虛擬傳感器的開發與應用

王雷濤 朱靜 鳳翔麗 李兵

摘要：為了實現實驗教學對實際測量場景的替代，該文以航空器剪應力傳感器為例，對虛擬傳感器開發與應用進行了說明。實踐證明，引用基于LabVIEW的虛擬傳感器，通過數據輸出卡，為《數據采集與處理》實驗課提供真實的傳感器數據源，解決目前實驗課無法提供多樣傳感器數據源問題。此外，建設基于LabVIEW的虛擬傳感器實驗室節約建設成本，為更改傳統實驗室提供了新思路，同時，也為測量儀器的標定與校驗提供了新方法。

關鍵詞：虛擬傳感器；LabVIEW；數據采集；實驗教學

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）04-0261-02

Abstract： In order to realize the substitution of experimental teaching for the actual measurement scene， this paper takes the aircraft shear stress sensor as an example to illustrate the development and application of virtual sensor. It has been proved in practice that the virtual sensor based on LabVIEW is used to proved the experimental class of “date acquisition and processing” through the date output card， so as to solve the problem that various sensor date source cannot be provided in the experimental class at present. In addition， the construction of virtual sensor laboratory based on LabVIEW saves construction cost， provides a new idea for changing the traditional laboratory， and also provides a new method for calibration and calibration of measuring instruments.

Key words： virtual sensor； LabVIEW； data acquisition； experiment teaching

《中國制造2025》已經全面部署及實施，企業也逐漸從勞動密集型轉向技術密集型，這對高等院校辦學理念提出了新要求[1]，企業需要高素質，高技能，深度介入行業背景的精英人才，學生也迫切需要與企業需求更加切合的專業領域教育，以此提高他們的就業競爭力，因此，建設具有特性鮮明，行業背景清晰的高等院校刻不容緩。

集中授課作為學校培養模式的重要手段，課改任務必須與行業對接，在課程中引用現有技術載體是實現對接的重要手段。

1 傳感器在《數據采集與處理》課程中的定位

數據采集作為獲取信息的工具，在國民經濟的各個領域，如核電、石化、冶金、航空航天、機械制造等方面有著非常重要的地位，數據采集（Data acquisition）是信息科學的一個重要分支，是以傳感器、信號的測量與處理、微型計算機等先進技術為基礎而形成的一門綜合應用技術，其實用型很強[2]。

傳感器作為數據采集的主要對象，其特性與數據形輸出形式是數據采集課程分析與處理的關鍵因素，尤其是在實訓課程中，數據采集沒有傳感器的數據作為支撐，對其后續的處理方法與結果分析都無法實質性驗證，更無法探究優劣方案，嚴重影響學生學習興趣。因此，能夠提供多樣的傳感器類型與可變的物理數據是充實《數據采集與處理》課程關鍵。

2 航空傳感器實驗室困境

航空傳感器具有種類多，結構復雜，輸出信號標準不統一等特點，比如民用飛機主要的傳感器有：空速管、靜壓孔、溫度、失速傳感器、陀螺儀、迎角傳感器、接地傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器等大約有2000～4000個傳感器，并且需要能在-60℃～+50℃正常工作。從實驗室建設的角度，如此之多的傳感器沒有提供實物的可能，與此同時，絕大多數傳感器，比如空速管、失速傳感器、氣壓傳感器等，在實驗室環境下，若要提供飛機上的測量變量，困難重重；此外，傳感器智能化發展是傳感器的重要發展方向，目前，在航空領域，已開發出基于CAN總線的傳感器[4]，技術更新、發展迅速也是其實驗室服務周期更短；再有，航空傳感器因軍標審核嚴，質量把控環節多，加工工藝復雜，批量小等諸多因素，采購價格遠高于民品級，再因保密周期長，建設多樣的航空傳感器實驗室異常困難。

3 虛擬傳感器組建

虛擬傳感器是基于虛擬儀器技術的傳感器，虛擬儀器由美國國家儀器（NI）主導開發，其LabVIEW軟件為主要開發環境，利用計算機強大的圖形環境，采用可視化圖形的圖形編程語言，在計算機上建立圖形化面板代替常規傳統儀器面板[3]，為現有的測量、數據采集與輸出提供了新思路。

