基于ＬａｂＶＩＥＷ的綜合實驗教學平臺研制

[摘要]介紹了基于LabVIEW的綜合實驗教學平臺的開發與應用，闡述了實驗臺的設計原理、結構與功能，并給出典型示例。該實驗臺采用較先進的數據采集軟件與硬件，實驗臺設計結構緊湊、使用靈活、操作界面美觀、直觀效果好，經投入使用效果良好。

[關鍵詞]LabVIEW編程，綜合實驗臺，數據采集與控制，實驗教學。

[中圖分類號]TN06[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2008)01-0075-03

0引言

目前國內高等院校機械類專業普遍開設機械工程測試技術課程，該課程主要講授機械工程領域常見的各種物理量的測試與分析方法。由于機械工程測試技術課程豐富的實踐性，它的一個重要教學環節是實驗課。工程測試實驗教學的目的不僅在于對理論教學的驗證，更重要的是訓練學生工程測試實際應用能力。傳統的測試實驗方法已不能滿足現在的教學要求，隨著計算機技術和電子儀器技術的進步，測試技術實驗教學也面臨新的問題。

使用傳統儀器進行測試實驗教學，主要存在以下問題：①儀器功能單一。傳統測控設備一般只能獨立完成一項具體的測控任務和功能，不同實驗所用儀器也不盡相同，對于綜合性實驗所需的儀器較多，勢必增加儀器投資，而且現場使用很不方便，降低了實驗教學的效率；②儀器功能是封閉的。由于傳統儀器功能的封閉性，學生難以了解其工作原理，影響對實驗內容的理解；③學生只能按照教師事先設計好的實驗方案被動的進行操作，沒有體現出在實驗課中的主體地位。

LabVIEW作為高效的虛擬儀器開發平臺，以其靈活、緊湊、功能強和圖形編程方式使系統軟件開發更省時、更省力。無論是測量、測試、計量或是工業過程控制和分析處理，還是更為廣泛的測控領域，虛擬儀器都是理想的高效率的解決方案。該軟件作為一個比較完整和性能優異的圖形化軟件開發環境，被越來越多的工科大學作為課堂和實驗室教學內容，作為工程師素質培養的一個方面。使用者用圖形語言開發出各種儀器，綜合應用所學過的各學科知識，像搭積木一樣，在普通的計算機上構建一個個人實驗室，完成機械工程測試實驗。使教師和學生擺脫了功能單一、固定的現成儀器的束縛，充分發揮學生的積極性和創造性，有利于培養學生在實驗課中的主動性，有利于培養學生的創造性思維和工程實踐能力。

1綜合實驗平臺構成

綜合實驗平臺的設計原則是將LabVIEW軟件與專業課實驗結合，二次開發出適合本專業特點的實驗程序及實驗裝置。設計思路是要求學生學習用軟件搭建自己的實驗平臺，給出典型示例，了解測試程序的基本設計原理，并結合工程測試對象進行測試。

該平臺主要有三部分內容：基于LabVIEW的虛擬儀器基本組成實驗，傳感器的靜態特性測試，數據采集與控制綜合實驗。虛擬儀器基本組成實驗主要介紹虛擬儀器概念及虛擬儀器工作原理，要求學生熟悉LabVIEW環境及各模板，運行已編輯好的例程，了解基本的編輯技術，并根據提示創建簡單的程序。傳感器的靜態特性測試內容為靜態信號（或變化極緩慢信號）時測試裝置的輸入與輸出之間的關系。本實驗要求學生了解傳感器工作原理及使用方法，掌握基于LabVIEW的傳感器的靜態特性標定方法，靜態特性主要包括線性度、靈敏度、回程誤差。在前兩項實驗內容中學習了測試軟件的使用方法及傳感器的標定，在后續實驗中學習LabVIEW在工程實際中的應用，了解測速傳感器的工作原理及使用方法，了解測試系統的控制方法及滑塊行程的控制方法。該實驗平臺結構緊湊，設計合理，內容豐富，直觀效果強，復用性強，系統費用低，可操作性強，集計算機、數據采集系統與實驗室實驗模型于一體。

