庞景月 曹晓莉 姚行艳 江 超

（重庆工商大学人工智能学院，重庆 400067）

0 引言

从19世纪初到20世纪末，测量仪器经历了模拟仪器、数字仪器、智能仪器等阶段，发展到现在的虚拟仪器。虚拟仪器是仪器类发展的重要趋势，虚拟仪器功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器的功能。虚拟仪器已经广泛应用于重庆工商大学电子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学及科研等诸多方面。目前针对仪器类、电子、自动化等专业已经开设了虚拟仪器课程，并作为必修的专业拓展课程，通过LabVIEW软件中前面板以及程序框图设计的讲授，使学生掌握以LabVIEW为平台的测试、测量及实验系统的开发方法和编程技巧，增强对于仪器软件面板设计的实践能力。但是在实际的课程环节设置以及教学开展过程中，往往由于课时以及专业限制，很多本科生课程的设计中虚拟仪器教学都集中于仪器软面板的设计以及相应控件的使用方法上，缺少对于硬件平台以及数据采集系统全流程的锻炼。因此，本文将重点探讨虚拟仪器实验课程的设置以及实践方法，以实际生活中的物理量采集为基础，搭建其数据采集、传输以及显示、存储的全流程数据采集系统，辅以逐层深入的项目式教学以及练习，提出从软件到硬件的实践思路以及解决方案，为全面提升工科类相应专业的实践动手能力提供重要的参考思路。

1 以温度数据采集项目为例的课程整体方案设计

温度，作为日常生活中的常用物理量，其采集贴近生活，易于理解与入手，而且是工业过程采集中重要的物理量，对于评估设备的性能状态至关重要。因此，本文以温度数据采集为例，设计12课时的实验课程，锻炼学生的软面板设计以及ELVIS的平台使用能力，为学生构建物理量的采集、存储、显示等功能的数据采集系统流程。整个项目的递进方案设计如图1所示。

图1 温度数据采集实验的项目式递进方案设计

实验课程以项目式方式开展，首先提出项目需求，以ELVIS和LabVIEW为平台，设计集数据采集、显示以及存储为一体的仪器界面以及硬件电路，具体支持华氏/摄氏两种显示方式，温度上限可以灵活设定，而且当温度超限时，报警计算器加1；当用户单击“开始采集”按钮后，系统开始采集数据，并用进度条指示当前进度；采集过程中若单击“暂停”按钮则会弹出对话框暂停采集；采集点数可设置，在数据采集完毕后才能停止系统。

1.1 两种温度转换体制实现

第一次课程要求利用随机数实现温度数据采集的模拟，支持摄氏以及华氏的温度数据的转换。随机数发生器产生的20～40之间的随机数，支持华氏/摄氏两种显示方式，可以设定温度上限，当温度超限时，报警计算器加1。

1.2 数据的波形显示

此部分将在第一次实验内容的基础上，重点增加温度图表显示（图表）功能，图表具备实时呈现温度数据的功能，并具备温度数据的循环产生功能。

1.3 温度数据存储至文件

增加保存温度记录功能（文件I/O）：文本文件格式（如序号、时间、温度值）增加浏览温度记录功能（文件I/O）。读取以及写入表格文件的写法中，表格文件是带有特殊格式的文本文件，行数据用回车，列之间用制表符分隔；文件写入以及读写操作涉及文件路径操作。

1.4 事件结构响应数据采集起止

在LabVIEW平台中一个重要的概念就是数据流，在编程的时候可以来设置某些事件来对数据流进行干预，比如说单击鼠标产生事件、按下键盘按键等，这些都可以被当作为事件结构的条件，进而实现对程序的控制。本程序使用布尔值的改变来进行采集程序的开启；用事件结构编写“模拟温度监测系统”程序。

1.5 基于ELVIS平台的室温采集硬件设计

NI教育实验室虚拟仪器套件（NI ELVIS）是一个工程实验室解决方案，用于基于项目的学习，它结合了仪器和嵌入式设计与Web驱动的体验，在实验室、工作室和翻转课堂上创建积极的学习环境，对工程基础和系统设计有更深入的理解。对于温度数据采集系统需结合实际的硬件元件以及输入输出接口设计电路采集部分。

1.6 软硬件协同调试

软硬件协同调试则将LabVIEW的软件界面以及硬件电路、驱动电路等进行协同调试，实现具备数据采集开始、结束、温度数据采集存储、显示等功能的数据采集系统。

基于以上的项目设计，在实验课程中讲述最终目标以及各节课的目标，按照层层深入的方式，增加项目功能，如第一节课实现两种温度转换体制，分别设计前面板实现摄氏与华氏温度的转换，然后逐渐增加数据波形显示、数据存储、事件结构的数据采集控制开始与结束等，在完成软件功能设计后，随机数模拟的温度采集系统部分将采用硬件的ELVIS平台以及温度传感代替，并实现ELVIS与软件前面板的协同调试，从而在实验课上完成整个项目。

