基于虛擬儀器的多傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的研制

摘要：CSY-998型傳感器實(shí)驗(yàn)儀集成多種傳感器，可以完成多種傳感器實(shí)驗(yàn)，但其接線繁瑣、所需測(cè)試設(shè)備多、手工記錄數(shù)據(jù)誤差大。為了提高開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的利用率，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)傳感器的掌握，同時(shí)方便實(shí)驗(yàn)教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)程的管理，本文應(yīng)用LabVIEW軟件在上位機(jī)上設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的多傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理系統(tǒng)，包括實(shí)驗(yàn)用戶管理、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目管理、實(shí)驗(yàn)權(quán)限、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、顯示等，從而增加了傳感器實(shí)驗(yàn)的多樣性、創(chuàng)新性、實(shí)驗(yàn)時(shí)間的自由性，解決了CSY-998型傳感器實(shí)驗(yàn)儀的局限性，提高了教師對(duì)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室的管理。

關(guān)鍵詞：傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)LabVIEW管理系統(tǒng)

傳感器實(shí)驗(yàn)課程是工科院校學(xué)生掌握傳感器相關(guān)知識(shí)以及了解傳感器性能和作用的重要途徑之一，但是傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)課程采用統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)授課方式[1]，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)，按照實(shí)驗(yàn)要求插接線，然后手工記錄數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)給實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師檢查簽字通過(guò)后，課后根據(jù)數(shù)據(jù)手動(dòng)繪圖，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中毫無(wú)主動(dòng)性，更無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性及創(chuàng)新性，學(xué)生的能力也得不到充分的培養(yǎng)。尤其是學(xué)校選購(gòu)的浙江大學(xué)高聯(lián)公司生產(chǎn)的CSY-998型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀[2，3，4]集成多種傳感器，內(nèi)置各種信號(hào)轉(zhuǎn)換及處理模塊，學(xué)生在在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不僅需要根據(jù)不同類型的傳感器的輸出調(diào)試儀器，還需要根據(jù)各種傳感器的輸出信號(hào)不同使用各種專用的測(cè)試儀器[5]來(lái)完成，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)難度增大，成本增加，不利于開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與管理。虛擬儀器[6，7，8]系統(tǒng)的用戶可以根據(jù)自己的需要，自行設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，如電壓表、電流表、示波器等。在虛擬儀器中主要采用LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）[9，10，11]進(jìn)行編程，它是一種圖形化的編程語(yǔ)言[12，13]，面向的是沒(méi)有編程經(jīng)驗(yàn)的用戶而不是編程專家，因此十分適合工科類學(xué)生作為基本的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)[13，14]。只要一臺(tái)電腦加上傳感器實(shí)驗(yàn)儀，就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理人員對(duì)儀器設(shè)備的管理，教師就可以了解傳感器實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)的基本情況；而學(xué)生也可以根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)形式多種多樣的數(shù)據(jù)顯示界面，從而使傳感器實(shí)驗(yàn)更具有趣味性、創(chuàng)新性，也能夠充分挖掘?qū)嶒?yàn)室資源的獨(dú)特潛力，提高實(shí)驗(yàn)室的利用率。

一、實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)介紹

本文所介紹的多傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)是基于虛擬儀器以及浙江大學(xué)高聯(lián)公司生產(chǎn)的CSY-998型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀的，系統(tǒng)的硬件組成主要包括CSY-998型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀、多通道數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等，其框圖如圖1所示：

CSY-998型傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀是浙江大學(xué)高聯(lián)公司生產(chǎn)的曾獲全國(guó)高科技產(chǎn)品優(yōu)秀獎(jiǎng)及浙江省優(yōu)秀科技成果獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)儀，是集被測(cè)體、各種傳感器、信號(hào)激勵(lì)源、處理電路和顯示器于一體的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要由四部分組成：機(jī)殼、機(jī)頭（傳感器安裝臺(tái)）、顯示面板、調(diào)理電路面板等組成。它包含霍爾式傳感器、電容式傳感器、壓電式、磁電式傳感器、熱敏電阻、熱電偶傳感器、電感式傳感器、光纖式傳感器、濕敏傳感器、光電式傳感器等二十余種傳感器、十二個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，能完成包括光、磁、電、溫度、位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等內(nèi)容的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)的軟件平臺(tái)

由于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是希望創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室學(xué)有余力的學(xué)生能夠利用空余時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因而本文軟件部分主要是在前面介紹的硬件支持下，根據(jù)需要，采用LabVIEW編寫(xiě)了整個(gè)實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)[15]。系統(tǒng)的主要組成包括：登錄界面、實(shí)驗(yàn)選擇界面、用戶管理、學(xué)生名單等。

