摘" 要：电子测量技术是一门工程实践性较强的专业课程，课程实验内容的设计至关重要。文章给出了实验总体设计思路，并详细介绍了各个实验的设计目的和内容。这些实验涵盖了通用电子测量仪器的使用和虚拟仪器测量中数据采集、传递、处理、存储、显示全流程要素所需的知识点和技能点，可操作性强，富有启发性。经过多年的教学实践验证，这些实验激发了学生的学习兴趣，夯实了学生的理论基础，培养了学生的实践创新能力，同时也为电子测量技术及其他相关课程的实验教学提供借鉴。
关键词：电子测量仪器；虚拟仪器；数据采集；LabVIEW
中图分类号：TP39；G434" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）09-0184-06
Design of Experimental Teaching Cases for Electronic Measurement Technology
SHA Jingjing1，2， XIA Yuguo1，2
（1.School of Microelectronics， Jiangsu Vocational College of Information Technology， Wuxi" 214153， China;
2.Jiangsu Intelligent Vehicle Integrated Circuit Engineering Research Center， Wuxi" 214153， China）
Abstract： Electronic measurement technology is a highly engineering practical professional course， and the design of course experimental content is crucial. This paper provides an overall design idea for the experiment and provides a detailed introduction to the design objectives and content of each experiment. These experiments cover the knowledge and skills required for the use of general electronic measuring instruments and the entire process of data collection， transmission， processing， storage， and display in virtual instrument measurement. They are highly operable and inspiring. After years of teaching practice verification， these experiments have stimulated students interest in learning， solidified their theoretical foundation， cultivated their practical innovation ability， and also provided reference for the experimental teaching of electronic measurement technology and other related courses.
Keywords： electronic measuring instrument; virtual instrument; data acquisition; LabVIEW
0" 引" 言
电子测量技术课程依据我院应用电子技术专业人才培养目标和相关职业岗位（群）的能力要求而设置，是应用电子技术专业人才培养方案体系中的一门专业核心课程，其前导课程有电路分析与测试、数字电子技术与应用、模拟电子技术与应用、C语言程序设计等，后续课程有集成电路测试技术、芯片可靠性及失效分析、岗位实习等。本课程主要面向电子产品性能测试、电子产品维护、智能测试装备开发、设备故障诊断、生产过程控制等相关职业岗位，教学内容包括传统电子测量仪器技术指标和使用方法、虚拟仪器概念与关键技术、数据采集理论和方法、虚拟仪器程序设计基础和虚拟仪器测试系统设计。
课程的总体培养目标是使学生掌握常用电子测量仪器的技术指标和使用方法、熟悉虚拟仪器组成架构、工作原理、关键技术和实际应用，学会虚拟仪器程序的设计并搭建虚拟仪器测试系统进行参数的测试，培养学生团队协作意识和创新精神，提高分析问题和解决问题的能力，养成严谨求实的学习态度和良好的职业行为习惯。
1" 实验设计思路
电子测量技术课程实践性强，其中实验环节占总课时的2/3。通过调研本课程所面向的职业岗位工作任务需求，结合专业人才培养方案，科学设计实验项目。经过多轮教学优化和迭代，课程中的实验分为以下四个模块：电子测量仪器的使用、虚拟仪器程序设计、数据采集和综合项目实验[1]。这些模块涵盖了相关工作岗位所需要的专业知识和基本技能，从基础到系统，从单元到综合，循序渐进，符合学生学习和认知规律，各模块所需学时和主要内容如表1所示。
