【正文】 基于LabVIEW《現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)自動(dòng)化052班：張 鵬 指導(dǎo)教師：姚素芬內(nèi)容摘要：近年來(lái)高校的大幅度擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)急劇增加，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和規(guī)模已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教學(xué)的需要。虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)不僅在測(cè)控領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)革命，同時(shí)也給傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)研究帶來(lái)了巨大的變化。為此，本文將虛擬儀器技術(shù)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，研制了基于LabVIEW《現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺(tái)。本文對(duì)LABVIEW作了簡(jiǎn)要介紹，論述了常見(jiàn)信號(hào)的產(chǎn)生、采集、處理等，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了傳感器模塊以及信號(hào)的模擬采集、信號(hào)測(cè)量、頻譜分析、時(shí)域分析和頻域分析等模塊?！冬F(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺(tái)包括虛擬實(shí)驗(yàn)室、常用傳感器介紹以及傳感器原理FLASH動(dòng)畫(huà)演示。通過(guò)LabVIEW軟件完成了壓力、振動(dòng)等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)的應(yīng)用。經(jīng)仿真表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是可行的，軟件流程設(shè)計(jì)是合理的，符合畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；檢測(cè)技術(shù)；傳感器技術(shù) 1 導(dǎo)言 現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀和未來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代檢測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，需要測(cè)試的數(shù)據(jù)量也越來(lái)越大，對(duì)測(cè)試的速度、精度、實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)可信度、完整性以及測(cè)試系統(tǒng)的可靠性、智能化、開(kāi)放性等的要求也越來(lái)越高。因此傳統(tǒng)的儀器測(cè)量和智能化的儀器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的需要，虛擬儀器技術(shù)突破了傳統(tǒng)儀器的局限。在計(jì)算機(jī)上建立了測(cè)試控制系統(tǒng)，可以將許多信號(hào)處理的方法方便的應(yīng)用到測(cè)量中，已經(jīng)廣泛用于軍事、航空、航天、科研和工廠等民用場(chǎng)合[1]。隨著微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)軟件硬件技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展及其在測(cè)試技術(shù)中的應(yīng)用，推動(dòng)了測(cè)試新理論、新方法及其新的儀器結(jié)構(gòu)的發(fā)展，虛擬儀器就是將儀器硬件（如A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、I/O），計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、存儲(chǔ)器、顯示器），儀器軟件（如軟面板、圖形界面、數(shù)據(jù)處理、信息交換等）有效地結(jié)合起來(lái)構(gòu)成的軟硬結(jié)合、虛實(shí)共體的新一代電子儀器。虛擬儀器概念的核心是以計(jì)算機(jī)為儀器的硬件支撐，充分利用計(jì)算機(jī)獨(dú)具的運(yùn)算、存儲(chǔ)、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等智能化功能，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，使之與計(jì)算機(jī)融為一體，構(gòu)成一臺(tái)從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器相同，同時(shí)又充分享用了計(jì)算機(jī)智能資源的全新的儀器系統(tǒng)[2]。虛擬儀器在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)十分普及。在美國(guó)，虛擬儀器系統(tǒng)及其圖形編程語(yǔ)言已作為各大學(xué)理工科學(xué)生的一門必修課程。美國(guó)斯坦福大學(xué)的機(jī)械工程系要求三、四年級(jí)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)用虛擬儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制。然而，虛擬儀器產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)不容樂(lè)觀。虛擬儀器是隨著傳統(tǒng)電子測(cè)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)不斷發(fā)展、不斷完善而產(chǎn)生的一項(xiàng)綜合性結(jié)構(gòu)化電子測(cè)量與控制技術(shù)。而在我國(guó)，計(jì)算機(jī)、通信及電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與歐美國(guó)家相比呈現(xiàn)相對(duì)滯后的地位，從而決定了我國(guó)的虛擬儀器產(chǎn)業(yè)底子薄，缺少必要的軟硬件技術(shù)支持，起步較晚，發(fā)展緩慢的特點(diǎn)。直到上個(gè)世紀(jì)九十年代中后期，虛擬儀器這一概念才逐漸被引入到我國(guó)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用行業(yè)中，先天的不足使得我國(guó)的虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用還處在起步階段。從九十年代中期以來(lái)，國(guó)內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)：清華大學(xué)、上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。