基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺設計

李鵬 黃再輝 白娜

收稿日期：2023-05-16

基金項目：2022年桂林電子科技大學海洋工程學院優質本科課程建設項目（HYJ15009）；2021年廣西高等教育本科教學改革工程項目（2021JGA183）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.016

摘? 要：為提升應用本科機電專業學生智能傳感應用能力，設計傳感器檢測虛擬實驗平臺。提出基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺及實驗方法，在LabVIEW-VISA應用設計基礎上搭建了傳感器檢測虛擬實驗平臺整體架構；設計了傳感器實驗箱、myDAQ便攜式測量、萬用表、應變式傳感器等主要硬件；進行了數據采集模塊、數據處理、輸出模塊及信號處理電路等軟件設計，利用信號處理電路實現數據在平臺中的雙通道傳輸，實現了預期目標。結果表明，設計的傳感器檢測虛擬實驗平臺實驗驗證靈敏度高、線性誤差小，有利于提高人才實踐動手能力培養。

關鍵詞：LabVIEW-VISA；傳感器檢測；虛擬實驗平臺；信號處理電路

中圖分類號：TP274；TP212? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）07-0067-06

Design of Virtual Experiment Platform for Sensor Detection Based on LabVIEW-VISA

LI Peng， HUANG Zaihui， BAI Na

（School of Ocean Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Beihai? 536000， China）

Abstract： In order to improve the application ability of intelligent sensor for undergraduate students majoring in Mechanical and Electrical Engineering， a virtual experiment platform for sensor detection is designed. A virtual experiment platform and experiment method for sensor detection based on LabVIEW-VISA are proposed. Based on LabVIEW-VISA application design， the whole structure of virtual experiment platform for sensor detection is built， and the main hardware such as sensor experiment box， myDAQ portable measurement， multimeter and strain sensor are designed. The software of data acquisition module， data processing module， output module and signal processing circuit are designed， and the dual-channel data transmission in the platform is realized by the signal processing circuit. The results show that the designed virtual experiment platform for sensor detection has high sensitivity and small linear error， which is helpful to improve the practical ability of talents.

Keywords： LabVIEW-VISA; sensor detection; virtual experiment platform; signal processing circuit

0? 引? 言

傳感器檢測課程是當前應用本科機電專業朝智能制造方向拓展的重要基礎課程，需要給學生提供能切實加以實踐應用的課程實驗條件，有利于滿足線上-線下一體化課程教學需求。當前國內大部分高等院校傳感器實驗室中儀器都無法滿足教學需求、功能不完善，利用計算機軟件技術的虛擬實驗可有效解決高等院校專業實驗室面臨的問題[1]。LabVIEW-VISA虛擬儀器軟件系統具有維護簡單、調試方便和容易掌握等優點，系統中存在大量的功能模塊。LabVIEW-VISA中存在的圖形輸入接口可以符合用戶的使用需求，并降低傳感器檢測虛擬實驗平臺的維護費用和開發費用[2]。

叢叢[3]等人結合虛擬現實、3D建模等技術搭建虛擬實驗平臺，平臺由自動考評模塊、教學模塊、全場景漫游模塊和訓練模塊構成。徐雪萌[4]等人在目標導向教學理念的基礎上設計虛擬實驗平臺的體系，結合主義學習理論和學習經歷在平臺中設計學習環境和實驗內容。

在上述方法的基礎上，提出基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺設計方法，

1? 基于LabVIEW-VISA的實驗平臺設計

1.1? LabVIEW-VISA簡介

LabVIEW-VISA是虛擬儀器軟件開發工作臺，LabVIEW-VISA可創建程序的前、后面板，其中包括菜單、工具條和工具選板[5，6]。

1.1.1? 菜單功能

主菜單中不同選項對應的功能如下：

1）主菜單：主菜單中的單選項包括幫助、文件、窗口、編輯、工具、視圖、操作和項目等，不同選項中還存在子菜單，對應著若干操作選項。

2）視圖菜單：LabVIEW-VISA中存在的窗口都通過該菜單打開。

3）窗口菜單：框圖與面板在LabVIEW-VISA之間的切換通過窗口菜單完成。

4）幫助菜單：通過該菜單瀏覽框圖和版面中存在的信息，具有訪問在線幫助功能。

1.1.2? LabVIEW-VISA選板

1）工具選板。通過工具選板在LabVIEW-VISA中對被選中的對象實行修改、編輯和操作等功能。如果啟動LabVIEW-VISA之后工具選板沒有處于運行狀態，用戶可在LabVIEW-VISA中通過ViewlTools Palette選項啟動工具選板。