2實驗平臺設計原理

實驗系統在基于LabVIEW軟件平臺上開發，設計有標定平臺、測試平臺及控制平臺（見圖1），系統采用研華PCI-1711型插入式數據采集與控制卡，分辨率為12位，采樣頻率100KS/s，通道16路單端，模擬量輸入各通道增益可單獨編程，自動通道/增益掃描，板載1KFIFO，2路12位模擬量輸出，16路數字量輸入/16路數字量輸出。該型號的數據采集卡各項性能指標均能滿足實驗教學與科研要求，且從價格性能比上經濟實惠。實驗模型中的傳感器可測試位移、力、溫度、速度等物理參量。在綜合實驗臺上設計有電風扇、測量轉速裝置、直流電機、繼電器控制電路、位移測量裝置、滑塊等（見圖2）。

3實驗系統應用

圖3所示為綜合實驗臺，實驗臺集測速、電機換向及行程控制等功能于一體。轉速的測量是機械性能測試的重要參數，在工程應用中經常要對電機轉速、飛輪轉速等參數進行測量。實驗中以電風扇作為測試對象，采用光電轉速傳感器，在黑色的電風扇葉片上粘貼白色條紋，將光電轉速傳感器發射的光點對準風扇的葉片，光電轉速測量系統中通過安裝在電風扇上的白色反光體來控制光電元件光通量的強弱，從而產生與被測物體轉速成正比的電脈沖信號。

圖4為綜合實驗臺的電機換向控制電路原理。該電路由三極管、繼電器與常開觸點組成。當觸發端給一高電位（+3V）時三極管的集電極和發射極接通，繼電器k1和k3的線圈吸合，電機正轉；反之，當觸發端給一低電位（0V）時三極管的集電極和發射極電阻較大，繼電器k1和k3的線圈斷電，繼電器k2的線圈和繼電器k4的線圈吸合，電機反轉，改變觸發端的電位高低是由LabVIEW控制程序來實現。在滑塊行程控制實驗中，將滑塊位移作為控制量，使滑塊按預定的行程運動，當滑塊運動到預定位置時由控制回路自動發出訊號，滑塊停止。當電機正反轉及滑塊運動和停止時會有相應的指示燈閃亮。

4實驗系統的擴展

該實驗系統的標定平臺可適用于各類傳感器，包括力、溫度、速度、加速度、行程等。為該實驗系統專門設計的端子盒將接線端子分別引出，便于連接和使用，當需要輸入或輸出信號時，只需將信號線的統一插頭插入相應通道接口即可，該實驗系統具有很強的通用性和可擴展性，對于測試信號較多，現場情況多變時，可在此基礎上很方便地搭建。

5應用效果分析

將基于LabVIEW的綜合實驗平臺引入實驗教學中，經過兩年的實踐，收到較好的效果。

1）改善實驗環境，提高學生學習興趣。興趣是學好知識的基礎，有興趣才有動力。LabVIEW綜合實驗教學平臺的使用，充滿高新技術氣息的氛圍，調動了學生對實驗課的興趣，學生們在實驗課中積極主動；

2）減少資金投入，豐富實驗內容。傳統的實驗記錄儀采用SC-16型光線示波器，每年要消耗大量的紫外線感光紙，價格昂貴，采購不方便。此平臺使用以來，節省了費用，同時給學生拓寬了思維空間，提供了從模擬走向創新的條件；

3）科研帶動教學，教學促進科研。將科研成果引入實驗教學是一個高效可行之路，實驗教師通過開發高新技術實驗，不但提高教學水平，同時促進了科研；

4）LabVIEW是一個易學、高效的虛擬儀器開發平臺，在與使用傳統儀器基本相同的實驗課時內，學生就可以完成簡單編程、連接硬件，進行實驗的全部過程。用LabVIEW軟件編程可方便的自行開發出各種實驗儀器，代替傳統儀器來完成實驗，生動直觀地展示出許多抽象物理的概念，易于理解，能夠達到課堂講授很難達到的效果。

虛擬儀器技術是基于計算機技術、現代測量技術和電子儀器技術發展起來的新產物，它將儀器硬件與軟件、計算機高效地結合在一起，應用虛擬儀器技術進行工程測試，是測試技術發展的必然趨勢。由于它的環境軟件硬件都是工業標準的產品，學生通過實驗學到的技能可直接應用到生產實踐中去，可使學生盡快適應未來市場對他們的需求。

參考文獻

1汪敏生.LabVIEW基礎教程.北京:電子工業出版社，2002.

2 石博強，趙德永，李暢，等.LabVIEW編程技術實用教程.北京:中國鐵道出版社，2002.

3 陳花玲.機械工程測試技術.北京:機械工業出版社，2002.