登錄界面主要設(shè)置了系統(tǒng)管理員、教師、學(xué)生登錄，不同的身份登錄后的權(quán)限不同，管理員具有實(shí)驗(yàn)選擇、用戶管理、查看學(xué)生名單的權(quán)限；教師具有實(shí)驗(yàn)選擇、查看學(xué)生名單的權(quán)限；而學(xué)生則只具有實(shí)驗(yàn)選擇的權(quán)限。登錄后系統(tǒng)管理員、教師、學(xué)生界面權(quán)限如圖2所示：

在實(shí)驗(yàn)選擇窗口下，設(shè)置有金屬箔式應(yīng)變片———溫度的影響實(shí)驗(yàn)、直流全橋的應(yīng)用———電子稱實(shí)驗(yàn)、交流全橋的應(yīng)用———振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)、差動(dòng)變壓器性能實(shí)驗(yàn)、壓電式傳感器振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、超聲波傳感器測(cè)量距離共六個(gè)實(shí)驗(yàn)，教師可以根據(jù)教學(xué)的要求添加不同的實(shí)驗(yàn)；學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣選擇不同的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作，實(shí)驗(yàn)選擇菜單前面板圖如圖3：

在用戶管理窗口下設(shè)有查看用戶表、添加用戶、刪除用戶等幾項(xiàng)操作選擇，系統(tǒng)管理員可以根據(jù)登陸者的不同身份賦予不同的權(quán)限，其前面板圖如圖4所示：

在學(xué)生名單窗口下，系統(tǒng)管理員可以加入學(xué)生名單，教師點(diǎn)擊學(xué)生名單按鈕可以查看選擇實(shí)驗(yàn)的學(xué)生名單，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行一定的管理。如下圖所示：

三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目簡(jiǎn)介

在前面一節(jié)介紹的實(shí)驗(yàn)選擇窗口下共設(shè)置了金屬箔式應(yīng)變片———溫度的影響實(shí)驗(yàn)、直流全橋的應(yīng)用———電子稱實(shí)驗(yàn)、交流全橋的應(yīng)用———振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)、差動(dòng)變壓器性能實(shí)驗(yàn)、壓電式傳感器振動(dòng)實(shí)驗(yàn)、超聲波傳感器測(cè)量距離共六個(gè)實(shí)驗(yàn)，在這一節(jié)中將對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的介紹。

在這六個(gè)實(shí)驗(yàn)中，前面5個(gè)實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證加設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)指南在CSY傳感器實(shí)驗(yàn)儀接線，然后在LabView下根據(jù)自己的風(fēng)格設(shè)計(jì)不同的界面，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及顯示。最后一個(gè)超聲波傳感器測(cè)量距離的實(shí)驗(yàn)屬于綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要根據(jù)教師給出的實(shí)驗(yàn)框圖設(shè)計(jì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的硬件電路以及軟件界面，希望學(xué)生能夠通過(guò)這樣既有驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)又有設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)課程，提高學(xué)生動(dòng)手能力以及創(chuàng)新的意識(shí)。

以實(shí)驗(yàn)二電子稱實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)二的按鈕后，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面如下圖所示，按照之前的圖連接好儀器，檢查無(wú)誤之后，點(diǎn)擊開(kāi)始實(shí)驗(yàn)按鈕開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完成在前面板顯示結(jié)果如下圖所示：

實(shí)驗(yàn)完成后可以點(diǎn)擊完成本次實(shí)驗(yàn)按鈕完成該次實(shí)驗(yàn)，也可點(diǎn)擊返回實(shí)驗(yàn)主界面按鈕回到實(shí)驗(yàn)主界面，選擇其他實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

基于LabView的多傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)解決了CSY-998型傳感器實(shí)驗(yàn)臺(tái)界面不友好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不直觀，實(shí)驗(yàn)操作調(diào)節(jié)復(fù)雜，所需測(cè)試儀器多的弊端。整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程更加簡(jiǎn)單方便，人機(jī)界面友好，具有傳統(tǒng)儀器不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)需給每個(gè)實(shí)驗(yàn)組配備示波器，學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)想，設(shè)計(jì)各種富有個(gè)性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試面板，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及創(chuàng)新的能力。由于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要面向的是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室學(xué)有余力的學(xué)生，通過(guò)該系統(tǒng)學(xué)生可以根據(jù)自己的專業(yè)要求、時(shí)間，自由選擇相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，安排合理的時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，并能夠進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)面板設(shè)計(jì)，這樣可以充分利用學(xué)生空余時(shí)間，也能夠充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造能力，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手的興趣，這在實(shí)驗(yàn)改革過(guò)程中有十分積極的作用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

曹曉燕（1986—），女，漢族，四川成都，碩士，助理工程師，研究方向：傳感器、信號(hào)處理。