程建平

(山西工程職業(yè)學(xué)院,山西 太原 030062)

0 引言

“新工科”建設(shè)和發(fā)展以新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)為背景,需要樹立創(chuàng)新型、綜合化和全周期工程教育的新理念,構(gòu)建新興工科和傳統(tǒng)工科相結(jié)合的學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)[1]。 “物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程培養(yǎng)創(chuàng)新型、實(shí)踐型的人才的需求越來越迫切。 在教學(xué)過程中還存在一些問題:一方面,一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)分為3 個(gè)層次(感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層),完成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)所需要的知識(shí)涉及電子、通信、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科,課程本身就是軟硬件相結(jié)合,內(nèi)容多且系統(tǒng)性較強(qiáng),要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)掌握物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)概念和理論知識(shí),具有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)開放能力,其難度可想而知[2-3]。 另一方面,目前控制中心所需芯片更新迅速,新嵌入式芯片的推出必然帶來新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,而高?？紤]到成本問題無法及時(shí)更新設(shè)備,這就導(dǎo)致多數(shù)高校對(duì)人才的培養(yǎng)與市場(chǎng)需求相脫節(jié)[4],教學(xué)質(zhì)量無法得到有效提高。

“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)”教學(xué)需要與時(shí)俱進(jìn),以市場(chǎng)為導(dǎo)向,不斷在教學(xué)中引入新技術(shù)、新方案,培養(yǎng)市場(chǎng)需要且能用的人才。 而虛擬仿真教學(xué)順應(yīng)了教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)實(shí)需要,對(duì)教育質(zhì)量的提升和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的深化產(chǎn)生了積極而重要的影響[5]。

通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的搜集,虛擬仿真技術(shù)(Proteus)應(yīng)用于“嵌入式系統(tǒng)”等硬件課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已有先例[6],但是“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中不僅僅包括硬件開發(fā),還需要應(yīng)用層的數(shù)據(jù)展示,本文提出利用LabVIEW 軟件進(jìn)行上位機(jī)編程,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與展示。 該虛擬仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合,不受限于時(shí)間場(chǎng)所,很好地適應(yīng)了高校學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn),又符合課程的編排特點(diǎn),將理論和實(shí)際一體化落到實(shí)處。 以豐富的工程實(shí)踐為主線啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神,使學(xué)生具備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的獨(dú)立開發(fā)能力,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力有很好的促進(jìn)作用。

2 虛擬仿真平臺(tái)搭建

基于學(xué)校課時(shí)有限、內(nèi)容繁雜、實(shí)驗(yàn)設(shè)備更新不及時(shí)和教學(xué)技術(shù)輸出與企業(yè)脫節(jié)等問題,本文通過構(gòu)建Proteus 和LabVIEW 的虛擬仿真平臺(tái),并將該平臺(tái)應(yīng)用于“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的課堂展示中以解決這些問題。

Proteus 是一款功能強(qiáng)大的虛擬仿真軟件,是世界上著名的EDA 工具[7];LabVIEW 是NI 公司開發(fā)的圖形化編程開發(fā)平臺(tái),具備強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能與顯示功能。 本平臺(tái)應(yīng)用于“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的教學(xué)過程中,實(shí)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)與教育教學(xué)相結(jié)合,有以下優(yōu)點(diǎn)。

第一,Proteus 具有豐富的元器件資源,能夠提供多種虛擬儀器。 一臺(tái)電腦就相當(dāng)于一個(gè)先進(jìn)的電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái),實(shí)驗(yàn)過程中不必?fù)?dān)心虛擬的元器件及儀器會(huì)損壞,同時(shí),不論在元器件及儀器的采購上,還是在更新?lián)Q代上,都極大程度地節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室的資金投入。

第二,Proteus 操作界面簡單,易學(xué)易用。 學(xué)生普遍學(xué)習(xí)基礎(chǔ)較差,缺乏自信心,虛擬的實(shí)驗(yàn)可以反復(fù)操作,不斷試錯(cuò),讓學(xué)生學(xué)習(xí)的信心倍增。

第三,LabVIEW 作為一個(gè)專為測(cè)試測(cè)量設(shè)計(jì)的編程語言,使用了工程師們最熟悉的圖形化的編程方式,能夠幫助學(xué)生高效快速的開發(fā)測(cè)試應(yīng)用。

