食品工程测试虚拟实验仪器平台的构建与实践

周颖越 俞骏

摘要：随着我国制造业加速从制造大国转向制造强国，工程测试人员将是实现这一宏伟转向的核心技术人员。作为承担应用型工程技术人才培养的地方高校，提升与改进实验仪器平台是当务之急。

关键词：虚拟实验；仪器平台；模块

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）22-0142-02

作为现代教育重要标志的信息化建设，虚拟仿真实验设备是实现国家教育信息化战略的重要平台和战略基地。地方工科院校以培养工程技术人员的岗位能力为导向，创新构建工程测试模拟仿真设备平台，提高教育、教学质量，提升毕业生的综合能力起重要作用。

一、虚拟仪器平台

1.虚拟仪器。虚拟实验仪器就是基于计算机的仪器。计算机与检测仪器相结合是工业自动化生产及工程检测实践教学发展的一个重要方向。计算机与检测仪器结合目前有两种方案，目前常见的如将计算机芯片装入仪器，其典型的例子如可罐头自动高压灭菌设备。

现在较为先进的一种方式是将仪器装入计算机，利用计算机系统的强大为依托，实现各种仪器功能。虚拟实验仪器实际上是一个按照检测仪器需求所组织的数据采集与控制系统。学生可以利用这个虚拟实验仪器实验，达到与实际工业检测相同的学习效果。

2.虚拟实验仪器平台。随着测量系统逐渐从控制中心转变为更加靠近被测量设备，测试系统的性质也在迅速变化。这样的改变，优点是缩短了测量系统的安装时间，降低了传感器布线成本，并提高了测量精度，但同时也给信息同步和系统管理带来了挑战。

食品工程测试虚拟实验仪器平台选用美国国家仪器（National Instruments，简称NI）的cDAQ-9185和cDAQ-9189的两款多槽以太网机箱。这两款产品都是基于时间的同步技术，及最新的以太网标准，通过对时间敏感网络（TSN）和工业ComPACtDAQ硬件的投入，进行分布式测试和测量系统。

3.编译软件。食品工程测试虚拟实验仪器平台编译软件采用的是美国NI公司的LabVIEW。利用其软件环境、数据流编程特性、LabVIEW Real-Time工具以及对嵌入式平台开发的多核支持，实现食品工程测试实验课程的多项模拟实验项目。

4.仪器模块。使用普通的PC构建的虚拟仪器或计算机测试系统，其性能可能不会太高。食品工程测试虚拟实验仪器平台将各种仪器模块分别制成一个插卡，并统一采用VXI标准。这些插卡式的仪器模块其面板仍然用以虚拟的方式显示在计算机屏幕上。这些标准插卡插入的机箱，与计算机共同组成了一个食品工程测试虚拟实验仪器平台。

二、虚拟实验仪器平台。

食品工程测试虚拟实验仪器平台是分别以NI CDAQ和NI CRIO设备为测试核心的平台，结合虚拟仪器技术、测试与测量技术、软件技术的综合测试系统来满足各测试项目的需求。

1.仪器方案。（1）设置总共36路测试通道，其中14路电压信号；9路电流信号；1路频率信号；热电偶信号8路；RTD信号4路；GPIB控制信号4路；模拟输出信号4路；继电器输出4路。（2）应变信号：支持1/4桥、半桥式和全桥式压力信号采集，精度：24bit。（3）PIB、RS232控制：实现与VL-4000-405-118、MA100、FLUKE8845A/6.5、ATR、YKF200等检测仪表数据的传输与控制。

2.系统设计。为满足该系统的常规测控需求，系统采用使用两种通用型测控方案，分别基于NI CDAQ和NI CRIO平台进行开发。

CDAQ系统是以太网或以无线网络连接到计算机主机，也可以通过USB或者内置的控制器实现独立操作。系统包含机箱、NI的C系列I/O模块及编译软件等。

利用CRIO系统的硬件架构中的I/O模块及可编程门阵列（FPGA）机箱以及嵌入式控制器。此外，CRIO通过NI LabVIEW图形化编程工具接受编程，并用于各种嵌入式控制和监测应用程序。

