检测技术与虚拟仪器的实践教学平台的建设

刘洁，徐青青，赵海芳

（宿迁学院机电工程学院，江苏宿迁223800）

检测技术与虚拟仪器的实践教学平台的建设

刘洁，徐青青，赵海芳

（宿迁学院机电工程学院，江苏宿迁223800）

为了适应检测技术发展对工程应用型人才的需求，就开展检测技术与虚拟仪器实践教学平台建设中有关实验室的建设、综合测试实验系统、实验课程内容、教学手段等方面的探索与实践进行了介绍。并以农业大棚为例详细说明了该平台的应用。教学效果表明，将虚拟仪器引用到检测技术实践教学平台中，培养了学生的综合实践能力和创新能力。

检测技术；虚拟仪器；Labview；传感器

为了适应现代检测技术飞速发展对工程应用型人才的需求的目标，现以宿迁学院机械制造及其自动化专业为教学改革对象，开展了检测技术与虚拟仪器实践教学平台的研究。主要开发了既与教学水平相适应又提高学生动手能力的实践教学软硬件设施。

1 实验室的建设与仪器设计及综合测试实验系统组成

虚拟仪器通过软件融合了计算机软件资源与仪器硬件资源，结合了仪器硬件的控制、检测能力和计算机的计算、处理功能。虚拟仪器还通过计算机软件实现数据的获取、显示、存储、分析、处理，集成了仪器硬件的所有用户界面、采集、分析、输出、控制等一系列的功能。虚拟仪器的应用面极广、功能灵活、容易构建，主要是由于用户可以自己定义专用测量仪器。基于此，要求机械制造及其自动化专业的学生利用课余时间自行学习有关检测技术与虚拟仪器的课程。使学生在已学的电子技术、测试技术、微机原理的基础上，掌握最新的检测技术与仪器设计技术。

现有的测试与控制技术实验室，采用的是深圳德普施公司的DRVI可重组虚拟仪器平台作为综合实验系统的构建基础。现有25台微机，1台作为服务器兼教师机，管理和监控其余24台学生机的数据传输与实验。教师机配备200 kHz采样率的多通道数据采集仪和20 MHz高速采样率的数据采集板卡，并连接各实验子系统[1]。用作为现有实验设备的补充，开发了基于虚拟仪器的实践教学平台。该平台包括图形化编程软件和模块化硬件采集设备。其中，图形化编程软件采用的是Labview软件，而模块化硬件采集设备则使用了Arduino控制器及各种传感器。学生可以根据应用需要，在新的实验平台上自己组装虚拟仪器和构建个性化的工业检测系统。

在该平台上，Arduino控制器负责采集数据和输出执行的任务。信号的获取和采集部分由各类传感器实现，信号的分析与处理及后续结果的输出与显示则靠Labview软件完成。在该平台上，Labview与Arduino之间拥有多种相互通信的协议，如VXI、GPIB，RS232和RS485等。平台的综合系统框架图如图1所示。Labview还为Arduino开发了专门的工具包，使得Arduino的编程变得更加容易。

图1 基于Labview与Arduino的综合系统构架图

2 实验教学的选题

实验课程内容采用的是层次化实验的模式。根据实验的教学定位、学生的能力和兴趣，将教学实验分为基础检测实验、综合应用实验、实战探索实验3个层次。基础检测实验注重培养学生对基础理论、知识的理解；综合应用实验注重培养学生综合运用所学知识解决检测问题；实战探索实验注重培养学生探索、创新能力。基础实验阶段确定以下4个实验：多个舵机的控制、数码管显示、基于光敏电阻的光强计、虚拟电压表。综合应用实验阶段确定以下4个实验：多路数据采集、热电偶高温检测、超声波测距、小量程电子称重系统。实战探索阶段确定了以下4个实验：无线遥控智能小车、基于网络的远程智能家居、基于Zig－Bee的个人小型气象站、农业大棚监测系统[2]。同时又要以农业大棚监测系统项目为例，具体介绍该实验系统的平台搭建。以上实验选题既考虑到学生现有的知识水平，又能方便学生进行适度拓展。

3 应用范例———农业大棚各项数据监测与虚拟仪器设计

本实验提出设计目的和要求，在教师的要求下，学生5人1组预习相关文献和资料，然后确定其实验测量方案。实验所需设备和器件由学生自行选择。以下为实验设计的主要过程和内容。

在基于485总线的农业大棚监控系统中，每个节点配置一个Arduino控制器，通过MAX485模块挂在RS-485总线上。Arduino控制器需要完成以下功能：接收和判断命令、采集和传输温湿度、光照和水分数据。Arduino控制器利用MAX485模块通过串口从RS-485总线上接收上位机发来的命令、分析得到有效命令，再根据命令码实现温湿度、光照和水分数据的采集，并上传给Labview软件。

