機(jī)械測(cè)控技術(shù)課程虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建*

◆羅頌榮 車曉毅

機(jī)械測(cè)控技術(shù)課程虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建*

◆羅頌榮 車曉毅

為解決實(shí)驗(yàn)室建設(shè)資金短缺與招生規(guī)模不斷擴(kuò)大的矛盾，利用聲卡的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和虛擬儀器低成本、擴(kuò)展性好的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建機(jī)械測(cè)控技術(shù)課程虛擬實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室主要包括基于聲卡虛擬示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器以及虛擬機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了虛擬示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器的可靠性。

聲卡；虛擬實(shí)驗(yàn)室；機(jī)械測(cè)控技術(shù)

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.015

1　前言

機(jī)械測(cè)試技術(shù)和機(jī)械控制工程是機(jī)械工程專業(yè)本科核心課程，理論抽象、難懂。為增強(qiáng)教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是教學(xué)體系中不可或缺的環(huán)節(jié)［1］。但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器功能單一，可擴(kuò)展性差，在當(dāng)今知識(shí)快速更新背景下，很難滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

近10多年來，虛擬儀器的開發(fā)及應(yīng)用已得到重點(diǎn)高校的廣泛關(guān)注［2］。許多教研工作者開發(fā)了較好的虛擬儀器，取得良好的教學(xué)效果和經(jīng)濟(jì)效益［3］。本文針對(duì)機(jī)械工程專業(yè)測(cè)控技術(shù)核心課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，適用于測(cè)控技術(shù)類實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的仿真實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、工程設(shè)計(jì)能力和工程創(chuàng)新能力，對(duì)改善高校辦學(xué)條件，提升高校教育教學(xué)水平，均有重要意義。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大組成部分。硬件部分包括傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)及其I/O接口設(shè)備等，主要完成數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理功能；軟件部分是指以G語言為軟件平臺(tái)，通過編程的方式來實(shí)現(xiàn)儀器功能的各種G代碼。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵。在硬件電路確定后，用戶通過軟件編程可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、處理、輸出等，根據(jù)各自的需要，研發(fā)出各種功能的虛擬儀器系統(tǒng)。系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。

從數(shù)據(jù)采集的角度看，聲卡是音頻信號(hào)采集卡［4］。目前市面上聲卡一般是16位的雙通道數(shù)據(jù)采集卡，最高采樣頻率可達(dá)44.1 kHz，而且聲卡價(jià)格十分低廉。另外，聲卡同時(shí)具有模入和模出功能，因此，聲卡可以應(yīng)用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)音頻范圍的工程信號(hào)的有效采集。本文根據(jù)測(cè)控技術(shù)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，以聲卡作為信號(hào)A/D卡和D/ A卡，實(shí)現(xiàn)模入與模出，以LabVIEW為軟件平臺(tái)，組建基于虛擬儀器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括基于聲卡的虛擬示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器，虛擬機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以PC機(jī)聲卡為核心組織系統(tǒng)硬件。目前，聲卡有粉紅色的Line In口和草綠色Line Out口。因此，使用Line In作為示波器的輸入口，使用Line Out作為信號(hào)發(fā)生器的輸出口。LabVIEW軟件提供了與聲卡有關(guān)的函數(shù)，這些函數(shù)使用Windows底層函數(shù)直接與聲卡驅(qū)動(dòng)程序通信，響應(yīng)速度快，可以訪問、采集緩沖區(qū)中任意位置的數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)采集和輸出數(shù)據(jù)。LabVIEW的數(shù)據(jù)采集函數(shù)在Sound Input子模板中，有SI Config.vi、SI Start.vi、SI Read.vi、SI Stop.vi和SI Clear.vi函數(shù)。聲卡的輸出函數(shù)在Sound Output子模板中，有SO Config.vi、SO Start.vi、SO Write. vi、SO Stop.vi、SO Wait.vi、SO Set Num Buffers.vi等。這些vis通過Windows底層函數(shù)與聲卡驅(qū)動(dòng)交換和傳遞信息，封裝層次低，速度快。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW軟件是一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發(fā)軟件，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析與處理、各種標(biāo)準(zhǔn)接口儀器驅(qū)動(dòng)程序的編制等。為滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，本文采用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)教學(xué)中所需的基于聲卡的虛擬示波器、雙通道標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器和虛擬機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)。

虛擬示波器面板有聲卡設(shè)置、波形的顯示、時(shí)基幅值控制、結(jié)果顯示、儀器操作控制、文件存儲(chǔ)等模塊，具有時(shí)域波形顯示、簡(jiǎn)單頻譜分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放、截圖、顯示數(shù)據(jù)最大值最小值、基波頻率、基波幅值、數(shù)據(jù)均方值等功能。雙通道標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器是利用聲卡的雙通道模擬輸出功能編程實(shí)現(xiàn)的虛擬信號(hào)發(fā)生器，可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波、方波、三角波和鋸齒波、白噪聲，并通過聲卡Line Out口輸出。以下主要闡述虛擬機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

*項(xiàng)目來源：湖南文理學(xué)院教改項(xiàng)目（JGYB1319）；機(jī)械控制工程課程研究性教學(xué)改革項(xiàng)目資助。作者：羅頌榮，湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院副教授，研究方向?yàn)樘摂M儀器技術(shù)；車曉毅，湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)教研教改（415000）。

