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基于ＬａｂＶＩＥＷ的综合实验教学平台研制
作者：左 虹 殷艳树 马丽霞
[关键词]LabVIEW编程，综合实验台，数据采集与控制，实验教学。
[中图分类号]TN06[文献标识码]A[文章编号]1005-4634(2008)01-0075-03
0引言
目前国内高等院校机械类专业普遍开设机械工程测试技术课程，该课程主要讲授机械工程领域常见的各种物理量的测试与分析方法。由于机械工程测试技术课程丰富的实践性，它的一个重要教学环节是实验课。工程测试实验教学的目的不仅在于对理论教学的验证，更重要的是训练学生工程测试实际应用能力。传统的测试实验方法已不能满足现在的教学要求，随着计算机技术和电子仪器技术的进步，测试技术实验教学也面临新的问题。
使用传统仪器进行测试实验教学，主要存在以下问题：①仪器功能单一。传统测控设备一般只能独立完成一项具体的测控任务和功能，不同实验所用仪器也不尽相同，对于综合性实验所需的仪器较多，势必增加仪器投资，而且现场使用很不方便，降低了实验教学的效率；②仪器功能是封闭的。由于传统仪器功能的封闭性，学生难以了解其工作原理，影响对实验内容的理解；③学生只能按照教师事先设计好的实验方案被动的进行操作，没有体现出在实验课中的主体地位。
LabVIEW作为高效的虚拟仪器开发平台，以其灵活、紧凑、功能强和图形编程方式使系统软件开发更省时、更省力。无论是测量、测试、计量或是工业过程控制和分析处理，还是更为广泛的测控领域，虚拟仪器都是理想的高效率的解决方案。该软件作为一个比较完整和性能优异的图形化软件开发环境，被越来越多的工科大学作为课堂和实验室教学内容，作为工程师素质培养的一个方面。使用者用图形语言开发出各种仪器，综合应用所学过的各学科知识，像搭积木一样，在普通的计算机上构建一个个人实验室，完成机械工程测试实验。使教师和学生摆脱了功能单一、固定的现成仪器的束缚，充分发挥学生的积极性和创造性，有利于培养学生在实验课中的主动性，有利于培养学生的创造性思维和工程实践能力。
1综合实验平台构成
综合实验平台的设计原则是将LabVIEW软件与专业课实验结合，二次开发出适合本专业特点的实验程序及实验装置。设计思路是要求学生学习用软件搭建自己的实验平台，给出典型示例，了解测试程序的基本设计原理，并结合工程测试对象进行测试。
该平台主要有三部分内容：基于LabVIEW的虚拟仪器基本组成实验，传感器的静态特性测试，数据采集与控制综合实验。虚拟仪器基本组成实验主要介绍虚拟仪器概念及虚拟仪器工作原理，要求学生熟悉LabVIEW环境及各模板，运行已编辑好的例程，了解基本的编辑技术，并根据提示创建简单的程序。传感器的静态特性测试内容为静态信号（或变化极缓慢信号）时测试装置的输入与输出之间的关系。本实验要求学生了解传感器工作原理及使用方法，掌握基于LabVIEW的传感器的静态特性标定方法，静态特性主要包括线性度、灵敏度、回程误差。在前两项实验内容中学习了测试软件的使用方法及传感器的标定，在后续实验中学习LabVIEW在工程实际中的应用，了解测速传感器的工作原理及使用方法，了解测试系统的控制方法及滑块行程的控制方法。该实验平台结构紧凑，设计合理，内容丰富，直观效果强，复用性强，系统费用低，可操作性强，集计算机、数据采集系统与实验室实验模型于一体。
2实验平台设计原理
