基于LabVIEW的測試技術(shù)與信號處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

侯鵬亮　田曉峰　段文銳　梁振宇　何宇杰

摘 要：LabVIEW程序設(shè)計(jì)充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與處理能力，將其應(yīng)用于測試技術(shù)與信號處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的圖形化設(shè)計(jì)，并以實(shí)例充分展示LabVIEW程序設(shè)計(jì)的直觀性和虛擬儀器性。學(xué)生可以充分利用該平臺自由完成對測試技術(shù)相關(guān)理論知識的實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對理論知識的理解，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，也能極大的激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，得到了學(xué)生的充分認(rèn)可。

關(guān)鍵詞：測試技術(shù)與信號處理;LabVIEW;仿真實(shí)驗(yàn);虛擬儀器

測試技術(shù)與信號處理是我校機(jī)械類專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其知識涵蓋了高等數(shù)學(xué)、信號與系統(tǒng)、控制工程、數(shù)字信號分析與處理等學(xué)科，對學(xué)生的綜合素質(zhì)能力要求較高[1-2]。測試技術(shù)與信號處理的課程教學(xué)目標(biāo)是通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握測試系統(tǒng)的基本原理和方法，并能根據(jù)機(jī)械工程實(shí)際的需要搭建簡單的測試系統(tǒng)，合理的選擇傳感器，并對測試信號進(jìn)行分析和處理，獲得有用信息，從而實(shí)現(xiàn)對被測量的測試[3]。在教學(xué)的過程中要注重理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合，特別是針對波形的合成與分解、周期信號的頻譜分析、信號的調(diào)制與解調(diào)、信號的自相關(guān)與互相關(guān)等知識點(diǎn)非常抽象學(xué)生不好理解，更加突顯出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，只能通過具體的實(shí)驗(yàn)才能幫助學(xué)生建立起直觀的效果，加深學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)。由于硬件實(shí)驗(yàn)的時間比較固定，不方便學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具有一定的局限性。本文利用虛擬儀器設(shè)計(jì)一套測試技術(shù)與信號處理實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可以利用課余時間進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，提高教學(xué)效果。

1 虛擬儀器

虛擬儀器（Virtual Instrument）是由美國國家儀器公司提出的，主要利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算、處理能力和高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效的軟件來完成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的分析和處理的測試平臺。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美國國家儀器NI（National Instrument）開發(fā)的一種圖形化編程語言，又稱G語言[4-5]。LabVIEW能夠提供許多函數(shù)控件、信號分析與處理控件，同時還提供類似傳統(tǒng)儀器的外觀控件，可以非常方便的用來創(chuàng)建虛擬儀器。鑒于此，本設(shè)計(jì)利用LabVIEW強(qiáng)大的圖形化設(shè)計(jì)功能，結(jié)合計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)的運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)行測試技術(shù)與信號處理仿真實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

鑒于測試技術(shù)與信號處理理論性強(qiáng)、抽象，側(cè)重于理論分析與計(jì)算，整個課程圍繞信號這條主線展開，包括信號的產(chǎn)生、信號的采集、信號的調(diào)制與解調(diào)、信號的分析與處理等內(nèi)容。為了提高學(xué)生對理論知識的掌握，要以實(shí)驗(yàn)作為輔助手段，提高學(xué)生對理論知識的理解。因此，開展了周期信號的合成與分解、典型波形的頻譜分析、信號幅度調(diào)制與解調(diào)、典型信號的相關(guān)分析等實(shí)驗(yàn)。利用LabVIEW強(qiáng)大的圖形控件和圖形化的編程語言設(shè)計(jì)出測試技術(shù)與信號處理常用的實(shí)驗(yàn)平臺如圖1所示。在學(xué)生使用時，只要將打包測試技術(shù)與信號處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺安裝文件和LabVIEW安裝到自己的個人電腦上就可以運(yùn)行，打開運(yùn)行程序的主界面如圖1所示。

下面將以波形的合成與幅值調(diào)制為例說明測試技術(shù)與信號處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的創(chuàng)建過程。由測試技術(shù)與信息處理的理論知識作為虛擬實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)的理論可知：

（1）周期方波信號：已知：

由公式（1）、（2）和（3）可知，一個周期方波信號是由若干個奇次諧波分量疊加而成的。這時利用LabVIEW提供的強(qiáng)大圖形控件就可以方便創(chuàng)建如圖2所示的方波的合成虛擬實(shí)驗(yàn)操作界面。同時為了提高設(shè)計(jì)軟件的通用性，在波形的合成與分解實(shí)驗(yàn)平臺主界面可以點(diǎn)擊其相應(yīng)波形的按鈕進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)如圖3所示，豐富了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，加深學(xué)生對各種波形的合成與分析的理解。

3 結(jié)論

LabVIEW程序設(shè)計(jì)充分利用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析的能力，同時具有圖形化的編程設(shè)計(jì)優(yōu)勢，將其用于測試技術(shù)與信號處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)，可以充分彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備的不足，而且學(xué)生可以隨時利用自己的個人電腦上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，可以取得和硬件實(shí)驗(yàn)相同的教學(xué)效果。同時，也會促進(jìn)學(xué)生對理論知識的理解，使理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相輔相成。另外，用LabVIEW設(shè)計(jì)的測試技術(shù)與信號處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺原代碼對學(xué)生開放，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣對相關(guān)的知識點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充和修改，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，也能極大的激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，得到了學(xué)生的充分認(rèn)可。

參考文獻(xiàn)：

[1]顏志剛，劉婷婷.測試技術(shù)與信號處理的課程教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇，2016（36）：122-123.

[2]牛禮民.測試技術(shù)與信號處理課程案例式教學(xué)探索[J].大學(xué)教育，2017，000（012）：36-38.

[3]鄒大鵬，肖體兵，劉偉，等.測試技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].教育教學(xué)論壇，2019（049）：177-180.

[4]王偉功，錢曉琦，何中原.基于LabVIEW的齒輪箱振動信號采集與分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2020，（58）：127-130+145.

[5]陳良兵，鄧貞宙，王玉皞，等.基于LabVIEW的干涉儀測向?qū)嶒?yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2020，（37）：150-153+195.

鹽城工學(xué)院教改研究項(xiàng)目：基于LabVIEW的測試技術(shù)與信號處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)（項(xiàng)目編號：JYKT2019B005）

作者簡介：侯鵬亮（1977— ），男，博士，副教授，主要從事復(fù)合載荷下材料微觀力學(xué)性能原位測試技術(shù)與虛擬儀器研究。