基于虛擬儀器的醫學傳感器實驗研究

何伶俐 何汶靜 楊慶華

*項目來源：四川省2021—2023年高等教育人才培養質量和教學改革項目“政產學研用合作培養創新人才的研究與實踐”（項目編號JG2021-1122）；川北醫學院2022校級教改項目“醫學院校工科專業課程教考分離模式探索”（項目編號22-10-03）。

作者簡介：何伶俐，講師；何汶靜、楊慶華，副教授。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.02.122

摘? 要? 為了解決傳統醫學傳感器實驗中存在的各種弊端，針對現代傳感器實驗教學的特點，以ELVIS結合LabVIEW和Multisim構建了虛擬儀器實驗平臺，并以溫度傳感器、光敏電阻傳感器和超聲波測距傳感器三個實驗為例，介紹虛擬儀器實驗平臺的應用。實驗證明：虛擬儀器實驗平臺對傳統實驗起到很好的補充和完善作用，豐富了教學手段，有效地提高了實驗教學質量和效果。

關鍵詞? 傳感器；虛擬實驗平臺；ELVIS；LabVIEW；Multi-

sim

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）02-0122-05

0? 引言

醫學傳感器是生物醫學工程專業的主干課程之一，主要介紹傳感器產生的各種電量和非電量信號的檢測、轉換和測量，綜合性較強。實驗是課程中的一個重要環節，其教學方法對整個課程的教學有著重要影響。傳感器實驗主要涉及兩方面的內容：一是將傳感器轉換出來的微弱的電信號做放大及濾波處理；二是通過相應的計算，將放大處理后的電信號換算成對應的物理量[1-2]。而傳統的傳感器實驗都是按照搭建電路、記錄信號的電壓或者電流值、換算物理量的步驟進行。電量和物理量之間的關系需手動計算完成，不能實時顯示所測物理量的波形和數值，實驗結果展示不夠直觀形象[3-4]。隨著計算機技術及仿真工具軟件的發展，基于虛擬儀器的實驗已經成為實驗教學的重要模式，對傳統的實驗教學起到了很好的補充和完善作用，有效地解決了其存在的問題[5-6]。本文針對醫學傳感器實驗教學的特點，應用虛擬儀器平臺進行了實驗設計的教學研究，用實例展示了虛擬儀器平臺在實驗教學中的應用，希望能夠幫助從事相關課程實驗教學的教師開拓教學思路、豐富教學手段、提高教學效果。

1? 虛擬儀器平臺介紹

虛擬儀器實驗平臺采用ELVIS硬件結合Lab-VIEW構建。ELVIS是美國National Instruments公司（簡稱NI）推出的一款教學實驗平臺，可用于電路設計、儀器控制、無線通信、嵌入式/MCU等教學。ELVIS具有多種數據接口，包括模擬信號輸入/輸出接口（AIO）和數字信號輸入/輸出接口（DIO）以及計數I/O口，能同時進行多通道數據采集。內部集成了12款最常用的儀器，可通過USB接口與計算機連接，實現快速地測量采集及顯示[7]。LabVIEW是一種基于圖形方式的集成化程序開發環境，在LabVIEW環境下所編寫的程序稱為VI。VI分為框圖程序和用戶界面兩部分，框圖程序決定了VI的運行，用戶界面也稱為前面板，是虛擬儀器的人機交互接口。LabVIEW還具有豐富的信號分析處理相關模塊，能方便地進行數據分析處理[8]。ELVIS和LabVIEW結合，能夠發揮虛擬儀器的靈活性及自定義功能。

2? 虛擬儀器平臺在傳感器實驗中的應用實例

2.1? 溫度傳感器實驗

常用的溫度傳感器有熱敏電阻、鉑熱電阻PT100、熱電偶、AD590等。這里以AD590為例介紹溫度傳感器實驗。AD590是一種感溫電流源集成模塊，輸出電流在溫度為絕對零度（-273.15 ℃）時為0，溫度每增加1 ℃，會增加1 μA輸出電流，因此在室溫25 ℃時，其輸出電流Iout=（273+25）=

