王雷濤 朱靜 鳳翔麗 李兵

摘要：為了實現(xiàn)實驗教學對實際測量場景的替代，該文以航空器剪應力傳感器為例，對虛擬傳感器開發(fā)與應用進行了說明。實踐證明，引用基于LabVIEW的虛擬傳感器，通過數(shù)據(jù)輸出卡，為《數(shù)據(jù)采集與處理》實驗課提供真實的傳感器數(shù)據(jù)源，解決目前實驗課無法提供多樣傳感器數(shù)據(jù)源問題。此外，建設基于LabVIEW的虛擬傳感器實驗室節(jié)約建設成本，為更改傳統(tǒng)實驗室提供了新思路，同時，也為測量儀器的標定與校驗提供了新方法。

關鍵詞：虛擬傳感器；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；實驗教學

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）04-0261-02

Abstract： In order to realize the substitution of experimental teaching for the actual measurement scene， this paper takes the aircraft shear stress sensor as an example to illustrate the development and application of virtual sensor. It has been proved in practice that the virtual sensor based on LabVIEW is used to proved the experimental class of “date acquisition and processing” through the date output card， so as to solve the problem that various sensor date source cannot be provided in the experimental class at present. In addition， the construction of virtual sensor laboratory based on LabVIEW saves construction cost， provides a new idea for changing the traditional laboratory， and also provides a new method for calibration and calibration of measuring instruments.

Key words： virtual sensor； LabVIEW； data acquisition； experiment teaching

《中國制造2025》已經(jīng)全面部署及實施，企業(yè)也逐漸從勞動密集型轉(zhuǎn)向技術密集型，這對高等院校辦學理念提出了新要求[1]，企業(yè)需要高素質(zhì)，高技能，深度介入行業(yè)背景的精英人才，學生也迫切需要與企業(yè)需求更加切合的專業(yè)領域教育，以此提高他們的就業(yè)競爭力，因此，建設具有特性鮮明，行業(yè)背景清晰的高等院?？滩蝗菥彙?/p>

集中授課作為學校培養(yǎng)模式的重要手段，課改任務必須與行業(yè)對接，在課程中引用現(xiàn)有技術載體是實現(xiàn)對接的重要手段。

1 傳感器在《數(shù)據(jù)采集與處理》課程中的定位

數(shù)據(jù)采集作為獲取信息的工具，在國民經(jīng)濟的各個領域，如核電、石化、冶金、航空航天、機械制造等方面有著非常重要的地位，數(shù)據(jù)采集（Data acquisition）是信息科學的一個重要分支，是以傳感器、信號的測量與處理、微型計算機等先進技術為基礎而形成的一門綜合應用技術，其實用型很強[2]。

傳感器作為數(shù)據(jù)采集的主要對象，其特性與數(shù)據(jù)形輸出形式是數(shù)據(jù)采集課程分析與處理的關鍵因素，尤其是在實訓課程中，數(shù)據(jù)采集沒有傳感器的數(shù)據(jù)作為支撐，對其后續(xù)的處理方法與結(jié)果分析都無法實質(zhì)性驗證，更無法探究優(yōu)劣方案，嚴重影響學生學習興趣。因此，能夠提供多樣的傳感器類型與可變的物理數(shù)據(jù)是充實《數(shù)據(jù)采集與處理》課程關鍵。

2 航空傳感器實驗室困境

航空傳感器具有種類多，結(jié)構(gòu)復雜，輸出信號標準不統(tǒng)一等特點，比如民用飛機主要的傳感器有：空速管、靜壓孔、溫度、失速傳感器、陀螺儀、迎角傳感器、接地傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器等大約有2000～4000個傳感器，并且需要能在-60℃～+50℃正常工作。從實驗室建設的角度，如此之多的傳感器沒有提供實物的可能，與此同時，絕大多數(shù)傳感器，比如空速管、失速傳感器、氣壓傳感器等，在實驗室環(huán)境下，若要提供飛機上的測量變量，困難重重；此外，傳感器智能化發(fā)展是傳感器的重要發(fā)展方向，目前，在航空領域，已開發(fā)出基于CAN總線的傳感器[4]，技術更新、發(fā)展迅速也是其實驗室服務周期更短；再有，航空傳感器因軍標審核嚴，質(zhì)量把控環(huán)節(jié)多，加工工藝復雜，批量小等諸多因素，采購價格遠高于民品級，再因保密周期長，建設多樣的航空傳感器實驗室異常困難。

