LabVIEW在机械工程测试教学中的应用研究

朱银龙，杨雨图，缑斌丽，刘 英

(南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

LabVIEW在机械工程测试教学中的应用研究

朱银龙，杨雨图，缑斌丽，刘 英

(南京林业大学 机械电子工程学院，江苏 南京 210037)

为解决传统的硬件实验受实验时间、场地和学校投入等因素限制较大的难题，利用高性能的模块化硬件结合灵活高效的软件，将LabVIEW应用于机械工程测试的教学中以满足各种测试和控制的需要。以凌华USB数据采集卡为硬件平台，利用LabVIEW 8.6编制软件搭建信号采集与分析系统。该系统包含3个模块：信号的采集、数据存储和调用以及信号的时频域分析模块。最后，利用信号发生器作为信号源进行数据采集试验,验证了该数据采集系统的性能，证明了该系统的可行性和实用性。

虚拟仪器；LabVIEW；频谱分析；测试技术

“机械工程测试”课程对于机械工程专业的学生而言是一门实用性较强、知识涉及面较广的专业基础课。该课程对后续课程的学习起到承接作用，然而许多高校的机械工程专业没有开设“复变函数”和“信号与系统”这两门基础课程，这样就使得学生在学习“机械工程测试”这门课的时候存在较大的困难。为了使学生通过“机械工程测试”这门课学习到扎实的测试基础理论知识，并具备将理论知识应用到生产实践中的能力，则如何增强这门课的教学效果就是解决问题的关键。

在诸多教学手段中，实验环节是理论教学的有益补充，因此实验课程受到各高校的高度重视。然而，近年来由于实验室建设滞后于高校扩招，导致实验教学受到教学时间、教学场所、实验室投入和人员条件等因素的限制，教学成效受到很大影响。这在客观上造成实验教学与理论教学相辅相成的教学初衷难以实现。而将虚拟仪器应用到教学环节中，不仅能极大改善这种情况，还有利于学生对理论知识的掌握。将虚拟仪器与机械工程测试教学有机地结合在一起，可以显著降低实验设备投资，同时还可以培养学生的工程素质。

1 信号采集与处理平台的搭建

“机械工程测试”课程的实验部分需要学生掌握各种常见信号产生、处理以及传输变换过程，这一部分内容相对比较抽象，学生较难理解。采用虚拟仪器，可以直观、生动、形象地展示抽象的理论内容，提高教学质量和效率。信号采集平台的搭建有多种方法，常见的是采用VXI、PXI、GPIB、PCI等硬件设备与LabVIEW软件相集合的方法[1]，近年来也有高校利用声卡作为简单的信号采集设备[2-3]，但是考虑到声卡采样范围窄的缘故，这里采用综合性能较高且扩展性强的USB数据采集卡。

根据系统设计的主要指标要求，系统硬件选用凌华公司的USB系列数据采集卡USB-1902，它具有USB2.0高速传输、16路单端/8路差分、电压输入、最大采样率(单通道)250kHz，且更新频率达到1MHz模拟输出，模拟输出模式为程序控制I/O、连续模式(USB批量传输模式)2种。此外可自定义Device ID的设计，便于用户辨别目前操作中的USB DAQ装置。利用凌华公司提供的LabVIEW环境下的操作函数对采集卡进行初始化，然后按照设置参数进行数据采集，并将采集到的信号送入计算机中。在编制的仪器面板上，可以显示采集到的信号波形以及波形的其他参数。

2 系统功能介绍

图1所示为系统的整体结构框图。数据采集系统分为信号采集和处理2个部分，其中信号采集又包含了采集、存储、回放和调用4个部分；信号处理分为加窗、滤波、时域和频域的分析。

图1 系统的整体结构框图

数据采集过程分为3步[4]：(1)初始化/配置采集卡；(2)采样设置；(3)释放采集卡。利用ADLINK DAQ Pilot函数库进行数据采集程序的编写，使用函数设置系统参数启动采集卡，执行数据采集功能。数据采集模块中，在完成设备号、通道口等参数的设置之后，启动数据采集卡采集信号。采集到的数据经过数模转换保存到FIFO缓存上，并传送到计算机的内存中。然后系统软件通过读取内存将数据显示为波形图，再通过分析处理程序进行数据的处理。数据采集程序框图如图2所示。

