基于虛擬儀器的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

王曉爽

【摘 要】文中針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能單一、操作復(fù)雜、擴(kuò)展性差等方面的問(wèn)題，提出了在 CSY 傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)基于LabVIEW 的虛擬儀器自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW；虛擬儀器；自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G642.0【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0065-01

一、引言

隨著信息時(shí)代的到來(lái)及計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展， 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用也在飛速發(fā)展。在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要對(duì)一些工程領(lǐng)域常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)和性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試與分析。如位移、應(yīng)變、溫度和振動(dòng)的測(cè)試等。傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)一般在CSY傳感器系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上完成，教學(xué)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主， 對(duì)傳感器的輸出信號(hào)的處理技術(shù)相當(dāng)匱乏，只能了解一些簡(jiǎn)單傳感器的工作原理，對(duì)應(yīng)用及工程實(shí)踐聯(lián)系較少。那如何采用合適的教學(xué)方法和創(chuàng)新的教學(xué)手段來(lái)讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)真正做到深入理解相關(guān)理論，并將理論與實(shí)際有機(jī)地結(jié)合在一起呢？ 虛擬儀器技術(shù)的快速發(fā)展，為我們提供了可實(shí)現(xiàn)的工具。將虛擬儀器技術(shù)與CSY傳感器實(shí)驗(yàn)儀相結(jié)合，在虛擬儀器系統(tǒng)平臺(tái)下進(jìn)行傳感器實(shí)驗(yàn)，可有效地提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程實(shí)際應(yīng)用的銜接。

二、虛擬儀器的特點(diǎn)和組成

（1）虛擬儀器的特點(diǎn)

虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ) ，配以相應(yīng)測(cè)試功能的硬件作為信號(hào)輸入輸出的接口， 完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)化儀器系統(tǒng)。它利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境建立虛擬儀器面板，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示功能，徹底改變了傳統(tǒng)儀器由生產(chǎn)廠家定義功能的模式，而由用戶自定義儀器功能。[1]與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有易用靈活、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、可操作性好等特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為：1、智能化程度高，處理能力強(qiáng)。用戶可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將先進(jìn)的信號(hào)處理算法、專家系統(tǒng)和人工智能技術(shù)應(yīng)用于儀器設(shè)計(jì)。2、應(yīng)用性強(qiáng)，系統(tǒng)費(fèi)用低。虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想是用相同的基本硬件構(gòu)造多種不同功能的測(cè)試分析儀器，這樣的儀器系統(tǒng)功能更開(kāi)放、靈活、高效，費(fèi)用更低，并且還可通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的分布式共享來(lái)增加使用價(jià)值。3、操作性強(qiáng)，易用靈活。虛擬儀器面板可由用戶針對(duì)不同應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)定義，使儀器操作變得更直觀、簡(jiǎn)便，同時(shí)測(cè)量結(jié)果不僅可以打印、顯示報(bào)表或曲線，還可以直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，大大提高了儀器的可操作性。

（2）虛擬儀器的組成

虛擬儀器的組成包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素。其中硬件主要用于解決信號(hào)的調(diào)理及輸入輸出問(wèn)題，一般由傳感器、信號(hào)采集電路、數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及計(jì)算機(jī)組成。虛擬儀器的輸入輸出由數(shù)據(jù)采集卡、GPIB卡、VXI/ PXI/LXI卡、串口和現(xiàn)場(chǎng)總線等硬件模塊完成。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，主要用于是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、分析處理、顯示和對(duì)硬件的控制等功能，主要包括虛擬儀器應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)、儀器驅(qū)動(dòng)程序以及I/O接口軟件。由于主要軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW 采用圖形化的編程語(yǔ)言（ G 語(yǔ)言），面向的是沒(méi)有編程經(jīng)驗(yàn)的用戶， 所以十分適合工程類學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用。

三、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)虛擬教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

1、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的創(chuàng)建思想[2]

