虛擬傳感器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

王雷濤 朱靜 鳳翔麗 李兵

摘要：為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)實(shí)際測(cè)量場(chǎng)景的替代，該文以航空器剪應(yīng)力傳感器為例，對(duì)虛擬傳感器開(kāi)發(fā)與應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明。實(shí)踐證明，引用基于LabVIEW的虛擬傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)輸出卡，為《數(shù)據(jù)采集與處理》實(shí)驗(yàn)課提供真實(shí)的傳感器數(shù)據(jù)源，解決目前實(shí)驗(yàn)課無(wú)法提供多樣傳感器數(shù)據(jù)源問(wèn)題。此外，建設(shè)基于LabVIEW的虛擬傳感器實(shí)驗(yàn)室節(jié)約建設(shè)成本，為更改傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室提供了新思路，同時(shí)，也為測(cè)量?jī)x器的標(biāo)定與校驗(yàn)提供了新方法。

關(guān)鍵詞：虛擬傳感器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）04-0261-02

Abstract： In order to realize the substitution of experimental teaching for the actual measurement scene， this paper takes the aircraft shear stress sensor as an example to illustrate the development and application of virtual sensor. It has been proved in practice that the virtual sensor based on LabVIEW is used to proved the experimental class of “date acquisition and processing” through the date output card， so as to solve the problem that various sensor date source cannot be provided in the experimental class at present. In addition， the construction of virtual sensor laboratory based on LabVIEW saves construction cost， provides a new idea for changing the traditional laboratory， and also provides a new method for calibration and calibration of measuring instruments.

Key words： virtual sensor； LabVIEW； data acquisition； experiment teaching

《中國(guó)制造2025》已經(jīng)全面部署及實(shí)施，企業(yè)也逐漸從勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)向技術(shù)密集型，這對(duì)高等院校辦學(xué)理念提出了新要求[1]，企業(yè)需要高素質(zhì)，高技能，深度介入行業(yè)背景的精英人才，學(xué)生也迫切需要與企業(yè)需求更加切合的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域教育，以此提高他們的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，因此，建設(shè)具有特性鮮明，行業(yè)背景清晰的高等院校刻不容緩。

集中授課作為學(xué)校培養(yǎng)模式的重要手段，課改任務(wù)必須與行業(yè)對(duì)接，在課程中引用現(xiàn)有技術(shù)載體是實(shí)現(xiàn)對(duì)接的重要手段。

1 傳感器在《數(shù)據(jù)采集與處理》課程中的定位

數(shù)據(jù)采集作為獲取信息的工具，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，如核電、石化、冶金、航空航天、機(jī)械制造等方面有著非常重要的地位，數(shù)據(jù)采集（Data acquisition）是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，是以傳感器、信號(hào)的測(cè)量與處理、微型計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)而形成的一門(mén)綜合應(yīng)用技術(shù)，其實(shí)用型很強(qiáng)[2]。

傳感器作為數(shù)據(jù)采集的主要對(duì)象，其特性與數(shù)據(jù)形輸出形式是數(shù)據(jù)采集課程分析與處理的關(guān)鍵因素，尤其是在實(shí)訓(xùn)課程中，數(shù)據(jù)采集沒(méi)有傳感器的數(shù)據(jù)作為支撐，對(duì)其后續(xù)的處理方法與結(jié)果分析都無(wú)法實(shí)質(zhì)性驗(yàn)證，更無(wú)法探究?jī)?yōu)劣方案，嚴(yán)重影響學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。因此，能夠提供多樣的傳感器類(lèi)型與可變的物理數(shù)據(jù)是充實(shí)《數(shù)據(jù)采集與處理》課程關(guān)鍵。

2 航空傳感器實(shí)驗(yàn)室困境

航空傳感器具有種類(lèi)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等特點(diǎn)，比如民用飛機(jī)主要的傳感器有：空速管、靜壓孔、溫度、失速傳感器、陀螺儀、迎角傳感器、接地傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器等大約有2000～4000個(gè)傳感器，并且需要能在-60℃～+50℃正常工作。從實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的角度，如此之多的傳感器沒(méi)有提供實(shí)物的可能，與此同時(shí)，絕大多數(shù)傳感器，比如空速管、失速傳感器、氣壓傳感器等，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，若要提供飛機(jī)上的測(cè)量變量，困難重重；此外，傳感器智能化發(fā)展是傳感器的重要發(fā)展方向，目前，在航空領(lǐng)域，已開(kāi)發(fā)出基于CAN總線(xiàn)的傳感器[4]，技術(shù)更新、發(fā)展迅速也是其實(shí)驗(yàn)室服務(wù)周期更短；再有，航空傳感器因軍標(biāo)審核嚴(yán)，質(zhì)量把控環(huán)節(jié)多，加工工藝復(fù)雜，批量小等諸多因素，采購(gòu)價(jià)格遠(yuǎn)高于民品級(jí)，再因保密周期長(zhǎng)，建設(shè)多樣的航空傳感器實(shí)驗(yàn)室異常困難。

