基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

李鵬 黃再輝 白娜

收稿日期：2023-05-16

基金項(xiàng)目：2022年桂林電子科技大學(xué)海洋工程學(xué)院優(yōu)質(zhì)本科課程建設(shè)項(xiàng)目（HYJ15009）；2021年廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目（2021JGA183）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.016

摘? 要：為提升應(yīng)用本科機(jī)電專業(yè)學(xué)生智能傳感應(yīng)用能力，設(shè)計(jì)傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。提出基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)方法，在LabVIEW-VISA應(yīng)用設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上搭建了傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體架構(gòu)；設(shè)計(jì)了傳感器實(shí)驗(yàn)箱、myDAQ便攜式測(cè)量、萬(wàn)用表、應(yīng)變式傳感器等主要硬件；進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、輸出模塊及信號(hào)處理電路等軟件設(shè)計(jì)，利用信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在平臺(tái)中的雙通道傳輸，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證靈敏度高、線性誤差小，有利于提高人才實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW-VISA；傳感器檢測(cè)；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；信號(hào)處理電路

中圖分類號(hào)：TP274；TP212? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）07-0067-06

Design of Virtual Experiment Platform for Sensor Detection Based on LabVIEW-VISA

LI Peng， HUANG Zaihui， BAI Na

（School of Ocean Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Beihai? 536000， China）

Abstract： In order to improve the application ability of intelligent sensor for undergraduate students majoring in Mechanical and Electrical Engineering， a virtual experiment platform for sensor detection is designed. A virtual experiment platform and experiment method for sensor detection based on LabVIEW-VISA are proposed. Based on LabVIEW-VISA application design， the whole structure of virtual experiment platform for sensor detection is built， and the main hardware such as sensor experiment box， myDAQ portable measurement， multimeter and strain sensor are designed. The software of data acquisition module， data processing module， output module and signal processing circuit are designed， and the dual-channel data transmission in the platform is realized by the signal processing circuit. The results show that the designed virtual experiment platform for sensor detection has high sensitivity and small linear error， which is helpful to improve the practical ability of talents.

Keywords： LabVIEW-VISA; sensor detection; virtual experiment platform; signal processing circuit

0? 引? 言

傳感器檢測(cè)課程是當(dāng)前應(yīng)用本科機(jī)電專業(yè)朝智能制造方向拓展的重要基礎(chǔ)課程，需要給學(xué)生提供能切實(shí)加以實(shí)踐應(yīng)用的課程實(shí)驗(yàn)條件，有利于滿足線上-線下一體化課程教學(xué)需求。當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分高等院校傳感器實(shí)驗(yàn)室中儀器都無(wú)法滿足教學(xué)需求、功能不完善，利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)可有效解決高等院校專業(yè)實(shí)驗(yàn)室面臨的問(wèn)題[1]。LabVIEW-VISA虛擬儀器軟件系統(tǒng)具有維護(hù)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便和容易掌握等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)中存在大量的功能模塊。LabVIEW-VISA中存在的圖形輸入接口可以符合用戶的使用需求，并降低傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的維護(hù)費(fèi)用和開(kāi)發(fā)費(fèi)用[2]。

叢叢[3]等人結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)、3D建模等技術(shù)搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)由自動(dòng)考評(píng)模塊、教學(xué)模塊、全場(chǎng)景漫游模塊和訓(xùn)練模塊構(gòu)成。徐雪萌[4]等人在目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)理念的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系，結(jié)合主義學(xué)習(xí)理論和學(xué)習(xí)經(jīng)歷在平臺(tái)中設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

在上述方法的基礎(chǔ)上，提出基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，

1? 基于LabVIEW-VISA的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1? LabVIEW-VISA簡(jiǎn)介

LabVIEW-VISA是虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工作臺(tái)，LabVIEW-VISA可創(chuàng)建程序的前、后面板，其中包括菜單、工具條和工具選板[5，6]。

1.1.1? 菜單功能

主菜單中不同選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的功能如下：

1）主菜單：主菜單中的單選項(xiàng)包括幫助、文件、窗口、編輯、工具、視圖、操作和項(xiàng)目等，不同選項(xiàng)中還存在子菜單，對(duì)應(yīng)著若干操作選項(xiàng)。

