食品工程測試虛擬實驗儀器平臺的構建與實踐

周穎越 俞駿

摘要：隨著我國制造業(yè)加速從制造大國轉向制造強國，工程測試人員將是實現(xiàn)這一宏偉轉向的核心技術人員。作為承擔應用型工程技術人才培養(yǎng)的地方高校，提升與改進實驗儀器平臺是當務之急。

關鍵詞：虛擬實驗；儀器平臺；模塊

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）22-0142-02

作為現(xiàn)代教育重要標志的信息化建設，虛擬仿真實驗設備是實現(xiàn)國家教育信息化戰(zhàn)略的重要平臺和戰(zhàn)略基地。地方工科院校以培養(yǎng)工程技術人員的崗位能力為導向，創(chuàng)新構建工程測試模擬仿真設備平臺，提高教育、教學質量，提升畢業(yè)生的綜合能力起重要作用。

一、虛擬儀器平臺

1.虛擬儀器。虛擬實驗儀器就是基于計算機的儀器。計算機與檢測儀器相結合是工業(yè)自動化生產(chǎn)及工程檢測實踐教學發(fā)展的一個重要方向。計算機與檢測儀器結合目前有兩種方案，目前常見的如將計算機芯片裝入儀器，其典型的例子如可罐頭自動高壓滅菌設備。

現(xiàn)在較為先進的一種方式是將儀器裝入計算機，利用計算機系統(tǒng)的強大為依托，實現(xiàn)各種儀器功能。虛擬實驗儀器實際上是一個按照檢測儀器需求所組織的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。學生可以利用這個虛擬實驗儀器實驗，達到與實際工業(yè)檢測相同的學習效果。

2.虛擬實驗儀器平臺。隨著測量系統(tǒng)逐漸從控制中心轉變?yōu)楦涌拷粶y量設備，測試系統(tǒng)的性質也在迅速變化。這樣的改變，優(yōu)點是縮短了測量系統(tǒng)的安裝時間，降低了傳感器布線成本，并提高了測量精度，但同時也給信息同步和系統(tǒng)管理帶來了挑戰(zhàn)。

食品工程測試虛擬實驗儀器平臺選用美國國家儀器（National Instruments，簡稱NI）的cDAQ-9185和cDAQ-9189的兩款多槽以太網(wǎng)機箱。這兩款產(chǎn)品都是基于時間的同步技術，及最新的以太網(wǎng)標準，通過對時間敏感網(wǎng)絡（TSN）和工業(yè)ComPACtDAQ硬件的投入，進行分布式測試和測量系統(tǒng)。

3.編譯軟件。食品工程測試虛擬實驗儀器平臺編譯軟件采用的是美國NI公司的LabVIEW。利用其軟件環(huán)境、數(shù)據(jù)流編程特性、LabVIEW Real-Time工具以及對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，實現(xiàn)食品工程測試實驗課程的多項模擬實驗項目。

4.儀器模塊。使用普通的PC構建的虛擬儀器或計算機測試系統(tǒng)，其性能可能不會太高。食品工程測試虛擬實驗儀器平臺將各種儀器模塊分別制成一個插卡，并統(tǒng)一采用VXI標準。這些插卡式的儀器模塊其面板仍然用以虛擬的方式顯示在計算機屏幕上。這些標準插卡插入的機箱，與計算機共同組成了一個食品工程測試虛擬實驗儀器平臺。

二、虛擬實驗儀器平臺。

食品工程測試虛擬實驗儀器平臺是分別以NI CDAQ和NI CRIO設備為測試核心的平臺，結合虛擬儀器技術、測試與測量技術、軟件技術的綜合測試系統(tǒng)來滿足各測試項目的需求。

1.儀器方案。（1）設置總共36路測試通道，其中14路電壓信號；9路電流信號；1路頻率信號；熱電偶信號8路；RTD信號4路；GPIB控制信號4路；模擬輸出信號4路；繼電器輸出4路。（2）應變信號：支持1/4橋、半橋式和全橋式壓力信號采集，精度：24bit。（3）PIB、RS232控制：實現(xiàn)與VL-4000-405-118、MA100、FLUKE8845A/6.5、ATR、YKF200等檢測儀表數(shù)據(jù)的傳輸與控制。

2.系統(tǒng)設計。為滿足該系統(tǒng)的常規(guī)測控需求，系統(tǒng)采用使用兩種通用型測控方案，分別基于NI CDAQ和NI CRIO平臺進行開發(fā)。

CDAQ系統(tǒng)是以太網(wǎng)或以無線網(wǎng)絡連接到計算機主機，也可以通過USB或者內置的控制器實現(xiàn)獨立操作。系統(tǒng)包含機箱、NI的C系列I/O模塊及編譯軟件等。

