一、培训目标
- 基础编程：掌握 LabVIEW 数据类型、程序结构、子 VI 设计与调试技巧。
- 硬件通信：精通 RS-232/485、TCP/IP、Modbus、PLC 等工业通信协议及实现。
- 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。
- 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
- 开发环境与基本数据类型
- 前面板控件设计与事件结构
- 程序结构（顺序 / 循环 / 条件）与子 VI 创建
典型练习
- 简易计算器：实现四则运算与异常处理
- 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
- RS-232/485 串口通信原理与 VISA 函数
- TCP/IP、UDP 网络编程与 HTTP 协议交互
- 西门子 S7 协议与 Modbus RTU/TCP 实现
- 三菱 PLC 通信与多设备协同控制
典型练习
3. 串口协议分析仪：实现 RS-485 数据帧捕获与解析
- 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
- 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
- 生产者 - 消费者模式
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- 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
- 数据库交互与报表生成
典型练习
5. 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
- 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
- 项目需求分析与架构设计
- 多设计模式协同应用（状态机 + 生产者 - 消费者）
- 系统调试与性能优化
- 可执行程序打包与用户手册编写
典型练习
7. 智能家居监控系统
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- 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
8. 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 |