近幾年來(lái)這些學(xué)校在原有的基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。其中，四川聯(lián)合大學(xué)的教師基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，研制的“航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀”，將8臺(tái)儀器集成于一體組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。清華大學(xué)汽車系利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。此外，國(guó)內(nèi)已有幾家企業(yè)正在研制基于PC的虛擬儀器。隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，虛擬儀器將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)試儀器而成為測(cè)試儀器的主流[3]。目前，我國(guó)正處于科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，對(duì)儀器設(shè)備的需求將更加強(qiáng)勁。虛擬儀器賴以生存的PC計(jì)算機(jī)近幾年正以迅猛的勢(shì)頭席卷全國(guó)，這為虛擬儀器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。虛擬儀器作為傳統(tǒng)儀器的替代品，市場(chǎng)容量巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，價(jià)值32億美元[4]。據(jù)專家預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)初我國(guó)將有50%的儀器為虛擬儀器。發(fā)達(dá)國(guó)家雖然在此領(lǐng)域比我國(guó)起步較早，但差距并不是很大，我們應(yīng)當(dāng)充分把握時(shí)機(jī)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，將我國(guó)的虛擬儀器產(chǎn)業(yè)水平逐漸向先進(jìn)國(guó)家靠攏。各級(jí)學(xué)校也要抓住機(jī)遇，充分利用虛擬儀器的強(qiáng)大功能開(kāi)創(chuàng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新局面[5]。 研究的背景和意義近年來(lái)各大高校紛紛擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)急劇增加實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和規(guī)模難以滿足需要，實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備有的已經(jīng)老化，有的技術(shù)上有些落后，在當(dāng)前學(xué)校經(jīng)費(fèi)較少的情況下，如果大量增加常規(guī)化儀器、儀表的配置，學(xué)校財(cái)力難以支付。又因?yàn)榛A(chǔ)實(shí)驗(yàn)室是面向所有工科專業(yè)，任務(wù)異常繁重，實(shí)驗(yàn)室常常只能應(yīng)付學(xué)生按教學(xué)大綱要求做一些最簡(jiǎn)單的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)去反復(fù)熟悉常用儀器儀表的使用，更很少有機(jī)會(huì)做設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，這對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，加強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力都十分不利。虛擬儀器的出現(xiàn)很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。在虛擬儀器系統(tǒng)中，用計(jì)算機(jī)靈活強(qiáng)大的軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些部件，用人的智力資源代替許多物質(zhì)資源，通過(guò)一組軟件和硬件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所不具備的基礎(chǔ)上形成虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室相比，虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室具有以下優(yōu)勢(shì)。（1）減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備資金的投入。首先，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上就可以實(shí)現(xiàn)諸如示波器、函數(shù)發(fā)生器、電壓表、頻譜分析儀器的功能，大大節(jié)約了儀器成本。其次，傳統(tǒng)儀器維護(hù)費(fèi)用高，需要耗費(fèi)大量的人力物力。（2）虛擬儀器基于軟件的體系結(jié)構(gòu)大大節(jié)省了開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。過(guò)程控制是在現(xiàn)代檢測(cè)過(guò)程中不可缺少的一部分，作為自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，必須了解過(guò)程控制，掌握整個(gè)系統(tǒng)的功能，會(huì)分析其各項(xiàng)參數(shù)。但許多生產(chǎn)過(guò)程都具有危險(xiǎn)性，而且作為學(xué)生，目前還沒(méi)有條件到工廠中了解整個(gè)過(guò)程。在這種情況下，過(guò)程控制平臺(tái)的開(kāi)發(fā)就具有了一定的意義，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，可以讓同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)操作計(jì)算機(jī)仿真軟件了解整個(gè)過(guò)程，運(yùn)行機(jī)制。 研究?jī)?nèi)容與方法 研究?jī)?nèi)容與方法研究?jī)?nèi)容：掌握LabVIEW軟件的使用方法，掌握相關(guān)傳感器性能、使用方法及轉(zhuǎn)換電路原理，掌握無(wú)線通信技術(shù)。以LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)基于LabVIEW《現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)》導(dǎo)學(xué)平臺(tái)。研究方法：（1）信號(hào)模擬：利用LabVIEW圖形化控件模擬傳感器采集信號(hào)過(guò)程。