基于Labview的數(shù)據(jù)采集與處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

查申龍，馬宏亮，張啟磊，潘 盼，占生寶

（安慶師范大學(xué)電子工程與智能制造學(xué)院，安徽安慶246133）

光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)課程，內(nèi)容涉及各類光電器件的工作原理及光電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，具有較強(qiáng)的理論性，學(xué)生難以從單純的課堂教學(xué)中很好地掌握課程內(nèi)容。為了加深學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的理解，掌握光電檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，除了理論教學(xué)外，一般還會(huì)安排實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。只有通過原理性實(shí)驗(yàn)的操作和綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，才能讓學(xué)生初步具備利用光電檢測(cè)技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。

Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種用于開發(fā)虛擬儀器的平臺(tái)，與其他編程語言不同的是，Labview采用的是圖形化編程語言——G語言，這種編程語言通過框圖的形式來實(shí)現(xiàn)程序的編寫，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、易學(xué)[1]。在運(yùn)行過程中能夠顯示數(shù)據(jù)的流向，更利于學(xué)習(xí)者掌握程序的工作流程[2-3]。基于Labview的虛擬儀器平臺(tái)將硬件與軟件相結(jié)合，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，學(xué)生可以充分發(fā)揮創(chuàng)造力，開發(fā)出不同功能的虛擬儀器[4-5]。與傳統(tǒng)儀器相比，其智能化程度更高，并且大大降低了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的投入[6-7]。

為了提高光電檢測(cè)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集和處理的效率，本文利用Labview虛擬儀器平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)采集和處理探測(cè)器輸出信號(hào)的程序，將信號(hào)強(qiáng)度直觀地顯示在波形圖表中。與傳統(tǒng)手動(dòng)記錄和人工處理數(shù)據(jù)相比，該方法能夠明顯提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率、避免數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤。整個(gè)過程中，數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)顯示的，因此有較強(qiáng)的體驗(yàn)感，根據(jù)需要還可以采用不同形式顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果更好。

1 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

以光纖位移傳感技術(shù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為例，設(shè)計(jì)基于Labview 平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集與處理程序，探討基于Labview平臺(tái)的虛擬儀器在光電檢測(cè)技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)。

光纖位移傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)的目的是了解光纖位移傳感器的工作原理和特性，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括光纖位移光學(xué)系統(tǒng)的搭建、光纖位移傳感器測(cè)距原理實(shí)驗(yàn)以及光強(qiáng)與位移之間函數(shù)關(guān)系的標(biāo)定。光纖位移傳感器的工作原理如圖1所示，光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)射光纖耦合后入射到反射面，被反射的光線進(jìn)入接收光纖，并耦合進(jìn)入光電探測(cè)器。發(fā)射光纖與接收光纖的半徑分別為rE和rR，中心距離為d，光纖的數(shù)值孔徑為N，光纖的發(fā)散角為

圖1 光纖位移傳感原理

由于θ=arcsin N，所以上式可以寫成：

本實(shí)驗(yàn)通過測(cè)微絲桿調(diào)節(jié)光纖傳感器與反射面之間的距離，利用萬用表測(cè)量探測(cè)器的輸出電壓，記錄不同位移下的電壓值，并填入表中。根據(jù)表中記錄的數(shù)據(jù)作光纖位移傳感器的位移特性曲線，計(jì)算其靈敏度和非線性誤差。

2 基于Labview平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集與處理方法

2.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

USB-6003數(shù)據(jù)采集卡有4個(gè)差分通道和8個(gè)單端通道，ADC分辨率為16位，提供了模擬I/O、數(shù)字I/O和一個(gè)32位計(jì)數(shù)器。USB-6003為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)記錄、便攜式測(cè)量和院校實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)等提供基本的數(shù)據(jù)采集功能。該設(shè)備具有輕便的機(jī)械外殼，采用總線供電，非常便于攜帶。數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)思路為，設(shè)定物理通道、采樣時(shí)鐘、開始任務(wù)、數(shù)據(jù)讀取、任務(wù)結(jié)束、任務(wù)清除、錯(cuò)誤輸出和數(shù)據(jù)保存。

利用DAQmx中的創(chuàng)建通道函數(shù)建立數(shù)據(jù)輸入的物理通道，選擇“瀏覽”可以顯示所有的通道名稱，利用Ctrl鍵可以選擇多個(gè)通道。在定時(shí)函數(shù)中設(shè)置采樣模式和采樣率，由開始任務(wù)函數(shù)和讀取函數(shù)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。為了能夠長(zhǎng)時(shí)間采集數(shù)據(jù)，程序中利用for循環(huán)設(shè)置采樣時(shí)間，采集程序讀取的數(shù)據(jù)通過波形圖表實(shí)時(shí)顯示。

2.2 數(shù)據(jù)處理

光纖位移傳感技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，主要包括光纖探頭模塊、光源及探測(cè)器電路模塊和數(shù)據(jù)采集與處理模塊。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中，數(shù)據(jù)純粹依靠手動(dòng)記錄萬用表的數(shù)值，而且將某一時(shí)刻的電壓作為該位移下的信號(hào)值，難免會(huì)增加實(shí)驗(yàn)誤差，增大位移和信號(hào)之間函數(shù)關(guān)系的不準(zhǔn)確性。為了降低實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，將數(shù)據(jù)讀取函數(shù)輸出的信號(hào)值存入數(shù)組，然后選取一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，利用平均值函數(shù)計(jì)算平均值，并將其作為探測(cè)器的輸出信號(hào)值。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

Labview提供了寫入電子表格文件函數(shù)，可以將一個(gè)一維數(shù)組或二維數(shù)組寫入文件。在文件路徑端口處指定文件路徑，若未指定文件路徑，則程序會(huì)彈出“文件”對(duì)話框，提示用戶設(shè)定文件名?！疤砑又廖募?？”端口用于控制輸入的數(shù)據(jù)追加到已有文件的后面還是覆蓋原有文件。本文設(shè)計(jì)的程序中，將與“添加至文件？”端口相接的布爾變量設(shè)置為TRUE，采集的數(shù)據(jù)追加到已有文件的后面。“轉(zhuǎn)置？”端口的布爾變量設(shè)置為TRUE，將輸入的數(shù)組做轉(zhuǎn)置運(yùn)算，然后將運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)為電子表格文件。數(shù)據(jù)采集與處理程序的運(yùn)行界面如圖3所示。

圖2 光纖位移傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理程序

3 結(jié)束語

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法已很難滿足社會(huì)對(duì)各種技能型人才培養(yǎng)的要求，現(xiàn)代化教學(xué)手段的應(yīng)用勢(shì)在必行。本文將基于Labview平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)引入光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。教學(xué)效果表明，該方法有助于促進(jìn)理論內(nèi)容的掌握，能夠有效提高學(xué)生利用光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)綜合性實(shí)驗(yàn)的能力。