LabVIEW在機(jī)械工程測(cè)試教學(xué)中的應(yīng)用研究

朱銀龍，楊雨圖，緱斌麗，劉 英

(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

LabVIEW在機(jī)械工程測(cè)試教學(xué)中的應(yīng)用研究

朱銀龍，楊雨圖，緱斌麗，劉 英

(南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

為解決傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)受實(shí)驗(yàn)時(shí)間、場(chǎng)地和學(xué)校投入等因素限制較大的難題，利用高性能的模塊化硬件結(jié)合靈活高效的軟件，將LabVIEW應(yīng)用于機(jī)械工程測(cè)試的教學(xué)中以滿(mǎn)足各種測(cè)試和控制的需要。以凌華USB數(shù)據(jù)采集卡為硬件平臺(tái)，利用LabVIEW 8.6編制軟件搭建信號(hào)采集與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含3個(gè)模塊：信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)用以及信號(hào)的時(shí)頻域分析模塊。最后，利用信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集試驗(yàn),驗(yàn)證了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，證明了該系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

虛擬儀器；LabVIEW；頻譜分析；測(cè)試技術(shù)

“機(jī)械工程測(cè)試”課程對(duì)于機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言是一門(mén)實(shí)用性較強(qiáng)、知識(shí)涉及面較廣的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。該課程對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)起到承接作用，然而許多高校的機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)沒(méi)有開(kāi)設(shè)“復(fù)變函數(shù)”和“信號(hào)與系統(tǒng)”這兩門(mén)基礎(chǔ)課程，這樣就使得學(xué)生在學(xué)習(xí)“機(jī)械工程測(cè)試”這門(mén)課的時(shí)候存在較大的困難。為了使學(xué)生通過(guò)“機(jī)械工程測(cè)試”這門(mén)課學(xué)習(xí)到扎實(shí)的測(cè)試基礎(chǔ)理論知識(shí)，并具備將理論知識(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中的能力，則如何增強(qiáng)這門(mén)課的教學(xué)效果就是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

在諸多教學(xué)手段中，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是理論教學(xué)的有益補(bǔ)充，因此實(shí)驗(yàn)課程受到各高校的高度重視。然而，近年來(lái)由于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)滯后于高校擴(kuò)招，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到教學(xué)時(shí)間、教學(xué)場(chǎng)所、實(shí)驗(yàn)室投入和人員條件等因素的限制，教學(xué)成效受到很大影響。這在客觀上造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成的教學(xué)初衷難以實(shí)現(xiàn)。而將虛擬儀器應(yīng)用到教學(xué)環(huán)節(jié)中，不僅能極大改善這種情況，還有利于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握。將虛擬儀器與機(jī)械工程測(cè)試教學(xué)有機(jī)地結(jié)合在一起，可以顯著降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資，同時(shí)還可以培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)。

1 信號(hào)采集與處理平臺(tái)的搭建

“機(jī)械工程測(cè)試”課程的實(shí)驗(yàn)部分需要學(xué)生掌握各種常見(jiàn)信號(hào)產(chǎn)生、處理以及傳輸變換過(guò)程，這一部分內(nèi)容相對(duì)比較抽象，學(xué)生較難理解。采用虛擬儀器，可以直觀、生動(dòng)、形象地展示抽象的理論內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量和效率。信號(hào)采集平臺(tái)的搭建有多種方法，常見(jiàn)的是采用VXI、PXI、GPIB、PCI等硬件設(shè)備與LabVIEW軟件相集合的方法[1]，近年來(lái)也有高校利用聲卡作為簡(jiǎn)單的信號(hào)采集設(shè)備[2-3]，但是考慮到聲卡采樣范圍窄的緣故，這里采用綜合性能較高且擴(kuò)展性強(qiáng)的USB數(shù)據(jù)采集卡。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)要求，系統(tǒng)硬件選用凌華公司的USB系列數(shù)據(jù)采集卡USB-1902，它具有USB2.0高速傳輸、16路單端/8路差分、電壓輸入、最大采樣率(單通道)250kHz，且更新頻率達(dá)到1MHz模擬輸出，模擬輸出模式為程序控制I/O、連續(xù)模式(USB批量傳輸模式)2種。此外可自定義Device ID的設(shè)計(jì)，便于用戶(hù)辨別目前操作中的USB DAQ裝置。利用凌華公司提供的LabVIEW環(huán)境下的操作函數(shù)對(duì)采集卡進(jìn)行初始化，然后按照設(shè)置參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)中。在編制的儀器面板上，可以顯示采集到的信號(hào)波形以及波形的其他參數(shù)。

2 系統(tǒng)功能介紹

圖1所示為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為信號(hào)采集和處理2個(gè)部分，其中信號(hào)采集又包含了采集、存儲(chǔ)、回放和調(diào)用4個(gè)部分；信號(hào)處理分為加窗、濾波、時(shí)域和頻域的分析。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)采集過(guò)程分為3步[4]：(1)初始化/配置采集卡；(2)采樣設(shè)置；(3)釋放采集卡。利用ADLINK DAQ Pilot函數(shù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集程序的編寫(xiě)，使用函數(shù)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)啟動(dòng)采集卡，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集功能。數(shù)據(jù)采集模塊中，在完成設(shè)備號(hào)、通道口等參數(shù)的設(shè)置之后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào)。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換保存到FIFO緩存上，并傳送到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。然后系統(tǒng)軟件通過(guò)讀取內(nèi)存將數(shù)據(jù)顯示為波形圖，再通過(guò)分析處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序框圖

