基于LabVIEW的檢測技術(shù)虛擬實驗系統(tǒng)

張偉斌

咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000

高等職業(yè)教育強調(diào)對學(xué)生的實踐能力的培養(yǎng)，這就給高等職業(yè)院校的實驗設(shè)備與實驗場地提出了更高的要求，雖然各高等職業(yè)院校不斷加大對實驗實習(xí)條件改善的資金投入，從一定程度上得到了改善，但還不能從根本上解決實驗設(shè)備的緊缺問題。通過虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW建立虛擬的實驗系統(tǒng)，彌補傳統(tǒng)實驗室的不足，給學(xué)生提供更多的實驗實踐機會，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。

1 虛擬儀器簡介

利用電子仿真軟件EDA可以模擬設(shè)計電路、分析電路、觀察信號波形等，但僅僅限于理論分析與研究，EDA仿真軟件中的虛擬儀器是純軟件的、仿真的。利用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器完全可以勝任傳統(tǒng)儀器的各種功能，完全替代傳統(tǒng)的測量測試儀器，并且還可以根據(jù)需要設(shè)計建立滿足特殊要求的專用儀器。不同的虛擬儀器儀表設(shè)備可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過軟件的設(shè)置就可以實現(xiàn)功能完全不同的各種測量測試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心。

2 檢測技術(shù)虛擬儀器綜合實驗平臺組成

根據(jù)檢測技術(shù)課程的教學(xué)要求，學(xué)生通過學(xué)習(xí)可以正確根據(jù)檢測要求選擇合適的傳感器，設(shè)計完成檢測電路，使用測量儀器儀表分析檢測數(shù)據(jù)、觀察信號波形等。使用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW設(shè)計的綜合實驗系統(tǒng)平臺由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。其中硬件系統(tǒng)主要完成對外部數(shù)據(jù)的采集，包括綜合測試平臺、傳感器系列實驗?zāi)０濉⑽⑿陀嬎銠C等。實驗系統(tǒng)包括虛擬儀器儀表開發(fā)平臺、虛擬儀器驅(qū)動程序、實驗示范程序等。

3 虛擬實驗平臺的基本功能

3.1 產(chǎn)生激勵信號

產(chǎn)生電路檢測所需的正弦波、方波、三角波、脈沖信號等任意波形；提供數(shù)字信號，即提供虛擬的函數(shù)信號發(fā)生器、任意波形發(fā)生器和數(shù)字信號發(fā)生器。

3.2 常用儀器儀表基本功能

通過虛擬儀器實現(xiàn)常用的示波器、電壓表、計數(shù)計、頻譜儀和邏輯分析儀等儀器儀表設(shè)備的基本功能，實現(xiàn)對信號波形、幅值、頻率、周期、RLC參數(shù)、頻譜等的測量，并能夠?qū)r域、頻域和數(shù)據(jù)域測試分析。

3.3 自動測試的功能

虛擬儀器在微型計算機測試程序的直接控制下進行工作，能夠?qū)崿F(xiàn)自動測試功能。通過對微型計算機上的軟件編程，可以讓虛擬儀器的對測量對象的頻率、幅度、量程的參數(shù)進行自動設(shè)置，以及自動完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸、處理和顯示等。

3.4 可擴展性

利用虛擬儀器開發(fā)軟件設(shè)計的虛擬實驗系統(tǒng)平臺，不僅可以滿足傳感器與檢測技術(shù)課的實驗要求，還可以完成相關(guān)課程的實驗要求。在實際應(yīng)用中可以通過軟件的設(shè)置，開發(fā)更多符合要求的多功能虛擬儀器設(shè)備，所以虛擬實驗系統(tǒng)平臺應(yīng)用范圍廣、開放性好、可擴展性強。

3.5 滿足不同層次的實驗要求

在使用虛擬儀器完成實驗時，可以使用虛擬儀器開發(fā)完成的操作界面，利用實驗室的現(xiàn)成的實驗電路板進行驗證性實驗，而不需要自己設(shè)計電路和編輯程序。掌握了基本的理論知識后，可以利用現(xiàn)成的實驗電路板，開發(fā)滿足特定條件的虛擬儀器設(shè)備，從而鍛煉學(xué)生的初步的設(shè)計能力，在設(shè)計過程中需要編程相應(yīng)的程序，但不需要自己對電路進行改進或設(shè)計。有了基本的設(shè)計能力后，可以完成一定的項目工作，自行開發(fā)設(shè)計實驗電路板，并開發(fā)適用的虛擬儀器設(shè)備，實現(xiàn)對電路數(shù)據(jù)的采集、分析、存儲和顯示等功能，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

4 虛擬實驗系統(tǒng)的工作原理

虛擬實驗系統(tǒng)通過綜合測試平臺完成數(shù)據(jù)信號源的產(chǎn)生、外部數(shù)據(jù)的采集、實現(xiàn)與實驗電路模塊和微型計算機主機的數(shù)據(jù)通信。計算機通過綜合測試平臺得到檢測數(shù)據(jù)后，由虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW設(shè)計的虛擬儀器設(shè)備完成數(shù)據(jù)的分析、存儲、和顯示等，調(diào)整虛擬儀器前面板各種操作按鈕，使數(shù)據(jù)的達到理想的狀態(tài)。

圖1 虛擬實驗系統(tǒng)工作原理

4.1 信號源模塊

采用直接數(shù)字合成的任意波形發(fā)生器，虛擬實驗平臺軟件直接提供了四種函數(shù)的波形數(shù)據(jù)，用于產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波4種波形。

4.2 采集模塊

采集模塊有兩個采集數(shù)據(jù)輸入通道，采用了12位的A/D轉(zhuǎn)換器，最高采用速率40MHz，通道增益、采樣速率、采樣點數(shù)、觸發(fā)源和觸發(fā)方式等也可通過編程控制。

4.3 實驗電路板模塊

實驗電路板模塊通過綜合測試平臺上的插座就可以實現(xiàn)相互通信，從而完成不同的實驗項目。實驗電路的基本模塊包括運算放大器、波形變換電路、有源濾波器、頻譜分析儀、等實驗?zāi)K。

虛擬儀器實驗系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)儀器在操作過程中由于操作不當(dāng)可能引起儀器設(shè)備損壞的問題，消除了學(xué)生面對測量設(shè)備操作的恐懼感，彌補了傳統(tǒng)實驗設(shè)備的不足。虛擬儀器實驗系統(tǒng)借助一臺微型計算機就可以完成幾乎所有的傳統(tǒng)測量儀器儀表的各種功能，節(jié)約了實驗室儀器設(shè)備投入成本。

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