基于LabVIEW的機(jī)械工程測(cè)試虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

殷 建 段宗銀

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

基于LabVIEW的機(jī)械工程測(cè)試虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

殷 建 段宗銀

（銅陵學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

結(jié)合當(dāng)前高校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，探討了虛擬儀器技術(shù)在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用前景。通過(guò)基于PCDAQ的測(cè)量系統(tǒng)在LabVIEW軟件上開發(fā)機(jī)械工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái),從而大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性和適應(yīng)性。

虛擬儀器；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；機(jī)械工程測(cè)試

1.引言

大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等教育中起著及其重要的作用，它不僅是大學(xué)教學(xué)活動(dòng)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，而且是教育部本科教學(xué)評(píng)估的一項(xiàng)重要內(nèi)容。因此，進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，不斷改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)是十分必要的。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)是基于實(shí)驗(yàn)室的物理環(huán)境來(lái)進(jìn)行的，由于受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)、實(shí)驗(yàn)時(shí)間等限制，難以保證效果。

目前國(guó)內(nèi)高等院校機(jī)械類專業(yè)普遍開設(shè)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)課程。該課程主要講授機(jī)械工程領(lǐng)域常見(jiàn)的各種物理量和物理現(xiàn)象的測(cè)試與分析方法，是一門培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能的主要課程[1]。由于其豐富的實(shí)踐性，它的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是機(jī)械工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的不僅是對(duì)理論教學(xué)的驗(yàn)證，更重要的是訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際的工程測(cè)試能力。由于該課程內(nèi)容寬廣，所需實(shí)驗(yàn)儀器較多，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，測(cè)試儀器更新?lián)Q代很快，很多院校尤其一般的普通本科院校，由于實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)有限，若采用傳統(tǒng)的儀器設(shè)備需要購(gòu)買多套不同類型的設(shè)備，投資大而且不利于學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐。為了改變這一現(xiàn)象，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)一套基于虛擬儀器的通用實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，不但滿足工程測(cè)試教學(xué)實(shí)驗(yàn)需要，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高學(xué)生的工程素質(zhì)。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)建立了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬檢測(cè)系統(tǒng)，取得了非常好的效果；南京大學(xué)建立了分析化學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以通過(guò)虛擬儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬操作；浙江大學(xué)的“大學(xué)工程化學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)VLABS”基于網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立了一系列工科化學(xué)網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)。

2.虛擬儀器技術(shù)及在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用

虛擬儀器本質(zhì)上是利用PC機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力、圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立具有良好人機(jī)交互性的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器。虛擬儀器構(gòu)成包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素。硬件主要是獲取真實(shí)的被測(cè)信號(hào)，而軟件作用是控制數(shù)據(jù)采集、分析處理、顯示等功能。虛擬儀器借助于計(jì)算機(jī)的軟硬件平臺(tái)，配以少量的輔助設(shè)備（或器件），構(gòu)成功能適合用戶的儀器。

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，其全稱為L(zhǎng)aboratory Virtual Instrument Engineering Workbench(實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái))，是一種基于G語(yǔ)言（Graphics Language,圖形化編程語(yǔ)言）的測(cè)試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)[2]。目前，LabVIEW已經(jīng)成為測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛和最有前途的軟件開發(fā)平臺(tái)之一。在LabVIEW這個(gè)高效的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)上，學(xué)生利用圖形語(yǔ)言開發(fā)各種儀器，綜合應(yīng)用所學(xué)的各學(xué)科知識(shí)，在普通計(jì)算機(jī)上構(gòu)建一個(gè)個(gè)人實(shí)驗(yàn)室，利用數(shù)據(jù)采集卡完成各種物理量的測(cè)量，完成機(jī)械工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕開關(guān)和按鍵，設(shè)置各種工作參數(shù)，啟動(dòng)或停止儀器。虛擬儀器擴(kuò)展了常規(guī)儀器的功能，傳統(tǒng)測(cè)試儀器一般只能單獨(dú)測(cè)量某一個(gè)物理量，而虛擬儀器可以構(gòu)造出不同功能的測(cè)量系統(tǒng)，可以完成對(duì)多個(gè)參量的自動(dòng)測(cè)量分析、信息綜合及控制。這樣使得學(xué)生擺脫傳統(tǒng)儀器功能單一固定的束縛，可以充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和工程實(shí)踐能力。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，拓展了虛擬儀器的應(yīng)用范圍。利用局域網(wǎng)或INTERNET可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量的功能，構(gòu)成一個(gè)遠(yuǎn)程虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室，不但昂貴的硬件資源可以共享，也是大量實(shí)際問(wèn)題的解決成了可能[3]。

