基于LabVIEW的傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

韋民紅

1.淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 安徽淮北 235000

2.中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

傳感器課程具有極強(qiáng)的綜合性，介紹非電量電測技術(shù)與信息的變換和處理，屬于多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科。隨著現(xiàn)代測量、控制和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)越來越重要。通過對該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解傳感器的基本概念及靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，傳感器的變換原理、特性分析、測量電路及應(yīng)用，傳感器的標(biāo)定方法以及信息獲取方面的基本知識，初步掌握檢測技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、研制和應(yīng)用自動(dòng)檢測系統(tǒng)及裝置的基本能力。

實(shí)驗(yàn)課是該課程教學(xué)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是在學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課程和技術(shù)基礎(chǔ)后開出的又一專業(yè)課實(shí)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問題日益顯露，如要求學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書一步一步地操作，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，實(shí)驗(yàn)手段單一，實(shí)驗(yàn)設(shè)備落后，一般只能做一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容很少，學(xué)生對于做實(shí)驗(yàn)只是持一種應(yīng)付的心態(tài)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也是機(jī)械地抄襲[1]。這種情況下，不要說提高學(xué)生的創(chuàng)造力，就是知識的基本掌握也難以實(shí)現(xiàn)，3個(gè)小時(shí)的硬件實(shí)驗(yàn)效果很差，這不能真正提高學(xué)生的能力[2]。

把虛擬儀器引入實(shí)踐教學(xué)，學(xué)生能較快地掌握儀器的原理和使用方法。虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一種硬件與軟件相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，虛擬儀器技術(shù)的柔性結(jié)構(gòu)，不僅可使學(xué)生從儀器庫中調(diào)用現(xiàn)有的虛擬儀器，還可自己定義新的儀器。學(xué)生可在虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)上采用圖形化編程語言，“制造”出儀器功能、工作參數(shù)、用戶界面均由自己定義的全新儀器，給學(xué)生提供了一個(gè)充分發(fā)揮自己想象力、創(chuàng)造力的空間。完成實(shí)際測試過程的實(shí)驗(yàn)成本大大降低了，比搭建純硬件實(shí)驗(yàn)要快，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，且教學(xué)效果更好。

1 虛擬儀器及LabVIEW

1.1 虛擬儀器

虛擬儀器(Virtual Instruments)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)測試和分析、結(jié)果輸出顯示三大部分組成，其中數(shù)據(jù)測試和分析、結(jié)果輸出完全可由基于計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)完成，因此計(jì)算機(jī)和一定的數(shù)據(jù)采集硬件，再加上軟件，就可構(gòu)成基于計(jì)算機(jī)組成的測量測試儀器—虛擬儀器。這里所指的虛擬儀器和EDA仿真軟件中的虛擬儀器概念完全不同，它可以完全替代傳統(tǒng)臺(tái)式測量測試儀器。而且EDA仿真軟件中的虛擬儀器是純軟件的、仿真的。虛擬儀器可使用相同的硬件系統(tǒng)，通過不同的軟件獲得功能完全不同的各種測量測試儀器，即軟件系統(tǒng)是虛擬儀器的核心，軟件可以定義為各種儀器[3]。

虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。目前在這一領(lǐng)域使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語言是美國國家儀器(N1)有限公司的LabVIEW。

1.2 LabVIEW

LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一種圖形化的編程語言，被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室廣泛接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW集成并滿足了GPIB，VXI，RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP，ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件，利用它，可以方便地建立自己的虛擬儀器。其圖形化的界面使得編程及使用過程都生動(dòng)有趣[4]。

2 虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢

由于近年來高校實(shí)驗(yàn)規(guī)模和設(shè)備難以滿足教學(xué)需求，學(xué)生需要花費(fèi)很長時(shí)間才能充分掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用方法和特性，而虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建成本低、適應(yīng)性強(qiáng)，能夠緩解高校的實(shí)驗(yàn)壓力。對于學(xué)生來說，虛擬實(shí)驗(yàn)原理簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，易于觀察，以前出現(xiàn)的硬件電路搭建問題在實(shí)驗(yàn)過程中已不復(fù)存在，因此能更好地掌握傳感器知識。

虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)打造了一個(gè)沒有空間限制、隨時(shí)協(xié)作、共享資源的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生從傳統(tǒng)的被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向主動(dòng)學(xué)習(xí)。

3 LabVIEW在測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用實(shí)例

以“溫度測量”實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明。

“溫度測量”實(shí)驗(yàn)是測試技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程中一個(gè)重要的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，不僅能幫助學(xué)生正確理解傳感器與電路的基本知識，同時(shí)對電子測量相關(guān)知識的學(xué)習(xí)也有很大幫助。通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過硬件與軟件的結(jié)合，通過實(shí)際電阻型溫度傳感器感知外界溫度的變化，從計(jì)算機(jī)上讀出所測的外界溫度。

LabVIEW面板圖(如圖1所示)：

圖1 LabVIEW面板圖

LabVIEW流程圖(如圖2所示)：

圖2 LabVIEW流程圖

LabVIEW后板圖(如圖3所示)：

圖3 LabVIEW后板圖

實(shí)驗(yàn)步驟：(1)用DB37電纜將實(shí)驗(yàn)板的模擬口XS1與采集卡的模擬口XS1連接；(2)調(diào)節(jié)硬件測溫電路中的RX1電位器阻值，從而調(diào)節(jié)輸入信號幅度和電路的放大倍數(shù)，確定電路的電壓輸出幅度與溫度變化之間的比例關(guān)系；(3)利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)及數(shù)據(jù)采集卡U18提供的功能模塊，設(shè)計(jì)溫度監(jiān)測及顯示用虛擬儀器。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)溫度升高時(shí)，熱敏電阻RT1阻值變小，在分壓點(diǎn)產(chǎn)生一線性電壓，經(jīng)電壓跟隨器保持后，經(jīng)過放大器LM324進(jìn)行一級和二級放大，輸出一個(gè)正向、與溫度變化成正比的線性電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期理論結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過程簡單，教學(xué)效果良好。

4 結(jié)束語

(1)虛擬實(shí)驗(yàn)軟件主要實(shí)現(xiàn)了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的傳感器輔助課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能，實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上模擬實(shí)驗(yàn)，例如連接導(dǎo)線、調(diào)節(jié)旋鈕、變化輸入量、輸出測量等實(shí)驗(yàn)過程，并將結(jié)果以數(shù)字和波形形式表示出來，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以選擇原始保存或繪制成曲線。通過這樣的形式，實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行操作，有助于學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)過程，了解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，課堂教學(xué)生動(dòng)形象，減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，學(xué)生易于接受和掌握，并且有充足的時(shí)間開展綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

(2)通過虛擬儀器進(jìn)行傳感器課程實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程被簡化，使學(xué)生試驗(yàn)過程中有所側(cè)重。只要把重點(diǎn)放在傳感器原理和LabVIEW軟件的使用上，突出傳感器課程實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，不需要把精力放在硬件電路的搭建上，更加突出了現(xiàn)代傳感的意義。虛擬儀器是當(dāng)前儀器與測量發(fā)展的一個(gè)重要方向，它為各學(xué)科提供了一個(gè)通用的測量及儀器設(shè)計(jì)研究環(huán)境，也是學(xué)生多門理論課程融合、理論與實(shí)踐結(jié)合的一個(gè)很好環(huán)節(jié)，同時(shí)也是對傳統(tǒng)儀器有利且必要的補(bǔ)充。

(3)實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)以及競賽式、探索式的實(shí)驗(yàn)方法，鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力，激發(fā)了學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，學(xué)習(xí)效果、教學(xué)效果初步良好。

[1] 韋春玲,王步飛.傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討[J].思茅師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2009,25(2):78-81.

[2] 張向文.傳感器原理及應(yīng)用課程教學(xué)改革的探討[J].科技資訊,2007(27):150-151.

[3] 柴曉飛.基于并行交替式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的虛擬示波器研究[D].天津:天津工業(yè)大學(xué),2007.

[4] 張易知.虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.