2）視圖菜單：LabVIEW-VISA中存在的窗口都通過(guò)該菜單打開(kāi)。

3）窗口菜單：框圖與面板在LabVIEW-VISA之間的切換通過(guò)窗口菜單完成。

4）幫助菜單：通過(guò)該菜單瀏覽框圖和版面中存在的信息，具有訪問(wèn)在線幫助功能。

1.1.2? LabVIEW-VISA選板

1）工具選板。通過(guò)工具選板在LabVIEW-VISA中對(duì)被選中的對(duì)象實(shí)行修改、編輯和操作等功能。如果啟動(dòng)LabVIEW-VISA之后工具選板沒(méi)有處于運(yùn)行狀態(tài)，用戶可在LabVIEW-VISA中通過(guò)ViewlTools Palette選項(xiàng)啟動(dòng)工具選板。

2）控件選板?？丶x板的主要功能是在程序前面板中設(shè)置控件，并設(shè)置其屬性和樣式。LabVIEW-VISA的控件選板功能較為強(qiáng)大，不同儀器圖表中都包含多種類型的控件。

3）函數(shù)選板。后面板編輯工作通過(guò)函數(shù)選板完成，LabVIEW-VISA中存在的函數(shù)功能包括物理和數(shù)學(xué)等科目，功能較為強(qiáng)大，利用上述函數(shù)功能可以完成虛擬儀器的設(shè)計(jì)。

1.2? 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由兩部分構(gòu)成，第一部分為實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁(yè)資源，第二部分為L(zhǎng)abVIEW-VISA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體架構(gòu)如圖1所示。

傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的資源關(guān)聯(lián)圖如圖2所示。

LabVIEW-VISA是傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心，由圖1可知，LabVIEW-VISA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)K、實(shí)驗(yàn)原理模塊、在線實(shí)驗(yàn)?zāi)K和仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K四部分構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁(yè)中儲(chǔ)存的相關(guān)資源均可利用LabVIEW-VISA采集得到。將轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)箱和傳感器信號(hào)檢測(cè)設(shè)置在傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，其主要作用是輔助遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)K和在線實(shí)驗(yàn)?zāi)K在平臺(tái)中的運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)箱是傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的下位機(jī)，傳感器可通過(guò)串行通信方式[7，8]在工作狀態(tài)下采集相關(guān)信號(hào)，并將其傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

LabVIEW-VISA函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、GPIB、數(shù)據(jù)分析和串口控制等。傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要目的是獲取目標(biāo)對(duì)象的特征、狀態(tài)和性能，因此傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的首要工作是采集信號(hào)，其次是分析信號(hào)和處理數(shù)據(jù)。

在教學(xué)過(guò)程中可利用虛擬儀器技術(shù)演繹信號(hào)濾波、信號(hào)合成、信號(hào)調(diào)節(jié)、信號(hào)分解、信號(hào)調(diào)制、加窗函數(shù)、頻域分析和時(shí)域分析等，信號(hào)分析和信號(hào)處理常用的方法包括信號(hào)頻譜以及信號(hào)傅里葉變換[9，10]等。針對(duì)采集信號(hào)，傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其做雙邊FFT和單邊FFT快速傅里葉變換，并在平臺(tái)屏幕中顯示處理后的信號(hào)，傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)分析處理功能框圖如圖3所示。

1.3? 平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

1.3.1? 傳感器實(shí)驗(yàn)箱

本文采用AC220 V傳感器測(cè)試箱輸入電源，額定電流小于等于5 A，功率取50 Hz，可支持四組直流穩(wěn)壓電源，電源輸出分別為±15 V和±5 V。該電源設(shè)計(jì)有短路保護(hù)模塊，包含差動(dòng)放大器、音頻信號(hào)產(chǎn)生器等部分。同時(shí)可提供機(jī)械壓力表、數(shù)字電壓表等顯示功能，可滿足實(shí)驗(yàn)功能需求。

1.3.2? MyDAQ便攜式測(cè)量和儀器儀表設(shè)備

MyDAQ具有攜帶方便、體積小等優(yōu)點(diǎn)，能有效開(kāi)展課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。MyDAQ編寫(xiě)式測(cè)量?jī)x器設(shè)備配備了諸如：動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀、函數(shù)發(fā)生器等很多類型的傳感器實(shí)驗(yàn)相關(guān)儀器。MyDAQ模塊與LabVIEW-VISA軟件進(jìn)行配套使用，可有效進(jìn)行功能擴(kuò)展，如圖4所示。