2）控件選板?？丶x板的主要功能是在程序前面板中設置控件，并設置其屬性和樣式。LabVIEW-VISA的控件選板功能較為強大，不同儀器圖表中都包含多種類型的控件。

3）函數選板。后面板編輯工作通過函數選板完成，LabVIEW-VISA中存在的函數功能包括物理和數學等科目，功能較為強大，利用上述函數功能可以完成虛擬儀器的設計。

1.2? 整體架構設計

基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺由兩部分構成，第一部分為實驗網頁資源，第二部分為LabVIEW-VISA實驗平臺，傳感器檢測虛擬實驗平臺的整體架構如圖1所示。

傳感器檢測虛擬實驗平臺的資源關聯圖如圖2所示。

LabVIEW-VISA是傳感器檢測虛擬實驗平臺的核心，由圖1可知，LabVIEW-VISA實驗平臺由遠程實驗模塊、實驗原理模塊、在線實驗模塊和仿真實驗模塊四部分構成，實驗網頁中儲存的相關資源均可利用LabVIEW-VISA采集得到。將轉換實驗箱和傳感器信號檢測設置在傳感器檢測虛擬實驗平臺中，其主要作用是輔助遠程實驗模塊和在線實驗模塊在平臺中的運行。實驗箱是傳感器檢測虛擬實驗平臺的下位機，傳感器可通過串行通信方式[7，8]在工作狀態下采集相關信號，并將其傳輸到上位機中。

LabVIEW-VISA函數庫包括數據存儲、數據采集、數據顯示、GPIB、數據分析和串口控制等。傳感器檢測虛擬實驗平臺的主要目的是獲取目標對象的特征、狀態和性能，因此傳感器檢測虛擬實驗室平臺的首要工作是采集信號，其次是分析信號和處理數據。

在教學過程中可利用虛擬儀器技術演繹信號濾波、信號合成、信號調節、信號分解、信號調制、加窗函數、頻域分析和時域分析等，信號分析和信號處理常用的方法包括信號頻譜以及信號傅里葉變換[9，10]等。針對采集信號，傳感器檢測虛擬實驗平臺對其做雙邊FFT和單邊FFT快速傅里葉變換，并在平臺屏幕中顯示處理后的信號，傳感器檢測虛擬實驗平臺的信號分析處理功能框圖如圖3所示。

1.3? 平臺硬件設計

1.3.1? 傳感器實驗箱

本文采用AC220 V傳感器測試箱輸入電源，額定電流小于等于5 A，功率取50 Hz，可支持四組直流穩壓電源，電源輸出分別為±15 V和±5 V。該電源設計有短路保護模塊，包含差動放大器、音頻信號產生器等部分。同時可提供機械壓力表、數字電壓表等顯示功能，可滿足實驗功能需求。

1.3.2? MyDAQ便攜式測量和儀器儀表設備

MyDAQ具有攜帶方便、體積小等優點，能有效開展課程的實驗教學設計。MyDAQ編寫式測量儀器設備配備了諸如：動態信號分析儀、函數發生器等很多類型的傳感器實驗相關儀器。MyDAQ模塊與LabVIEW-VISA軟件進行配套使用，可有效進行功能擴展，如圖4所示。

1.3.3? 萬用表

萬用表具有提供電壓、電阻等數據的功能。能夠測量電感、電容等數據。萬用表中間的旋鈕旋轉至特定位置時，用戶可進行數據的讀取。萬用表一般采用與電子筆進行數據采集。

1.3.4? 應變式傳感器

應變傳感器的組成分為彈性模塊和稱重傳感器。彈性模塊與托盤進行連接，在托盤上不斷地加入解除碼完成對電壓值的核算計量。在彈性體上粘貼金屬箔應變片，可測量細小變形導致的電壓和電阻值產生的波動。傳感器采用螺絲固定在板面上，輸出線采用電壓信號將測量值傳輸到數據采集系統，最后到計算機中進行數據處理。本文采用的彈性模塊為AD-S321。應變片型號選用BF350-3aA金屬箔。

1.4? 平臺軟件設計

系統硬件設計完成后需要對系統內軟件進行設計，軟件設計是傳感器檢測虛擬實驗平臺的核心部分，基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺設計方法通過模塊化編程完成軟件的設計。軟件平臺界面如圖5所示。

