基于LabVIEW的虚拟测试实验教学系统

郑红梅，梅加化，韩方强

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009)

基于LabVIEW的虚拟测试实验教学系统

郑红梅，梅加化，韩方强

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009)

测试系统以LabVIEW作为开发平台，研究内容包括:信号的产生、信号的分析处理以及案例分析。概述了系统的结构框架和主程序设计，以及PCI－9111HR数据采集卡的安装和虚拟信号发生器。叙述了信号分析处理部分的功能;最后通过了两个虚拟仪器实例证明，降低了实验成本，提高了利用率。

测试技术;LabVIEW;数据采集卡;虚拟仪器

虚拟仪器技术是由美国国家仪器公司(National Instruments，NI)在1986年提出的一种构成仪器系统的新概念;是用通用计算机硬件加上软件来仿真传统测量仪器的设备，是以测量、分析、显示为主，控制为辅的先进科学仪器［1］。同时，美国国家仪器公司还推出了用于虚拟仪器开发的工程软件包LabVIEW，一种基于图形化编程语言(Graphics Language，G语言)的测试系统软件开发平台。虚拟仪器应用到实验教学中，一方面可以使教学更加生动形象，学生更容易理解课本中枯燥、抽象的公式。另一方面可以用于代替传统的实验仪器，建立虚拟实验室，降低测试实验成本，便于软硬件资源的共享，以提高仪器使用效率［1］。

1 虚拟测试实验教学系统组成

实验教学环节对学好课程至关重要。学生通过验证性实验和综合性实验，理解和掌握学科理论知识，获得综合测试技能和实验能力，并初步具有处理实际测试工作的能力。文中针对高校实验教学，以LabVIEW为平台开发出了一款虚拟系统结构如图1所示。

图1 测试系统结构框图

虚拟仪器主界面前面板如图2所示，主要实现功能包括:信号的产生、信号的处理和分析以及案例分析。主界面框图程序主要是以生产消费循环结构为基础，如图3所示，首先根据前面板所示的需求，在生产循环部分依次添加数据采集、信号的处理、信号的分析程序;然后再添加动态载入VI(Virtual Instrument)的程序，插入所需要动态载入的子VI;最后在消费者循环部分建立信号的记录、存储和回放程序，并仔细修改完善，使程序运行成功。

2 信号的产生

系统包括两种获取信号的方法:数据采集和虚拟信号发生器。

2.1 数据采集

数据采集是虚拟仪器获取真实世界信息的核心，数据采集卡是连接它们的桥梁。本系统是基于凌华PCI－9111HR多功能数据采集卡设计而出，能够采集信号的同时，还可以对采集到的数据进行保存和回放。凌华PCI－9111HR采集卡的基本功能参数［2］如表1所示。

表1 凌华PCI－9111HR采集卡基本功能参数表

2.2 虚拟信号发生器

虚拟信号发生器在仿真实验中的应用广泛，是多种自主性实验所需的信号源。文中设计的虚拟信号发生器如图4所示，将两个基本函数发生器、噪声波形、公式波形合并后进入选择信号功能中，通过选择器输入开关来控制各信号的通断。包括以下功能:

(1)通用多功能信号源。主要包括多种常用信号波形，如正弦波、方波、三角波、锯齿波等，并且信号的幅值、频率、相位、偏移量等参数可以由用户自定义和控制。

(2)叠加信号源。由两个通用多功能信号叠加而成。

(3)噪声信号源。主要包括高斯白噪声、均匀白噪声、泊松噪声和周期性随机噪声等。

(4)用户自定义公式信号发生器。用户按照给定的计算公式产生特殊规律的周期信号。

图4 虚拟信号发生器

3 信号处理和分析

3.1 信号处理

测试工作的目的是获取反映被测对象的状态和特征信息。但有用信号总是与各种噪声混杂在一起，且不明显，难以直接识别和利用。只有分离信号与噪声，经过必要的处理之后，才能较为准确地提取信号中的有用信息。

信号处理可基于硬件，也可基于软件。主要包括:信号放大、加窗处理、滤波、消除零点误差及零漂、调制与解调等。测试系统在信号处理模块，设计了信号的数字滤波处理，其前面板如图2所示。在一个条件结构中，加入无、低通、高通、带通、平滑5个分支条件，然后从“Express”“信号分析”模块里选取滤波器函数放在后4个分支条件中，双击滤波器函数弹出属性窗口，从类型中选取与分支条件一致的滤波器，再添加截止频率输入控件，如图5所示。

图5 数字滤波器框图程序

3.2 信号分析

测试数据分析是测试工程学的核心部分，现代测试工程要求利用科学的分析方法，从测试数据中得到更深层次的信息，以便为最终做出正确可信的判断提供数据依据。测试系统在信号分析模块，重点设计了信号的几何分析、频域分析、相关分析，前面板如图2所示。

