食品工程測試虛擬實(shí)驗(yàn)儀器平臺的構(gòu)建與實(shí)踐

周穎越 俞駿

摘要：隨著我國制造業(yè)加速從制造大國轉(zhuǎn)向制造強(qiáng)國，工程測試人員將是實(shí)現(xiàn)這一宏偉轉(zhuǎn)向的核心技術(shù)人員。作為承擔(dān)應(yīng)用型工程技術(shù)人才培養(yǎng)的地方高校，提升與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器平臺是當(dāng)務(wù)之急。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)；儀器平臺；模塊

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）22-0142-02

作為現(xiàn)代教育重要標(biāo)志的信息化建設(shè)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)國家教育信息化戰(zhàn)略的重要平臺和戰(zhàn)略基地。地方工科院校以培養(yǎng)工程技術(shù)人員的崗位能力為導(dǎo)向，創(chuàng)新構(gòu)建工程測試模擬仿真設(shè)備平臺，提高教育、教學(xué)質(zhì)量，提升畢業(yè)生的綜合能力起重要作用。

一、虛擬儀器平臺

1.虛擬儀器。虛擬實(shí)驗(yàn)儀器就是基于計算機(jī)的儀器。計算機(jī)與檢測儀器相結(jié)合是工業(yè)自動化生產(chǎn)及工程檢測實(shí)踐教學(xué)發(fā)展的一個重要方向。計算機(jī)與檢測儀器結(jié)合目前有兩種方案，目前常見的如將計算機(jī)芯片裝入儀器，其典型的例子如可罐頭自動高壓滅菌設(shè)備。

現(xiàn)在較為先進(jìn)的一種方式是將儀器裝入計算機(jī)，利用計算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)際上是一個按照檢測儀器需求所組織的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。學(xué)生可以利用這個虛擬實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)，達(dá)到與實(shí)際工業(yè)檢測相同的學(xué)習(xí)效果。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)儀器平臺。隨著測量系統(tǒng)逐漸從控制中心轉(zhuǎn)變?yōu)楦涌拷粶y量設(shè)備，測試系統(tǒng)的性質(zhì)也在迅速變化。這樣的改變，優(yōu)點(diǎn)是縮短了測量系統(tǒng)的安裝時間，降低了傳感器布線成本，并提高了測量精度，但同時也給信息同步和系統(tǒng)管理帶來了挑戰(zhàn)。

食品工程測試虛擬實(shí)驗(yàn)儀器平臺選用美國國家儀器（National Instruments，簡稱NI）的cDAQ-9185和cDAQ-9189的兩款多槽以太網(wǎng)機(jī)箱。這兩款產(chǎn)品都是基于時間的同步技術(shù)，及最新的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，通過對時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）和工業(yè)ComPACtDAQ硬件的投入，進(jìn)行分布式測試和測量系統(tǒng)。

3.編譯軟件。食品工程測試虛擬實(shí)驗(yàn)儀器平臺編譯軟件采用的是美國NI公司的LabVIEW。利用其軟件環(huán)境、數(shù)據(jù)流編程特性、LabVIEW Real-Time工具以及對嵌入式平臺開發(fā)的多核支持，實(shí)現(xiàn)食品工程測試實(shí)驗(yàn)課程的多項(xiàng)模擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

4.儀器模塊。使用普通的PC構(gòu)建的虛擬儀器或計算機(jī)測試系統(tǒng)，其性能可能不會太高。食品工程測試虛擬實(shí)驗(yàn)儀器平臺將各種儀器模塊分別制成一個插卡，并統(tǒng)一采用VXI標(biāo)準(zhǔn)。這些插卡式的儀器模塊其面板仍然用以虛擬的方式顯示在計算機(jī)屏幕上。這些標(biāo)準(zhǔn)插卡插入的機(jī)箱，與計算機(jī)共同組成了一個食品工程測試虛擬實(shí)驗(yàn)儀器平臺。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)儀器平臺。

食品工程測試虛擬實(shí)驗(yàn)儀器平臺是分別以NI CDAQ和NI CRIO設(shè)備為測試核心的平臺，結(jié)合虛擬儀器技術(shù)、測試與測量技術(shù)、軟件技術(shù)的綜合測試系統(tǒng)來滿足各測試項(xiàng)目的需求。

1.儀器方案。（1）設(shè)置總共36路測試通道，其中14路電壓信號；9路電流信號；1路頻率信號；熱電偶信號8路；RTD信號4路；GPIB控制信號4路；模擬輸出信號4路；繼電器輸出4路。（2）應(yīng)變信號：支持1/4橋、半橋式和全橋式壓力信號采集，精度：24bit。（3）PIB、RS232控制：實(shí)現(xiàn)與VL-4000-405-118、MA100、FLUKE8845A/6.5、ATR、YKF200等檢測儀表數(shù)據(jù)的傳輸與控制。

2.系統(tǒng)設(shè)計。為滿足該系統(tǒng)的常規(guī)測控需求，系統(tǒng)采用使用兩種通用型測控方案，分別基于NI CDAQ和NI CRIO平臺進(jìn)行開發(fā)。

CDAQ系統(tǒng)是以太網(wǎng)或以無線網(wǎng)絡(luò)連接到計算機(jī)主機(jī)，也可以通過USB或者內(nèi)置的控制器實(shí)現(xiàn)獨(dú)立操作。系統(tǒng)包含機(jī)箱、NI的C系列I/O模塊及編譯軟件等。