1.3.3? 萬(wàn)用表

萬(wàn)用表具有提供電壓、電阻等數(shù)據(jù)的功能。能夠測(cè)量電感、電容等數(shù)據(jù)。萬(wàn)用表中間的旋鈕旋轉(zhuǎn)至特定位置時(shí)，用戶可進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。萬(wàn)用表一般采用與電子筆進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.3.4? 應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變傳感器的組成分為彈性模塊和稱重傳感器。彈性模塊與托盤進(jìn)行連接，在托盤上不斷地加入解除碼完成對(duì)電壓值的核算計(jì)量。在彈性體上粘貼金屬箔應(yīng)變片，可測(cè)量細(xì)小變形導(dǎo)致的電壓和電阻值產(chǎn)生的波動(dòng)。傳感器采用螺絲固定在板面上，輸出線采用電壓信號(hào)將測(cè)量值傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最后到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本文采用的彈性模塊為AD-S321。應(yīng)變片型號(hào)選用BF350-3aA金屬箔。

1.4? 平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)完成后需要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)是傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心部分，基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法通過(guò)模塊化編程完成軟件的設(shè)計(jì)。軟件平臺(tái)界面如圖5所示。

軟件平臺(tái)通過(guò)主控模塊完成調(diào)用，具體包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理及輸出模塊、信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)模塊、調(diào)用模塊。

1.4.1? 數(shù)據(jù)采集模塊

將PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用于傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，在VI的基礎(chǔ)上建立多條連續(xù)通道，具有用戶自己設(shè)置采樣數(shù)及采樣頻率的功能，用戶獲取的數(shù)據(jù)均可以通過(guò)波形圖得以統(tǒng)計(jì)。

1.4.2? 數(shù)據(jù)處理及輸出模塊

該模塊具有顯示波形輸出及數(shù)值的功能，輸入傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)屬于脈沖信號(hào)，在該模塊中利用LabVIEW-VISA中存在的Filter函數(shù)對(duì)脈沖信號(hào)實(shí)行濾波處理，提高信號(hào)頻率的準(zhǔn)確率。

1.4.3? 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)模塊

該模塊具有放大電路抑制共模信號(hào)的功能。當(dāng)微弱信號(hào)進(jìn)入傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信號(hào)處理電路時(shí)，利用三運(yùn)放差動(dòng)放大處理差模信號(hào)，利用低通濾波器對(duì)信號(hào)實(shí)行濾波處理[11，12]，濾除信號(hào)中存在的高頻信號(hào)。將信號(hào)輸入50 Hz陷波器，在實(shí)際電路中濾除50 Hz工頻信號(hào)，將電壓跟隨器設(shè)置于信號(hào)處理電路，完成前后級(jí)的隔離。

1）三運(yùn)放差動(dòng)放大電路。工程中采用的三運(yùn)放差動(dòng)放大器是由放大器A1、A2組成的，該放大器的共模抑制比較高，性能良好，設(shè)Su表示差分電路在放大器中的增益，可通過(guò)式（1）計(jì)算得到：

（1）

式中，Vi1、Vi2分別表示A1、A2的輸入電壓；V0表示放大電路對(duì)應(yīng)的輸出電壓，可通過(guò)式（2）計(jì)算得到：

（2）

式中，R5表示接入第二級(jí)差分放大電路A3中的電阻；Rf表示變阻器；R3表示接入放大器A1輸入端的電阻。

2）二階低通濾波電路。濾波器的分辨能力可通過(guò)品質(zhì)因數(shù)W得以衡量，兩者之間呈正比關(guān)系。幅頻響應(yīng)當(dāng)品質(zhì)因數(shù)W的值為0.707時(shí)，較為平坦。

設(shè)Sup表示該電路的電壓放大倍數(shù)，其計(jì)算公式如下：

（3）

式中，R6、R7均表示放大器接地端存在的電阻。

二階低通濾波電路的傳遞函數(shù)如下[13]：

（4）

式中，C表示輸入端電容；R表示輸入端電壓。當(dāng)電壓放大倍數(shù)Sup的值小于3時(shí)，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）50 Hz陷波電路。50 Hz工頻干擾信號(hào)通常存在于微弱的有用信號(hào)中，為了消除50 Hz工頻干擾信號(hào)，將陷波器設(shè)置在信號(hào)處理電路中。陷波器的陷波特性可通過(guò)放大器側(cè)端電阻得以調(diào)節(jié)[14，15]。