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)一般開(kāi)設(shè)的都是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如應(yīng)變片的全橋性能實(shí)驗(yàn)、差動(dòng)變壓器的性能和應(yīng)用（ 振動(dòng)測(cè)量） 實(shí)驗(yàn)和霍爾式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)是在CSY 998系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀上完成的，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)大部分傳感器的結(jié)構(gòu)透明，調(diào)理電路標(biāo)識(shí)清楚，使學(xué)生對(duì)信號(hào)的拾取、轉(zhuǎn)換有較深刻的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于獲取數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)無(wú)能為力，不利于學(xué)生的系統(tǒng)學(xué)習(xí)。

根據(jù)學(xué)校培養(yǎng)“一線工程師”的特色辦學(xué)思想，我們以自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程建設(shè)為契機(jī)，以學(xué)校當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備為基礎(chǔ)，利用實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)配備的PC機(jī)和CSY 998系列傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀和labview軟件， 建立了一個(gè)適合自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)課程和測(cè)控系統(tǒng)原理課程教學(xué)， 同時(shí)能夠培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)不僅可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，減小誤差，還可以把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存成電子版及打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告需要的數(shù)據(jù)表，從而提高學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，取得了較好的教學(xué)效果。

2、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成有多種方式，主要由所采用的硬件與接口決定。根據(jù)系統(tǒng)硬件和接口方式的不同，可以分為以插入式數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)調(diào)理電路為硬件的PC-DAQ系統(tǒng)，還有以GPIB、串行、PXI、VXI總線等為硬件接口方式組成的GPIP儀器控制系統(tǒng)、串行口系統(tǒng)、PXI儀器系統(tǒng)、VXI儀器系統(tǒng)等。[3]

在上述結(jié)構(gòu)中，最簡(jiǎn)單、最廉價(jià)的形式是采用PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，或是基于RS-232或USB總線的便攜式數(shù)據(jù)采集卡。本校實(shí)驗(yàn)室的CSY 998型傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)具有基于RS-232總線的便攜式數(shù)據(jù)采集卡，為充分利用資源和節(jié)約成本，本自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)通信方式采用串行通訊，利用CSY 998型傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀的串行口通過(guò)串行總線與PC機(jī)的串行口相接，將待測(cè)信號(hào)送入計(jì)算機(jī)， 計(jì)算機(jī)通過(guò)串口對(duì)采集的輸入信號(hào)進(jìn)行傳輸、分析、處理和記錄。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在確定了實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的硬件之后， 就可以通過(guò)LabVIEW軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)想要的功能，由計(jì)算機(jī)直接參與實(shí)驗(yàn)信號(hào)源的產(chǎn)生及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、分析、處理。虛擬儀器的軟件設(shè)計(jì)主要包括儀器界面模塊、輸入輸出接口模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊等部分組成。儀器界面模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊是建立在儀器驅(qū)動(dòng)程序之上， 直接向用戶提供友好的操作界面和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理的應(yīng)用程序， 由用戶根據(jù)功能需要自行編制。數(shù)據(jù)分析處理程序主要用于對(duì)采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算與顯示。

四、結(jié)束語(yǔ)

在 CSY型傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上建立基于虛擬儀器的傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅提升了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的水平，在很大程度上節(jié)省了學(xué)校更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備所需的資金， 還可以通過(guò)LabVIEW編程方便地與網(wǎng)絡(luò)、外設(shè)連接，利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多用戶數(shù)據(jù)共享，為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化建立了基礎(chǔ)。同時(shí)虛擬儀器在自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中的應(yīng)用不但激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索精神，還拓展了學(xué)生的知識(shí)面，增加了學(xué)生動(dòng)手機(jī)會(huì)和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 舒筠佳.基于虛擬儀器技術(shù)的高校電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2009（6）：253-255

[2] 李學(xué)聰，萬(wàn)頻， 等.基于虛擬儀器的檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2008，8（增刊）：140- 141

[3] 薛曉穎，高峰.基于虛擬儀器技術(shù)的傳感器綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2008，6：49～51