3.仪器模块。（1）电流输入模块。采用NI 9208插卡，配合内置式50/60 Hz工频干扰抑制，实现去噪。（2）热电偶采集模块。采用NI 9214插卡，该模块可使用户无需占用过多插槽，即可在混合信号测试系统中添加热电偶。（3）电压采集模块。采用NI 9220插卡，NI 9220是一款16通道，100 kS/s/通道，16位，±10 V模拟输入模块。（4）RTD温度采集模块。采用NI 9217插卡，在高分辨率模式下，采样率为5 S/s（每通道1.25 S/s）并配有50/60 Hz内置式去噪功能。采样率为5 S/s（每通道1.25 S/s）并具备50/60 Hz的噪声抑制。（5）模拟输出模块。采用NI 9269插卡，提供每通道100 kS/s同步更新率并具有通道间隔离的模块，并能够将通道叠加以输出高达40 V电压。（6）继电器输出模块。采用NI 9481插卡连接继电器，并可实现30 VDC（2 A） 、60 VDC（1 A）和250 VAC（2 A） 的信号切换，通道间隔离为250 Vrms。每条通道都含有1个LED用于提示通道状态。NI 9481可以直接连往多种工业设备，如电机、激励器和直流设备等。（7）频率测量模块。采用NI 9402插卡，实验时可以根据输入和输出要求，按比特灵活配置插卡上各条数字线的方向。（8）压力测量模块。采用NI 9219插卡，可以测量各种需要供电的传感器中的信号，如热电偶、RTD、应变计、测压元件和其他传感器。（9）GPIB控制模块。GPIB通信卡采用完全兼容IEEE488.2通信标准和仪器控制模式，根据IEEE488电缆控制模式，可最多控制14台独立仪器。GPIB通信卡的设计符合高性能及高可移植性编程的要求。（10）RS232控制模块。NI USB-232/2接口将通用串行总线（USB）端口转换为2个异步串口，用来与RS232串行设备通信。

三、开发平台

为确保硬件设施的使用环境，开发平台的系统软件选用NI公司的LabVIEW软件。运行环境为Windows 7或更高版本操作系统。

系统软件共包括六个部分，即数据采集、数据分析、数据存储以及系统设置、用户管理和人机界面。数据采集部分采用独立的数据采集引擎，并能配置每个数据采集板卡的参数，能够自行选择板卡及相应通道，实现自定义的数据采集任务。采集的数据在界面上使用图表同步显示。数据存储部分能按照设定的存储文件地址和是否存储等设置参数将采集到的数据进行保存与导出，同时也可保存通道的配置信息等。数据分析部分能使用程序调用其保存的数据，用以执行数据回放等功能。系统设置部分可设置所有的系统、文件和硬件设置参数。用户管理部分，完成系统登录及用户管理功能。包括用户信息导入与密码设置；用户登录和用户权限等信息的管理。人机界面模块负责人机交互。

四、虚拟实验项目

食品工程测试虚拟实验仪器平台目前已经开发的实验项目有热电偶、热电阻温度测试实验；热流密度测试实验、应变桥实验、霍尔传感器实验，以及室内环境气象参数测定、冷库保温性能测定等研究性实验项目。

五、结语

本虚拟实验仪器平台，尚可开发更多的实验项目，且特别适合研究性实验项目的开发应用。

参考文献：

[1]胥军.气压ABS硬件在环试验台设计[J].实验室研究与探索，2017，36（12）.

[2]周颖越，俞骏，曹剑敏.本科专业校内实习基地的建设[J].教育现代化2017，（08）：131.

[3]周颖越，俞骏，曹剑敏.食品专业实验室建设的研究与探索[J].科技创新导报，2013，（05）：192.

[4]周穎越，等.高校实验室安全程序化管理及补短板[J].教育现代化，2016，（36）：198-199+224.