利用CRIO系統(tǒng)的硬件架構(gòu)中的I/O模塊及可編程門陣列（FPGA）機(jī)箱以及嵌入式控制器。此外，CRIO通過NI LabVIEW圖形化編程工具接受編程，并用于各種嵌入式控制和監(jiān)測應(yīng)用程序。

3.儀器模塊。（1）電流輸入模塊。采用NI 9208插卡，配合內(nèi)置式50/60 Hz工頻干擾抑制，實(shí)現(xiàn)去噪。（2）熱電偶采集模塊。采用NI 9214插卡，該模塊可使用戶無需占用過多插槽，即可在混合信號測試系統(tǒng)中添加熱電偶。（3）電壓采集模塊。采用NI 9220插卡，NI 9220是一款16通道，100 kS/s/通道，16位，±10 V模擬輸入模塊。（4）RTD溫度采集模塊。采用NI 9217插卡，在高分辨率模式下，采樣率為5 S/s（每通道1.25 S/s）并配有50/60 Hz內(nèi)置式去噪功能。采樣率為5 S/s（每通道1.25 S/s）并具備50/60 Hz的噪聲抑制。（5）模擬輸出模塊。采用NI 9269插卡，提供每通道100 kS/s同步更新率并具有通道間隔離的模塊，并能夠?qū)⑼ǖ蜡B加以輸出高達(dá)40 V電壓。（6）繼電器輸出模塊。采用NI 9481插卡連接繼電器，并可實(shí)現(xiàn)30 VDC（2 A） 、60 VDC（1 A）和250 VAC（2 A） 的信號切換，通道間隔離為250 Vrms。每條通道都含有1個LED用于提示通道狀態(tài)。NI 9481可以直接連往多種工業(yè)設(shè)備，如電機(jī)、激勵器和直流設(shè)備等。（7）頻率測量模塊。采用NI 9402插卡，實(shí)驗(yàn)時可以根據(jù)輸入和輸出要求，按比特靈活配置插卡上各條數(shù)字線的方向。（8）壓力測量模塊。采用NI 9219插卡，可以測量各種需要供電的傳感器中的信號，如熱電偶、RTD、應(yīng)變計、測壓元件和其他傳感器。（9）GPIB控制模塊。GPIB通信卡采用完全兼容IEEE488.2通信標(biāo)準(zhǔn)和儀器控制模式，根據(jù)IEEE488電纜控制模式，可最多控制14臺獨(dú)立儀器。GPIB通信卡的設(shè)計符合高性能及高可移植性編程的要求。（10）RS232控制模塊。NI USB-232/2接口將通用串行總線（USB）端口轉(zhuǎn)換為2個異步串口，用來與RS232串行設(shè)備通信。

三、開發(fā)平臺

為確保硬件設(shè)施的使用環(huán)境，開發(fā)平臺的系統(tǒng)軟件選用NI公司的LabVIEW軟件。運(yùn)行環(huán)境為Windows 7或更高版本操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)軟件共包括六個部分，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲以及系統(tǒng)設(shè)置、用戶管理和人機(jī)界面。數(shù)據(jù)采集部分采用獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集引擎，并能配置每個數(shù)據(jù)采集板卡的參數(shù)，能夠自行選擇板卡及相應(yīng)通道，實(shí)現(xiàn)自定義的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。采集的數(shù)據(jù)在界面上使用圖表同步顯示。數(shù)據(jù)存儲部分能按照設(shè)定的存儲文件地址和是否存儲等設(shè)置參數(shù)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與導(dǎo)出，同時也可保存通道的配置信息等。數(shù)據(jù)分析部分能使用程序調(diào)用其保存的數(shù)據(jù)，用以執(zhí)行數(shù)據(jù)回放等功能。系統(tǒng)設(shè)置部分可設(shè)置所有的系統(tǒng)、文件和硬件設(shè)置參數(shù)。用戶管理部分，完成系統(tǒng)登錄及用戶管理功能。包括用戶信息導(dǎo)入與密碼設(shè)置；用戶登錄和用戶權(quán)限等信息的管理。人機(jī)界面模塊負(fù)責(zé)人機(jī)交互。

四、虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

食品工程測試虛擬實(shí)驗(yàn)儀器平臺目前已經(jīng)開發(fā)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有熱電偶、熱電阻溫度測試實(shí)驗(yàn)；熱流密度測試實(shí)驗(yàn)、應(yīng)變橋?qū)嶒?yàn)、霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)，以及室內(nèi)環(huán)境氣象參數(shù)測定、冷庫保溫性能測定等研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

五、結(jié)語

本虛擬實(shí)驗(yàn)儀器平臺，尚可開發(fā)更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，且特別適合研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]胥軍.氣壓ABS硬件在環(huán)試驗(yàn)臺設(shè)計[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017，36（12）.

[2]周穎越，俞駿，曹劍敏.本科專業(yè)校內(nèi)實(shí)習(xí)基地的建設(shè)[J].教育現(xiàn)代化2017，（08）：131.

[3]周穎越，俞駿，曹劍敏.食品專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的研究與探索[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013，（05）：192.

[4]周穎越，等.高校實(shí)驗(yàn)室安全程序化管理及補(bǔ)短板[J].教育現(xiàn)代化，2016，（36）：198-199+224.