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摘要：针对电子电路课程设计教学过程，通过引入LabVIEW虚拟仪器技术，设计通信接口、通信协议和监控软件，与温度测控电路进行数据通信，构建了虚实结合的课程设计虚拟实验环境，实现了对实验过程的监测控制，从而使课程具备了丰富的表现能力，还给学生提供了有效的实验环境，可以方便地进行算法研究和参数验证，取得了较好的教学效果。
关键词：课程设计；虚拟实验环境；LabVIEW
本文引用格式：付晓辉,等.基于LabVIEW的课程设计虚拟实验环境研究[J].教育现代化,2019,6(97):153-156.
电子电路课程设计是一门综合性、应用性较强的电子技术实践课程，目的是锻炼和培养学生的综合实践能力，深入理解专业基础课知识的应用，巩固所学理论知识，锻炼工程化综合设计能力，为培养学生的实践创新能力打好基础。现有课程设计教学通常采用的模式是理论设计结合仿真实验，并搭建电路和编制程序进行实验验证，根据过程中出现的问题修改电路或程序，存在电路工作过程难以监测和设计参数不易验证等问题，学生不能直观地认识和区分设计成果的优劣，导致设计工作缺乏考核标准。
虚拟仪器技术是测试测量技术与信息化技术相结合的产物，在工业测量和控制领域掀起了一场变革，彻底改变了可扩展性测试、测量和控制应用的开发过程，使工程师和科学家能够迅速而经济地连接测量与控制硬件、分析数据、共享结果并发布系统，这些特点也使其特别适合于高校教学应用[1]。本项目以温度控制系统为运行平台，研究了应用LabVIEW虚拟仪器技术构建虚拟实验环境，对系统工作过程进行监测，对模型运行参数进行控制，可以直观地观察系统设计运行状态，取得了良好的实践教学效果。
一系统整体设计方案
温度控制系统是较为常见的过程控制系统，而且容易在实验室中实现及验证，因此以温度监控系统为实验研究对象，搭建虚实结合的实验系统。系统设计框图见图1。
在温度测控电路中，温度传感器对加热元件或实验环境的温度进行检测，经模拟信号调理电路转换为适合采集的信号电压，由单片机实验板的AD转换器完成信号采集，温度数据可在数码管上进行显示。在温度控制工作状态下，根据设置的控制温度，单片机实验板输出PWM信号，经驱动电路后连接加热元件。为便于实验实施，加热元件选择大功率电阻，同时加热元件也作为检测对象。
通过设计通信接口及通信协议，在温度测控电路与计算机之间进行数据传递，实现在虚拟实验环境下对系统工作过程的状态监测，并且可以在虚拟实验软件中调整温度控制模型运行参数，以验证模型工作效果，完成设计工作评估。
二 虚拟实验环境设计
虚拟实验环境的设计，需要解决数据传递和实验过程监控两个问题，因此设计工作分为通信接口设计和监控软件设计两个部分。
（一）通信接口设计
通信接口用于传输温度测控电路工作状态信息和虚拟实验环境模型工作参数控制信息，信息内容多样且数据量不同，数据传输方向为双向，因此需设计适用的通信接口硬件及通信协议。
（1）通信接口硬件设计
温度监控系统的工作状态变化是缓慢的，因此本设计所要求的通信数据量不大，为易于在课程设计时实现，选择使用方便、资源广泛的串行通信接口。考虑到现在的通用计算机不再配置串行通信接口，但均配置了USB接口，所以选择使用串口—USB转换器实现了温度测控电路与计算机之间的通信连接硬件。通信接口硬件设计如图2所示。
（2）通信协议设计
在进行虚拟实验时，温度测控电路与计算机之间存在多种数据的传递，因此需设计适当的通信协议，以保证通信正确执行。
根据系统设计要求，通信为双向，通信内容如下：
（a）温度测控电路向计算机发送：检测报文、控制报文、温度报文、应答报文和错误报文；
（b）计算机向温度测控电路发送：联机报文、参数设置报文、应答报文和错误报文。
各报文长度长短不一，为保证报头字节的透明性，报文采用基于字符的通信协议，数据及校验均传送数据字符的ASCII码[2]。
温度报文和控制报文为8字节，参数报文为10字节，检测报文、应答报文、错误报文和联机报文为3字节，如温度报文格式如表1所示。
