基于LabVIEW的機械工程測試虛擬實驗平臺開發

殷 建 段宗銀

（銅陵學院，安徽 銅陵 244000）

基于LabVIEW的機械工程測試虛擬實驗平臺開發

殷 建 段宗銀

（銅陵學院，安徽 銅陵 244000）

結合當前高校的實驗室建設和實驗教學現狀，探討了虛擬儀器技術在高校實驗教學中的應用前景。通過基于PCDAQ的測量系統在LabVIEW軟件上開發機械工程測試實驗平臺,從而大大提高了實驗教學的靈活性和適應性。

虛擬儀器；實驗平臺；機械工程測試

1.引言

大學實驗教學在高等教育中起著及其重要的作用，它不僅是大學教學活動的重要實踐環節，而且是教育部本科教學評估的一項重要內容。因此，進一步加強實驗室建設，不斷改革實驗教學是十分必要的。傳統的實驗是基于實驗室的物理環境來進行的，由于受實驗場地、實驗條件、實驗經費、實驗時間等限制，難以保證效果。

目前國內高等院校機械類專業普遍開設機械工程測試技術課程。該課程主要講授機械工程領域常見的各種物理量和物理現象的測試與分析方法，是一門培養學生實踐技能的主要課程[1]。由于其豐富的實踐性，它的一個重要環節就是機械工程測試實驗。實驗教學的目的不僅是對理論教學的驗證，更重要的是訓練學生實際的工程測試能力。由于該課程內容寬廣，所需實驗儀器較多，隨著科學技術的飛速發展，測試儀器更新換代很快，很多院校尤其一般的普通本科院校，由于實驗經費有限，若采用傳統的儀器設備需要購買多套不同類型的設備，投資大而且不利于學生的動手實踐。為了改變這一現象，充分發揮網絡技術和虛擬儀器的優勢，開發一套基于虛擬儀器的通用實驗測試平臺，不但滿足工程測試教學實驗需要，而且可以培養學生的創新精神，提高學生的工程素質。清華大學利用虛擬儀器技術建立了汽車發動機虛擬檢測系統，取得了非常好的效果；南京大學建立了分析化學虛擬實驗室，可以通過虛擬儀器對實驗進行虛擬操作；浙江大學的“大學工程化學實驗系統VLABS”基于網絡虛擬現實技術，建立了一系列工科化學網絡仿真實驗。

2.虛擬儀器技術及在實驗教學中應用

虛擬儀器本質上是利用PC機強大的運算能力、圖形環境和在線幫助功能，建立具有良好人機交互性的虛擬實驗儀器。虛擬儀器構成包括硬件和軟件兩個基本要素。硬件主要是獲取真實的被測信號，而軟件作用是控制數據采集、分析處理、顯示等功能。虛擬儀器借助于計算機的軟硬件平臺，配以少量的輔助設備（或器件），構成功能適合用戶的儀器。

LabVIEW是美國國家儀器公司（NI）的創新軟件產品，其全稱為Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench(實驗室虛擬儀器工程平臺)，是一種基于G語言（Graphics Language,圖形化編程語言）的測試系統軟件開發平臺[2]。目前，LabVIEW已經成為測試領域應用最廣泛和最有前途的軟件開發平臺之一。在LabVIEW這個高效的虛擬儀器開發平臺上，學生利用圖形語言開發各種儀器，綜合應用所學的各學科知識，在普通計算機上構建一個個人實驗室，利用數據采集卡完成各種物理量的測量，完成機械工程測試實驗。學生通過鼠標或鍵盤操作虛擬儀器面板上的旋鈕開關和按鍵，設置各種工作參數，啟動或停止儀器。虛擬儀器擴展了常規儀器的功能，傳統測試儀器一般只能單獨測量某一個物理量，而虛擬儀器可以構造出不同功能的測量系統，可以完成對多個參量的自動測量分析、信息綜合及控制。這樣使得學生擺脫傳統儀器功能單一固定的束縛，可以充分發揮學生的積極性和創造性，有利于培養學生的創新思維和工程實踐能力。隨著網絡技術的迅速發展，拓展了虛擬儀器的應用范圍。利用局域網或INTERNET可實現遠程測量的功能，構成一個遠程虛擬儀器實驗室，不但昂貴的硬件資源可以共享，也是大量實際問題的解決成了可能[3]。