2" 各模块实验内容设计
2.1" 电子测量仪器的使用
会使用通用电子测量仪器是测试工作岗位人员必备的技能。第一个模块电子测量仪器的使用里包含了两个实验，分别是仪器面板的认识和运算放大器应用电路测试。
2.1.1" 仪器面板认识实验
使用仪器的前提是认识仪器面板上按钮的分布，各个按钮名称及其作用。本实验内容是熟悉数字万用表、直流稳压电源、函数信号发生器和数字示波器这四大测量仪器的面板。学生操作仪器面板上的各个按钮，观察现象，并在实验报告上一一记录各个开关旋钮的名称、作用或现象，理解与按钮对应的性能指标参数的含义。
电子测量实验室除了提供传统台式仪器外，还配备了虚拟仪器设备NI myDAQ，它提供了万用表（DMM）、示波器（Scope）和函数发生器（FGEN）、伯德图分析仪（Bode）、任意波形发生器（ARB）等实验室虚拟仪器。虚拟仪器的软面板与传统仪器面板比较相似，所以学生在认识了传统仪器面板的基础上，可以自主完成虚拟仪器软面板的认识。例如，图1是传统函数信号发生器面板和虚拟函数信号发生器软面板，通过两者对比认识，使学生进一步加深了对仪器面板上按钮名称、功能和技术指标的认识，从而为后面正确使用仪器测量打下基础。
2.1.2" 运算放大器应用电路测试实验
本实验要求学生在面包板搭建集成运算放大器应用电路，各元器件参数如图2所示，测试电路输出信号的波形和参数，在表2中记录输出信号参数，并将实际测量结果与理论计算结果进行分析比较，得出输出信号与输入信号之间的关系和电路的功能。实验使用到的电子测量仪器有直流稳压电源、函数信号发生器、示波器、万用表。学生需要看懂电路，识别元器件，在面包板上搭建电路，正确连接电子测量仪器后进行参数测量，最后完成实验报告。通过对电路功能分析及理论计算，也进一步巩固了前面模拟电路课程所学的运算放大器相关知识。本实验学生可以使用传统测量仪器或者虚拟仪器来完成测量，图3是用虚拟仪器进行测试时示波器软面板上的显示结果。
2.2" 虚拟仪器程序设计
近年来，计算机技术在不断提高，电子测量技术也在不断改革和创新。虚拟仪器是随着计算机技术和现代测量技术发展起来的新型高科技产品，它指的是通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过图形界面来操作这台计算机，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等[2，3]。虚拟仪器代表着当今仪器发展的最新趋势，在半导体、航空航天、无线通信、电子、工业机械、能源等众多领域得到应用。当前，国内很多高校展开了虚拟仪器开发与应用方面的教学和研究，并取得了较多研究成果[4-11]。在虚拟仪器测试系统中，软件起着核心的作用，为了提高虚拟仪器软件编写能力，学生需要多动手、多实践。课程中介绍LabVIEW图形编程语言，为帮助学生灵活应用前面所学的编程基本知识，进一步提高虚拟仪器程序设计能力，安排了打地鼠游戏的设计和串口调试助手的设计两个综合实验。
2.2.1" 打地鼠游戏的设计
基本设计要求：
1）游戏界面中有25只地鼠随机出现，地鼠出现频率可调。
2）按键控制游戏开始和停止。按下开始按钮，地鼠开始出现；按下停止按钮，地鼠不再出现，并提示游戏中止，显示当前的得分。
3）计分功能。当鼠标击中地鼠，得分加1，前面板实时显示当前得分。
4）倒计时功能。设定每一局游戏时间（如30秒），游戏开始后逐秒进行倒计时，当剩余时间为0时，游戏结束，弹出对话框提示游戏结束并显示当前的得分。
5）前面板的美化修饰。
根据功能要求设计前面板和程序框图。前面板是游戏交互界面，主要包括地鼠随机出现和消失，剩余时间显示、得分显示和其他一些控制按钮。这里创建一个5行5列二维数组，地鼠控件作为二维数组的元素。程序框图主要分为程序初始化、地鼠随机产生模块、按钮控制、计分、倒计时等几个部分，程序设计流程如图4所示。实验综合应用了顺序结构，条件结构、循环结构和事件结构组合成一个功能较为强大的应用程序框架，并应用到局部变量、属性节点、自定义控件制作等知识和技能点。以学生日常接触到过的地鼠游戏作为设计对象，具有趣味性，激发了学生学习兴趣，通过本实验提高学生理论联系实际能力和软件编程能力。图5为前面板实验效果图。
2.2.2" 串口调试助手的设计
在实际测量系统中，经常用到计算机与微控制器、仪器与仪器之间的相互通信，它们之间通常采用串口通信。为使学生掌握串口操作流程并提高LabVIEW编程技巧和方法，设计串口调试助手软件设计实验。设计要求串口调试助手需要具有发送字符串和接收字符串基本功能，接收模式包含“按长度接收”和“按结束符接收”两种模式，字符串显示包含正常显示和十六进制显示两种模式，前面板设计参考如图6所示。
程序采用While循环加事件结构的架构。事件包括了“配置串口”值改变、“串口发送”值改变、“串口接收”值改变、“关闭串口”值改变、“前面板关闭？”“清空发送区”值改变、“清空接收区”值改变等几个分支，图7显示的是“串口接收”值改变事件分支。通过本实验，能让学生对程序控制串口的操作流程有更清晰的思路。编程过程中指导学生程序调试方法，在没有下位机情况下，实验中可以使用虚拟串口来进行通信调试。在各模块调试过程中，直观地观察到了串口收发信息的结果，有助于加深对串口通信过程和信息收发机理的理解，为后续开展的综合项目实验打下基础。学生可以应用自己设计的串口调试助手来调试其他项目中的串口通信功能或采集其他系统的数据。