298 μA。而ELVIS AI口的輸入電壓限幅為10 V，因此需將μA級的輸出電流轉換為0～10 V電壓以便ELVIS處理。本實驗采用如圖1所示電路實現電流到電壓的轉換。由圖1可知，電流AD590在R5上的分流系數為R2+R6/R5+R2+R6=0.868，因此，0 ℃

所對應電壓為：273 uA×0.868×10 k=2.37 V。AD590輸出電流轉換成電壓后，與0 ℃對應電壓2.37 V

經TL082差分放大，推算出電壓和溫度有如下關系。

（1）

用Multisim仿真電路進行驗證，可以看出，當溫度為25 ℃時，經轉換后得到的輸出電壓為

1.220 V，代入式（1）得到的溫度也是25 ℃，說明電路能夠實現溫度傳感器輸出電流信號到電壓的轉換。

仿真驗證無誤后，按照圖1搭建電路，將采集到的電壓送入ELVIS的AI4模擬電壓輸入端口中，用LabVIEW編程讀取此電壓，并進行電壓和溫度的轉換，最后在前面板上將測量結果以數值和波形的形式顯示出來。框圖程序和前面板分別如圖2、圖3所示。

2.2? 光敏電阻實驗

光敏電阻又稱光導管，是用半導體材料制成的光電器件。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。這里采用分壓式電路來測量光敏電阻的伏安特性，將光敏電阻和1 kΩ電阻串聯接入ELVIS的可變電壓端VPS，通過改變VPS的值來獲得光敏電阻的伏安特性，實驗電路如圖4所示。

光敏電阻計算和伏安特性繪制框圖程序如圖5所示。首先為制圖數組添加零點，然后采用一個10次的For循環，每個循環內首先為VPS+供電，使VPS的電壓從1 V依次變到10 V。接著延時100 ms

等待電路建立。最后通過AI0口讀出節點電壓，用VPS電壓減去節點電壓即可得到光敏電阻兩端電壓。由于參考電阻阻值為1 kΩ，因此參考電阻兩端電壓數值的大小即為mA單位的電路電流值，最后由LabVIEW提供的線性擬合函數計算出此時光敏電阻的阻值。可以通過前面板選擇測亮電阻或暗電阻，主程序和前面板分別如圖6、圖7所示。

2.3? 超聲波測距

實驗采用的是HC-SR04超聲波測距模塊，與ELVIS的連接如圖8所示。當Trig端收到超過10 us

的觸發信號后，HC-SR04將自動發送超聲波信號。與此同時，Echo端變為高電平，遇到障礙物超聲波返回，收到返回信號后Echo端變為低電平。因此，Echo端高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。此外，空氣中聲音傳播的速度不是一個定值，通常所說的340 m/s只是一個近似值，在不同的溫度下將會有一些變化。經過修正，作為常溫下（按25 ℃計算）的測試，可以認定聲速為346 m/s。

測出高電平持續的時間t，通過式（2）可以計算出發射點距離障礙物的距離S。

S=346*t/2? ? ? ? ? ? ? ? （2）

采用圖9所示的脈沖產生子程序，在ELVIS的CTR0-OUT端產生寬度為10 ms的單脈沖信號作為HC-SR04的觸發信號。HC-SR04的Echo端信號送入ELVIS的CTR1-GATE端，采用圖10所示脈沖寬度測量子程序，得到超聲波從發射到返回的時間t。根據式（2）在主程序上編程，在前面板上顯示出測量結果，如圖11、圖12所示。

3? 結束語

目前，該實驗平臺已應用于川北醫學院的醫學傳感器實驗課程中。實踐證明，基于虛擬儀器平臺的傳感器實驗，通過完成信號轉換和處理電路的設計仿真、實際電路搭建及調試、數據采集處理和結果顯示的實驗全過程，培養了學生對于傳感器技術和智能測量系統的研究與設計能力，對激發學生學習興趣和調動學生學習積極性起到了積極作用，為培養新醫工結合人才奠定了堅實的基礎。

4? 參考文獻

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