基于Nextboard的《测控电路》实验教学仿真的设计

王 桔， 丁 锐

(长春大学 电子信息学院，长春 130022)

基于Nextboard的《测控电路》实验教学仿真的设计

王 桔， 丁 锐

(长春大学 电子信息学院，长春 130022)

本文基于虚拟仪器Nextboard开发平台，实现《测控电路》实验教学的仿真设计及在测控实验教学中的相关应用。通过热电偶冷端补偿的方法进行温度测量，有效地运用了LabVIEW虚拟仪器技术，将诸多重要步骤都在配备硬件的普通PC电脑上完成，使得整个测量的重点转向软件的设计，是虚拟仪器技术应用于测量控制领域的一个典型范例。为《测控电路》实验课程阐述了具体的实现方法，并为实验的改革指明了一个很好的方向。实践表明，基于Nextbaord平台应用于测控实验教学具有良好的效果。

Nextboard；LabVIEW；实验教学

1 《测控电路》实验教学概述

“测控电路”是本科测量控制与仪器专业的专业基础课，在电子信息类专业及相关工科领域起着举足轻重的作用。“测控电路”这门课在学习电子电路的基础上，还要面向生产实践，面向测控任务，灵活掌握测量控制系统中的功能电路的应用。基本测控系统是由最前端传感器、主要组成部分测控电路以及末端执行机构三个部分组成的。如图1所示。

图1 测控系统的组成

要想更加深入地理解并掌握《测控电路》这门课程，则需要将实践与理论相结合，也就是《测控电路》的实验教学。但是，长期以来，实验教学方法和实验设备的落后在一定程度上制约了实验教学的质量。基于传统仪器的实验教学不仅在设备的维护上工作量较大，而且在设备的购置上成本也较高。而且，对于理工科实验，尤其是像“测控电路”这门课理论的概念及内容更加生涩难懂，在课堂上的理论学习部分就很难让学生明白和掌握，在《测控电路》实验项目中通常需要多个仪器配合使用，如信号源、电压表、示波器等，这不仅增大了设备的投入和维修成本，而且传统仪器较大的个体也对实验场地的需求有所增加。

此外,随着远程教育的不断发展,越来越多的学生开始通过网络进行学习。但是，远程教育的缺点就是学习者不能够在实验室里做真实的相关实验。因此，如何利用虚拟仪器这类新技术解决这些问题,已引起了很多的高校管理者和实验工作者的关注。将这些传统仪器集成在一台虚拟仪器中，不但便于试验的进行而且还降低了试验的成本，同时也极大地提升了“测控电路”这门课程的教学水平。针对目前实验室存在的试验手法落后及在课堂上理论的生涩难懂的弊病，实验教学引入虚拟仪器不但可以解决设备更新过慢、仪器老化过于严重等问题，还可以使试验教学效果得以提高，甚至可以将实验的结果搬到理论课堂，结合理论知识的讲解让学生对“测控电路”这门课程的概念理解更加容易及深刻。

2 Nextboard平台概述

Nextboard是泛华公司为工科院校师生打造的用于工程教学的实验平台。平台基于虚拟仪器技术，配合泛华及第三方自主开发的实验模块，可以完成传感器、电工、模拟电路、基础物理、控制原理等实验。通过Nextboard平台，学生可以随意地动手搭建模块电路，非常灵活地组建各种实验电路，在动手操作的过程中，学生可以将理论知识掌握得更扎实，并且还能增强学生的学习兴趣。图2为Nextboard实验平台。

图2 Nextboard实验平台

Nextboard实验平台可以通过NI公司的LabVIEW软件随时编写相应程序来组建各种课程需要应用的实验。因此，Nextboard实验平台需要连接NI(美国国家仪器) M、X系列的数据采集卡，Nextboard实验平台在搭建不同的学科实验时，需要应用自配的不同学科的模块，而对于不同学科的实验，Nextboard实验平台所展示的通用性的确极其良好。正是良好的通用性使得Nextboard非常适合教学实验、创新性实验。

Nextboard还为使用者提供了一目了然的软面板，互动性良好。Nextboard软面板，如图3所示。使用者可以在软面板中直接组建各种实验内容，泛华在软面板中还为使用者提供了可以适用Nextboard上的全部资源。

3 RTD热电阻实验模块

热电阻(thermal resistor)是在中低温区最常见的温度检测器。热电阻的测温原理是基于金属导体的阻值会随温度增加而增大的特性来进行测量温度的。其主要特点是：测量的精度较高，相关性能比较稳定。

