基于虛擬儀器的自動檢測技術實驗教學平臺

王曉爽

【摘 要】文中針對傳統(tǒng)測試實驗平臺的功能單一、操作復雜、擴展性差等方面的問題，提出了在 CSY 傳感器與檢測技術實驗儀的基礎上，開發(fā)基于LabVIEW 的虛擬儀器自動檢測技術課程實驗系統(tǒng)。

【關鍵詞】LabVIEW；虛擬儀器；自動檢測技術；實驗教學

【中圖分類號】G642.0【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0065-01

一、引言

隨著信息時代的到來及計算機技術、信息技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展， 自動檢測技術及其應用也在飛速發(fā)展。在自動檢測技術實驗中，經(jīng)常需要對一些工程領域常見的運動和性能參數(shù)進行測試與分析。如位移、應變、溫度和振動的測試等。傳統(tǒng)的傳感器實驗教學一般在CSY傳感器系統(tǒng)綜合實驗臺上完成，教學內(nèi)容以驗證性實驗為主， 對傳感器的輸出信號的處理技術相當匱乏，只能了解一些簡單傳感器的工作原理，對應用及工程實踐聯(lián)系較少。那如何采用合適的教學方法和創(chuàng)新的教學手段來讓學生通過實驗真正做到深入理解相關理論，并將理論與實際有機地結合在一起呢？ 虛擬儀器技術的快速發(fā)展，為我們提供了可實現(xiàn)的工具。將虛擬儀器技術與CSY傳感器實驗儀相結合，在虛擬儀器系統(tǒng)平臺下進行傳感器實驗，可有效地提高學生的實際動手能力和學習興趣， 同時實現(xiàn)實驗教學與工程實際應用的銜接。

二、虛擬儀器的特點和組成

（1）虛擬儀器的特點

虛擬儀器是以計算機為基礎 ，配以相應測試功能的硬件作為信號輸入輸出的接口， 完成信號的采集、測量與調理，從而完成各種測試功能的一種計算機化儀器系統(tǒng)。它利用計算機強大的圖形環(huán)境建立虛擬儀器面板，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示功能，徹底改變了傳統(tǒng)儀器由生產(chǎn)廠家定義功能的模式，而由用戶自定義儀器功能。[1]與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有易用靈活、功能強大、性價比高、可操作性好等特點，具體表現(xiàn)為：1、智能化程度高，處理能力強。用戶可以根據(jù)實際應用需求，將先進的信號處理算法、專家系統(tǒng)和人工智能技術應用于儀器設計。2、應用性強，系統(tǒng)費用低。虛擬儀器的設計思想是用相同的基本硬件構造多種不同功能的測試分析儀器，這樣的儀器系統(tǒng)功能更開放、靈活、高效，費用更低，并且還可通過計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享來增加使用價值。3、操作性強，易用靈活。虛擬儀器面板可由用戶針對不同應用來設計定義，使儀器操作變得更直觀、簡便，同時測量結果不僅可以打印、顯示報表或曲線，還可以直接進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或者通過網(wǎng)絡發(fā)送，大大提高了儀器的可操作性。

（2）虛擬儀器的組成

虛擬儀器的組成包括硬件和軟件兩個基本要素。其中硬件主要用于解決信號的調理及輸入輸出問題，一般由傳感器、信號采集電路、數(shù)據(jù)采集設備以及計算機組成。虛擬儀器的輸入輸出由數(shù)據(jù)采集卡、GPIB卡、VXI/ PXI/LXI卡、串口和現(xiàn)場總線等硬件模塊完成。軟件是虛擬儀器的關鍵，主要用于是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、分析處理、顯示和對硬件的控制等功能，主要包括虛擬儀器應用軟件的開發(fā)平臺、儀器驅動程序以及I/O接口軟件。由于主要軟件開發(fā)平臺LabVIEW 采用圖形化的編程語言（ G 語言），面向的是沒有編程經(jīng)驗的用戶， 所以十分適合工程類學生在基礎實驗課程中作為開發(fā)平臺使用。

三、自動檢測技術實驗虛擬教學平臺的設計方案

1、虛擬實驗教學平臺的創(chuàng)建思想[2]

