基于LabVIEW的虛擬測試實驗教學系統

鄭紅梅，梅加化，韓方強

(合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009)

基于LabVIEW的虛擬測試實驗教學系統

鄭紅梅，梅加化，韓方強

(合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥 230009)

測試系統以LabVIEW作為開發平臺，研究內容包括:信號的產生、信號的分析處理以及案例分析。概述了系統的結構框架和主程序設計，以及PCI－9111HR數據采集卡的安裝和虛擬信號發生器。敘述了信號分析處理部分的功能;最后通過了兩個虛擬儀器實例證明，降低了實驗成本，提高了利用率。

測試技術;LabVIEW;數據采集卡;虛擬儀器

虛擬儀器技術是由美國國家儀器公司(National Instruments，NI)在1986年提出的一種構成儀器系統的新概念;是用通用計算機硬件加上軟件來仿真傳統測量儀器的設備，是以測量、分析、顯示為主，控制為輔的先進科學儀器［1］。同時，美國國家儀器公司還推出了用于虛擬儀器開發的工程軟件包LabVIEW，一種基于圖形化編程語言(Graphics Language，G語言)的測試系統軟件開發平臺。虛擬儀器應用到實驗教學中，一方面可以使教學更加生動形象，學生更容易理解課本中枯燥、抽象的公式。另一方面可以用于代替傳統的實驗儀器，建立虛擬實驗室，降低測試實驗成本，便于軟硬件資源的共享，以提高儀器使用效率［1］。

1 虛擬測試實驗教學系統組成

實驗教學環節對學好課程至關重要。學生通過驗證性實驗和綜合性實驗，理解和掌握學科理論知識，獲得綜合測試技能和實驗能力，并初步具有處理實際測試工作的能力。文中針對高校實驗教學，以LabVIEW為平臺開發出了一款虛擬系統結構如圖1所示。

圖1 測試系統結構框圖

虛擬儀器主界面前面板如圖2所示，主要實現功能包括:信號的產生、信號的處理和分析以及案例分析。主界面框圖程序主要是以生產消費循環結構為基礎，如圖3所示，首先根據前面板所示的需求，在生產循環部分依次添加數據采集、信號的處理、信號的分析程序;然后再添加動態載入VI(Virtual Instrument)的程序，插入所需要動態載入的子VI;最后在消費者循環部分建立信號的記錄、存儲和回放程序，并仔細修改完善，使程序運行成功。

2 信號的產生

系統包括兩種獲取信號的方法:數據采集和虛擬信號發生器。

2.1 數據采集

數據采集是虛擬儀器獲取真實世界信息的核心，數據采集卡是連接它們的橋梁。本系統是基于凌華PCI－9111HR多功能數據采集卡設計而出，能夠采集信號的同時，還可以對采集到的數據進行保存和回放。凌華PCI－9111HR采集卡的基本功能參數［2］如表1所示。

表1 凌華PCI－9111HR采集卡基本功能參數表

2.2 虛擬信號發生器

虛擬信號發生器在仿真實驗中的應用廣泛，是多種自主性實驗所需的信號源。文中設計的虛擬信號發生器如圖4所示，將兩個基本函數發生器、噪聲波形、公式波形合并后進入選擇信號功能中，通過選擇器輸入開關來控制各信號的通斷。包括以下功能:

(1)通用多功能信號源。主要包括多種常用信號波形，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等，并且信號的幅值、頻率、相位、偏移量等參數可以由用戶自定義和控制。

(2)疊加信號源。由兩個通用多功能信號疊加而成。

(3)噪聲信號源。主要包括高斯白噪聲、均勻白噪聲、泊松噪聲和周期性隨機噪聲等。

(4)用戶自定義公式信號發生器。用戶按照給定的計算公式產生特殊規律的周期信號。

圖4 虛擬信號發生器

3 信號處理和分析

3.1 信號處理

測試工作的目的是獲取反映被測對象的狀態和特征信息。但有用信號總是與各種噪聲混雜在一起，且不明顯，難以直接識別和利用。只有分離信號與噪聲，經過必要的處理之后，才能較為準確地提取信號中的有用信息。

信號處理可基于硬件，也可基于軟件。主要包括:信號放大、加窗處理、濾波、消除零點誤差及零漂、調制與解調等。測試系統在信號處理模塊，設計了信號的數字濾波處理，其前面板如圖2所示。在一個條件結構中，加入無、低通、高通、帶通、平滑5個分支條件，然后從“Express”“信號分析”模塊里選取濾波器函數放在后4個分支條件中，雙擊濾波器函數彈出屬性窗口，從類型中選取與分支條件一致的濾波器，再添加截止頻率輸入控件，如圖5所示。

圖5 數字濾波器框圖程序

3.2 信號分析

測試數據分析是測試工程學的核心部分，現代測試工程要求利用科學的分析方法，從測試數據中得到更深層次的信息，以便為最終做出正確可信的判斷提供數據依據。測試系統在信號分析模塊，重點設計了信號的幾何分析、頻域分析、相關分析，前面板如圖2所示。