虛擬傳感器組建的主要思路是，首先獲取傳感器測量數據，其方法是將物理傳感器搭載真實測試環境，經信號調理后，使用數據采集卡將傳感器數據存貯至PC，如圖1；虛擬傳感器使用LabVIEW軟件調取所保存的數據，通過加載噪聲源等信號處理，模擬真實干擾信號，再通過數據輸出卡進行傳感器信號輸出，輸出信號再經過信號變換處理，模擬真實傳感器輸出量，其組建流程如圖2。

4 虛擬傳感器案例

本案例采用航空器上的剪應力傳感器作為虛擬傳感器開發對象，選用的是美國國家儀器（NI）的基于USB總線的數據采集卡USB-6210。該采集卡分辨率為16位，最大采集頻率250kS/s，模擬輸入通多16路，可滿足一般模擬傳感器的數據采集任務。為保障數據有效性，本案例采用差分多通道輸入，并同步采集五路傳感器數據作為航行器不同位置剪應力數據，在輸出時，可選用不同傳感器作為多個應用場景。DAQAssistance為數據采集的快速VI，在LabVIEW軟件中調用此VI，可快速對USB-6210進行采集參數編輯，免去了低級程序的編寫。極大地縮減了采集程序的開發時間，調用格式化寫入文件VI可將采集數據存入Excel表格，作為后續輸出數據源，其LabVIEW人機交互界面如圖3，五通道剪應力數據采集至Excel程序如圖4。

虛擬傳感器硬件選用泛華測控的PS PXI-3381數據卡作為模擬信號輸出卡，3381模擬輸出卡具有32路同步模擬輸出能力，16bit的分辨率，每個通道可獨立配置電壓輸出或電流輸出，其通道多、配置資源較豐富，可滿足應用需求，此外，3381基于PXI總線傳輸協議，使用時，需另配備PXI機箱，PXI規范于1998年發布，繼承PCI的電氣信號，擁有更高的數據傳輸能力，同時，也具備更加牢靠的機械外殼與高性能的連接器特性，方便實驗室擴展與使用，本案例選用泛華測控PS PXI-9108機箱，泛華測控擁有獨立的驅動及VI，對其硬件進行任務配置，開發前需安裝泛華PS-DAQ驅動。剪應力虛擬傳感器軟件流程如圖5，在啟動軟件后需配置硬件、設置輸出參數、加載傳感器數據源、加載噪聲特性、讀取數據并輸出，其人機交互界面如圖6。本案例采用PS-DAQ-創建模擬電壓通道VI配置數據輸出通道、PS-DAQ-采樣時鐘VI對3381輸出卡輸出數據進行定義，PS-DAQ-重生通道VI對輸出數據循環模式進行定義，其實現程序如圖7。

5 結束語

分析了目前高等院校傳感器硬件資源建設的困難，提出了基于LabVIEW軟件實現虛擬傳感器的方案，并通過航空器剪應力傳感器的虛擬傳感器制作，對虛擬傳感器的方案進行了說明，為《數據采集與處理》實驗授課提供了新辦法，此外，建設成本低，容易實現為建設傳統傳感器實驗室提供了新思路，同時，也為測量儀器的標定與校驗提供了新方法。

參考文獻：

[1] 改玲，陳雪峰，陳花玲，等.面向“中國制造2025”工程實踐人才培養模式的改革思考[J].高校實驗室工作研究，2018（2）：108-110.

[2] 陳多芳.《數據采集與處理》仿真實驗教學研究[J].教育教學論壇，2016（20）：263-264.

[3] 宋佩利，趙春祥，連蓉.基于LabVIEW的數據采集及處理系統設計[J].現代工業經濟和信息化，2018，8（3）：43-46+48.

[4] 韓梅.航空轉速傳感器數據采集系統的設計研究[J].機電產品開發與創新，2017，30（5）：135-137.

【通聯編輯：代影】