图2 数据采集程序框图

系统界面主要由“数据采集”、“数据调用”、“滤波分析”、“时域分析”和“频域分析”5个子模块构成，通过Tab Control控件不同选项触发事件结构来选择不同子模块。信号模块的前面板设计如图3所示。

时域分析模块对信号进行时域分析，分为信号参数测量、信号自相关和信号互相关分析3个部分，该模块程序设计框图如图4所示，主要完成信号的算术平均值、均方根值、方差的测量和显示。

图5所示为频率10Hz、幅值1的正弦信号施加幅值为0.2的白噪声后的波形，设定采样率1 000Hz，采样1 000点，分析其自相关波形。

图3 凌华USB-1902数据采集系统设计界面

图4 时域分析程序框图

图5 正弦波信号添加噪声后自相关分析

在对信号进行采样处理时，容易因为外在因素等原因产生噪声信号，导致信号失真，因此需要用滤波技术消除这些噪声。在信号分析之前加入滤波器，在其后利用“Scaled Window”节点进行加窗处理，其主要目的是平滑截断出不连续的变化并减少泄漏。提供如“Hamming”、“Hanning”、“Blackman-Harris”等[5]19种窗函数供用户结合实际需要使用，然后对滤波、加窗后的信号进行频谱分析，图6所示为正弦波的频谱与相位谱。

3 试验验证

在测试过程中，所使用的设备有1台计算机、2台信号发生器以及凌华USB-1902数据采集卡。测试系统如图7所示。

图6 频率为25kHz的正弦波的幅频与相频

图7 测试系统设备

在实验过程中，采用2个信号发生器作为信号源，输出模拟信号(正弦波、三角波、方波)，设置数据采集卡的1，2通道采集输入的模拟信号，同时改变信号发生器输入信号的波形种类和频率，发出不同的信号，通过观察数据采集界面上显示的采集信号与输入信号的一致性，验证数据采集系统的正确性。

图8所示为数据采集卡不同通道口所产生的正弦波、方波，采集面板显示的波形与信号发射器给出的波形信号一致。多次数据采集试验均证明了搭建的数据采集与分析系统的可行性。

图8 双通道测试结果

4 结束语

由文中实例可以看出，将LabVIEW用于机械工程测试课程的教学实验和设计中，可以使得学生能在较短的时间内开发出相对比较复杂的数字信号处理程序。由此可知，LabVIEW这门图形化编程语言可以帮助学生将书本上的理论知识快速转换成相对容易理解且直观性很强的图形编程语言[6]。此举不仅便于学生理解复杂的书本知识，还有利于提高学生的学习兴趣。

[1] 郑对元. 精通LabVIEW虚拟仪器程序设计[M]．北京：清华大学出版社，2012.

[2] 程雪敏. 基于LabVIEW信号分析系统的设计[D]．苏州：苏州大学，2008.

[3] 祁雪梅，潘冬明. LabVIEW在数字信号处理教学中的应用[J]．现代电子技术，2006，29(14)：152-153.

[4] 赵桂艳. 基于虚拟仪器技术的语音信号分析仪的设计研究[D]．长春：长春理工大学，2002.

[5] 曹玲芝. 现代测试技术及虚拟仪器[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004.

[6] 梁秀英. 构建机电工程类创新实验教学平台的探索[J]．实验室科学, 2007, 5 (10) ：29-30.

ApplicationofLabVIEWintheTeachingofMechanicalEngineeringMeasurementTechnology

ZHU Yinlong, YANG Yutu, GOU Binli, LIU Ying

(Nanjing Forestry University, Jiangsu Nanjing, 210037, China)

The Time, area and large cost in experimental teaching must be devoted to purchasing traditional instrument seriously restrict. In order to solve this problem, it applies LabVIEW in teaching activity and combined the hardware experiment with virtual experiment. For example, it realizes the time frequency analysis of signal in LabVIEW. Instrument panel and program chart of LabVIEW that illustrates the characteristic of virtual experiment teaching are listed, which show LabVIEW can provide a new manner for experiment teaching.

Virtual Instrument; LabVIEW; Frequency Spectrum; Measurement Technology

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.014

2014-06-09

中国博士后科学基金资助项目(2013M541678)；南京林业大学实验教学专项课题资助项目(201314)

朱银龙(1981—)，男，江苏东海人，南京林业大学讲师，博士后，主要研究方向为数据采集、传感器技术。

TP391.9

B

2095-509X(2014)07-0061-04