系統(tǒng)界面主要由“數(shù)據(jù)采集”、“數(shù)據(jù)調(diào)用”、“濾波分析”、“時(shí)域分析”和“頻域分析”5個(gè)子模塊構(gòu)成，通過(guò)Tab Control控件不同選項(xiàng)觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)來(lái)選擇不同子模塊。信號(hào)模塊的前面板設(shè)計(jì)如圖3所示。

時(shí)域分析模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，分為信號(hào)參數(shù)測(cè)量、信號(hào)自相關(guān)和信號(hào)互相關(guān)分析3個(gè)部分，該模塊程序設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，主要完成信號(hào)的算術(shù)平均值、均方根值、方差的測(cè)量和顯示。

圖5所示為頻率10Hz、幅值1的正弦信號(hào)施加幅值為0.2的白噪聲后的波形，設(shè)定采樣率1 000Hz，采樣1 000點(diǎn)，分析其自相關(guān)波形。

圖3 凌華USB-1902數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面

圖4 時(shí)域分析程序框圖

圖5 正弦波信號(hào)添加噪聲后自相關(guān)分析

在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣處理時(shí)，容易因?yàn)橥庠谝蛩氐仍虍a(chǎn)生噪聲信號(hào)，導(dǎo)致信號(hào)失真，因此需要用濾波技術(shù)消除這些噪聲。在信號(hào)分析之前加入濾波器，在其后利用“Scaled Window”節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加窗處理，其主要目的是平滑截?cái)喑霾贿B續(xù)的變化并減少泄漏。提供如“Hamming”、“Hanning”、“Blackman-Harris”等[5]19種窗函數(shù)供用戶(hù)結(jié)合實(shí)際需要使用，然后對(duì)濾波、加窗后的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，圖6所示為正弦波的頻譜與相位譜。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在測(cè)試過(guò)程中，所使用的設(shè)備有1臺(tái)計(jì)算機(jī)、2臺(tái)信號(hào)發(fā)生器以及凌華USB-1902數(shù)據(jù)采集卡。測(cè)試系統(tǒng)如圖7所示。

圖6 頻率為25kHz的正弦波的幅頻與相頻

圖7 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用2個(gè)信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，輸出模擬信號(hào)(正弦波、三角波、方波)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的1，2通道采集輸入的模擬信號(hào)，同時(shí)改變信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)的波形種類(lèi)和頻率，發(fā)出不同的信號(hào)，通過(guò)觀察數(shù)據(jù)采集界面上顯示的采集信號(hào)與輸入信號(hào)的一致性，驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正確性。

圖8所示為數(shù)據(jù)采集卡不同通道口所產(chǎn)生的正弦波、方波，采集面板顯示的波形與信號(hào)發(fā)射器給出的波形信號(hào)一致。多次數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)均證明了搭建的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)的可行性。

圖8 雙通道測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

由文中實(shí)例可以看出，將LabVIEW用于機(jī)械工程測(cè)試課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)中，可以使得學(xué)生能在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出相對(duì)比較復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理程序。由此可知，LabVIEW這門(mén)圖形化編程語(yǔ)言可以幫助學(xué)生將書(shū)本上的理論知識(shí)快速轉(zhuǎn)換成相對(duì)容易理解且直觀性很強(qiáng)的圖形編程語(yǔ)言[6]。此舉不僅便于學(xué)生理解復(fù)雜的書(shū)本知識(shí)，還有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

[1] 鄭對(duì)元. 精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2] 程雪敏. 基于LabVIEW信號(hào)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]．蘇州：蘇州大學(xué)，2008.

[3] 祁雪梅，潘冬明. LabVIEW在數(shù)字信號(hào)處理教學(xué)中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(14)：152-153.

[4] 趙桂艷. 基于虛擬儀器技術(shù)的語(yǔ)音信號(hào)分析儀的設(shè)計(jì)研究[D]．長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2002.

[5] 曹玲芝. 現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)及虛擬儀器[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[6] 梁秀英. 構(gòu)建機(jī)電工程類(lèi)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的探索[J]．實(shí)驗(yàn)室科學(xué), 2007, 5 (10) ：29-30.

ApplicationofLabVIEWintheTeachingofMechanicalEngineeringMeasurementTechnology

ZHU Yinlong, YANG Yutu, GOU Binli, LIU Ying

(Nanjing Forestry University, Jiangsu Nanjing, 210037, China)

The Time, area and large cost in experimental teaching must be devoted to purchasing traditional instrument seriously restrict. In order to solve this problem, it applies LabVIEW in teaching activity and combined the hardware experiment with virtual experiment. For example, it realizes the time frequency analysis of signal in LabVIEW. Instrument panel and program chart of LabVIEW that illustrates the characteristic of virtual experiment teaching are listed, which show LabVIEW can provide a new manner for experiment teaching.

Virtual Instrument; LabVIEW; Frequency Spectrum; Measurement Technology

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.014

2014-06-09

中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013M541678)；南京林業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)專(zhuān)項(xiàng)課題資助項(xiàng)目(201314)

朱銀龍(1981—)，男，江蘇東海人，南京林業(yè)大學(xué)講師，博士后，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)采集、傳感器技術(shù)。

TP391.9

B

2095-509X(2014)07-0061-04