3.機械工程測試虛擬實驗平臺

針對機械工程測試系統的基本結構、測試功能特點以及數字化測試的一般實現技術等因素，采用面向對象技術，對機械工程虛擬測試系統進行充分的系統分析，選擇Lab－VIEW開發平臺進行軟件模塊和測試程序的研究[4]。

3.1信號處理實驗平臺

信號處理是工程測試的一個重要環節，只有通過這個環節才能獲得反映被測對象狀態和特征的明確信息，能夠充分體現虛擬儀器技術在機械工程測試中的巨大優勢。我們設計的數字信號處理實驗教學平臺（如圖1、2所示）充分考慮到工程實際需要，并能使學生在一到二個學時內搭建好一個虛擬儀器程序模塊，完成實驗的要求。

圖2 信號處理實驗界面

3.2網絡化的虛擬測試實驗平臺

所設計的虛擬網絡實驗室以LabVIEW8.6為開發工具，利用LabVIEW強大的圖形化編程語言和網絡技術，構建了一個完整的機械工程測試虛擬實驗室系統。該系統主要由3部分組成:現場控制端、中心服務器端、遠程客戶端。

機械工程測試實驗室計算機是實驗室局域網網的一部分，實驗室中任何一臺計算機發出的信息都可以被網絡中的其他機器接收到。所以當教師運行測試服務器程序，采集被測對象信號傳輸到計算機網絡以后，同學們只要在自己的計算機上運行客戶端程序，并準確填寫教師計算機的IP地址，就可以在自己的機器上采集數據完成測試實驗。

圖3 網絡虛擬實驗室結構框圖

4.結論

通過這些實驗教學訓練，學生可以更好的掌握了機械工程測試的有關內容和虛擬儀器編程技術。由于我們的實驗環境軟硬件完全是工業標準的產品，學生在實驗中開發的許多虛擬儀器完全可以直接應用到工程實踐中。我們的高等工程教育不在僅僅是讓學生掌握已有的科學技術，而是培養他們能夠在明天更好的創造和發揮，這是工程教育教學適應當前測試技術世界水平的必然，是高等工程教育趕超世界先進水平的要求。

［1］李婧.基于LabVIEW的測控技術虛擬網絡實驗室的研究與構建[D].南寧:廣西大學，2008.

［2］張瀟雪.虛擬儀器及其在電工電子實驗中的應用[M].長沙:中南工業大學出版社，2001.

［3］Sun，Qiuli.Internet-based distributed collaborative environment for engineering education and design[D].Ph.D.The University of Oklahoma，2001.

［4］王磊.精通.LabVIEW8.0[M].北京:電子工業出版社，2007.

The Virtual Eexperimental Platform of Mechanical Engineer Test developed based on LabVIEW

Yin Jian，Duan Zong－ying
（Tongling University,Tongling Anhui 244000，China）

Combined with the construct of laboratory in high education,the situation of Virtual Instrument technology applied in experimental teaching work in high education is discussed.Based on the PC-DAQ measurement system,the experimental platform of the mechanical engineer test teaching is designed in LabVIEW.The flexibility and the compatibility of experiment teaching is greatly enhanced.

virtual instrument;experimental platform;mechanical engineer test

TH703

A

1672-0547（2011）03-0101-02

2011－04-11

殷建（1974-），男，安徽銅陵人，銅陵學院機械工程系講師，碩士。

2008年銅陵學院教研項目《基于labview虛擬儀器技術的機械工程測試虛擬實驗平臺開發》研究成果。