信號分析的框圖程序是在條件結構中添加幾何分析、頻域分析、相關分析3個分支條件，然后在每個條件窗口下添加相應的分析函數程序，如圖6所示。

圖6 信號分析框圖程序

4 案例分析

4.1 案例分析模塊介紹

為使整個測試系統不至于出現編程繁冗、可讀性差等情況，本測試系統特別將信號的產生、處理和分析部分內容安排到案例分析模塊。有助于加深理解測試技術，對于高校學生進行虛擬儀器的創新設計，具有示范作用。

測試系統的案例分析模塊介紹了窗函數比較、信號調幅、提取正弦波形、拼接信號4個案例，如圖7(b)所示。

4.2 提取正弦波信號

該實例能夠在一個混合信號中，提取出正弦波信號，如圖7所示。首先通過高通過濾均勻噪聲序列生成高頻噪聲，將正弦波和帶限噪聲相加，如圖7(a)前面板的濾波前波形;然后通過低通過濾噪聲信號提取正弦波形，如圖7(a)前面板的濾波后波形。設計編程如圖7(b)程序框圖所示。

圖7 提取正弦波信號

4.3 拼接信號

圖像的拼接技術已經成為圖像處理、計算機圖形學等諸多學科中的研究熱點。文中研究的拼接信號是通過接入不同的“輸入信號”，然后采取3種不同的方式將信號首尾相連，其框圖程序如圖8(b)所示。主要功能包括:

(1)輸入信號B未連接，即只連接輸入信號A，則Express VI將信號A中的各個信號拼接起來，首尾相連組成一個信號，如圖8(a)所示。

(2)輸入信號B連入一個信號，則這個信號將被拼接到輸入信號A中每個信號的尾部。

(3)輸入信號A和輸入信號B都包含多個信號，則將信號B中第一個信號拼接到信號A中第一個信號的尾部，信號B中的第2個信號拼接到信號A中第2個信號的尾部。

圖8 拼接信號

5 結束語

設計的虛擬實驗教學測試系統，可以采集外部信號進行數據處理和分析，也可通過軟件本身產生虛擬信號來分析處理，系統中還給出了4個典型的范例來進行演示和說明，值得在實驗教學中應用和推廣。利用已有的計算機資源，結合虛擬儀器軟件LabVIEW，建立起虛擬實驗室，不僅降低實驗設備的成本，提高了利用率，而且能夠啟迪學生們的創新思維，設計出獨創新穎的虛擬儀器程序，提高了實驗教學效果。

［1］李江全.虛擬儀器設計測控應用典型實例［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［2］北京華創至誠科技有限公司.凌華PCI－9111HR采集卡的基本功能參數［M］.北京:北京華創至誠科技有限公司，2012.

［3］戴鵬飛，王勝開，王格芳，等.測試工程與LabVIEW應用［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［4］熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術基礎［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［5］龍脈工作室，豈興明，周建興，等.LabVIEW8.2中文版入門與典型實例［M］.2版.北京:人民郵電出版社，2010.

［6］楊樂平.LabVIEW高級程序設計［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［7］謝啟，劉妍，陸建明，等.多功能數字濾波器的設計與應用［J］.實驗科學與技術，2008，6(2):18 －20.

［8］王瑩，李華晉，劉鳴.基于LabVIEW的測控電路實驗教學仿真［J］.實驗室科學，2010，13(3):116 －118.

［9］陳燕，劉哲，鄭賓.基于LabVIEW的測試信號預處理方法研究［J］.實驗科學與技術，2008，27(10):4 －5.

［10］陳晴，陳林，張志.基于虛擬儀器的開放式虛擬實驗室系統的研究和實現［J］.電子測量技術，2007，30(4):109－112.

［11］周文委，王涌，金燕.虛擬儀器技術及其教學應用［J］.浙江工業大學學報，2008，35(1):69 －72.

Virtual Test Experimental Teaching System Based on LabVIEW

ZHENG Hongmei，MEI Jiahua，HAN Fangqiang
(School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

This testing system is based on LabVIEW.This study covers signal generation，signal analysis and processing，and case studies.First，the structural frame of this system and the design procedure of main programs are simply summarized;then the installation steps of the PCI-9111HR DAQ card and virtual signal generator are explained in detail，and the functions of signal analysis and processing are described.Finally，two examples about the virtual instrument is given，and the design process and the results are analyzed.It is shown that this system can lower the experimental cost and improve utilization ratio.

test techniques;LabVIEW;DAQ card;virtual instrument

TP391.98

A

1007－7820(2012)08－107－04

2012-03-06

合肥工業大學大學生創新性實驗計劃基金資助項目(cxsy10007)

鄭紅梅(1966—)，女，教授，博士。研究方向:機械動態性能，振動控制，動態測試分析，等。梅加化(1987—)，男，碩士研究生。研究方向:數字化設計及現代設計理論。韓方強(1988—)，男，本科。研究方向:機械制造及其自動化。