3 虛擬傳感器組建

虛擬傳感器是基于虛擬儀器技術的傳感器，虛擬儀器由美國國家儀器（NI）主導開發(fā)，其LabVIEW軟件為主要開發(fā)環(huán)境，利用計算機強大的圖形環(huán)境，采用可視化圖形的圖形編程語言，在計算機上建立圖形化面板代替常規(guī)傳統(tǒng)儀器面板[3]，為現(xiàn)有的測量、數(shù)據(jù)采集與輸出提供了新思路。

虛擬傳感器組建的主要思路是，首先獲取傳感器測量數(shù)據(jù)，其方法是將物理傳感器搭載真實測試環(huán)境，經(jīng)信號調(diào)理后，使用數(shù)據(jù)采集卡將傳感器數(shù)據(jù)存貯至PC，如圖1；虛擬傳感器使用LabVIEW軟件調(diào)取所保存的數(shù)據(jù)，通過加載噪聲源等信號處理，模擬真實干擾信號，再通過數(shù)據(jù)輸出卡進行傳感器信號輸出，輸出信號再經(jīng)過信號變換處理，模擬真實傳感器輸出量，其組建流程如圖2。

4 虛擬傳感器案例

本案例采用航空器上的剪應力傳感器作為虛擬傳感器開發(fā)對象，選用的是美國國家儀器（NI）的基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡USB-6210。該采集卡分辨率為16位，最大采集頻率250kS/s，模擬輸入通多16路，可滿足一般模擬傳感器的數(shù)據(jù)采集任務。為保障數(shù)據(jù)有效性，本案例采用差分多通道輸入，并同步采集五路傳感器數(shù)據(jù)作為航行器不同位置剪應力數(shù)據(jù)，在輸出時，可選用不同傳感器作為多個應用場景。DAQAssistance為數(shù)據(jù)采集的快速VI，在LabVIEW軟件中調(diào)用此VI，可快速對USB-6210進行采集參數(shù)編輯，免去了低級程序的編寫。極大地縮減了采集程序的開發(fā)時間，調(diào)用格式化寫入文件VI可將采集數(shù)據(jù)存入Excel表格，作為后續(xù)輸出數(shù)據(jù)源，其LabVIEW人機交互界面如圖3，五通道剪應力數(shù)據(jù)采集至Excel程序如圖4。

虛擬傳感器硬件選用泛華測控的PS PXI-3381數(shù)據(jù)卡作為模擬信號輸出卡，3381模擬輸出卡具有32路同步模擬輸出能力，16bit的分辨率，每個通道可獨立配置電壓輸出或電流輸出，其通道多、配置資源較豐富，可滿足應用需求，此外，3381基于PXI總線傳輸協(xié)議，使用時，需另配備PXI機箱，PXI規(guī)范于1998年發(fā)布，繼承PCI的電氣信號，擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸能力，同時，也具備更加牢靠的機械外殼與高性能的連接器特性，方便實驗室擴展與使用，本案例選用泛華測控PS PXI-9108機箱，泛華測控擁有獨立的驅(qū)動及VI，對其硬件進行任務配置，開發(fā)前需安裝泛華PS-DAQ驅(qū)動。剪應力虛擬傳感器軟件流程如圖5，在啟動軟件后需配置硬件、設置輸出參數(shù)、加載傳感器數(shù)據(jù)源、加載噪聲特性、讀取數(shù)據(jù)并輸出，其人機交互界面如圖6。本案例采用PS-DAQ-創(chuàng)建模擬電壓通道VI配置數(shù)據(jù)輸出通道、PS-DAQ-采樣時鐘VI對3381輸出卡輸出數(shù)據(jù)進行定義，PS-DAQ-重生通道VI對輸出數(shù)據(jù)循環(huán)模式進行定義，其實現(xiàn)程序如圖7。

5 結(jié)束語

分析了目前高等院校傳感器硬件資源建設的困難，提出了基于LabVIEW軟件實現(xiàn)虛擬傳感器的方案，并通過航空器剪應力傳感器的虛擬傳感器制作，對虛擬傳感器的方案進行了說明，為《數(shù)據(jù)采集與處理》實驗授課提供了新辦法，此外，建設成本低，容易實現(xiàn)為建設傳統(tǒng)傳感器實驗室提供了新思路，同時，也為測量儀器的標定與校驗提供了新方法。

參考文獻：

[1] 改玲，陳雪峰，陳花玲，等.面向“中國制造2025”工程實踐人才培養(yǎng)模式的改革思考[J].高校實驗室工作研究，2018（2）：108-110.

[2] 陳多芳.《數(shù)據(jù)采集與處理》仿真實驗教學研究[J].教育教學論壇，2016（20）：263-264.

[3] 宋佩利，趙春祥，連蓉.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化，2018，8（3）：43-46+48.

[4] 韓梅.航空轉(zhuǎn)速傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2017，30（5）：135-137.

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