（二）监控软件设计
在本设计中，监控软件要对当前检测温度和设置温度进行监测，根据温度显示曲线判断控制算法运行效果。如需调整控制模型运行参数，可以在监控软件中进行修改，并立刻传输到温度控制电路中，以监测温度测控系统在新参数运行之后的工作状态变化，评估控制算法运行效果。
监控软件采用LabVIEW虚拟仪器软件进行设计。LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于图形化编程的软件开发工具，也是当今国际上唯一的编译型图形化编程语言，是一个标准的数据采集和仪器控制软件。由于LabVIEW功能强大且灵活，利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，成为测试、测量和控制设计的专用工具。
LabVIEW软件的设计分为前面板和程序框图两部分。前面板作为软件的图形用户界面，与用户实现人机交互，该界面上有交互式的输入控件和显示控件。输入控件包括开关、旋钮、按钮和其他各种输入设备；显示控件包括图形（Graph和Chart）、指示灯和其他输出对象。程序框图作为软件的具体实现部分，是实现虚拟仪器逻辑功能的图形化源代码。程序框图中的编程元素除了与前面板上的控件对应的连线端子外，还包括函数、子VI、常量、结构和连线等，作用是完成对数据流的处理、人机界面操作的处理、界面控件的显示和程序流程的控制等工作。LabVIEW采用图形化编程方式，在代表程序节点的图标之间进行连线即可完成编程[3-5]。
（1）编程框架结构
监控软件的编程框架结构采用“队列消息处理器（Queued Message Handler,QMH）”模型，可以并行执行多段代码，以及在段与段之间发送数据。每段代码表示一个任务，如数据通信、用户操作处理等。每个任务都可以接收和产生消息，根据消息内容可以转到任务的不同处理分支，在相应分支内对数据进行处理，其设计模式与状态机类似。QMH模型是生产者/消费者设计模式的一种实现，例如，用户界面循环（生产者）根据用户操作生成消息，加入消息队列，任务循环（消费者）接收到消息后进行处理。任务循环也可以生成消息，由本任务循环或其他任务循环进行接收处理。在传递消息过程中，可以跟随消息一起传递与消息关联的数据[6]。
软件重复执行下列步骤：
（a）用户与前面板交互，导致事件处理循环（EHL）中的事件结构生成一个消息。LabVIEW将消息存储在队列中。
（b）消息处理循环（MHL）从消息队列中读取消息，将消息清除。
（c）消息本身是一个字符串，匹配MHL条件结构的一个分支。因此，读取消息将执行条件结构中对应的分支。该分支对应于一个消息，因而被称为消息框图。
（d）（可选）消息框图生成另一个消息，存储在消息队列中。
注：
●EHL为生产者循环。MHL为消费者循环。这两个循环并行运行，且由消息队列连接，便于在循环之间进行通信。
●消息队列是一个LabVIEW队列，存储用于处理的消息。EHL将消息发送至该队列，而非直接发送至MHL。因此，MHL未处理消息时，EHL也可生成消息。每个消息队列属于一个单独的MHL。
●MHL的每次循环都将读取消息队列中最早的消息，然后执行相应的消息框图。虽然MHL主要负责处理消息，它也可以生成消息。
●应用程序可包含多个MHL。每个MHL对应于应用程序执行的一个任务，如采集或记录数据。
●在程序框图中可定义UI数据簇。该簇是MHL中每个消息框图可访问和修改的数据。该簇通常被定义为一个自定义类型：UI Data.ctl，用于存储用户消息数据。每个自定义类型属于一个单独的MHL。
（2）监控软件界面设计
监控软件界面是进行实验验证时的显示和操作面板，主要包括曲线显示区、状态显示区和工作控制区，如图3所示。曲线显示区放置了一个波形图标控件，用于显示设置温度和实时检测温度，可以观察温度控制效果，作为调整控制算法参数的依据。状态显示区包括一个文本控件和几个指示灯，用于显示运行状态信息，显示联机/错误、检测状态、控制状态和温度超限等状态指示。工作控制区包括几个控制按键和数值控件，用于设置监控软件环境参数、启动/停止监控过程、调整/发送控制模型参数和退出监控软件[7]。