实验系统在基于LabVIEW软件平台上开发，设计有标定平台、测试平台及控制平台（见图1），系统采用研华PCI-1711型插入式数据采集与控制卡，分辨率为12位，采样频率100KS/s，通道16路单端，模拟量输入各通道增益可单独编程，自动通道/增益扫描，板载1KFIFO，2路12位模拟量输出，16路数字量输入/16路数字量输出。该型号的数据采集卡各项性能指标均能满足实验教学与科研要求，且从价格性能比上经济实惠。实验模型中的传感器可测试位移、力、温度、速度等物理参量。在综合实验台上设计有电风扇、测量转速装置、直流电机、继电器控制电路、位移测量装置、滑块等（见图2）。
3实验系统应用
图3所示为综合实验台，实验台集测速、电机换向及行程控制等功能于一体。转速的测量是机械性能测试的重要参数，在工程应用中经常要对电机转速、飞轮转速等参数进行测量。实验中以电风扇作为测试对象，采用光电转速传感器，在黑色的电风扇叶片上粘贴白色条纹，将光电转速传感器发射的光点对准风扇的叶片，光电转速测量系统中通过安装在电风扇上的白色反光体来控制光电元件光通量的强弱，从而产生与被测物体转速成正比的电脉冲信号。
图4为综合实验台的电机换向控制电路原理。该电路由三极管、继电器与常开触点组成。当触发端给一高电位（+3V）时三极管的集电极和发射极接通，继电器k1和k3的线圈吸合，电机正转；反之，当触发端给一低电位（0V）时三极管的集电极和发射极电阻较大，继电器k1和k3的线圈断电，继电器k2的线圈和继电器k4的线圈吸合，电机反转，改变触发端的电位高低是由LabVIEW控制程序来实现。在滑块行程控制实验中，将滑块位移作为控制量，使滑块按预定的行程运动，当滑块运动到预定位置时由控制回路自动发出讯号，滑块停止。当电机正反转及滑块运动和停止时会有相应的指示灯闪亮。
4实验系统的扩展
该实验系统的标定平台可适用于各类传感器，包括力、温度、速度、加速度、行程等。为该实验系统专门设计的端子盒将接线端子分别引出，便于连接和使用，当需要输入或输出信号时，只需将信号线的统一插头插入相应通道接口即可，该实验系统具有很强的通用性和可扩展性，对于测试信号较多，现场情况多变时，可在此基础上很方便地搭建。
5应用效果分析
将基于LabVIEW的综合实验平台引入实验教学中，经过两年的实践，收到较好的效果。
1）改善实验环境，提高学生学习兴趣。兴趣是学好知识的基础，有兴趣才有动力。LabVIEW综合实验教学平台的使用，充满高新技术气息的氛围，调动了学生对实验课的兴趣，学生们在实验课中积极主动；
2）减少资金投入，丰富实验内容。传统的实验记录仪采用SC-16型光线示波器，每年要消耗大量的紫外线感光纸，价格昂贵，采购不方便。此平台使用以来，节省了费用，同时给学生拓宽了思维空间，提供了从模拟走向创新的条件；
3）科研带动教学，教学促进科研。将科研成果引入实验教学是一个高效可行之路，实验教师通过开发高新技术实验，不但提高教学水平，同时促进了科研；
4）LabVIEW是一个易学、高效的虚拟仪器开发平台，在与使用传统仪器基本相同的实验课时内，学生就可以完成简单编程、连接硬件，进行实验的全部过程。用LabVIEW软件编程可方便的自行开发出各种实验仪器，代替传统仪器来完成实验，生动直观地展示出许多抽象物理的概念，易于理解，能够达到课堂讲授很难达到的效果。
虚拟仪器技术是基于计算机技术、现代测量技术和电子仪器技术发展起来的新产物，它将仪器硬件与软件、计算机高效地结合在一起，应用虚拟仪器技术进行工程测试，是测试技术发展的必然趋势。由于它的环境软件硬件都是工业标准的产品，学生通过实验学到的技能可直接应用到生产实践中去，可使学生尽快适应未来市场对他们的需求。
参考文献
1汪敏生.LabVIEW基础教程.北京:电子工业出版社,2002.
2 石博强,赵德永,李畅,等.LabVIEW编程技术实用教程.北京:中国铁道出版社,2002.
3 陈花玲.机械工程测试技术.北京:机械工业出版社,2002.