3.1 RTD热电阻的工作原理

热电阻是基于电阻的热效应来进行测温的，即电阻阻值会随温度的改变而改变的特性。金属热电阻的阻值与温度的关系表达式如下，即

Rt = Rt0[ 1 + α ( t - t0) ]

(1)

此式中Rt是温度t时的电阻阻值；Rt0是温度为t0时对应的电阻值，α是温度系数，半导体热敏电阻阻值与温度的关系为

Rt = A e B/t

(2)

此式中Rt是温度为t时的电阻阻值，A、B取决于材质的结构常数。

Nextboard实验平台提供了多种实验模块，而热电偶实验模块则是《测控电路》中非常重要的实验模块。因此，应用此模块可以对该课程实验方便、快捷、直观的演示。热电偶实验模块如图4所示。

4 Nextboard实验平台组建

热电偶实验平台由两个方面组建而成。一个是硬件设计，另一个是软件实验平台界面。硬件设计中，应用Nextboard硬件平台，插入热电偶实验模块，利用杜邦线搭建实验电路，如图5所示，开启平台电源。在热电偶实验模块上，如图4所示。用虚线表示需要外接备选电阻，分别有3种不同的电阻值可供选择。根据用户所选的电阻值不同，得到的放大倍数也不尽相同。放大倍数=备选电阻值/50Ω，若实验选择10KΩ，则放大倍数Gain=10KΩ/50Ω=200倍。

图5 RTD热电阻硬件接线

图6 RTD热电偶实验界面

泛华Nextboard实验软件平台为我们提供了交互良好的实验界面。打开nextboard软面板nextpad，在 nextpad 主界面中选择热电偶实验图标，双击进入，RTD热电偶实验界面如图6所示。

结合着Nextboard面板中的硬件连线，单击Nextpad软件界面中的运行按钮，可以在Nextpad运行面板中看到热电偶实验运行的曲线数据，如图7所示。并且还可以将热电偶的实验数据以Word形式进行保存，以便后期使用。实验数据的保存，如图8所示。因此，从实验运行的结果可以清楚地得到与理论课程中所得到的结论完全相同。

图7 RTD测温曲线

图8 实验数据保存

5 《测控电路》实验教学总结

“测控电路”是一门专门针对测控技术与仪器专业的基础课，通过对测控系统的分析，测控系统主要由3部分组成，最前端是信号的采集，中间为测控电路，最末端为执行输出。而测控电路则是处理信号、放大、去噪及运算的最重要的一个组成。而热电偶部分则是《测控电路》运算放大内容中的重中之重。对于热电偶的实验，原理比较难掌握，常规的实验平台即不方便，又不能形象的演示出运算放大的规律及趋势。而应用泛华Nextboard实验平台下的热电偶实验模块，搭建完成的热电偶实验则可以更清楚，更简洁地让学生快速并扎实地掌握《测控电路》放大电路部分中的经典测控电路。同时发现应用Nextboard平台完成实验使得学生们的求知欲更加高涨，更能提高学生们的动手能力。因此，我们可以进一步应用Nextboard平台结合LabVIEW软件，设计更多课程教学实验，为理论课程更加完美的结合实验内容做出更好的探索及推广。

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责任编辑：刘 琳

DesignforExperimentTeachingSimulationofMeasurementandControlCircuitBasedonNextboard

WANG Ju, DING Rui

(College Electronic Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China)

This paper realizes the simulation design ofMeasurementandControlCircuitand its related application in experimental teaching based on the virtual instrument Nextboard development platform, which carries out temperature measurement by thermocouple cold end compensation and effectively uses LabVIEW virtual instrument technology to complete a number of important steps on a regular PC computer equipped with hardware, making the key to entire measurement turn to the design of the software and being a typical example of the application of virtual instrument technology in the field of measurement and control. This paper expounds the concrete realization method forMeasurementandControlCircuitexperiment course and points out a good direction for the experiment reform. The practice shows that the application of Nextbaord platform has good effect in the experimental teaching.

Nextboard; LabVIEW; experimental teaching

2016-11-21

吉林省教育科学“十三五”规划课题(GH16096)

王桔(1980-)，女，吉林长春人，讲师，博士，主要从事电子与通信工程方面研究。

G642

A

1009-3907(2017)10-0099-03