基于LabVIEW的傳感器虛擬綜合實驗系統(tǒng)設(shè)計

徐曉玲, 余 佼, 張明輝, 李文凱, 劉且根

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院, 江西 南昌 330031)

在計算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展中,傳感器技術(shù)在信息的獲取及轉(zhuǎn)換中起到重要的作用[1]。目前,國內(nèi)高校傳感器類課程的實驗教學(xué)多采用CSY系列傳感器檢測技術(shù)實驗臺(主要生產(chǎn)廠家有浙大科儀、浙江高聯(lián)等公司),該實驗臺已沿用近20年,在傳感器實驗教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。然而該實驗系列只是對被測信號進(jìn)行模擬采集和簡單調(diào)理,通過觀察和手工記錄實驗數(shù)據(jù),不能對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活的分析處理和直觀顯示,難以滿足當(dāng)今學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主實踐、自主拓展實驗功能的需求[2]。為此,筆者在充分利用現(xiàn)有CSY系列實驗臺重塑實驗內(nèi)容的基礎(chǔ)上,設(shè)計了傳感器虛擬綜合實驗系統(tǒng)[3-4]。該系統(tǒng)將實驗教學(xué)體系與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合,通過數(shù)據(jù)采集卡將傳感器采集的實驗數(shù)據(jù)送入計算機(jī),根據(jù)每種傳感器的研究特性,在LabVIEW軟件中進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)處理、分析、顯示及存儲,輸出實驗分析結(jié)果和實驗報告[5],是實驗教學(xué)改革的成功案例。

1 硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)

基于LabVIEW的傳感器虛擬綜合實驗系統(tǒng)主要用于大專院校、職業(yè)技術(shù)院校開設(shè)的傳感器實驗課程。系統(tǒng)采用工業(yè)級的傳感器結(jié)構(gòu)和線路,精度較高,能滿足不同專業(yè)的實驗需求。在實驗教學(xué)中,可以補(bǔ)充新的傳感器實驗?zāi)K,以擴(kuò)展實驗項目和實驗內(nèi)容。該實驗系統(tǒng)由主機(jī)箱、傳感器、實驗電路(實驗?zāi)０?、轉(zhuǎn)動源、振動源、溫度源等組成[6]。

1.1 數(shù)據(jù)采集卡

將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計算機(jī),就可以利用LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析[7]。本實驗系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有實驗室條件,采用美國國家儀器公司(NI)的教學(xué)實驗室虛擬儀器套件(NI ELVIS)中的數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)這一功能。

NI ELVIS是以教學(xué)為目的的教學(xué)工具,主要由實驗平臺、軟件驅(qū)動和數(shù)據(jù)采集卡[8]等3部分組成,其中信號發(fā)生器、示波器等12種常用儀器通過USB接口與計算機(jī)連接。用戶可在NI ELVIS的面包板上進(jìn)行原型電路搭建和調(diào)試,并與Mutisum軟件仿真結(jié)果進(jìn)行對比顯示,方便用戶設(shè)計和調(diào)試傳感器電路。

1.2 LabVIEW軟件

LabVIEW是NI公司開發(fā)的典型的圖形化編程語言。LabVIEW可視化的前面板為人機(jī)交互界面,類似于傳統(tǒng)儀器的操作界面,具有與實際儀器類似的旋鈕、開關(guān)等；程序框圖中含有大量函數(shù)選板,通過連線進(jìn)行不同控件之間的連接,實現(xiàn)不同的功能[9-10]。LabVIEW軟件彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的實際儀器不能實時存儲、分析、處理和回放數(shù)據(jù)的不足,由硬件電路獲取實際的信息,通過LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、處理和分析等,軟硬件充分結(jié)合,最大限度地發(fā)揮了軟件和硬件各自的優(yōu)勢[11]。

2 綜合實驗系統(tǒng)的構(gòu)成及功能實現(xiàn)

按照傳感器教程所要求的實驗項目,傳感器虛擬綜合實驗系統(tǒng)以LabVIEW為基礎(chǔ),可測量壓力、位移、轉(zhuǎn)速、溫度、濕度等參數(shù),并可以進(jìn)行功能擴(kuò)展,以加入更多的測量項目。圖1為傳感器虛擬綜合實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

