基于LabVIEW的傳感器虛擬綜合實驗系統設計

徐曉玲, 余 佼, 張明輝, 李文凱, 劉且根

(南昌大學 信息工程學院, 江西 南昌 330031)

在計算機及互聯網等信息技術的發展中,傳感器技術在信息的獲取及轉換中起到重要的作用[1]。目前,國內高校傳感器類課程的實驗教學多采用CSY系列傳感器檢測技術實驗臺(主要生產廠家有浙大科儀、浙江高聯等公司),該實驗臺已沿用近20年,在傳感器實驗教學中發揮了重要作用。然而該實驗系列只是對被測信號進行模擬采集和簡單調理,通過觀察和手工記錄實驗數據,不能對采集到的數據進行靈活的分析處理和直觀顯示,難以滿足當今學生自主學習、自主實踐、自主拓展實驗功能的需求[2]。為此,筆者在充分利用現有CSY系列實驗臺重塑實驗內容的基礎上,設計了傳感器虛擬綜合實驗系統[3-4]。該系統將實驗教學體系與虛擬儀器技術結合,通過數據采集卡將傳感器采集的實驗數據送入計算機,根據每種傳感器的研究特性,在LabVIEW軟件中進行不同的數據處理、分析、顯示及存儲,輸出實驗分析結果和實驗報告[5],是實驗教學改革的成功案例。

1 硬件系統和軟件系統

基于LabVIEW的傳感器虛擬綜合實驗系統主要用于大專院校、職業技術院校開設的傳感器實驗課程。系統采用工業級的傳感器結構和線路,精度較高,能滿足不同專業的實驗需求。在實驗教學中,可以補充新的傳感器實驗模塊,以擴展實驗項目和實驗內容。該實驗系統由主機箱、傳感器、實驗電路(實驗模板)、轉動源、振動源、溫度源等組成[6]。

1.1 數據采集卡

將模擬信號轉換成數字信號送入計算機,就可以利用LabVIEW軟件進行數據處理和分析[7]。本實驗系統根據現有實驗室條件,采用美國國家儀器公司(NI)的教學實驗室虛擬儀器套件(NI ELVIS)中的數據采集卡實現這一功能。

NI ELVIS是以教學為目的的教學工具,主要由實驗平臺、軟件驅動和數據采集卡[8]等3部分組成,其中信號發生器、示波器等12種常用儀器通過USB接口與計算機連接。用戶可在NI ELVIS的面包板上進行原型電路搭建和調試,并與Mutisum軟件仿真結果進行對比顯示,方便用戶設計和調試傳感器電路。

1.2 LabVIEW軟件

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

2 綜合實驗系統的構成及功能實現

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以LabVIEW為基礎,可測量壓力、位移、轉速、溫度、濕度等參數,并可以進行功能擴展,以加入更多的測量項目。圖1為傳感器虛擬綜合實驗系統的結構。

圖1 傳感器虛擬綜合實驗系統結構圖

在該實驗系統的主界面,用戶可以選擇測量參數進行實驗,實驗流程如圖2所示。

3 系統設計

系統設計包括軟件部分和硬件部分。軟件設計以測量參數為分類依據,在各測量參數子VI中展示實驗的目的、原理和實驗步驟,以及數據處理、特性參數分析、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模板的電子線路,也可根據實驗需要,在NI ELVIS上搭建傳感器調理電路,并根據傳統的實驗步驟采集信號。系統使用NI ELVIS的數據采集卡進行模數轉換,通過USB接口將數據送入計算機。實驗數據經由上述LabVIEW軟件系統進行后續處理、分析和顯示等。

3.1 軟件設計

系統的主程序采用LabVIEW狀態機模式進行設計,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

各參數測量實驗采用子VI進行設計。在測量參數子VI中,使用字符串顯示控件，在前面板展示實驗目的、實驗原理等；路徑子VI中可獲得接線圖的路徑,根據布爾控件選擇是否展示接線圖；現場采集模式中的采樣率、通道選擇等參數需通過前面板進行設置；采樣方式有現場采集和手動輸入兩種,其中手動輸入模式中可通過導入電子表格文件獲得采樣數據。

在程序框圖中,通過調用“數據處理”子VI,將采集到的數據進行線性擬合和計算,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置標簽[12-13]。

3.2 壓力測量實驗過程和實驗結果

(1) 使用CSY系列傳感器及實驗模板,按接線圖連接好線路,應變片單臂電橋實驗接線如圖4所示。

圖4 應變片單臂電橋實驗接線

(2) 打開NI ELVIS電源開關,運行NI MAX等相關驅動軟件進行設備自檢。

(3) 運行虛擬綜合實驗系統軟件,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目的、實驗原理和實驗接線圖等相關信息。有現場采集和手動輸入兩種數據采樣方式可供選擇,這里選擇現場采集。輸入實驗者姓名和學號等信息,輸入壓力初值及增量值,即可開始進行測量實驗。在托盤上依次放入砝碼,最終得到圖5所示實驗數據和擬合直線,并計算出測量靈敏度和非線性誤差。在實驗總結里填入文字內容和點擊“生成報告”,即可產生一份Word文檔的實驗報告。

圖5 應變片單臂電橋實驗測試結果

(4) 圖6、圖7為差動半橋和差動全橋電路的測試結果。比較圖5、圖6、圖7,可見金屬應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 應變片差動半橋實驗測試結果

圖7 應變片差動全橋實驗測試結果

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

4 結語

基于LabVIEW的傳感器虛擬綜合實驗系統設計,是在2016年江西省高等學校教學改革研究課題“電子信息類傳感器課程虛擬實驗教學改革與實踐”研究成果的基礎完成的。該實驗系統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。該系統在南昌大學信息工程學院電子系2014、2015級部分學生中進行了試用。試用結果表明：該綜合實驗系統有助于學生完成原理設計、原型電路搭建、數據處理和結果顯示的傳感器實驗全過程,有助于激發學生的學習興趣,發揮學生的創造力和想象力,培養學生對于傳感器技術和智能測量系統的研究與設計能力。