基于LabVIEW的測試技術與信號處理虛擬實驗平臺設計

侯鵬亮　田曉峰　段文銳　梁振宇　何宇杰

摘 要：LabVIEW程序設計充分利用了計算機強大的數據分析與處理能力，將其應用于測試技術與信號處理虛擬實驗平臺的圖形化設計，并以實例充分展示LabVIEW程序設計的直觀性和虛擬儀器性。學生可以充分利用該平臺自由完成對測試技術相關理論知識的實驗，加深學生對理論知識的理解，充分調動了學生學習的主動性，也能極大的激發學生的創新意識，培養學生的創新能力，得到了學生的充分認可。

關鍵詞：測試技術與信號處理;LabVIEW;仿真實驗;虛擬儀器

測試技術與信號處理是我校機械類專業必修的一門專業基礎課，其知識涵蓋了高等數學、信號與系統、控制工程、數字信號分析與處理等學科，對學生的綜合素質能力要求較高[1-2]。測試技術與信號處理的課程教學目標是通過本課程的學習，使學生掌握測試系統的基本原理和方法，并能根據機械工程實際的需要搭建簡單的測試系統，合理的選擇傳感器，并對測試信號進行分析和處理，獲得有用信息，從而實現對被測量的測試[3]。在教學的過程中要注重理論教學與實驗教學的結合，特別是針對波形的合成與分解、周期信號的頻譜分析、信號的調制與解調、信號的自相關與互相關等知識點非常抽象學生不好理解，更加突顯出實驗教學的重要性，只能通過具體的實驗才能幫助學生建立起直觀的效果，加深學生對理論知識的學習。由于硬件實驗的時間比較固定，不方便學生進行實驗，具有一定的局限性。本文利用虛擬儀器設計一套測試技術與信號處理實驗平臺，學生可以利用課余時間進行自主實驗，提高教學效果。

1 虛擬儀器

虛擬儀器（Virtual Instrument）是由美國國家儀器公司提出的，主要利用計算機的強大運算、處理能力和高性能的模塊化硬件，結合高效的軟件來完成數據的采集、數據的分析和處理的測試平臺。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美國國家儀器NI（National Instrument）開發的一種圖形化編程語言，又稱G語言[4-5]。LabVIEW能夠提供許多函數控件、信號分析與處理控件，同時還提供類似傳統儀器的外觀控件，可以非常方便的用來創建虛擬儀器。鑒于此，本設計利用LabVIEW強大的圖形化設計功能，結合計算機的超強的運算與數據處理能力，進行測試技術與信號處理仿真實驗平臺的設計。

2 虛擬仿真實驗平臺設計

鑒于測試技術與信號處理理論性強、抽象，側重于理論分析與計算，整個課程圍繞信號這條主線展開，包括信號的產生、信號的采集、信號的調制與解調、信號的分析與處理等內容。為了提高學生對理論知識的掌握，要以實驗作為輔助手段，提高學生對理論知識的理解。因此，開展了周期信號的合成與分解、典型波形的頻譜分析、信號幅度調制與解調、典型信號的相關分析等實驗。利用LabVIEW強大的圖形控件和圖形化的編程語言設計出測試技術與信號處理常用的實驗平臺如圖1所示。在學生使用時，只要將打包測試技術與信號處理虛擬實驗平臺安裝文件和LabVIEW安裝到自己的個人電腦上就可以運行，打開運行程序的主界面如圖1所示。

下面將以波形的合成與幅值調制為例說明測試技術與信號處理虛擬實驗平臺的創建過程。由測試技術與信息處理的理論知識作為虛擬實驗平臺設計的理論可知：

（1）周期方波信號：已知：

由公式（1）、（2）和（3）可知，一個周期方波信號是由若干個奇次諧波分量疊加而成的。這時利用LabVIEW提供的強大圖形控件就可以方便創建如圖2所示的方波的合成虛擬實驗操作界面。同時為了提高設計軟件的通用性，在波形的合成與分解實驗平臺主界面可以點擊其相應波形的按鈕進行相應的實驗如圖3所示，豐富了學生的實驗內容，加深學生對各種波形的合成與分析的理解。

3 結論

LabVIEW程序設計充分利用了現代計算機強大的數據處理、數據分析的能力，同時具有圖形化的編程設計優勢，將其用于測試技術與信號處理虛擬實驗平臺的設計，可以充分彌補實驗室硬件設備的不足，而且學生可以隨時利用自己的個人電腦上進行虛擬實驗，可以取得和硬件實驗相同的教學效果。同時，也會促進學生對理論知識的理解，使理論教學與實驗教學相輔相成。另外，用LabVIEW設計的測試技術與信號處理虛擬實驗平臺原代碼對學生開放，學生可以根據自己的興趣對相關的知識點進行補充和修改，充分調動了學生學習的主動性，也能極大的激發學生的創新意識，培養學生的創新能力，得到了學生的充分認可。

參考文獻：

[1]顏志剛，劉婷婷.測試技術與信號處理的課程教學改革[J].教育教學論壇，2016（36）：122-123.

[2]牛禮民.測試技術與信號處理課程案例式教學探索[J].大學教育，2017，000（012）：36-38.

[3]鄒大鵬，肖體兵，劉偉，等.測試技術課程的實驗教學研究[J].教育教學論壇，2019（049）：177-180.

[4]王偉功，錢曉琦，何中原.基于LabVIEW的齒輪箱振動信號采集與分析[J].農業裝備與車輛工程，2020，（58）：127-130+145.

[5]陳良兵，鄧貞宙，王玉皞，等.基于LabVIEW的干涉儀測向實驗教學系統設計[J].實驗技術與管理，2020，（37）：150-153+195.

鹽城工學院教改研究項目：基于LabVIEW的測試技術與信號處理虛擬仿真實驗平臺的設計（項目編號：JYKT2019B005）

作者簡介：侯鵬亮（1977— ），男，博士，副教授，主要從事復合載荷下材料微觀力學性能原位測試技術與虛擬儀器研究。