（2）信號(hào)調(diào)理：LabVIEW函數(shù)選板上提供了很多信號(hào)處理函數(shù)，利用這些函數(shù)可以方便地對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，加窗等分析處理。（3）信號(hào)分析：信號(hào)分析包括時(shí)域分析和頻域分析。時(shí)域分析函數(shù)主要有直交流成分檢測(cè)、卷積、逆卷積、相關(guān)分析、微分、積分、門限檢測(cè)等。頻域分析是數(shù)字信號(hào)處理中最常用、最重要的方法，頻域分析函數(shù)被劃分為兩個(gè)面板，一個(gè)是變換面板，該面板實(shí)現(xiàn)的函數(shù)功能主要有傅里葉變換、小波變換、拉普拉斯變換等，另一個(gè)是譜分析面板，該面板所包含的函數(shù)主要包括功率譜分析、聯(lián)合時(shí)域分析等[6]。2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具概述 虛擬儀器概述虛擬儀器（virtual instrument）是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與功能化硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可通過(guò)友好的圖形界面來(lái)操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)單個(gè)儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)試量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。與傳統(tǒng)儀器一樣，如果忽略它的跨網(wǎng)絡(luò)的位置透明性，它同樣劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、顯示結(jié)果三大功能模塊。圖1反映了常見(jiàn)的虛擬儀器組建方案。圖1 虛擬儀器系統(tǒng)資料來(lái)源：[DB/OL].. 虛擬儀器的功能及特點(diǎn)虛擬儀器利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器價(jià)格，使用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。虛擬儀器廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、電力工程、醫(yī)療、溫度檢測(cè)、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷用教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。虛擬儀器最常見(jiàn)的應(yīng)用是取代傳統(tǒng)的臺(tái)式儀器。隨著插入式數(shù)據(jù)采集板速率的提高和觸發(fā)技術(shù)的改進(jìn)，插入式數(shù)據(jù)采集板技術(shù)使臺(tái)式儀器獲得了新生。在虛擬儀器所取代的儀器中，最常見(jiàn)的是示波器。通過(guò)利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件編制出的虛擬儀器程序，用戶可以調(diào)整數(shù)據(jù)采集板的動(dòng)作，使軟件就像一臺(tái)示波器一樣顯示輸出的波型，同時(shí)虛擬示波器還可以進(jìn)行許多分析工作。（1）豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器將信號(hào)分析、顯示、存儲(chǔ)、打印和其他管理集中交由計(jì)算機(jī)來(lái)處理，充分利用了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、傳輸和發(fā)布能力，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活和簡(jiǎn)單。（2）突出“軟件就是儀器”的新概念。傳統(tǒng)儀器的某些硬件在虛擬儀器中被除數(shù)軟件所代替，由于減少了許多隨時(shí)間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn)化總線的使用，使儀器的測(cè)量精度、測(cè)量速度和可重復(fù)性都大大提高。（3）儀器由用戶自己定義。虛擬儀器通過(guò)提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫(kù)，可以很方便地修改儀器功能和面板，設(shè)計(jì)儀器的通信、定時(shí)器和觸發(fā)器功能，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用的連接，給了用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。（4）開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。虛擬儀器硬件和軟件都制定了開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此用戶可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使資源的可重復(fù)利用率提高，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，生產(chǎn)、維護(hù)和開(kāi)發(fā)費(fèi)用降低。（5）便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好。虛擬儀器既可以作為測(cè)試儀器獨(dú)立使用，又可以通過(guò)高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜的分布測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試、監(jiān)控與故障診斷。此外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)約儀器購(gòu)買和維護(hù)費(fèi)用[7]。 虛擬儀器技術(shù)的四大優(yōu)勢(shì) （1）性能高虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析[8]。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。 （2）擴(kuò)展性強(qiáng)NI的軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再圈束于當(dāng)前的技術(shù)中。得益于NI軟件的靈活性，只需更新您的計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)您的整個(gè)系統(tǒng)。在利用最新科技的時(shí)候，您可以把它們集成到現(xiàn)有的測(cè)量設(shè)備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時(shí)間[9]。 （3）開(kāi)發(fā)時(shí)間少在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。NI設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使您輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)