3.機(jī)械工程測(cè)試虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

針對(duì)機(jī)械工程測(cè)試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、測(cè)試功能特點(diǎn)以及數(shù)字化測(cè)試的一般實(shí)現(xiàn)技術(shù)等因素，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，對(duì)機(jī)械工程虛擬測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行充分的系統(tǒng)分析，選擇Lab－VIEW開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行軟件模塊和測(cè)試程序的研究[4]。

3.1信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

信號(hào)處理是工程測(cè)試的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，只有通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)才能獲得反映被測(cè)對(duì)象狀態(tài)和特征的明確信息，能夠充分體現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)在機(jī)械工程測(cè)試中的巨大優(yōu)勢(shì)。我們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)（如圖1、2所示）充分考慮到工程實(shí)際需要，并能使學(xué)生在一到二個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)搭建好一個(gè)虛擬儀器程序模塊，完成實(shí)驗(yàn)的要求。

圖2 信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)界面

3.2網(wǎng)絡(luò)化的虛擬測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

所設(shè)計(jì)的虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室以LabVIEW8.6為開發(fā)工具，利用LabVIEW強(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)完整的機(jī)械工程測(cè)試虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由3部分組成:現(xiàn)場(chǎng)控制端、中心服務(wù)器端、遠(yuǎn)程客戶端。

機(jī)械工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)是實(shí)驗(yàn)室局域網(wǎng)網(wǎng)的一部分，實(shí)驗(yàn)室中任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)出的信息都可以被網(wǎng)絡(luò)中的其他機(jī)器接收到。所以當(dāng)教師運(yùn)行測(cè)試服務(wù)器程序，采集被測(cè)對(duì)象信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以后，同學(xué)們只要在自己的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行客戶端程序，并準(zhǔn)確填寫教師計(jì)算機(jī)的IP地址，就可以在自己的機(jī)器上采集數(shù)據(jù)完成測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)框圖

4.結(jié)論

通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練，學(xué)生可以更好的掌握了機(jī)械工程測(cè)試的有關(guān)內(nèi)容和虛擬儀器編程技術(shù)。由于我們的實(shí)驗(yàn)環(huán)境軟硬件完全是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中開發(fā)的許多虛擬儀器完全可以直接應(yīng)用到工程實(shí)踐中。我們的高等工程教育不在僅僅是讓學(xué)生掌握已有的科學(xué)技術(shù)，而是培養(yǎng)他們能夠在明天更好的創(chuàng)造和發(fā)揮，這是工程教育教學(xué)適應(yīng)當(dāng)前測(cè)試技術(shù)世界水平的必然，是高等工程教育趕超世界先進(jìn)水平的要求。

［1］李婧.基于LabVIEW的測(cè)控技術(shù)虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的研究與構(gòu)建[D].南寧:廣西大學(xué)，2008.

［2］張瀟雪.虛擬儀器及其在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［3］Sun，Qiuli.Internet-based distributed collaborative environment for engineering education and design[D].Ph.D.The University of Oklahoma，2001.

［4］王磊.精通.LabVIEW8.0[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

The Virtual Eexperimental Platform of Mechanical Engineer Test developed based on LabVIEW

Yin Jian，Duan Zong－ying
（Tongling University,Tongling Anhui 244000，China）

Combined with the construct of laboratory in high education,the situation of Virtual Instrument technology applied in experimental teaching work in high education is discussed.Based on the PC-DAQ measurement system,the experimental platform of the mechanical engineer test teaching is designed in LabVIEW.The flexibility and the compatibility of experiment teaching is greatly enhanced.

virtual instrument;experimental platform;mechanical engineer test

TH703

A

1672-0547（2011）03-0101-02

2011－04-11

殷建（1974-），男，安徽銅陵人，銅陵學(xué)院機(jī)械工程系講師，碩士。

2008年銅陵學(xué)院教研項(xiàng)目《基于labview虛擬儀器技術(shù)的機(jī)械工程測(cè)試虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)》研究成果。