信号分析的框图程序是在条件结构中添加几何分析、频域分析、相关分析3个分支条件，然后在每个条件窗口下添加相应的分析函数程序，如图6所示。

图6 信号分析框图程序

4 案例分析

4.1 案例分析模块介绍

为使整个测试系统不至于出现编程繁冗、可读性差等情况，本测试系统特别将信号的产生、处理和分析部分内容安排到案例分析模块。有助于加深理解测试技术，对于高校学生进行虚拟仪器的创新设计，具有示范作用。

测试系统的案例分析模块介绍了窗函数比较、信号调幅、提取正弦波形、拼接信号4个案例，如图7(b)所示。

4.2 提取正弦波信号

该实例能够在一个混合信号中，提取出正弦波信号，如图7所示。首先通过高通过滤均匀噪声序列生成高频噪声，将正弦波和带限噪声相加，如图7(a)前面板的滤波前波形;然后通过低通过滤噪声信号提取正弦波形，如图7(a)前面板的滤波后波形。设计编程如图7(b)程序框图所示。

图7 提取正弦波信号

4.3 拼接信号

图像的拼接技术已经成为图像处理、计算机图形学等诸多学科中的研究热点。文中研究的拼接信号是通过接入不同的“输入信号”，然后采取3种不同的方式将信号首尾相连，其框图程序如图8(b)所示。主要功能包括:

(1)输入信号B未连接，即只连接输入信号A，则Express VI将信号A中的各个信号拼接起来，首尾相连组成一个信号，如图8(a)所示。

(2)输入信号B连入一个信号，则这个信号将被拼接到输入信号A中每个信号的尾部。

(3)输入信号A和输入信号B都包含多个信号，则将信号B中第一个信号拼接到信号A中第一个信号的尾部，信号B中的第2个信号拼接到信号A中第2个信号的尾部。

图8 拼接信号

5 结束语

设计的虚拟实验教学测试系统，可以采集外部信号进行数据处理和分析，也可通过软件本身产生虚拟信号来分析处理，系统中还给出了4个典型的范例来进行演示和说明，值得在实验教学中应用和推广。利用已有的计算机资源，结合虚拟仪器软件LabVIEW，建立起虚拟实验室，不仅降低实验设备的成本，提高了利用率，而且能够启迪学生们的创新思维，设计出独创新颖的虚拟仪器程序，提高了实验教学效果。

［1］李江全.虚拟仪器设计测控应用典型实例［M］.北京:电子工业出版社，2010.

［2］北京华创至诚科技有限公司.凌华PCI－9111HR采集卡的基本功能参数［M］.北京:北京华创至诚科技有限公司，2012.

［3］戴鹏飞，王胜开，王格芳，等.测试工程与LabVIEW应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［4］熊诗波，黄长艺.机械工程测试技术基础［M］.北京:机械工业出版社，2006.

［5］龙脉工作室，岂兴明，周建兴，等.LabVIEW8.2中文版入门与典型实例［M］.2版.北京:人民邮电出版社，2010.

［6］杨乐平.LabVIEW高级程序设计［M］.北京:清华大学出版社，2003.

［7］谢启，刘妍，陆建明，等.多功能数字滤波器的设计与应用［J］.实验科学与技术，2008，6(2):18 －20.

［8］王莹，李华晋，刘鸣.基于LabVIEW的测控电路实验教学仿真［J］.实验室科学，2010，13(3):116 －118.

［9］陈燕，刘哲，郑宾.基于LabVIEW的测试信号预处理方法研究［J］.实验科学与技术，2008，27(10):4 －5.

［10］陈晴，陈林，张志.基于虚拟仪器的开放式虚拟实验室系统的研究和实现［J］.电子测量技术，2007，30(4):109－112.

［11］周文委，王涌，金燕.虚拟仪器技术及其教学应用［J］.浙江工业大学学报，2008，35(1):69 －72.

Virtual Test Experimental Teaching System Based on LabVIEW

ZHENG Hongmei，MEI Jiahua，HAN Fangqiang
(School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China)

This testing system is based on LabVIEW.This study covers signal generation，signal analysis and processing，and case studies.First，the structural frame of this system and the design procedure of main programs are simply summarized;then the installation steps of the PCI-9111HR DAQ card and virtual signal generator are explained in detail，and the functions of signal analysis and processing are described.Finally，two examples about the virtual instrument is given，and the design process and the results are analyzed.It is shown that this system can lower the experimental cost and improve utilization ratio.

test techniques;LabVIEW;DAQ card;virtual instrument

TP391.98

A

1007－7820(2012)08－107－04

2012-03-06

合肥工业大学大学生创新性实验计划基金资助项目(cxsy10007)

郑红梅(1966—)，女，教授，博士。研究方向:机械动态性能，振动控制，动态测试分析，等。梅加化(1987—)，男，硕士研究生。研究方向:数字化设计及现代设计理论。韩方强(1988—)，男，本科。研究方向:机械制造及其自动化。