自動檢測技術課程實驗一般開設的都是驗證性實驗，如應變片的全橋性能實驗、差動變壓器的性能和應用（ 振動測量） 實驗和霍爾式傳感器的位移特性實驗等。這些實驗是在CSY 998系列傳感器與檢測技術實驗儀上完成的，該實驗臺大部分傳感器的結構透明，調理電路標識清楚，使學生對信號的拾取、轉換有較深刻的認識，但對于獲取數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲無能為力，不利于學生的系統(tǒng)學習。

根據(jù)學校培養(yǎng)“一線工程師”的特色辦學思想，我們以自動檢測技術課程建設為契機，以學校當前實驗條件和設備為基礎，利用實驗室已經(jīng)配備的PC機和CSY 998系列傳感器與檢測技術實驗儀和labview軟件， 建立了一個適合自動檢測技術課程和測控系統(tǒng)原理課程教學， 同時能夠培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力的實驗教學平臺。該平臺不僅可對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，減小誤差，還可以把實驗數(shù)據(jù)保存成電子版及打印實驗報告需要的數(shù)據(jù)表，從而提高學生參與實驗的積極性，取得了較好的教學效果。

2、虛擬實驗教學平臺的設計方案

虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構成有多種方式，主要由所采用的硬件與接口決定。根據(jù)系統(tǒng)硬件和接口方式的不同，可以分為以插入式數(shù)據(jù)采集卡和信號調理電路為硬件的PC-DAQ系統(tǒng)，還有以GPIB、串行、PXI、VXI總線等為硬件接口方式組成的GPIP儀器控制系統(tǒng)、串行口系統(tǒng)、PXI儀器系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)等。[3]

在上述結構中，最簡單、最廉價的形式是采用PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，或是基于RS-232或USB總線的便攜式數(shù)據(jù)采集卡。本校實驗室的CSY 998型傳感器與檢測技術實驗儀內(nèi)具有基于RS-232總線的便攜式數(shù)據(jù)采集卡，為充分利用資源和節(jié)約成本，本自動檢測技術創(chuàng)新實驗教學平臺通信方式采用串行通訊，利用CSY 998型傳感器與檢測技術實驗儀的串行口通過串行總線與PC機的串行口相接，將待測信號送入計算機， 計算機通過串口對采集的輸入信號進行傳輸、分析、處理和記錄。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

在確定了實驗教學平臺的硬件之后， 就可以通過LabVIEW軟件來實現(xiàn)想要的功能，由計算機直接參與實驗信號源的產(chǎn)生及對實驗數(shù)據(jù)進行測量、分析、處理。虛擬儀器的軟件設計主要包括儀器界面模塊、輸入輸出接口模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊等部分組成。儀器界面模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊是建立在儀器驅動程序之上， 直接向用戶提供友好的操作界面和進行數(shù)據(jù)分析與處理的應用程序， 由用戶根據(jù)功能需要自行編制。數(shù)據(jù)分析處理程序主要用于對采集的實驗數(shù)據(jù)進行分析、計算與顯示。

四、結束語

在 CSY型傳感器與檢測技術實驗儀的基礎上建立基于虛擬儀器的傳感器實驗系統(tǒng)，不僅提升了實驗設備的水平，在很大程度上節(jié)省了學校更新實驗設備所需的資金， 還可以通過LabVIEW編程方便地與網(wǎng)絡、外設連接，利用網(wǎng)絡進行多用戶數(shù)據(jù)共享，為實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡化建立了基礎。同時虛擬儀器在自動檢測技術實驗課程教學中的應用不但激發(fā)了學生的學習興趣和探索精神，還拓展了學生的知識面，增加了學生動手機會和創(chuàng)新能力。

參考文獻

[1] 舒筠佳.基于虛擬儀器技術的高校電子實驗平臺開發(fā)[J].上海電力學院學報，2009（6）：253-255

[2] 李學聰，萬頻， 等.基于虛擬儀器的檢測技術創(chuàng)新實驗教學平臺[J].廣東工業(yè)大學學報（社會科學版），2008，8（增刊）：140- 141

[3] 薛曉穎，高峰.基于虛擬儀器技術的傳感器綜合實驗教學[J].重慶郵電大學學報（社會科學版），2008，6：49～51