利用CRIO系統(tǒng)的硬件架構中的I/O模塊及可編程門陣列（FPGA）機箱以及嵌入式控制器。此外，CRIO通過NI LabVIEW圖形化編程工具接受編程，并用于各種嵌入式控制和監(jiān)測應用程序。

3.儀器模塊。（1）電流輸入模塊。采用NI 9208插卡，配合內置式50/60 Hz工頻干擾抑制，實現(xiàn)去噪。（2）熱電偶采集模塊。采用NI 9214插卡，該模塊可使用戶無需占用過多插槽，即可在混合信號測試系統(tǒng)中添加熱電偶。（3）電壓采集模塊。采用NI 9220插卡，NI 9220是一款16通道，100 kS/s/通道，16位，±10 V模擬輸入模塊。（4）RTD溫度采集模塊。采用NI 9217插卡，在高分辨率模式下，采樣率為5 S/s（每通道1.25 S/s）并配有50/60 Hz內置式去噪功能。采樣率為5 S/s（每通道1.25 S/s）并具備50/60 Hz的噪聲抑制。（5）模擬輸出模塊。采用NI 9269插卡，提供每通道100 kS/s同步更新率并具有通道間隔離的模塊，并能夠將通道疊加以輸出高達40 V電壓。（6）繼電器輸出模塊。采用NI 9481插卡連接繼電器，并可實現(xiàn)30 VDC（2 A） 、60 VDC（1 A）和250 VAC（2 A） 的信號切換，通道間隔離為250 Vrms。每條通道都含有1個LED用于提示通道狀態(tài)。NI 9481可以直接連往多種工業(yè)設備，如電機、激勵器和直流設備等。（7）頻率測量模塊。采用NI 9402插卡，實驗時可以根據(jù)輸入和輸出要求，按比特靈活配置插卡上各條數(shù)字線的方向。（8）壓力測量模塊。采用NI 9219插卡，可以測量各種需要供電的傳感器中的信號，如熱電偶、RTD、應變計、測壓元件和其他傳感器。（9）GPIB控制模塊。GPIB通信卡采用完全兼容IEEE488.2通信標準和儀器控制模式，根據(jù)IEEE488電纜控制模式，可最多控制14臺獨立儀器。GPIB通信卡的設計符合高性能及高可移植性編程的要求。（10）RS232控制模塊。NI USB-232/2接口將通用串行總線（USB）端口轉換為2個異步串口，用來與RS232串行設備通信。

三、開發(fā)平臺

為確保硬件設施的使用環(huán)境，開發(fā)平臺的系統(tǒng)軟件選用NI公司的LabVIEW軟件。運行環(huán)境為Windows 7或更高版本操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)軟件共包括六個部分，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲以及系統(tǒng)設置、用戶管理和人機界面。數(shù)據(jù)采集部分采用獨立的數(shù)據(jù)采集引擎，并能配置每個數(shù)據(jù)采集板卡的參數(shù)，能夠自行選擇板卡及相應通道，實現(xiàn)自定義的數(shù)據(jù)采集任務。采集的數(shù)據(jù)在界面上使用圖表同步顯示。數(shù)據(jù)存儲部分能按照設定的存儲文件地址和是否存儲等設置參數(shù)將采集到的數(shù)據(jù)進行保存與導出，同時也可保存通道的配置信息等。數(shù)據(jù)分析部分能使用程序調用其保存的數(shù)據(jù)，用以執(zhí)行數(shù)據(jù)回放等功能。系統(tǒng)設置部分可設置所有的系統(tǒng)、文件和硬件設置參數(shù)。用戶管理部分，完成系統(tǒng)登錄及用戶管理功能。包括用戶信息導入與密碼設置；用戶登錄和用戶權限等信息的管理。人機界面模塊負責人機交互。

四、虛擬實驗項目

食品工程測試虛擬實驗儀器平臺目前已經(jīng)開發(fā)的實驗項目有熱電偶、熱電阻溫度測試實驗；熱流密度測試實驗、應變橋實驗、霍爾傳感器實驗，以及室內環(huán)境氣象參數(shù)測定、冷庫保溫性能測定等研究性實驗項目。

五、結語

本虛擬實驗儀器平臺，尚可開發(fā)更多的實驗項目，且特別適合研究性實驗項目的開發(fā)應用。

參考文獻：

[1]胥軍.氣壓ABS硬件在環(huán)試驗臺設計[J].實驗室研究與探索，2017，36（12）.

[2]周穎越，俞駿，曹劍敏.本科專業(yè)校內實習基地的建設[J].教育現(xiàn)代化2017，（08）：131.

[3]周穎越，俞駿，曹劍敏.食品專業(yè)實驗室建設的研究與探索[J].科技創(chuàng)新導報，2013，（05）：192.

[4]周穎越，等.高校實驗室安全程序化管理及補短板[J].教育現(xiàn)代化，2016，（36）：198-199+224.