4）LabVIEW-VISA的應(yīng)用。在LabVIEW中使用VISA是儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O API。VISA可控制GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)、PXI或VXI儀器，并根據(jù)使用的儀器類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。用戶不需要學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議。Visa獨(dú)立于操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境。不論使用何種設(shè)備、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言，都使用相同的API?；贚abVIEW-VISA的操作步驟如下：串口初始化，使用VISA Configure Serial Port.vi [ VISA配置串口]節(jié)點(diǎn)設(shè)置串口的端口號(hào)、波特率、停止位、校驗(yàn)位和數(shù)據(jù)位；讀寫(xiě)串口。使用VISA讀節(jié)點(diǎn)和VISA寫(xiě)節(jié)點(diǎn)對(duì)串口進(jìn)行讀寫(xiě)；關(guān)閉串口，停止所有讀寫(xiě)操作。

2? 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有效性驗(yàn)證

2.1? 測(cè)試環(huán)境

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有效性驗(yàn)證測(cè)試環(huán)境如表1所示。

2.2? 運(yùn)行性能測(cè)試及結(jié)果分析

為驗(yàn)證基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法運(yùn)行程序的性能測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行如下測(cè)試。

具體測(cè)試流程為：扭動(dòng)傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中存在的增益旋鈕，在2路信號(hào)處理電路中輸入傳感器的微弱電壓信號(hào)，通道1表示傳感器檢測(cè)虛擬試驗(yàn)臺(tái)的信號(hào)處理電路，通道2表示后設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路。向數(shù)據(jù)采集卡傳送經(jīng)過(guò)處理后的2路信號(hào)，用計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)代替模擬電壓信號(hào)，向計(jì)算機(jī)輸入處理后的電壓信號(hào)，采用LabVIEW-VISA程序采集、保存并處理2路采集的數(shù)字信號(hào)，實(shí)驗(yàn)流程如圖6所示。

在增益旋鈕上隨機(jī)選用一段位移，分別將通道1和通道2的放大倍數(shù)設(shè)置為10倍和15倍，通道1和通道2的均值分別為3.19、5.14，均方根分別為3.19、5.14，雙通道數(shù)據(jù)采集的波形圖如圖7所示。

測(cè)試過(guò)程中，通道1與通道2的位移與電壓關(guān)系如表2所示。

增益旋鈕位移增大時(shí)的雙通道數(shù)據(jù)電壓變化情況如圖8所示。

采用前述模塊處理數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如圖9所示?？芍@得的去程數(shù)據(jù)擬合曲線和回程數(shù)據(jù)擬合曲線與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。結(jié)果表明基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)可滿足實(shí)驗(yàn)要求，具有較小的線性誤差和較高的靈敏度。分析誤差產(chǎn)生的原因主要在于人為調(diào)整電壓調(diào)零不準(zhǔn)確或讀數(shù)有一定偏差，此外，實(shí)驗(yàn)儀器也可能產(chǎn)生微小誤差，如電路內(nèi)部、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

3? 結(jié)? 論

應(yīng)用型本科機(jī)電專業(yè)人才培養(yǎng)依賴于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，針對(duì)目前高校存在的傳感器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分在存在很多缺陷與不足，針對(duì)傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文將LabVIEW-VISA應(yīng)用于傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，在LabVIEW-VISA的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體架構(gòu)；探討了傳感器實(shí)驗(yàn)箱、MyDAQ便攜式測(cè)量和儀器儀表設(shè)備、萬(wàn)用表、應(yīng)變式傳感器等硬件設(shè)計(jì)及集合了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、輸出模塊及信號(hào)處理電路在內(nèi)的傳感器檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件模塊設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證靈敏度高、線性誤差小。有利于提升應(yīng)用本科學(xué)生動(dòng)手能力培養(yǎng)及課下雙創(chuàng)技能培養(yǎng)，同時(shí)也為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革增加了活力和拓展?jié)摿Α?/p>

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作者簡(jiǎn)介：李鵬（1982—），男，漢族，山東單縣人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，工學(xué)碩士，主要研究方向：先進(jìn)制造與檢測(cè)技術(shù)。