機械測控技術課程虛擬實驗室構建*

◆羅頌榮 車曉毅

機械測控技術課程虛擬實驗室構建*

◆羅頌榮 車曉毅

為解決實驗室建設資金短缺與招生規模不斷擴大的矛盾，利用聲卡的數據采集技術和虛擬儀器低成本、擴展性好的優勢，構建機械測控技術課程虛擬實驗室。該實驗室主要包括基于聲卡虛擬示波器和虛擬信號發生器以及虛擬機械振動信號分析系統。實驗驗證了虛擬示波器和虛擬信號發生器的可靠性。

聲卡；虛擬實驗室；機械測控技術

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.015

1　前言

機械測試技術和機械控制工程是機械工程專業本科核心課程，理論抽象、難懂。為增強教學效果，培養學生的工程實踐與創新能力，實驗教學是教學體系中不可或缺的環節［1］。但傳統的實驗教學儀器功能單一，可擴展性差，在當今知識快速更新背景下，很難滿足實驗教學要求。

近10多年來，虛擬儀器的開發及應用已得到重點高校的廣泛關注［2］。許多教研工作者開發了較好的虛擬儀器，取得良好的教學效果和經濟效益［3］。本文針對機械工程專業測控技術核心課程的實驗教學要求，構建虛擬實驗系統，適用于測控技術類實驗教學中的仿真實驗、研究性實驗和創新性實驗，可以增強學生對課程的學習興趣，培養學生實踐動手能力、工程設計能力和工程創新能力，對改善高校辦學條件，提升高校教育教學水平，均有重要意義。

2　系統總體設計

基于虛擬儀器的實驗系統包括硬件和軟件兩大組成部分。硬件部分包括傳感器、數據采集卡、計算機及其I/O接口設備等，主要完成數據采集和預處理功能；軟件部分是指以G語言為軟件平臺，通過編程的方式來實現儀器功能的各種G代碼。軟件是虛擬儀器的關鍵。在硬件電路確定后，用戶通過軟件編程可以進行數據存儲、分析、處理、輸出等，根據各自的需要，研發出各種功能的虛擬儀器系統。系統總體方案框圖如圖1所示。

從數據采集的角度看，聲卡是音頻信號采集卡［4］。目前市面上聲卡一般是16位的雙通道數據采集卡，最高采樣頻率可達44.1 kHz，而且聲卡價格十分低廉。另外，聲卡同時具有模入和模出功能，因此，聲卡可以應用于高校實驗教學系統，實現音頻范圍的工程信號的有效采集。本文根據測控技術類課程實驗教學要求，以聲卡作為信號A/D卡和D/ A卡，實現模入與模出，以LabVIEW為軟件平臺，組建基于虛擬儀器技術的實驗系統。本系統主要包括基于聲卡的虛擬示波器和虛擬信號發生器，虛擬機械振動信號分析系統。

3　系統硬件設計

以PC機聲卡為核心組織系統硬件。目前，聲卡有粉紅色的Line In口和草綠色Line Out口。因此，使用Line In作為示波器的輸入口，使用Line Out作為信號發生器的輸出口。LabVIEW軟件提供了與聲卡有關的函數，這些函數使用Windows底層函數直接與聲卡驅動程序通信，響應速度快，可以訪問、采集緩沖區中任意位置的數據，能夠實時連續采集和輸出數據。LabVIEW的數據采集函數在Sound Input子模板中，有SI Config.vi、SI Start.vi、SI Read.vi、SI Stop.vi和SI Clear.vi函數。聲卡的輸出函數在Sound Output子模板中，有SO Config.vi、SO Start.vi、SO Write. vi、SO Stop.vi、SO Wait.vi、SO Set Num Buffers.vi等。這些vis通過Windows底層函數與聲卡驅動交換和傳遞信息，封裝層次低，速度快。

4　系統軟件設計

LabVIEW軟件是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發軟件，可以實現數據采集、信號分析與處理、各種標準接口儀器驅動程序的編制等。為滿足實驗教學的需要，本文采用LabVIEW軟件實現教學中所需的基于聲卡的虛擬示波器、雙通道標準信號發生器和虛擬機械振動信號分析系統。

虛擬示波器面板有聲卡設置、波形的顯示、時基幅值控制、結果顯示、儀器操作控制、文件存儲等模塊，具有時域波形顯示、簡單頻譜分析、數據存儲和回放、截圖、顯示數據最大值最小值、基波頻率、基波幅值、數據均方值等功能。雙通道標準信號發生器是利用聲卡的雙通道模擬輸出功能編程實現的虛擬信號發生器，可以產生標準正弦波、方波、三角波和鋸齒波、白噪聲，并通過聲卡Line Out口輸出。以下主要闡述虛擬機械振動信號分析系統設計過程。

