LabVIEW教学用开发平台

一、培训目标

  1. 基础编程:掌握 LabVIEW 数据类型、程序结构、子 VI 设计与调试技巧。

  2. 硬件通信:精通 RS-232/485、TCP/IP、Modbus、PLC 等工业通信协议及实现。

  3. 高级设计模式:熟练运用状态机、生产者 - 消费者模式构建复杂测控系统。

  4. 项目实践:具备从需求分析到系统部署的全流程项目开发能力。

二、培训对象

本科学生(专业不限),具备基础电路知识或编程概念(如 C 语言)。

三、培训内容与典型练习

第一阶段: LabVIEW 编程基础( 8 课时)

课程内容

  1. 开发环境与基本数据类型

  2. 前面板控件设计与事件结构

  3. 程序结构(顺序 / 循环 / 条件)与子 VI 创建

典型练习

  1. 简易计算器:实现四则运算与异常处理

  2. 温度监控系统:随机数模拟传感器数据,实时曲线显示

第二阶段:硬件接口与工业通信( 14 课时)

课程内容

  1. RS-232/485 串口通信原理与 VISA 函数

  2. TCP/IP、UDP 网络编程与 HTTP 协议交互

  3. 西门子 S7 协议与 Modbus RTU/TCP 实现

  4. 三菱 PLC 通信与多设备协同控制

典型练习

  1. 串口协议分析仪:实现 RS-485 数据帧捕获与解析

  2. PLC 电机控制系统:通过 Modbus TCP 控制 S7-1200 PLC

第三阶段:高级设计模式与系统集成( 12 课时)

课程内容

  1. 状态机设计模式

    • 状态图建模(初始化→运行→暂停→终止)

    • 事件驱动与时间驱动状态转换

    • 层次化状态机架构设计

  2. 生产者 - 消费者模式

    • 队列数据结构管理(FIFO/LIFO)

    • 多线程数据处理优化

    • 生产者 / 消费者比例调优策略

  3. 数据库交互与报表生成

典型练习

  1. 自动化生产线状态机

    • 设计物料检测、传送、分拣状态转换

    • 实现故障报警与急停处理机制

    • 添加状态历史记录与统计功能

  1. 高速数据采集系统

    • 基于生产者 - 消费者模式实现 USB 数据实时处理

    • 设计环形缓冲区防止数据溢出

    • 添加数据处理性能监测(帧率、缓冲区占用率)

第四阶段:综合项目实践( 14 课时)

课程内容

  1. 项目需求分析与架构设计

  2. 多设计模式协同应用(状态机 + 生产者 - 消费者)

  3. 系统调试与性能优化

  4. 可执行程序打包与用户手册编写

典型练习

  1. 智能家居监控系统

    • 融合温湿度采集、数据库存储与 Web 远程控制

    • 使用状态机管理设备工作模式(自动 / 手动)

    • 基于生产者 - 消费者模式处理传感器数据流

  2. 水质监测平台

    • 多传感器数据融合(pH 值、溶解氧、浊度)

    • 状态机控制采样周期与校准流程

    • 异常数据报警与趋势预测分析

四、硬件推荐清单

设备 / 工具 型号 / 规格 用途说明
西门子 PLC S7-200 SMART CPU SR20 Modbus/TCP 通信与逻辑控制
USB 转 RS485 模块 CH340G 芯片 串口设备互联
数据采集卡 NI USB-6008 模拟量 / 数字量采集
温湿度传感器 DHT22 环境数据采集
继电器模块 5V 直流控制 模拟设备开关控制
软件工具 LabVIEW 2022、MySQL 8.0 开发环境与数据库

五、考核方式

维度 占比 评分要点
平时成绩 30% 实验报告完整性、代码规范性(注释 / 模块化)、课堂参与度
项目实践 50% 功能完成度(40%)、设计模式应用(30%)、团队协作(20%)、答辩表现(10%)
期末考试 20% LabVIEW 基础(30%)、通信协议(30%)、设计模式(40%)

六、课程安排( 40 课时)

周次 主题 核心内容
1 LabVIEW 基础 开发环境、数据类型、程序结构、子 VI 设计
2 串口与网络通信 RS-232/485 配置、TCP/UDP 编程、HTTP 协议应用
3 PLC 与仪器控制 西门子 S7 协议、Modbus RTU/TCP、GPIB/SCPI 命令
4 状态机设计模式 状态图建模、事件驱动机制、层次化状态机实现
5 生产者 - 消费者模式 队列管理、多线程编程、数据处理优化
6-7 综合项目开发 需求分析、架构设计、模块编码、系统集成(重点实现多模式协同)
8 项目优化与部署 性能调优、故障处理、用户界面美化、可执行程序生成
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