軟件平臺通過主控模塊完成調用，具體包括數據采集模塊、數據處理及輸出模塊、信號處理電路設計模塊、調用模塊。

1.4.1? 數據采集模塊

將PCI-6221數據采集卡應用于傳感器檢測虛擬實驗室平臺，在VI的基礎上建立多條連續通道，具有用戶自己設置采樣數及采樣頻率的功能，用戶獲取的數據均可以通過波形圖得以統計。

1.4.2? 數據處理及輸出模塊

該模塊具有顯示波形輸出及數值的功能，輸入傳感器檢測虛擬實驗平臺的信號屬于脈沖信號，在該模塊中利用LabVIEW-VISA中存在的Filter函數對脈沖信號實行濾波處理，提高信號頻率的準確率。

1.4.3? 信號處理電路設計模塊

該模塊具有放大電路抑制共模信號的功能。當微弱信號進入傳感器檢測虛擬實驗平臺的信號處理電路時，利用三運放差動放大處理差模信號，利用低通濾波器對信號實行濾波處理[11，12]，濾除信號中存在的高頻信號。將信號輸入50 Hz陷波器，在實際電路中濾除50 Hz工頻信號，將電壓跟隨器設置于信號處理電路，完成前后級的隔離。

1）三運放差動放大電路。工程中采用的三運放差動放大器是由放大器A1、A2組成的，該放大器的共模抑制比較高，性能良好，設Su表示差分電路在放大器中的增益，可通過式（1）計算得到：

（1）

式中，Vi1、Vi2分別表示A1、A2的輸入電壓；V0表示放大電路對應的輸出電壓，可通過式（2）計算得到：

（2）

式中，R5表示接入第二級差分放大電路A3中的電阻；Rf表示變阻器；R3表示接入放大器A1輸入端的電阻。

2）二階低通濾波電路。濾波器的分辨能力可通過品質因數W得以衡量，兩者之間呈正比關系。幅頻響應當品質因數W的值為0.707時，較為平坦。

設Sup表示該電路的電壓放大倍數，其計算公式如下：

（3）

式中，R6、R7均表示放大器接地端存在的電阻。

二階低通濾波電路的傳遞函數如下[13]：

（4）

式中，C表示輸入端電容；R表示輸入端電壓。當電壓放大倍數Sup的值小于3時，電路處于穩定狀態。

3）50 Hz陷波電路。50 Hz工頻干擾信號通常存在于微弱的有用信號中，為了消除50 Hz工頻干擾信號，將陷波器設置在信號處理電路中。陷波器的陷波特性可通過放大器側端電阻得以調節[14，15]。

4）LabVIEW-VISA的應用。在LabVIEW中使用VISA是儀器編程的標準I/O API。VISA可控制GPIB、串口、USB、以太網、PXI或VXI儀器，并根據使用的儀器類型調用相應的驅動程序。用戶不需要學習各種儀器的通信協議。Visa獨立于操作系統、總線和編程環境。不論使用何種設備、操作系統和編程語言，都使用相同的API?；贚abVIEW-VISA的操作步驟如下：串口初始化，使用VISA Configure Serial Port.vi [ VISA配置串口]節點設置串口的端口號、波特率、停止位、校驗位和數據位；讀寫串口。使用VISA讀節點和VISA寫節點對串口進行讀寫；關閉串口，停止所有讀寫操作。

2? 實驗平臺有效性驗證

2.1? 測試環境

實驗平臺的有效性驗證測試環境如表1所示。

2.2? 運行性能測試及結果分析

為驗證基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺設計方法運行程序的性能測試結果，進行如下測試。

具體測試流程為：扭動傳感器檢測虛擬實驗平臺中存在的增益旋鈕，在2路信號處理電路中輸入傳感器的微弱電壓信號，通道1表示傳感器檢測虛擬試驗臺的信號處理電路，通道2表示后設計的信號處理電路。向數據采集卡傳送經過處理后的2路信號，用計算機可識別的數字信號代替模擬電壓信號，向計算機輸入處理后的電壓信號，采用LabVIEW-VISA程序采集、保存并處理2路采集的數字信號，實驗流程如圖6所示。

在增益旋鈕上隨機選用一段位移，分別將通道1和通道2的放大倍數設置為10倍和15倍，通道1和通道2的均值分別為3.19、5.14，均方根分別為3.19、5.14，雙通道數據采集的波形圖如圖7所示。

