基于labview的虚拟实验系统研究

1、虚拟仪器技术电 子 测 量 技 术 EL ECTRON IC M EASU REMEN T TECHNOLO GY基于LabVIEW 的虚拟实验系统研究3蔡共宣1朱红瑜2(1. 河南工业大学机电工程学院 郑州 450007 ;2. 武汉理工大学机电工程学院 武汉 430070)第 31 卷 第 7 期 2008 年 7 月 摘 要 : 传统的实验方式和手段由于受实验室硬件条件的限制很难满足像信号分析之类概念抽象的实验教学要求 , 也很难做到将实验教学引入到课堂。利用图形化编成语言 LabV IEW 设计开发了虚拟教学实验系统 ,该系统的实现彻底改变了这种局面 ,实现了测试技术课程实验的虚拟仿真

2、 ,并将虚拟仪器直接引入到了课堂。通过将多个可完成不同实验项目的子系统进行集成 ,形成了一个综合实验系统。该系统可完成实验过程的模拟、实验数据的分析及结果的显示等。应用结果表明 ,该系统运行状况良好 ,对教学实践的改革与创新具有一定的指导意义。 关键词 : 虚拟仪器; LabVIEW ; 实验系统 中图分类号 : TP311. 1 文献标识码 : BStudy of virtual test system based on LabVIEWCai Gongxuan1Zhu Hongyu2(1 . College of Mechanical and Electronic Engineering ,

3、 Henan University of Technology , Zhengzhou 450007 ; 2 . College of Mechanical and Electronic Engineering , Wuhan Polytechnic University , Wuhan 430070)Abstract : Traditional experiment method and means are very difficult to satisfy the requirement of experiment teaching , like the signal analysis ,

4、which has the characteristic of concept abstraction ,because of the hardware restriction. So it can hardly be applied in class. A virtual test system of teaching has been developed based on the graphics program language of LabVIEW. This kind of situation is thoroughly changed with the realization of

5、 this system ,and the virtual simulationof test is realized finally. The comprehensive test system has been created by the way of the integration of the several sub2systems. This system can complete the simulation of experiment process ,the analysis of data and result display. The application shows

6、that this system runs well and the teaching result is remarkable , and this system is provided withguiding significance for the reforming and innovation of teaching practice.Keywords : virtual instrument ; LabV IEW ; test system0引言机械工程测试技术是工科院校相关专业的一门必修课 程。由于该课程的实践性较强 ,而理论概念又抽象难懂 , 为了提高教学效果 , 该课程开设了

7、大量的实验。但由于技术条件等因素的限制 ,课程实验仅限于物理量的测试及分析 ,而对于信号分析等理论性较强的内容则很难用传统的实验手段实现。虚拟仪器技术的发展 ,为这一问题的解决创造了有利的条件 1 。把虚拟仪器技术应用于实验教学中 ,对于促进实验教学有着广泛的优势 2 。随着虚拟仪器技术的普及和发展 ,虚拟实验方面的研究成果已经不少 , 但基本上没有摆脱实验室硬件环境的限制 ,只是在原有基础上的延伸 , 这在一定程度上 3 基金项目:河南工业大学科研基金项目(06 XGG007)制约了虚拟仪器直接进入课堂。利用当今最具活力的虚 拟仪器开发环境 LabV IEW 对实验系统的虚拟化进行了一些探索

8、和研究 ,并开发出了用于仿真的虚拟实验系统。在系统开发的过程中充分利用了虚拟仪器的灵活性、易 集 和扩展性等特点 3 。该系统可以对诸如信号的合成与分解、信号的时域及频域分析等相关内容进行虚拟 仿真 ,并将虚拟仪器直接引入到了课堂 , 其主要表现在如下几个方面: ( 1 ) 将虚拟仪器技术灵活的运用到测试技术课程教学 , 使抽象概念形象化 , 分析过程可视化。( 2) 实验过程采用软件进行仿真 , 摆脱了实验室硬件条件的制约 , 在一定程度上缓解了教学资源的不足。( 3) 将实验 过程直接引入到课堂教学 , 使理论和实践更紧密地结合在了一起。 83 第 31 卷电 子 测 量 技 术 虚拟实验

9、系统的构成现各功能模块的集成。笔者为此专门开发了动态调用子1程序函数节点 Run sub VI. vi ,以满足程序设计的需要。 该系统主要用于教学实验的仿真模拟,完全摆脱了硬 件的限制。根据实验的内容和要求 ,在 LabVIEW 环境下构建了 8 个相应模块,每一个模块为一个独立的实验子系统,以完成特定的实验内容。所有这些子系统模块由一个 主程序模块来控制, 主模块则以主程序界面的形式来体现。此外还设置了程序的启动模块用以启动主程序。实验系统的构成如图 1 所示。 图 1 实验系统构成 在系统功能的操控上, 一般是通过菜单或按钮来实现。采用按钮方式更接近于真实的仪器 , 并且在程序的实现上较

