXI/PXI总线的虚拟仪器

VXI（VMEbusExtension for Instrumentation）总线是一种高速计算机总线。由于VXI总线标准开放，具有数据传输速率高、定时与同步较精确的优点，能够满足电气工程虚拟实践基地使用结构紧凑、灵活方便的模块化设计以及组织大规模集成化虚拟实践系统的需求。PXI总线是PCI总线在仪器领域的扩展，具有较高的数据传输速率和良好的性价比，因此在电气工程虚拟实践基地在高频段的测试实践中可以采用PXI总线。

2.2.5 CAN现场总线的虚拟仪器

CAN总线是一种双向全数字化、多主方式的串行局域网通讯总线。在电气工程虚拟实践基地的电气控制系统中采用CAN 总线协议，控制器采用SJA1000型总线控制器，它与物理总线之间的接口采用PCA82C250型总线收发器。

2.3 软件设计

电气工程虚拟实践基地采用LabVIEW软件为开发平台，该应用软件可以为用户提供一个图形化程序语言的集成开发环境。LabVIEW集成了满足电气工程虚拟实践基地所需的DAQ数据采集卡、GPIB总线接口、RS-232和RS-485串口总线接口、VXI总线模块通讯的全部功能。在电气工程虚拟实践基地的Web服务器端设计开发工程实践项目网页，利用LabVIEW的网页发布功能，学生客户端就可以通过互联网登陆网页浏览器访问服务器端的虚拟仪器，进行访问相应的工程实践基地。

基于LabVIEW模块化的编程思想，将每个工程实践基地的实践项目编制成具有一定实践功能的子VI，如果存在较复杂的功能模块也可以采用封装成下一级子 VI的实现方法。在电气工程虚拟实践基地应用程序服务器端将每个功能子 VI 以模块化的方式加入到实践系统中。这种模块化的设计方法维护与扩展方便，只需要将新的实践项目加入到虚拟仪器主控程序中，或修改实践系统中对应的实践功能子VI模块，就可以完成虚拟实践系统的更新与维护。

2.4 管理系统的建立

学生在客户端通过Internet进入电气工程虚拟实践基地的网站，在网页上进入实践基地列表选择要实践的基地，选择实践项目和阅读实践说明后开始进行相关的实践操作。设计电气工程虚拟实践基地网站，登陆系统后首先进入主界面，在主界面中选择实践基地及实践项目。学生在进行实践之前，必须先登陆通过服务页面提交所需实践资源预约申请，在申请中详细说明实践原理以及实践资源组成。管理人员根据实践基地条件判断是否批准申请，指导教师根据实践方案是否可行判断是否批准申请。

3 结论

虚拟仪器技术的发展推动了实践教学方式的改革，将虚拟仪器引入到电气工程实践基地的建设中，能有效地降低工程实践的成本、提高工程实践的效率，并且可以在工程实践过程中实现学生之间相互协作和资源共享。因此建立气工程虚拟工程实践基地，是我校实践教学改革的一个新的发展方向。电气工程虚拟实践基地具有比传统现场参与实践更为灵活多样的表现形式，在提高学生动手能力、促进实践教学技术手段、创新发展等方面将发挥重要的作用。

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