測試過程中，通道1與通道2的位移與電壓關系如表2所示。

增益旋鈕位移增大時的雙通道數據電壓變化情況如圖8所示。

采用前述模塊處理數據，分析結果如圖9所示?？芍?，所獲得的去程數據擬合曲線和回程數據擬合曲線與實際實驗結果基本一致。結果表明基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺設計可滿足實驗要求，具有較小的線性誤差和較高的靈敏度。分析誤差產生的原因主要在于人為調整電壓調零不準確或讀數有一定偏差，此外，實驗儀器也可能產生微小誤差，如電路內部、數據采集系統等。

3? 結? 論

應用型本科機電專業人才培養依賴于實驗教學，針對目前高校存在的傳感器檢測實驗教學部分在存在很多缺陷與不足，針對傳感器檢測虛擬實驗平臺進行了設計。本文將LabVIEW-VISA應用于傳感器檢測虛擬實驗平臺的設計中，在LabVIEW-VISA的基礎上設計了傳感器檢測虛擬實驗平臺整體架構；探討了傳感器實驗箱、MyDAQ便攜式測量和儀器儀表設備、萬用表、應變式傳感器等硬件設計及集合了數據采集模塊、數據處理、輸出模塊及信號處理電路在內的傳感器檢測虛擬實驗平臺的軟件模塊設計。研究結果表明，本文所設計的虛擬實驗平臺實驗驗證靈敏度高、線性誤差小。有利于提升應用本科學生動手能力培養及課下雙創技能培養，同時也為實驗教學改革增加了活力和拓展潛力。

參考文獻：

[1] 朱利華.大數據背景下計算機軟件技術的應用研究——評《軟件技術與程序設計》 [J].現代雷達，2021，43（10）：118.

[2] 王永泉，楊朝旭，周淳，等.應用LabVIEW軟件開發的氣體絕緣金屬封閉開關設備聲振聯合檢測系統 [J].西安交通大學學報，2021，55（6）：131-140.

[3] 叢叢，李俊輝，秦凱.城市軌道交通行車作業虛擬仿真實訓系統的設計與應用 [J].城市軌道交通研究，2020，23（8）：44-49.

[4] 徐雪萌，王志山，張永宇，等.包裝機械虛擬仿真實驗教學平臺設計與實踐 [J].包裝工程，2020，41（S1）：92-97.

[5] 李文韜，孫茜茜，陸辰凌，等.基于LabVIEW的電位差計虛擬實驗系統 [J].大學物理，2021，40（11）：59-63+68.

[6] 溫慧知，湯躍，湯玲迪.基于LabVIEW的泵試驗非采集點數據顯示程序設計 [J].排灌機械工程學報，2021，39（2）：128-131.

[7] 關瑞云，甄國涌，單彥虎.基于DSP的大氣數據解算卡串行通信接口設計 [J].電測與儀表，2020，57（3）：94-98.

[8] 賈科軍，楊博然，曹明華，等.可見光通信自適應O-OFDM符號分解串行傳輸系統設計與研究 [J].通信學報，2020，41（9）：179-189.

[9] 陳延濤，董彬虹，李昊，等.一種高動態低信噪比環境下基于多樣本點串行快速傅里葉變換的信號捕獲方法 [J].電子與信息學報，2021，43（6）：1691-1697.

[10] 王鴻鵬，段發階，蔣佳佳，等.基于非諧波傅里葉變換的發動機轉速測量系統 [J].電力電子技術，2020，54（4）：57-60.

[11] 張瑞亮，陳準，劉森海，等.基于低通濾波的大功率型氫燃料電池重型貨車自適應能量管理策略 [J].汽車工程，2021，43（11）：1693-1701+1729.

[12] 田桂珍，盧棟，劉廣忱，等.基于零相位低通濾波器的混合儲能平抑直驅風電機組功率波動控制策略的研究 [J].太陽能學報，2021，42（6）：72-78.

[13] 劉海文，唐嘉銘.基于非對稱耦合階躍阻抗諧振器的高階窄帶超導平衡式濾波器設計 [J].中國科學：信息科學，2021，51（1）：157-170.

[14] 劉計龍，付康壯，麥志勤，等.基于雙頻陷波器的改進型高頻脈振電壓注入無位置傳感器控制策略 [J].中國電機工程學報，2021，41（2）：749-759.

[15] 鞏磊，楊智，祝長生，等.基于極性切換自適應陷波器的磁懸浮高速電機剛性轉子自動平衡 [J].電工技術學報，2020，35（7）：1410-1421.

作者簡介：李鵬（1982—），男，漢族，山東單縣人，高級實驗師，工學碩士，主要研究方向：先進制造與檢測技術。