基于虚拟仪器的自动检测技术实验教学平台

王晓爽

【摘 要】文中针对传统测试实验平台的功能单一、操作复杂、扩展性差等方面的问题，提出了在 CSY 传感器与检测技术实验仪的基础上，开发基于LabVIEW 的虚拟仪器自动检测技术课程实验系统。

【关键词】LabVIEW；虚拟仪器；自动检测技术；实验教学

【中图分类号】G642.0【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0065-01

一、引言

随着信息时代的到来及计算机技术、信息技术和网络技术的发展， 自动检测技术及其应用也在飞速发展。在自动检测技术实验中，经常需要对一些工程领域常见的运动和性能参数进行测试与分析。如位移、应变、温度和振动的测试等。传统的传感器实验教学一般在CSY传感器系统综合实验台上完成，教学内容以验证性实验为主， 对传感器的输出信号的处理技术相当匮乏，只能了解一些简单传感器的工作原理，对应用及工程实践联系较少。那如何采用合适的教学方法和创新的教学手段来让学生通过实验真正做到深入理解相关理论，并将理论与实际有机地结合在一起呢？ 虚拟仪器技术的快速发展，为我们提供了可实现的工具。将虚拟仪器技术与CSY传感器实验仪相结合，在虚拟仪器系统平台下进行传感器实验，可有效地提高学生的实际动手能力和学习兴趣， 同时实现实验教学与工程实际应用的衔接。

二、虚拟仪器的特点和组成

（1）虚拟仪器的特点

虚拟仪器是以计算机为基础 ，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口， 完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机化仪器系统。它利用计算机强大的图形环境建立虚拟仪器面板，以代替传统仪器完成对仪器的控制、数据分析和显示功能，彻底改变了传统仪器由生产厂家定义功能的模式，而由用户自定义仪器功能。[1]与传统仪器相比，虚拟仪器具有易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性好等特点，具体表现为：1、智能化程度高，处理能力强。用户可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、专家系统和人工智能技术应用于仪器设计。2、应用性强，系统费用低。虚拟仪器的设计思想是用相同的基本硬件构造多种不同功能的测试分析仪器，这样的仪器系统功能更开放、灵活、高效，费用更低，并且还可通过计算机网络实现虚拟仪器的分布式共享来增加使用价值。3、操作性强，易用灵活。虚拟仪器面板可由用户针对不同应用来设计定义，使仪器操作变得更直观、简便，同时测量结果不仅可以打印、显示报表或曲线，还可以直接进入数据库系统或者通过网络发送，大大提高了仪器的可操作性。

（2）虚拟仪器的组成

虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。其中硬件主要用于解决信号的调理及输入输出问题，一般由传感器、信号采集电路、数据采集设备以及计算机组成。虚拟仪器的输入输出由数据采集卡、GPIB卡、VXI/ PXI/LXI卡、串口和现场总线等硬件模块完成。软件是虚拟仪器的关键，主要用于是实现数据的读取、分析处理、显示和对硬件的控制等功能，主要包括虚拟仪器应用软件的开发平台、仪器驱动程序以及I/O接口软件。由于主要软件开发平台LabVIEW 采用图形化的编程语言（ G 语言），面向的是没有编程经验的用户， 所以十分适合工程类学生在基础实验课程中作为开发平台使用。

三、自动检测技术实验虚拟教学平台的设计方案

1、虚拟实验教学平台的创建思想[2]

自动检测技术课程实验一般开设的都是验证性实验，如应变片的全桥性能实验、差动变压器的性能和应用（ 振动测量） 实验和霍尔式传感器的位移特性实验等。这些实验是在CSY 998系列传感器与检测技术实验仪上完成的，该实验台大部分传感器的结构透明，调理电路标识清楚，使学生对信号的拾取、转换有较深刻的认识，但对于获取数据的分析、处理和存储无能为力，不利于学生的系统学习。

根据学校培养“一线工程师”的特色办学思想，我们以自动检测技术课程建设为契机，以学校当前实验条件和设备为基础，利用实验室已经配备的PC机和CSY 998系列传感器与检测技术实验仪和labview软件， 建立了一个适合自动检测技术课程和测控系统原理课程教学， 同时能够培养学生自主创新能力的实验教学平台。该平台不仅可对采集到的数据进行数据处理，减小误差，还可以把实验数据保存成电子版及打印实验报告需要的数据表，从而提高学生参与实验的积极性，取得了较好的教学效果。

2、虚拟实验教学平台的设计方案

虚拟仪器系统的硬件构成有多种方式，主要由所采用的硬件与接口决定。根据系统硬件和接口方式的不同，可以分为以插入式数据采集卡和信号调理电路为硬件的PC-DAQ系统，还有以GPIB、串行、PXI、VXI总线等为硬件接口方式组成的GPIP仪器控制系统、串行口系统、PXI仪器系统、VXI仪器系统等。[3]

在上述结构中，最简单、最廉价的形式是采用PCI总线的数据采集卡，或是基于RS-232或USB总线的便携式数据采集卡。本校实验室的CSY 998型传感器与检测技术实验仪内具有基于RS-232总线的便携式数据采集卡，为充分利用资源和节约成本，本自动检测技术创新实验教学平台通信方式采用串行通讯，利用CSY 998型传感器与检测技术实验仪的串行口通过串行总线与PC机的串行口相接，将待测信号送入计算机， 计算机通过串口对采集的输入信号进行传输、分析、处理和记录。系统结构框图如图1所示。

在确定了实验教学平台的硬件之后， 就可以通过LabVIEW软件来实现想要的功能，由计算机直接参与实验信号源的产生及对实验数据进行测量、分析、处理。虚拟仪器的软件设计主要包括仪器界面模块、输入输出接口模块、数据分析处理模块等部分组成。仪器界面模块、数据分析处理模块是建立在仪器驱动程序之上， 直接向用户提供友好的操作界面和进行数据分析与处理的应用程序， 由用户根据功能需要自行编制。数据分析处理程序主要用于对采集的实验数据进行分析、计算与显示。

四、结束语

在 CSY型传感器与检测技术实验仪的基础上建立基于虚拟仪器的传感器实验系统，不仅提升了实验设备的水平，在很大程度上节省了学校更新实验设备所需的资金， 还可以通过LabVIEW编程方便地与网络、外设连接，利用网络进行多用户数据共享，为实验系统网络化建立了基础。同时虚拟仪器在自动检测技术实验课程教学中的应用不但激发了学生的学习兴趣和探索精神，还拓展了学生的知识面，增加了学生动手机会和创新能力。

参考文献

[1] 舒筠佳.基于虚拟仪器技术的高校电子实验平台开发[J].上海电力学院学报，2009（6）：253-255

[2] 李学聪，万频， 等.基于虚拟仪器的检测技术创新实验教学平台[J].广东工业大学学报（社会科学版），2008，8（增刊）：140- 141

[3] 薛晓颖，高峰.基于虚拟仪器技术的传感器综合实验教学[J].重庆邮电大学学报（社会科学版），2008，6：49～51