前面板設(shè)計(jì) 振動(dòng)是機(jī)械系統(tǒng)一種常見的物理現(xiàn)象。通過測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)，可以獲取機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)；可以及時(shí)了解機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)或診斷系統(tǒng)故障；可以尋找異常振動(dòng)和噪聲的根源，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

振動(dòng)信號(hào)的分析方法主要有幅值域統(tǒng)計(jì)分析、時(shí)域分析和頻域分析。幅值域統(tǒng)計(jì)分析包括最大值、最小值、峰峰值、均值、均方值和方差、方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)和裕度指標(biāo)。時(shí)域分析包括時(shí)域波形的顯示、自相關(guān)分析、互相關(guān)分析等。頻域分析包括以傅里葉變換為核心的幅值譜、功率譜、倒頻譜、包絡(luò)譜等。本文利用聲卡采集由于機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的音頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析。系統(tǒng)前面板主要包括聲卡數(shù)據(jù)采集模塊，離線在線控制、數(shù)據(jù)文件讀取與存取、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，性能指標(biāo)顯示模塊，以及時(shí)域、頻域分析與顯示模塊。

SI Config.vi對(duì)聲卡的采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，SI Start. vi啟動(dòng)聲卡的數(shù)據(jù)采集，在While循環(huán)中SI Read.vi將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)一整塊一整塊地讀入內(nèi)存。同時(shí)，利用CASE結(jié)構(gòu)將采樣頻率fs送入While循環(huán)體中。已讀入內(nèi)存的電壓信號(hào)，經(jīng)過標(biāo)定后和時(shí)間信息捆綁為波形數(shù)據(jù)，供信號(hào)處理程序調(diào)用。按下停止按鈕STOP，程序跳出While循環(huán)，執(zhí)行SI Stop.vi和SI Clear.vi，停止聲卡采集并清除和釋放內(nèi)存。

聲卡采集的數(shù)據(jù)進(jìn)入信號(hào)分析模塊前，需要經(jīng)過抗混濾波、加窗截?cái)嗟阮A(yù)處理。因此，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要包括濾波器類型選擇、濾波器參數(shù)設(shè)置和窗函數(shù)選擇。在實(shí)驗(yàn)中可以選擇Butterworth濾波器或者Chebyshev濾波器及相應(yīng)的高通、低通、帶通或帶阻，并設(shè)置濾波器參數(shù)，可供選擇的窗函數(shù)有Hanning、Hamming、Blackman、Exact Blackman、Flat Top等。

振動(dòng)信號(hào)分析模塊可設(shè)計(jì)為研究性實(shí)驗(yàn)或者創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)興趣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。機(jī)械振動(dòng)信號(hào)往往表現(xiàn)為復(fù)雜的調(diào)幅—調(diào)頻特征。對(duì)于此類信號(hào)，包絡(luò)解調(diào)分析是十分有效的分析方法之一。在此，對(duì)包絡(luò)解調(diào)程序做詳細(xì)闡述：首先對(duì)原始信號(hào)作Hilbert變換獲得Hilbert變換對(duì)，構(gòu)造原始信號(hào)的解析信號(hào)；然后通過求取解析信號(hào)的模來獲得幅值包絡(luò)信號(hào)；最后對(duì)幅值包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，再作FFT變換求取包絡(luò)譜，從而得到調(diào)制頻率及其倍頻。包絡(luò)解調(diào)程序框圖如圖3所示。

圖3　包絡(luò)解調(diào)程序框圖

5　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)基于聲卡的虛擬示波器和信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)聲卡進(jìn)行標(biāo)定并設(shè)置采集參數(shù)，聲卡的標(biāo)定為3500，單聲道，采樣頻率為44.1 kHz，16位采樣精度。利用GW SFG-2110音頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為100 Hz，幅值為0.8 V的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，從Line In口輸入，運(yùn)行虛擬示波器。虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為100 Hz，幅值為0.8 V的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，用兩頭均為3.5 mm插頭的音頻信號(hào)線將Line Out與Line In連接，則虛擬信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)從Line Out口輸出后送入Line In口，運(yùn)行界面如圖4和圖5所示?？梢娞摂M示波器和虛擬信號(hào)發(fā)生器均能可靠運(yùn)行，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

6　結(jié)論

本文利用普通聲卡，基于虛擬儀器思想，探索并構(gòu)建機(jī)械測(cè)控技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室主要包括虛擬示波器

圖2　信號(hào)調(diào)理電路

圖4　虛擬示波器運(yùn)行結(jié)果

和虛擬信號(hào)發(fā)生器以及虛擬機(jī)械振動(dòng)信號(hào)分析系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證虛擬示波器和信號(hào)發(fā)生器的可靠性。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不但能較好地滿足機(jī)械工程專業(yè)測(cè)控技術(shù)類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，而且成本低，可擴(kuò)展性好，易于維護(hù)與管理，為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與探索提供了新的思路和手段?！?/p>

［1］劉吉軒，張小棟，陳花玲.測(cè)試技術(shù)層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（1）：125-128.

［2］陳小紅.虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2010（17）：107-109.

［3］王文娣，楊靜，霍曉靜.利用虛擬儀器技術(shù)改革創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)林教育版，2012，14（2）：53-55.

圖5　信號(hào)發(fā)生器運(yùn)行結(jié)果

［4］郝麗，趙偉.基于聲卡的虛擬儀器教學(xué)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（2）：79-81.

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