李鵬 黃再輝 白娜

收稿日期：2023-05-16

基金項目：2022年桂林電子科技大學(xué)海洋工程學(xué)院優(yōu)質(zhì)本科課程建設(shè)項目（HYJ15009）；2021年廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項目（2021JGA183）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.016

摘? 要：為提升應(yīng)用本科機電專業(yè)學(xué)生智能傳感應(yīng)用能力，設(shè)計傳感器檢測虛擬實驗平臺。提出基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺及實驗方法，在LabVIEW-VISA應(yīng)用設(shè)計基礎(chǔ)上搭建了傳感器檢測虛擬實驗平臺整體架構(gòu)；設(shè)計了傳感器實驗箱、myDAQ便攜式測量、萬用表、應(yīng)變式傳感器等主要硬件；進行了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、輸出模塊及信號處理電路等軟件設(shè)計，利用信號處理電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)在平臺中的雙通道傳輸，實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。結(jié)果表明，設(shè)計的傳感器檢測虛擬實驗平臺實驗驗證靈敏度高、線性誤差小，有利于提高人才實踐動手能力培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW-VISA；傳感器檢測；虛擬實驗平臺；信號處理電路

中圖分類號：TP274；TP212? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）07-0067-06

Design of Virtual Experiment Platform for Sensor Detection Based on LabVIEW-VISA

LI Peng， HUANG Zaihui， BAI Na

（School of Ocean Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Beihai? 536000， China）

Abstract： In order to improve the application ability of intelligent sensor for undergraduate students majoring in Mechanical and Electrical Engineering， a virtual experiment platform for sensor detection is designed. A virtual experiment platform and experiment method for sensor detection based on LabVIEW-VISA are proposed. Based on LabVIEW-VISA application design， the whole structure of virtual experiment platform for sensor detection is built， and the main hardware such as sensor experiment box， myDAQ portable measurement， multimeter and strain sensor are designed. The software of data acquisition module， data processing module， output module and signal processing circuit are designed， and the dual-channel data transmission in the platform is realized by the signal processing circuit. The results show that the designed virtual experiment platform for sensor detection has high sensitivity and small linear error， which is helpful to improve the practical ability of talents.

Keywords： LabVIEW-VISA; sensor detection; virtual experiment platform; signal processing circuit

0? 引? 言

傳感器檢測課程是當(dāng)前應(yīng)用本科機電專業(yè)朝智能制造方向拓展的重要基礎(chǔ)課程，需要給學(xué)生提供能切實加以實踐應(yīng)用的課程實驗條件，有利于滿足線上-線下一體化課程教學(xué)需求。當(dāng)前國內(nèi)大部分高等院校傳感器實驗室中儀器都無法滿足教學(xué)需求、功能不完善，利用計算機軟件技術(shù)的虛擬實驗可有效解決高等院校專業(yè)實驗室面臨的問題[1]。LabVIEW-VISA虛擬儀器軟件系統(tǒng)具有維護簡單、調(diào)試方便和容易掌握等優(yōu)點，系統(tǒng)中存在大量的功能模塊。LabVIEW-VISA中存在的圖形輸入接口可以符合用戶的使用需求，并降低傳感器檢測虛擬實驗平臺的維護費用和開發(fā)費用[2]。

叢叢[3]等人結(jié)合虛擬現(xiàn)實、3D建模等技術(shù)搭建虛擬實驗平臺，平臺由自動考評模塊、教學(xué)模塊、全場景漫游模塊和訓(xùn)練模塊構(gòu)成。徐雪萌[4]等人在目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)理念的基礎(chǔ)上設(shè)計虛擬實驗平臺的體系，結(jié)合主義學(xué)習(xí)理論和學(xué)習(xí)經(jīng)歷在平臺中設(shè)計學(xué)習(xí)環(huán)境和實驗內(nèi)容。

在上述方法的基礎(chǔ)上，提出基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺設(shè)計方法，

1? 基于LabVIEW-VISA的實驗平臺設(shè)計

1.1? LabVIEW-VISA簡介

LabVIEW-VISA是虛擬儀器軟件開發(fā)工作臺，LabVIEW-VISA可創(chuàng)建程序的前、后面板，其中包括菜單、工具條和工具選板[5，6]。