圖1 傳感器虛擬綜合實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在該實驗系統(tǒng)的主界面,用戶可以選擇測量參數(shù)進(jìn)行實驗,實驗流程如圖2所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計包括軟件部分和硬件部分。軟件設(shè)計以測量參數(shù)為分類依據(jù),在各測量參數(shù)子VI中展示實驗的目的、原理和實驗步驟,以及數(shù)據(jù)處理、特性參數(shù)分析、生成報告等。硬件部分使用實驗室的CSY系列傳感器檢測實驗臺,既可直接利用各傳感器實驗?zāi)０宓碾娮泳€路,也可根據(jù)實驗需要,在NI ELVIS上搭建傳感器調(diào)理電路,并根據(jù)傳統(tǒng)的實驗步驟采集信號。系統(tǒng)使用NI ELVIS的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,通過USB接口將數(shù)據(jù)送入計算機(jī)。實驗數(shù)據(jù)經(jīng)由上述LabVIEW軟件系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理、分析和顯示等。

3.1 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的主程序采用LabVIEW狀態(tài)機(jī)模式進(jìn)行設(shè)計,程序框圖如圖3所示。

圖2 虛擬實驗流程圖

圖3 主程序的程序框圖

各參數(shù)測量實驗采用子VI進(jìn)行設(shè)計。在測量參數(shù)子VI中,使用字符串顯示控件，在前面板展示實驗?zāi)康?、實驗原理等；路徑子VI中可獲得接線圖的路徑,根據(jù)布爾控件選擇是否展示接線圖；現(xiàn)場采集模式中的采樣率、通道選擇等參數(shù)需通過前面板進(jìn)行設(shè)置；采樣方式有現(xiàn)場采集和手動輸入兩種,其中手動輸入模式中可通過導(dǎo)入電子表格文件獲得采樣數(shù)據(jù)。

在程序框圖中,通過調(diào)用“數(shù)據(jù)處理”子VI,將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合和計算,并在前面板顯示傳感器的靈敏度和線性度。使用ActiveX控件調(diào)用Word軟件自動生成實驗報告模板,在需要輸入實驗信息的地方設(shè)置標(biāo)簽[12-13]。

3.2 壓力測量實驗過程和實驗結(jié)果

(1) 使用CSY系列傳感器及實驗?zāi)０?按接線圖連接好線路,應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒灲泳€如圖4所示。

圖4 應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒灲泳€

(2) 打開NI ELVIS電源開關(guān),運(yùn)行NI MAX等相關(guān)驅(qū)動軟件進(jìn)行設(shè)備自檢。

(3) 運(yùn)行虛擬綜合實驗系統(tǒng)軟件,在實驗選擇界面選擇壓力測量,在壓力測量前面板可以查看實驗?zāi)康?、實驗原理和實驗接線圖等相關(guān)信息。有現(xiàn)場采集和手動輸入兩種數(shù)據(jù)采樣方式可供選擇,這里選擇現(xiàn)場采集。輸入實驗者姓名和學(xué)號等信息,輸入壓力初值及增量值,即可開始進(jìn)行測量實驗。在托盤上依次放入砝碼,最終得到圖5所示實驗數(shù)據(jù)和擬合直線,并計算出測量靈敏度和非線性誤差。在實驗總結(jié)里填入文字內(nèi)容和點擊“生成報告”,即可產(chǎn)生一份Word文檔的實驗報告。

圖5 應(yīng)變片單臂電橋?qū)嶒灉y試結(jié)果

(4) 圖6、圖7為差動半橋和差動全橋電路的測試結(jié)果。比較圖5、圖6、圖7,可見金屬應(yīng)變片差動半橋的靈敏度是單臂電橋靈敏度的2倍,差動全橋的靈敏度是單臂電橋靈敏度的4倍,與理論值相符[14-15]。

圖6 應(yīng)變片差動半橋?qū)嶒灉y試結(jié)果

圖7 應(yīng)變片差動全橋?qū)嶒灉y試結(jié)果

(5) 點擊“返回”按鍵,即可返回到主程序界面。可以選擇位移和轉(zhuǎn)速等其他參數(shù)進(jìn)行測量實驗,或者退出實驗系統(tǒng)。

4 結(jié)語

基于LabVIEW的傳感器虛擬綜合實驗系統(tǒng)設(shè)計,是在2016年江西省高等學(xué)校教學(xué)改革研究課題“電子信息類傳感器課程虛擬實驗教學(xué)改革與實踐”研究成果的基礎(chǔ)完成的。該實驗系統(tǒng)充分利用虛擬儀器的靈活性與開放性,以及NI ELVIS模塊化實驗平臺的多功能性、高度可操作性,大大地提高了實驗效率。該系統(tǒng)在南昌大學(xué)信息工程學(xué)院電子系2014、2015級部分學(xué)生中進(jìn)行了試用。試用結(jié)果表明：該綜合實驗系統(tǒng)有助于學(xué)生完成原理設(shè)計、原型電路搭建、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示的傳感器實驗全過程,有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力,培養(yǎng)學(xué)生對于傳感器技術(shù)和智能測量系統(tǒng)的研究與設(shè)計能力。