該虛擬仿真平臺(tái)首先充分利用MDK 軟件實(shí)現(xiàn)代碼的編寫,將編譯后的HEX 文件加載在Proteus 軟件繪制的電路中,可以直觀地查看到實(shí)際硬件運(yùn)行后的效果,接著利用LabVIEW 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)展示,圖形化界面效果更為直觀明了。 該虛擬仿真平臺(tái)能夠讓學(xué)生不受時(shí)間和硬件條件的局限,隨時(shí)仿真進(jìn)行實(shí)踐操作,在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)更好地掌握物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需知識(shí),提高學(xué)習(xí)效果。

3 溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例

3.1 需求設(shè)置及分析

(1)利用嵌入式芯片STM32 為控制中心,進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,在上位機(jī)上可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的查看,數(shù)據(jù)查看可以是表格的形式也可以是圖表形式。

(2)系統(tǒng)效果可以利用Proteus,VI 等多種方式查看實(shí)現(xiàn)的效果。

根據(jù)需求,學(xué)生能夠自主選擇設(shè)計(jì)一款數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng),可以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力,例如學(xué)生選擇設(shè)計(jì)一款溫度檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)將采集到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行展示,也可以將歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括溫濕度傳感器,STM32F103R6 的最小系統(tǒng)、窗口調(diào)試工具Virtual Terminal、COMPIN 等元件,溫濕度傳感器可以進(jìn)行溫濕度的設(shè)置,STM32F103R6芯片可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理及發(fā)送,窗口調(diào)試工具可以查看發(fā)送的數(shù)據(jù),COMPIN 元件實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)與上位機(jī)的通信,同時(shí)添加LCD1602 顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度。 完成電路設(shè)計(jì)后利用編程軟件Keil 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送,核心代碼如圖2 所示。

圖2 核心代碼

3.3 上位機(jī)編程

LabVIEW 是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)。 利用VISA 實(shí)現(xiàn)LabVIEW 的串行通信,VISA 作為測(cè)試程序和數(shù)據(jù)傳輸總線的中間層為應(yīng)用程序和儀器總線的通信建立了通道。 利用LabVIEW設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度檢測(cè)系統(tǒng),觀測(cè)者通過此平臺(tái)可以方便地觀察串口通信狀態(tài),直觀地觀察當(dāng)前溫度值以及歷史采集的數(shù)據(jù)。 該系統(tǒng)主要由串口配置模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、歷史數(shù)據(jù)查看模塊組成。 串口配置模塊中采用VISA 模塊實(shí)現(xiàn)與串口之間的通信,運(yùn)行前需要配置好VISA 資源名稱也就是COM 端口。 STM32 芯片利用USART 串口將數(shù)據(jù)通過COM 口發(fā)送到上位機(jī),上位機(jī)接收數(shù)據(jù)無誤后顯示通信正常,并在數(shù)據(jù)顯示模塊中顯示接收的數(shù)據(jù)值。 歷史數(shù)據(jù)查看模塊利用Excel 表格進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的再現(xiàn)。 不僅可以動(dòng)態(tài)顯示采集的溫度數(shù)據(jù),還可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于MySQL 數(shù)據(jù)庫中,以便后續(xù)使用,可用于評(píng)估溫度的狀態(tài),系統(tǒng)界面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)界面

3.4 系統(tǒng)驗(yàn)證

將編譯后的HEX 文件加載于芯片上,啟動(dòng)溫度采集,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)上,運(yùn)行后的效果如圖4 所示。圖中左側(cè)的儀表盤顯示最新一次溫度為9 攝氏度,通信正常,右側(cè)表格顯示了歷史的溫度數(shù)據(jù)及上報(bào)時(shí)間,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖4 運(yùn)行效果

4 結(jié)語

將基于Proteus 和LabVIEW 的虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用于“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程教學(xué)中,可以使學(xué)生全面了解硬件電路的設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試,熟練掌握上位機(jī)編程,利用該平臺(tái)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和解決實(shí)際問題,具備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開放能力。 該平臺(tái)為理論與實(shí)踐相結(jié)合提供了有效的教學(xué)方法,一定程度上能夠提高教學(xué)效果。