基于LabVIEW的传感器虚拟综合实验系统设计

徐晓玲, 余 佼, 张明辉, 李文凯, 刘且根

(南昌大学 信息工程学院, 江西 南昌 330031)

在计算机及互联网等信息技术的发展中,传感器技术在信息的获取及转换中起到重要的作用[1]。目前,国内高校传感器类课程的实验教学多采用CSY系列传感器检测技术实验台(主要生产厂家有浙大科仪、浙江高联等公司),该实验台已沿用近20年,在传感器实验教学中发挥了重要作用。然而该实验系列只是对被测信号进行模拟采集和简单调理,通过观察和手工记录实验数据,不能对采集到的数据进行灵活的分析处理和直观显示,难以满足当今学生自主学习、自主实践、自主拓展实验功能的需求[2]。为此,笔者在充分利用现有CSY系列实验台重塑实验内容的基础上,设计了传感器虚拟综合实验系统[3-4]。该系统将实验教学体系与虚拟仪器技术结合,通过数据采集卡将传感器采集的实验数据送入计算机,根据每种传感器的研究特性,在LabVIEW软件中进行不同的数据处理、分析、显示及存储,输出实验分析结果和实验报告[5],是实验教学改革的成功案例。

1 硬件系统和软件系统

基于LabVIEW的传感器虚拟综合实验系统主要用于大专院校、职业技术院校开设的传感器实验课程。系统采用工业级的传感器结构和线路,精度较高,能满足不同专业的实验需求。在实验教学中,可以补充新的传感器实验模块,以扩展实验项目和实验内容。该实验系统由主机箱、传感器、实验电路(实验模板)、转动源、振动源、温度源等组成[6]。

1.1 数据采集卡

将模拟信号转换成数字信号送入计算机,就可以利用LabVIEW软件进行数据处理和分析[7]。本实验系统根据现有实验室条件,采用美国国家仪器公司(NI)的教学实验室虚拟仪器套件(NI ELVIS)中的数据采集卡实现这一功能。

NI ELVIS是以教学为目的的教学工具,主要由实验平台、软件驱动和数据采集卡[8]等3部分组成,其中信号发生器、示波器等12种常用仪器通过USB接口与计算机连接。用户可在NI ELVIS的面包板上进行原型电路搭建和调试,并与Mutisum软件仿真结果进行对比显示,方便用户设计和调试传感器电路。

1.2 LabVIEW软件

LabVIEW是NI公司开发的典型的图形化编程语言。LabVIEW可视化的前面板为人机交互界面,类似于传统仪器的操作界面,具有与实际仪器类似的旋钮、开关等；程序框图中含有大量函数选板,通过连线进行不同控件之间的连接,实现不同的功能[9-10]。LabVIEW软件弥补了传统的实际仪器不能实时存储、分析、处理和回放数据的不足,由硬件电路获取实际的信息,通过LabVIEW软件进行数据的存储、处理和分析等,软硬件充分结合,最大限度地发挥了软件和硬件各自的优势[11]。

2 综合实验系统的构成及功能实现

按照传感器教程所要求的实验项目,传感器虚拟综合实验系统以LabVIEW为基础,可测量压力、位移、转速、温度、湿度等参数,并可以进行功能扩展,以加入更多的测量项目。图1为传感器虚拟综合实验系统的结构。

图1 传感器虚拟综合实验系统结构图

在该实验系统的主界面,用户可以选择测量参数进行实验,实验流程如图2所示。

3 系统设计

系统设计包括软件部分和硬件部分。软件设计以测量参数为分类依据,在各测量参数子VI中展示实验的目的、原理和实验步骤,以及数据处理、特性参数分析、生成报告等。硬件部分使用实验室的CSY系列传感器检测实验台,既可直接利用各传感器实验模板的电子线路,也可根据实验需要,在NI ELVIS上搭建传感器调理电路,并根据传统的实验步骤采集信号。系统使用NI ELVIS的数据采集卡进行模数转换,通过USB接口将数据送入计算机。实验数据经由上述LabVIEW软件系统进行后续处理、分析和显示等。

3.1 软件设计

系统的主程序采用LabVIEW状态机模式进行设计,程序框图如图3所示。

图2 虚拟实验流程图

图3 主程序的程序框图

各参数测量实验采用子VI进行设计。在测量参数子VI中,使用字符串显示控件，在前面板展示实验目的、实验原理等；路径子VI中可获得接线图的路径,根据布尔控件选择是否展示接线图；现场采集模式中的采样率、通道选择等参数需通过前面板进行设置；采样方式有现场采集和手动输入两种,其中手动输入模式中可通过导入电子表格文件获得采样数据。

在程序框图中,通过调用“数据处理”子VI,将采集到的数据进行线性拟合和计算,并在前面板显示传感器的灵敏度和线性度。使用ActiveX控件调用Word软件自动生成实验报告模板,在需要输入实验信息的地方设置标签[12-13]。

3.2 压力测量实验过程和实验结果

(1) 使用CSY系列传感器及实验模板,按接线图连接好线路,应变片单臂电桥实验接线如图4所示。

图4 应变片单臂电桥实验接线

(2) 打开NI ELVIS电源开关,运行NI MAX等相关驱动软件进行设备自检。

(3) 运行虚拟综合实验系统软件,在实验选择界面选择压力测量,在压力测量前面板可以查看实验目的、实验原理和实验接线图等相关信息。有现场采集和手动输入两种数据采样方式可供选择,这里选择现场采集。输入实验者姓名和学号等信息,输入压力初值及增量值,即可开始进行测量实验。在托盘上依次放入砝码,最终得到图5所示实验数据和拟合直线,并计算出测量灵敏度和非线性误差。在实验总结里填入文字内容和点击“生成报告”,即可产生一份Word文档的实验报告。

图5 应变片单臂电桥实验测试结果

(4) 图6、图7为差动半桥和差动全桥电路的测试结果。比较图5、图6、图7,可见金属应变片差动半桥的灵敏度是单臂电桥灵敏度的2倍,差动全桥的灵敏度是单臂电桥灵敏度的4倍,与理论值相符[14-15]。

图6 应变片差动半桥实验测试结果

图7 应变片差动全桥实验测试结果

(5) 点击“返回”按键,即可返回到主程序界面。可以选择位移和转速等其他参数进行测量实验,或者退出实验系统。

4 结语

基于LabVIEW的传感器虚拟综合实验系统设计,是在2016年江西省高等学校教学改革研究课题“电子信息类传感器课程虚拟实验教学改革与实践”研究成果的基础完成的。该实验系统充分利用虚拟仪器的灵活性与开放性,以及NI ELVIS模块化实验平台的多功能性、高度可操作性,大大地提高了实验效率。该系统在南昌大学信息工程学院电子系2014、2015级部分学生中进行了试用。试用结果表明：该综合实验系统有助于学生完成原理设计、原型电路搭建、数据处理和结果显示的传感器实验全过程,有助于激发学生的学习兴趣,发挥学生的创造力和想象力,培养学生对于传感器技术和智能测量系统的研究与设计能力。