1.1.1? 菜單功能

主菜單中不同選項對應(yīng)的功能如下：

1）主菜單：主菜單中的單選項包括幫助、文件、窗口、編輯、工具、視圖、操作和項目等，不同選項中還存在子菜單，對應(yīng)著若干操作選項。

2）視圖菜單：LabVIEW-VISA中存在的窗口都通過該菜單打開。

3）窗口菜單：框圖與面板在LabVIEW-VISA之間的切換通過窗口菜單完成。

4）幫助菜單：通過該菜單瀏覽框圖和版面中存在的信息，具有訪問在線幫助功能。

1.1.2? LabVIEW-VISA選板

1）工具選板。通過工具選板在LabVIEW-VISA中對被選中的對象實行修改、編輯和操作等功能。如果啟動LabVIEW-VISA之后工具選板沒有處于運行狀態(tài)，用戶可在LabVIEW-VISA中通過ViewlTools Palette選項啟動工具選板。

2）控件選板?？丶x板的主要功能是在程序前面板中設(shè)置控件，并設(shè)置其屬性和樣式。LabVIEW-VISA的控件選板功能較為強大，不同儀器圖表中都包含多種類型的控件。

3）函數(shù)選板。后面板編輯工作通過函數(shù)選板完成，LabVIEW-VISA中存在的函數(shù)功能包括物理和數(shù)學(xué)等科目，功能較為強大，利用上述函數(shù)功能可以完成虛擬儀器的設(shè)計。

1.2? 整體架構(gòu)設(shè)計

基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺由兩部分構(gòu)成，第一部分為實驗網(wǎng)頁資源，第二部分為LabVIEW-VISA實驗平臺，傳感器檢測虛擬實驗平臺的整體架構(gòu)如圖1所示。

傳感器檢測虛擬實驗平臺的資源關(guān)聯(lián)圖如圖2所示。

LabVIEW-VISA是傳感器檢測虛擬實驗平臺的核心，由圖1可知，LabVIEW-VISA實驗平臺由遠程實驗?zāi)K、實驗原理模塊、在線實驗?zāi)K和仿真實驗?zāi)K四部分構(gòu)成，實驗網(wǎng)頁中儲存的相關(guān)資源均可利用LabVIEW-VISA采集得到。將轉(zhuǎn)換實驗箱和傳感器信號檢測設(shè)置在傳感器檢測虛擬實驗平臺中，其主要作用是輔助遠程實驗?zāi)K和在線實驗?zāi)K在平臺中的運行。實驗箱是傳感器檢測虛擬實驗平臺的下位機，傳感器可通過串行通信方式[7，8]在工作狀態(tài)下采集相關(guān)信號，并將其傳輸?shù)缴衔粰C中。

LabVIEW-VISA函數(shù)庫包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、GPIB、數(shù)據(jù)分析和串口控制等。傳感器檢測虛擬實驗平臺的主要目的是獲取目標(biāo)對象的特征、狀態(tài)和性能，因此傳感器檢測虛擬實驗室平臺的首要工作是采集信號，其次是分析信號和處理數(shù)據(jù)。

在教學(xué)過程中可利用虛擬儀器技術(shù)演繹信號濾波、信號合成、信號調(diào)節(jié)、信號分解、信號調(diào)制、加窗函數(shù)、頻域分析和時域分析等，信號分析和信號處理常用的方法包括信號頻譜以及信號傅里葉變換[9，10]等。針對采集信號，傳感器檢測虛擬實驗平臺對其做雙邊FFT和單邊FFT快速傅里葉變換，并在平臺屏幕中顯示處理后的信號，傳感器檢測虛擬實驗平臺的信號分析處理功能框圖如圖3所示。

1.3? 平臺硬件設(shè)計

1.3.1? 傳感器實驗箱

本文采用AC220 V傳感器測試箱輸入電源，額定電流小于等于5 A，功率取50 Hz，可支持四組直流穩(wěn)壓電源，電源輸出分別為±15 V和±5 V。該電源設(shè)計有短路保護模塊，包含差動放大器、音頻信號產(chǎn)生器等部分。同時可提供機械壓力表、數(shù)字電壓表等顯示功能，可滿足實驗功能需求。

1.3.2? MyDAQ便攜式測量和儀器儀表設(shè)備

MyDAQ具有攜帶方便、體積小等優(yōu)點，能有效開展課程的實驗教學(xué)設(shè)計。MyDAQ編寫式測量儀器設(shè)備配備了諸如：動態(tài)信號分析儀、函數(shù)發(fā)生器等很多類型的傳感器實驗相關(guān)儀器。MyDAQ模塊與LabVIEW-VISA軟件進行配套使用，可有效進行功能擴展，如圖4所示。