3.1 传感器的选择与接线

Arduino从四个传感器读出温度、湿度、光照强度、土壤湿度和CO2浓度后，将数据通过串口发送到labview，每次十个字节，每个参数占两个字节。例如：温度：25℃，湿度50，光照强度：30，土壤湿度：47，CO2浓度：10，则串口数据为25 50 30 10 47.DHT11温湿度传感器中DATA是数据输出引脚，输出为数字量，Arduino通过此引脚读出温度和湿度数据。将光敏电阻模块的AO引脚接到Arduino的A0端口，读取模拟量。程序中已经将光照强度分为0-100。土壤水分传感器也是模拟量输出，AO是它的模拟量输出引脚，接到Arduino的A1端口，程序也已经读出数据分为0-100档。CO2传感器也是模拟量输出传感器，模拟量输出引脚接到Arduino的A2端口，独处的数据分为0-100档[3]。

3.2 虚拟仪器软面板设计及运行

农业大棚各项数据监测系统Labview上位机前面板如图2所示。按照在线测量数据传输逻辑控制流程对各软件芯片依次进行属性设置。保存该测量系统的IC文件，运行测量系统，根据所选择的节点向RS-485总线上发送不同节点的温度、湿度、光照、水分、CO2气体的数据采集命令。点开运行，Labview会将串口接收到的数据一一截取到对应的显示框中。程序中也可以在上下限的输入框中输入警报值。不在上下限范围，会有红灯亮起，分析并记录实验结果。教师机验收与检查学生设计的测量软面板及运行情况[4]。

图2 农业大棚各项数据监测系统LabView上位机前面板

4 虚拟仪器的实践教学平台使用的效果及体会

4.1 结合专业知识，增强了学生的综合实践能力

通过建设该实验平台，将虚拟仪器应用于检测技术实验教学中，不但使学生学会使用虚拟仪器软件进行平台搭建，而且有机结合了多门学科知识，使学生进一步理清各专业课间的联系，更加容易理解本专业的相关课程内涵[5]。

4.2 调动了学习积极性，提高了学生的实验兴趣

检测技术与虚拟仪器设计实验课程相当于一个实训项目。虚拟仪器平台是开放式的，使学生的实验内容、实验方式灵活多变，扩大了学生的创造空间[6]。学生学习兴趣及学习积极性都大大提高。

4.3 培养了学生的创新能力和创新意识

本平台可以由学生自己构思实验方案、编写应用程序、独立调试设备，将学习的主动权交给学生，使学生成为检测技术与虚拟仪器设计实验的主体。综合性、设计性实验使学生手脑有机结合起来，培养了他们的创新能力和创新意识。

[1]卢超，仁吉林，邬冠华.测试技术与虚拟仪器综合性实验教学的探索与实践[J].实验技术与管理，2006（1）：73-76.

[2]沈金鑫.Arduino与LabVIEW开发实战[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]袁本华，董铮．基于Arduino控制板的温室大棚测温系统设计[J]．安徽农业科技，2012，40（8）：5049-5050.

[4]秦华，孙晓松．基于Arduino的环境状况监测系统设计[J]．无线互联科技，2013，29（1）：59-61.

[5]王文娣，杨静，霍晓静.利用虚拟仪器技术改革创新实验教学模式[J].河北农业大学学报：农林教育版，2012（2）：53 -55.

[6]黄伟，霍江辉.虚拟仪器技术在传感器实验教学中的应用[J].科技信息，2012（31）：266.

Detection Technology and the Construction of Practice Teaching Platform of Virtual Instrument

LIU Jie，XU Qing-qing，ZHAO Hai－fang
（Suqian College，Mechanical and Electrical Engineering College，Suqian Jiangsu 223800，China）

In order to meet the demand for engineering applied talents detection technology development，this paper introduces the laboratory construction，comprehensive test experiment system and experiment course content，teaching means，etc.And in agricultural greenhouses，for example to illustrate the application of the platform in detail.Teaching effect shows that the reference to the virtual instrument testing technology in the practice teaching platform，cultivating the students’comprehensive practice ability and innovation ability.

detection technology；virtual instrument；labview；sensor

G642

A

1672-545X（2017）06-0250-02

2017-03-17

宿迁学院教学改革项目（sqc2016jg43，sqc2016jg41）；江苏高校品牌专业建设工程资助项（PPZY2015C252）

刘洁（1981－），女，江苏盐城人，本科，实验师，主要从事传感与检测技术方面的研究。