圖1　系統總體框圖

*項目來源：湖南文理學院教改項目（JGYB1319）；機械控制工程課程研究性教學改革項目資助。作者：羅頌榮，湖南文理學院機械工程學院副教授，研究方向為虛擬儀器技術；車曉毅，湖南文理學院機械工程學院教授，研究方向為數控技術教研教改（415000）。

前面板設計 振動是機械系統一種常見的物理現象。通過測量機械系統的振動，可以獲取機械系統的動態性能，進行系統參數辨識；可以及時了解機械系統的運行狀態，預測或診斷系統故障；可以尋找異常振動和噪聲的根源，為結構優化設計提供可靠的理論依據。

振動信號的分析方法主要有幅值域統計分析、時域分析和頻域分析。幅值域統計分析包括最大值、最小值、峰峰值、均值、均方值和方差、方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指標、峰值指標、脈沖指標和裕度指標。時域分析包括時域波形的顯示、自相關分析、互相關分析等。頻域分析包括以傅里葉變換為核心的幅值譜、功率譜、倒頻譜、包絡譜等。本文利用聲卡采集由于機械振動所產生的音頻信號，從而實現信號分析。系統前面板主要包括聲卡數據采集模塊，離線在線控制、數據文件讀取與存取、數據預處理模塊，性能指標顯示模塊，以及時域、頻域分析與顯示模塊。

SI Config.vi對聲卡的采集參數進行設置后，SI Start. vi啟動聲卡的數據采集，在While循環中SI Read.vi將緩沖區的數據一整塊一整塊地讀入內存。同時，利用CASE結構將采樣頻率fs送入While循環體中。已讀入內存的電壓信號，經過標定后和時間信息捆綁為波形數據，供信號處理程序調用。按下停止按鈕STOP，程序跳出While循環，執行SI Stop.vi和SI Clear.vi，停止聲卡采集并清除和釋放內存。

聲卡采集的數據進入信號分析模塊前，需要經過抗混濾波、加窗截斷等預處理。因此，數據預處理模塊主要包括濾波器類型選擇、濾波器參數設置和窗函數選擇。在實驗中可以選擇Butterworth濾波器或者Chebyshev濾波器及相應的高通、低通、帶通或帶阻，并設置濾波器參數，可供選擇的窗函數有Hanning、Hamming、Blackman、Exact Blackman、Flat Top等。

振動信號分析模塊可設計為研究性實驗或者創新實驗，學生可以根據興趣設計實驗內容。機械振動信號往往表現為復雜的調幅—調頻特征。對于此類信號，包絡解調分析是十分有效的分析方法之一。在此，對包絡解調程序做詳細闡述：首先對原始信號作Hilbert變換獲得Hilbert變換對，構造原始信號的解析信號；然后通過求取解析信號的模來獲得幅值包絡信號；最后對幅值包絡信號進行低通濾波，再作FFT變換求取包絡譜，從而得到調制頻率及其倍頻。包絡解調程序框圖如圖3所示。

圖3　包絡解調程序框圖

5　實驗驗證

對基于聲卡的虛擬示波器和信號發生器進行驗證。對聲卡進行標定并設置采集參數，聲卡的標定為3500，單聲道，采樣頻率為44.1 kHz，16位采樣精度。利用GW SFG-2110音頻信號發生器產生頻率為100 Hz，幅值為0.8 V的標準正弦波，從Line In口輸入，運行虛擬示波器。虛擬信號發生器產生頻率為100 Hz，幅值為0.8 V的標準正弦波，用兩頭均為3.5 mm插頭的音頻信號線將Line Out與Line In連接，則虛擬信號發生器產生的信號從Line Out口輸出后送入Line In口，運行界面如圖4和圖5所示。可見虛擬示波器和虛擬信號發生器均能可靠運行，滿足實驗要求。

6　結論

本文利用普通聲卡，基于虛擬儀器思想，探索并構建機械測控技術虛擬實驗室。該實驗室主要包括虛擬示波器

圖2　信號調理電路

圖4　虛擬示波器運行結果

和虛擬信號發生器以及虛擬機械振動信號分析系統，通過實驗驗證虛擬示波器和信號發生器的可靠性。該實驗系統不但能較好地滿足機械工程專業測控技術類課程的實驗教學要求，而且成本低，可擴展性好，易于維護與管理，為實驗室建設與探索提供了新的思路和手段。■

［1］劉吉軒，張小棟，陳花玲.測試技術層次化實驗教學改革與實踐［J］.實驗室研究與探索，2013，32（1）：125-128.

［2］陳小紅.虛擬實驗室的研究現狀及其發展趨勢［J］.中國現代教育裝備，2010（17）：107-109.

［3］王文娣，楊靜，霍曉靜.利用虛擬儀器技術改革創新實驗教學模式［J］.河北農業大學學報：農林教育版，2012，14（2）：53-55.

圖5　信號發生器運行結果

［4］郝麗，趙偉.基于聲卡的虛擬儀器教學［J］.實驗室研究與探索，2014，33（2）：79-81.

G434 TP391.9

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1671-489X（2016）12-0015-03