1.3.3? 萬用表

萬用表具有提供電壓、電阻等數(shù)據(jù)的功能。能夠測量電感、電容等數(shù)據(jù)。萬用表中間的旋鈕旋轉(zhuǎn)至特定位置時，用戶可進行數(shù)據(jù)的讀取。萬用表一般采用與電子筆進行數(shù)據(jù)采集。

1.3.4? 應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變傳感器的組成分為彈性模塊和稱重傳感器。彈性模塊與托盤進行連接，在托盤上不斷地加入解除碼完成對電壓值的核算計量。在彈性體上粘貼金屬箔應(yīng)變片，可測量細小變形導(dǎo)致的電壓和電阻值產(chǎn)生的波動。傳感器采用螺絲固定在板面上，輸出線采用電壓信號將測量值傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最后到計算機中進行數(shù)據(jù)處理。本文采用的彈性模塊為AD-S321。應(yīng)變片型號選用BF350-3aA金屬箔。

1.4? 平臺軟件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計完成后需要對系統(tǒng)內(nèi)軟件進行設(shè)計，軟件設(shè)計是傳感器檢測虛擬實驗平臺的核心部分，基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺設(shè)計方法通過模塊化編程完成軟件的設(shè)計。軟件平臺界面如圖5所示。

軟件平臺通過主控模塊完成調(diào)用，具體包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理及輸出模塊、信號處理電路設(shè)計模塊、調(diào)用模塊。

1.4.1? 數(shù)據(jù)采集模塊

將PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)用于傳感器檢測虛擬實驗室平臺，在VI的基礎(chǔ)上建立多條連續(xù)通道，具有用戶自己設(shè)置采樣數(shù)及采樣頻率的功能，用戶獲取的數(shù)據(jù)均可以通過波形圖得以統(tǒng)計。

1.4.2? 數(shù)據(jù)處理及輸出模塊

該模塊具有顯示波形輸出及數(shù)值的功能，輸入傳感器檢測虛擬實驗平臺的信號屬于脈沖信號，在該模塊中利用LabVIEW-VISA中存在的Filter函數(shù)對脈沖信號實行濾波處理，提高信號頻率的準(zhǔn)確率。

1.4.3? 信號處理電路設(shè)計模塊

該模塊具有放大電路抑制共模信號的功能。當(dāng)微弱信號進入傳感器檢測虛擬實驗平臺的信號處理電路時，利用三運放差動放大處理差模信號，利用低通濾波器對信號實行濾波處理[11，12]，濾除信號中存在的高頻信號。將信號輸入50 Hz陷波器，在實際電路中濾除50 Hz工頻信號，將電壓跟隨器設(shè)置于信號處理電路，完成前后級的隔離。

1）三運放差動放大電路。工程中采用的三運放差動放大器是由放大器A1、A2組成的，該放大器的共模抑制比較高，性能良好，設(shè)Su表示差分電路在放大器中的增益，可通過式（1）計算得到：

（1）

式中，Vi1、Vi2分別表示A1、A2的輸入電壓；V0表示放大電路對應(yīng)的輸出電壓，可通過式（2）計算得到：

（2）

式中，R5表示接入第二級差分放大電路A3中的電阻；Rf表示變阻器；R3表示接入放大器A1輸入端的電阻。

2）二階低通濾波電路。濾波器的分辨能力可通過品質(zhì)因數(shù)W得以衡量，兩者之間呈正比關(guān)系。幅頻響應(yīng)當(dāng)品質(zhì)因數(shù)W的值為0.707時，較為平坦。

設(shè)Sup表示該電路的電壓放大倍數(shù)，其計算公式如下：

（3）

式中，R6、R7均表示放大器接地端存在的電阻。

二階低通濾波電路的傳遞函數(shù)如下[13]：

（4）

式中，C表示輸入端電容；R表示輸入端電壓。當(dāng)電壓放大倍數(shù)Sup的值小于3時，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3）50 Hz陷波電路。50 Hz工頻干擾信號通常存在于微弱的有用信號中，為了消除50 Hz工頻干擾信號，將陷波器設(shè)置在信號處理電路中。陷波器的陷波特性可通過放大器側(cè)端電阻得以調(diào)節(jié)[14，15]。