3 虛擬傳感器組建

虛擬傳感器是基于虛擬儀器技術(shù)的傳感器，虛擬儀器由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）主導(dǎo)開(kāi)發(fā)，其LabVIEW軟件為主要開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境，采用可視化圖形的圖形編程語(yǔ)言，在計(jì)算機(jī)上建立圖形化面板代替常規(guī)傳統(tǒng)儀器面板[3]，為現(xiàn)有的測(cè)量、數(shù)據(jù)采集與輸出提供了新思路。

虛擬傳感器組建的主要思路是，首先獲取傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，其方法是將物理傳感器搭載真實(shí)測(cè)試環(huán)境，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，使用數(shù)據(jù)采集卡將傳感器數(shù)據(jù)存貯至PC，如圖1；虛擬傳感器使用LabVIEW軟件調(diào)取所保存的數(shù)據(jù)，通過(guò)加載噪聲源等信號(hào)處理，模擬真實(shí)干擾信號(hào)，再通過(guò)數(shù)據(jù)輸出卡進(jìn)行傳感器信號(hào)輸出，輸出信號(hào)再經(jīng)過(guò)信號(hào)變換處理，模擬真實(shí)傳感器輸出量，其組建流程如圖2。

4 虛擬傳感器案例

本案例采用航空器上的剪應(yīng)力傳感器作為虛擬傳感器開(kāi)發(fā)對(duì)象，選用的是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）的基于USB總線(xiàn)的數(shù)據(jù)采集卡USB-6210。該采集卡分辨率為16位，最大采集頻率250kS/s，模擬輸入通多16路，可滿(mǎn)足一般模擬傳感器的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。為保障數(shù)據(jù)有效性，本案例采用差分多通道輸入，并同步采集五路傳感器數(shù)據(jù)作為航行器不同位置剪應(yīng)力數(shù)據(jù)，在輸出時(shí)，可選用不同傳感器作為多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。DAQAssistance為數(shù)據(jù)采集的快速VI，在LabVIEW軟件中調(diào)用此VI，可快速對(duì)USB-6210進(jìn)行采集參數(shù)編輯，免去了低級(jí)程序的編寫(xiě)。極大地縮減了采集程序的開(kāi)發(fā)時(shí)間，調(diào)用格式化寫(xiě)入文件VI可將采集數(shù)據(jù)存入Excel表格，作為后續(xù)輸出數(shù)據(jù)源，其LabVIEW人機(jī)交互界面如圖3，五通道剪應(yīng)力數(shù)據(jù)采集至Excel程序如圖4。

虛擬傳感器硬件選用泛華測(cè)控的PS PXI-3381數(shù)據(jù)卡作為模擬信號(hào)輸出卡，3381模擬輸出卡具有32路同步模擬輸出能力，16bit的分辨率，每個(gè)通道可獨(dú)立配置電壓輸出或電流輸出，其通道多、配置資源較豐富，可滿(mǎn)足應(yīng)用需求，此外，3381基于PXI總線(xiàn)傳輸協(xié)議，使用時(shí)，需另配備PXI機(jī)箱，PXI規(guī)范于1998年發(fā)布，繼承PCI的電氣信號(hào)，擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸能力，同時(shí)，也具備更加牢靠的機(jī)械外殼與高性能的連接器特性，方便實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)展與使用，本案例選用泛華測(cè)控PS PXI-9108機(jī)箱，泛華測(cè)控?fù)碛歇?dú)立的驅(qū)動(dòng)及VI，對(duì)其硬件進(jìn)行任務(wù)配置，開(kāi)發(fā)前需安裝泛華PS-DAQ驅(qū)動(dòng)。剪應(yīng)力虛擬傳感器軟件流程如圖5，在啟動(dòng)軟件后需配置硬件、設(shè)置輸出參數(shù)、加載傳感器數(shù)據(jù)源、加載噪聲特性、讀取數(shù)據(jù)并輸出，其人機(jī)交互界面如圖6。本案例采用PS-DAQ-創(chuàng)建模擬電壓通道VI配置數(shù)據(jù)輸出通道、PS-DAQ-采樣時(shí)鐘VI對(duì)3381輸出卡輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，PS-DAQ-重生通道VI對(duì)輸出數(shù)據(jù)循環(huán)模式進(jìn)行定義，其實(shí)現(xiàn)程序如圖7。

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了目前高等院校傳感器硬件資源建設(shè)的困難，提出了基于LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)虛擬傳感器的方案，并通過(guò)航空器剪應(yīng)力傳感器的虛擬傳感器制作，對(duì)虛擬傳感器的方案進(jìn)行了說(shuō)明，為《數(shù)據(jù)采集與處理》實(shí)驗(yàn)授課提供了新辦法，此外，建設(shè)成本低，容易實(shí)現(xiàn)為建設(shè)傳統(tǒng)傳感器實(shí)驗(yàn)室提供了新思路，同時(shí)，也為測(cè)量?jī)x器的標(biāo)定與校驗(yàn)提供了新方法。

參考文獻(xiàn)：

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