2 项目式管理流程深入课堂

在整个12学时的课程设计过程中，按照项目过程执行方式，即让学生按照项目式执行方式，完成项目需求分析、软面板概要设计以及硬件设计，并按照深度递增方式执行，最终撰写项目验收报告。以此流程为学生们规范项目管理，为后续的工程项目的实施奠定文件管理以及流程基础，培养学生们的实践动手能力。

其中项目需求部分需包含基本的温度数据采集要求，按照规范文档，在课程过程中完成，并且在此之前，会为学生讲授温度数据采集的意义，及不同场景下温度数据采集的注意事项等，让学生在进行项目开发前了解行业背景以及行业发展动态，知悉简单的温度数据采集后的应用场景，拓展工程视野。

软面板设计环节会以实验报告的形式执行，包括实验步骤以及软面板设计的结果等，此部分更重要的是软件板的功能正确性和完整性的确认，以及会以思考题的方式考察学生对于控件使用的掌握程度。

硬件设计环节会在温度数据模拟实现的基础上，对ELVIS平台进行利用，结合传感器采集温度数据或者人体温度等，结合运放实现温度数据的采集，此部分重点考察学生对于硬件驱动、硬件电路设计以及软硬件协同调试能力的掌握。

在各个环节中，教师都应及时督促学生们的项目进度，对难点重点进行演示、讲授与提示，并拓展虚拟仪器的课外知识点，强调以项目组的形式，分小组进行实验设计，保证实验课的课堂效率与学习效果。

3 做、讲、写多角度考核能力

针对实际的工程型人才，要求其具备项目实践、项目讲解以及项目文档写作能力等，在实际的常规实验课程环节中，通常是以锻炼学生的动手能力为主，但在实际的项目中，文档规范、项目验收讲述等同样重要，为此，在实验过程中增强过程考核，培养学生们的实际动手能力，项目内容讲述以及项目文档撰写能力，从多种角度加强综合型人才的培养，如讲述项目的背景，项目的方案、项目的调试过程以及最终结果的演示等，并对文档的规范性进行考核。以此从做、讲、写多角度考核学生们的能力。

4 应用拓展延伸知识体系

温度数据采集系统在实验课上的搭建与实现是相对简单的过程，而透过该项目了解数据采集系统以及温度数据采集系统的应用场景和在不同场景中对温度数据采集系统的需求是非常重要的拓展行业背景的内容。因此在最后项目完成后，应拓展以下背景与行业内容：

4.1 数据采集系统的组成以及设计要求

在此部分主要讲述数据采集系统的数据采集部分，可以采用的数据采集卡、传感器等，数据传输以及通信协议、数据存储文件要求等，丰富课堂内容。

以上相关内容知识点的拓展将丰富学生们关于构建数据采集系统的全流程认知。以此进一步提升与其他课程交叉知识点的迁移以及运用能力。

4.2 温度数据采集系统的应用场景

温度数据作为工业系统中设备故障与否的重要物理量，在不同的应用场景中均有涉及，如航空发动机的温度数据、工厂车间的数据采集、工业过程环节的数据采集等，在这其中以一两个场景为例，为学生们讲解温度是如何采集的，需要注意哪些问题，温度数据又是如何应用的。

如变压器油温监测，油浸式变压器依靠油作冷却介质，主要用于配电等大容量变压器。运行时绕组和铁芯的热量先传给油，然后通过油传给冷却介质。如果油温超过规定值，会缩短使用寿命或烧毁变压器，因此必须对变压器油温进行监测与控制。发电厂变压器油温监控系统一般由计算机、温度传感器、信号调理电路、显示仪表、输入装置、输出装置、驱动电路和风扇等部分组成。温度传感器检测变压器上层油温，通过调理电路转换为电压信号，送入现场显示仪表与监控中心计算机，用以显示、处理、记录和判断。当超过规定上限温度值时，计算机经输出装置发出控制信号，驱动风扇转动降低油温。调理电路可用温度变送器，将温度变化转换为1～5V的标准电压值。

以上相关案例的讲解以及呈现将为学生们拓展简单实验课程与实际应用的思路，迁移其实际应用能力，为后续相应比赛以及课程设计提供思路。

4.3 温度数据采集的注意事项

结合温度采集系统，为学生们讲授温度数据采集系统的设计注意事项，如采集的温度范围、数据的传输距离、数据量对存储设备的要求、传感器如何选择等，以此对照实验中室温数据采集系统，丰富现有案例的基础知识。并比较虚拟仪器的优势，软面板设计灵活，体会软件即仪器的概念。

5 结语

虚拟仪器以LabVIEW语言为基础，通过软件前面板设计实现仪器的灵活设计以及优化，目前在航空航天、消费电子、工业过程等领域具有重要的市场需求以及应用前景。该课程是仪器类、电子信息类等专业的一门重要专业课程，以培养仪器设计与实现工程人才为目标，但目前存在软件教学为主，实验系统性设计不足的问题。本文以温度数据采集案例为例，设计虚拟仪器课程实验实践方案，以逐层深入的方式，培养学生对于数据采集系统的整体认知，具有较好的参考作用，可在本科课程设计中进行示范性教学。