4）LabVIEW-VISA的應(yīng)用。在LabVIEW中使用VISA是儀器編程的標(biāo)準(zhǔn)I/O API。VISA可控制GPIB、串口、USB、以太網(wǎng)、PXI或VXI儀器，并根據(jù)使用的儀器類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序。用戶不需要學(xué)習(xí)各種儀器的通信協(xié)議。Visa獨立于操作系統(tǒng)、總線和編程環(huán)境。不論使用何種設(shè)備、操作系統(tǒng)和編程語言，都使用相同的API?；贚abVIEW-VISA的操作步驟如下：串口初始化，使用VISA Configure Serial Port.vi [ VISA配置串口]節(jié)點設(shè)置串口的端口號、波特率、停止位、校驗位和數(shù)據(jù)位；讀寫串口。使用VISA讀節(jié)點和VISA寫節(jié)點對串口進行讀寫；關(guān)閉串口，停止所有讀寫操作。

2? 實驗平臺有效性驗證

2.1? 測試環(huán)境

實驗平臺的有效性驗證測試環(huán)境如表1所示。

2.2? 運行性能測試及結(jié)果分析

為驗證基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺設(shè)計方法運行程序的性能測試結(jié)果，進行如下測試。

具體測試流程為：扭動傳感器檢測虛擬實驗平臺中存在的增益旋鈕，在2路信號處理電路中輸入傳感器的微弱電壓信號，通道1表示傳感器檢測虛擬試驗臺的信號處理電路，通道2表示后設(shè)計的信號處理電路。向數(shù)據(jù)采集卡傳送經(jīng)過處理后的2路信號，用計算機可識別的數(shù)字信號代替模擬電壓信號，向計算機輸入處理后的電壓信號，采用LabVIEW-VISA程序采集、保存并處理2路采集的數(shù)字信號，實驗流程如圖6所示。

在增益旋鈕上隨機選用一段位移，分別將通道1和通道2的放大倍數(shù)設(shè)置為10倍和15倍，通道1和通道2的均值分別為3.19、5.14，均方根分別為3.19、5.14，雙通道數(shù)據(jù)采集的波形圖如圖7所示。

測試過程中，通道1與通道2的位移與電壓關(guān)系如表2所示。

增益旋鈕位移增大時的雙通道數(shù)據(jù)電壓變化情況如圖8所示。

采用前述模塊處理數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如圖9所示。可知，所獲得的去程數(shù)據(jù)擬合曲線和回程數(shù)據(jù)擬合曲線與實際實驗結(jié)果基本一致。結(jié)果表明基于LabVIEW-VISA的傳感器檢測虛擬實驗平臺設(shè)計可滿足實驗要求，具有較小的線性誤差和較高的靈敏度。分析誤差產(chǎn)生的原因主要在于人為調(diào)整電壓調(diào)零不準(zhǔn)確或讀數(shù)有一定偏差，此外，實驗儀器也可能產(chǎn)生微小誤差，如電路內(nèi)部、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

3? 結(jié)? 論

應(yīng)用型本科機電專業(yè)人才培養(yǎng)依賴于實驗教學(xué)，針對目前高校存在的傳感器檢測實驗教學(xué)部分在存在很多缺陷與不足，針對傳感器檢測虛擬實驗平臺進行了設(shè)計。本文將LabVIEW-VISA應(yīng)用于傳感器檢測虛擬實驗平臺的設(shè)計中，在LabVIEW-VISA的基礎(chǔ)上設(shè)計了傳感器檢測虛擬實驗平臺整體架構(gòu)；探討了傳感器實驗箱、MyDAQ便攜式測量和儀器儀表設(shè)備、萬用表、應(yīng)變式傳感器等硬件設(shè)計及集合了數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、輸出模塊及信號處理電路在內(nèi)的傳感器檢測虛擬實驗平臺的軟件模塊設(shè)計。研究結(jié)果表明，本文所設(shè)計的虛擬實驗平臺實驗驗證靈敏度高、線性誤差小。有利于提升應(yīng)用本科學(xué)生動手能力培養(yǎng)及課下雙創(chuàng)技能培養(yǎng)，同時也為實驗教學(xué)改革增加了活力和拓展?jié)摿Α?/p>

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作者簡介：李鵬（1982—），男，漢族，山東單縣人，高級實驗師，工學(xué)碩士，主要研究方向：先進制造與檢測技術(shù)。