一種新型傳感器綜合實驗系統的開發研究

[摘要]根據目前傳感器課程教學實驗環節中存在著教學內容陳舊、缺乏設計綜合性及實驗手段與工程實踐脫節嚴重等問題，介紹了一種以Lab view為圖形編程語言的虛擬儀器設計系統，將其與CYS10998型傳感器實驗儀結合，構成基于計算機技術的新的傳感器實驗平臺。文中介紹了虛擬儀器的基本概念，并給出了它在傳感器實驗教學中的具體應用典例。

[關鍵詞]傳感器實驗 虛擬儀器 綜合實驗系統 數據采集

傳感器技術與應用課程是測控技術與儀器、自動化、機械電子等電類專業的專業基礎核心課程之一，其教學內容與實驗密切相關。隨著計算機技術、信息技術和網絡技術的發展，傳感器技術與應用也飛速發展。而傳統的傳感器教學尤其是實踐性環節教學迫切需要改革創新。傳統的傳感器實驗教學的問題主要反映在兩個方面。一是教學內容陳舊，驗證性實驗為主，缺乏設計性綜合性要求，與工程實踐脫節嚴重。二是教學方式單調枯燥，實驗手段和設備落伍。另外，由于學校的擴招，學生人數的增加，改為4—5人一組，這樣在實驗當中往往一個學生做，同組其他學生旁觀，教學效果很不理想。目前，新的智能化傳感器層出不窮，微處理器和網絡與傳感器的融合技術快速發展。這些不僅在課堂教學中較少出現，在實驗課程上更未涉及。

將虛擬儀器技術引入傳感器實驗教學，既提升了實驗設備的水平，又大大節約了學校更新實驗設備所需的投資，而且通過綜合性實驗，為提高學生全面運用所學知識的能力創造了良好的實驗條件。再者，從新實驗環節中可以看到，虛擬儀器實驗具有傳統儀器不具備的獨特優勢，如無需再給每個實驗組配備示波器，用軟件方法計算電機旋轉頻率和轉速等。

一、傳感器綜合實驗系統的基本組成

結合傳統的傳感器實驗平臺和多種傳感器實驗板，將傳感器技術、數據采集技術、計算機技術，虛擬儀器技術、LABVIEW軟件平臺開發技術等充分融合、集成，就形成了有自己特色的，面向高等院校實驗教學的，具有較高性能價格比的，基于虛擬儀器的傳感器綜合實驗系統。

CSY998型傳感器實驗儀是浙江大學杭州高聯傳感技術有限公司早期開發的教儀產品，被國內許多高校采用，在傳感器實驗教學中發揮了重要的作用。從提高實驗設備水平和教學水平同時優化節約設備資金考慮，我們把CSY998型傳感器實驗儀和虛擬儀器系統進行組合，采用Lab View軟件開發平臺，該軟件包充分結合GPIB、VXI、RS-232、Rs-485通信標準和協議，可以和具有標準化儀器設備接口的各種測試設備構成系統，也可以在主機上配以內置式數據采集卡，便系統能檢測傳感器的輸出信號。軟件包中還含有符合網絡連接的子程序庫，可以實現遙控遙測等。其結構框圖如圖1所示。將CSY998型傳感器實驗儀各模塊的信號引出，接入到自制的信號調理箱，通過8通道數據采集器把數據從并口傳輸到計算機中，在虛擬儀器系統平臺下進行傳感器實驗。

Lab View采用圖形化的編程語言(G語言)，他面向的是沒有編程經驗的用戶而不是編程專家。因此十分適合工程類的學生在基礎實驗課程中作為基本的軟件開發平臺。

在美國的許多大學中，Lab View已作為理工科學生的必修課程，要求三，四年級的學生能使用虛擬儀器系統進行數據采集和實驗測量。近年來，國內一些高校(如清華大學、上海交大、大連理工等)實驗室也裝備了虛擬儀器平臺，但其中進行實驗室資源組合，開出高于傳統實驗水平的實驗的很少。

二、虛擬儀器傳感器實驗系統的實施方案

計算機可選用通用的計算機平臺，考慮到抗干擾性能和可靠性，也可選用工控機產品，數據采集卡可選用市面上通用的產品，價格在幾百元～幾千元不等：虛擬儀器應用軟件開發平臺選用美國NI公司的Lab View802；考慮到建設虛擬儀器實驗室的工作量以及節省經費的因素，盡量選擇性能指標一般、具有實用功能的嵌入式虛擬儀器板卡，并且隨板卡應該提供32位的Lab View8.02驅動程序和針對通用軟件開發平臺的WindowsDLL驅動程序，以方便將來用通用軟件開發平臺如Visual C++、Delphi等進行編程。考慮到上述幾點，本實驗平臺中選擇基于ISA總線的研華PCL—818L高增益多功能數據采集卡。本虛擬儀器系統立足于現有的傳感器實驗平臺，可對其配套的各種傳感器信號進行采集、分析、處理，實現傳感器信號處理的全部流程，而且不同的傳感器可共用同一套硬件設備，減少了設備開銷，提高了實驗的效率，也使實驗更加有針對性。

三、結語

虛擬儀器系統作為一種基于計算機技術的新型測試系統，具有功能強，精度高、測量速度快、自動化程度高和良好的人機界面的等諸多優點，特別是它的高度靈活性，使得傳統的儀器和測試系統望塵莫及。開發和利用虛擬儀器系統，是高校進行實驗室建設，改革實驗教學的一個新的發展方向。從新實驗環節中可以看到，虛擬儀器系統在實驗教學中具有傳統儀器無可比擬的優勢，如無需再給每個實驗組配備示波器，用軟件方法計算電機旋轉頻率和轉速，用軟芯片LED(位數可設定)代替CSY998型傳感器實驗儀上的硬件，可以提高學生的實驗興趣和實驗效率，加強實驗效果，鞏固對該課程和理論知識的掌握，便他們在實驗中全面地接觸到各種新興技術，并將其與所學的電子專業知識融會貫通。傳感器課程的教學效果在很大程度上取決于實驗課的質量，傳感器綜合實驗系統的開發無疑給提升傳感器實驗課的質量提供了很好的基礎。為了便傳感器實驗教學達到較好的效果，便學生對測試系統的整體結構和工作流程有清楚的了解，盡早接觸目前最新和最先進的技術，提高他們在將來競爭中的競爭力，為將來的科研、教育和其它領域的工作打下良好的基礎，應及早將虛擬儀器技術引入傳感器課程的實驗教學，開發基于虛擬儀器的傳感器綜合實驗系統平臺。