2.3" 数据采集
基于虚拟仪器技术的测量系统，它的硬件由传感器、信号调理模块、数据采集设备和计算机等构成。其中，数据采集设备的作用是完成信号的采集和生成，这里使用了NI myDAQ设备，它提供了2路差分模拟输入通道、2路模拟输出通道、8路数字输入/输出端口、1路音频输出端口和1路音频输入端口。该设备与计算机上的LabVIEW配合，可分析和处理获取的数据。为了使学生掌握数据采集概念和实现过程，本模块设计模拟信号采集和数字信号采集两个实验。
2.3.1" 模拟信号采集
要求学生采集现场一个直流电压，并在计算机软件界面上显示采集到的电压值。实验中需要掌握任务和通道的概念，并掌握数据采集过程的5个基本环节，包括创建任务、配置任务、开始任务、读取/写入数据和清除任务。本实验所涉及的知识和技能是开展后续综合项目实验的基础。图8为测试程序框图和测试结果显示。
2.3.2" 数字信号采集
本实验任务要求编写程序控制数码管加计数显示，使学生掌握数字测控对象的检测与控制方法。首先进行LabVIEW程序设计，在前面板的数码管上验证功能，然后在面包板上搭建数码管显示电路，采集数字信号并控制数码管显示。实验将数码管显示控制原理、电路搭建、数字信号采集等多个知识点和技能点综合到一起，软件与硬件相结合。实验软件和硬件显示结果如图9所示。
2.4" 综合项目实验
除了电参数的测量外，非电参数的测量也是电子测量的内容。在现代智能化生产和生活中，常常需要对温度、压力、流量、速度等物理参数进行感知和测量。基于虚拟仪器的测量方法中，首先要将被测数据采集到计算机，采集除了通过数据采集卡、摄像头、声卡，还可以通过单片机或嵌入式仪器[12]，这样的测量系统在实际工程中也有着广泛的应用，为使学生掌握这样的测量方法，设计本实验，要求利用LabVIEW软件和Arduino控制器平台设计一个温湿度实时监测系统[13]。实验中由2名学生组成一个团队，合作完成。任务包括制定项目设计方案，Arduino硬件模块控制与通信程序编写，LabVIEW串口通信与数据处理程序编写，设计报告撰写与项目汇报。图10至图12分别是系统组成框图、硬件电路和监测界面。
本实验以将虚拟仪器测量中的数据采集、传递、处理、存储和显示全流程要素融合到一起，紧贴工程应用实际。通过实验使学生掌握一种新的测量方法，提高软硬件设计与调试综合技能，培养了团队合作意识和创新意识。
3" 结" 论
围绕电子测量技术相关岗位工作任务和能力要求，制定课程标准，按照有用、有趣、有效的原则设计电子测量技术课程实验，内容包含仪器面板认识、运算放大器应用电路测试、打地鼠游戏的设计、串口调试助手的设计、模拟与数字信号的采集、温湿度实时监测系统的设计。教学中采用教、学、做一体教学，引导学生自主、合作、探究地开展实验，学生做中学、学中做。经过多轮教学实践的优化与迭代，目前给出的实验设计方案在调动学生的学习兴趣，提高学生理论联系实际、动手实践和解决问题等能力方面，达到良好预期，也可以给相关课程实验教学提供借鉴。
参考文献：
[1] 沙晶晶，夏玉果，董天天.虚拟仪器开发与应用教程 [M].北京：机械工业出版社，2023.
[2] 纪树利.虚拟仪器技术在电子测量中的应用 [J].工程技术研究，2017（4）：98-99.
[3] 闾素红.虚拟仪器技术在电力系统测量中的应用研究 [D].郑州：解放军信息工程大学，2008.
[4] 金燕，陈强.电子技术“口袋实验室”开发及实验项目设计 [J].实验技术与管理，2019，36（6）：94-99.
[5] 陈林，胡驰，杨子枢，等.虚拟仪器课程中的“软硬结合”实验教学 [J].实验室研究与探索，2016，35（3）：89-91+114.
[6] 全晓莉，古良玲.基于LabVIEW的电子类虚拟实验系统设计 [J].实验技术与管理，2018，35（2）：121-123+129.
[7] 林智慧.虚拟仪器在数字电子技术实验中的应用 [J].电子制作，2020（Z1）：92-93+36.
[8] 徐晓玲，余佼，张明辉，等.基于LabVIEW的传感器虚拟综合实验系统设计 [J].实验技术与管理，2019，36（2）：134-136+140.
[9] 荣海林，姚福安.基于MyDAQ的“电子技术基础”口袋实验室开发 [J].电气电子教学学报，2017，39（6）：133-137.
[10] 乐建华，黄家才.检测技术与虚拟仪器实验室建设 [J].实验室研究与探索，2016，35（12）：96-99.
[11] 段帅宁.基于LabVIEW的电工电子实验台系统研究 [D].大连：大连交通大学，2023.
[12] 郝丽，赵伟.LabVIEW虚拟仪器设计及应用：程序设计、数据采集、硬件控制与信号处理 [M].北京：清华大学出版社，2018.
[13] 毛敏.基于Arduino和LabVIEW的温湿度监测系统设计 [J].工业仪表与自动化装置，2017（2）：84-87.
作者简介：沙晶晶（1981—），女，汉族，江苏南通人，讲师，硕士，研究方向：电子技术应用、虚拟仪器技术；夏玉果（1981—），男，汉族，江苏宿迁人，教授，硕士，研究方向：电子信息技术、实践教学。