（3）监控软件程序框图设计
在监控软件程序框图中，按照编程框架流程对前面板中的各个控件进行连接，并完成数据流处理，程序框图设计如图4所示。
界面监控软件并行执行五个循环[8]：
事件处理（Main.vi）-根据前面板事件生成消息的事件处理循环（EHL）。例如，用户单击“开始”或“设置”。
UI消息（Main.vi）-从EHL接收消息并发送响应消息至其他MHL的消息处理循环（MHL）。
采集数据（Acquisition Message Loop.vi）－连续采集数据的MHL。用于收发通信报文。
记录数据（Logging Message Loop.vi）－连续记录采集数据的MHL。
定时（Timer Message Loop.vi）－定时检查联机状态的MHL。
设计还包含一个配置对话框（Settings.lvlib），可用来配置应用程序的通信端口、通信设置、温控告警区间、监控联机超时时间和记录数据文件路径等。
三 虚拟实验环境使用效果分析
为验证虚拟实验环境使用效果，在与温度监控电路连接后进行了温度控制实验，得到测试结果如图3所示。可以看到，在监控软件中，能够观察到温度检测结果在控制算法的作用下，随设置温度变化的过程曲线，这对于检查课程设计结果和判断控制算法优劣具有非常直观的作用，而且还可以方便地调整控制算法参数，为系统调试验证提供了有效的手段，对于提高设计效率、改善教学效果具有非常大的作用。
四结束语
通过在课程设计教学过程中引入LabVIEW虚拟仪器技术，构建课程设计虚拟实验环境，为课程设计实践教学带来了很多改进和提高：
●对于复杂的设计目标，可以表现过程参数，突破教学难点，改善了教学效果；
●使学生可以看到设备工作过程，有助于理解项目设计需求，加强系统方案和功能指标论证工作；
●给学生提供了有效的实验环境，可以方便地进行算法研究和参数验证，并且增强了工程设计能力；
●可以辅助学生进行课程设计，引导学生主动深入项目研究，实现课堂教学结构的改善。
●使学生接触和学习了先进的工程测量和控制技术，充实了实践教学内容，开拓学生创新思维。
根据实践课教学培养目标及学生的实际情况，结合实验室的教学实践培养条件，制定有效可行的课程设计教学改革方案，引入虚拟仪器技术等创新性应用环节，对促进学生工程化综合设计能力的培养，优化独立实践课程的教学效果，是必要和有益的探索。
参考文献
[1]Jeffrey Travis,Jim Kring,乔瑞萍等译.LabVIEW大学实用教程[M].北京:电子工业出版社,2008.
[2]Joe Campbell.串行通信C程序员指南(第二版)[M].北京:清华大学出版社,1995.
[3]阮奇桢.我和LabVIEW[M].北京:北京航空航天大学出版社,2012.
[4]陈锡辉,张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2007.
[5]陈林等.虚拟仪器技术在电子技术课程设计中的应用[J].实验技术与管理,2011,28(8):83-86.
[6]National Instruments Corporation.LabVIEW 2012 TM Help[Z].Queued Message Handler Documentation.html,June 2012.
[7]陈卫红,邓晓刚.适合实践教学的新型温控系统设计[J].实验技术与管理,2015,32(11):94-98.
[8]National Instruments Corporation.LabVIEW 2012 TM Help[Z].Continuous Measurement and Logging Documentation.html,June 2012.
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