10、为容易。常采用的方式是查询方式 ,其实现手段为循环( While) 加选择( Case) 结构,即每一个按钮控件对应于一个选择( Case) 结构。为了使程序框图更加简洁 ,可采用层叠式顺序结构( Stacked Sequence Structure) 来控制查询的顺序。本系统采用了多面板结构按钮操控。系统主界面及程序代码如图 2 和图 3 所示。 图 2 实验系统主界面 考虑到该系统主要是用于教学实验的仿真,因此和硬件相关的部分都需要采用软件来进行模拟。L abVIEW 中包含了大量的函数模块,如信号仿真模块、信号调理模块及信号分析处理模块等,利用这些功能强大的函数模块以及不同类型的输入控件

11、和显示控件,可以方便地实现测试过程的模拟、实验数据的分析及结果的显示等。 2 主程序及各功能模块的调用LabVIEW 功能非常强大, 它源于测试仪器的研究与开发 4 ,其固有的图形化编程环境非常适合于开发大型复杂的测试系统。就本系统而言, 包含了如信号合成与分解、信号时域及频域分析、信号调制与解调、系统频率特性分析等 8 个典型实验模块。而且各个实验模块之间又是相图 3 实验系统主程序框图 对独立的子系统。如何将这些模块集成在一起形成一个综合实验系统,将是系统成败的关键。本系统在研究过程中着重解决了以下 2 个关键技术, 一是系统界面的集成, 二是各功能模块的集成。 在LabVIEW 环境下,

12、通常可以采用以下 2 种方法实现系统界面的集成,即多面板技术和子面板技术。多面板技术实现起来较为容易,而且可同时打开多个实验子系统界面。子面板技术则显的更为专业 ,但需要 LabVIEW 的高级编程技术实现。其不足之处是只能同时打开一个实验子系统界面,如需多个实验同时进行,子面板技术则显得无能为力。 对于大型复杂的实验系统,为了提高程序的运行效率及减小对资源的占用,普遍采用动态加载子程序的方法实 84 3 实验子系统功能的实现该系统包含了 8 个实验子系统,以下仅就典型模块的实现进行阐述。 3. 1 信号合成与分解的实现复杂信号通常包含了多种不同的频率成分,如周期方波是由无穷多个频率成整倍数的

13、奇次谐波叠加而成的,即:4 A 1 nx ( t) = sin ( n0 t) n = 1 ,2 ,3 , (1)n = 1式中: A 为方波的幅值 ,0 为基频。为了能将这一结论通过具体的实验过程表现出来,需要对叠加谐波的次数进行控制,因此在程序中设置了一系列的信号发生器来产生相应的正弦波,并根据实验要求逐一进行叠加就可以合成出不同逼近程度的波形。 蔡共宣 等:基于LabV IEW 的虚拟实验系统研究第 7 期 为了能够顺利的进行信号叠加,各信号发生器所产生的波形应满足频率和幅值之间的特定比例关系。程序中主要使用了 Case Structure 结构来完成信号类型和叠加次数的选择。其前面板和

14、叠加过程如图 4 所示。 图 4 周期方波的合成 器模拟产生出被测信号和高频载波,即可实现幅值调制及 解调,整个过程在前面板上可清晰的反映出来。其实现原理如图 6 所示。 图 6 调幅与解调程序框图 3. 3 系统频率响应特性的实现信号分解是信号合成的逆过程,但本质没变。信号分解是将信号展开成傅立叶级数,从而可以将一个复杂的信号分解成无穷多个频率成整倍数的正弦波。在程序设计中采用了选项卡控件, 以实现信号合成与分解功能的切换, 同时在前面板上隐去了选项卡的选项标签,而采用布 频率响应函数描述了测试系统对于输入信号的传输与转换特性, 它是测试系统数学模型的频域表示, 是描述测试系统频域响应特性的

15、重要手段。当系统输入为 x ( t) , 输出为 y ( t) , 则系统输出与输入的付里叶变换之比称为系统的频率响应函数 , 用 H (j) 表示 , 即 :( )x j尔控件来控制选项卡的切换。H (j) = y(j)(2)3. 2 信号调制与解调的实现幅值调制与解调是测试中常用的信号调理方法。该实验子系统将调制与解调 2 个过程集成到一个统一的交互式操作界面中,其前面板如图 5 所示。前面板分成了 2 个区域,即显示区和操控区。在显示区安置了 5 个显示控件,分别用于显示调制信号、载波、调幅波及解调过程和解调结果,从而给出了调制及解调整个过程时域波形的直观对比,这是一般普通电子仪器无法实

16、现的 5 。 图 5 调幅与解调前面板 实用中常用其模 A ()和相位角()来表示 ,即系统的幅频特性和相频特性。 为了实现这一过程,需要用软件对具体的物理系统进行模拟,同时考虑到教学的具体情况,直接采用幅频特性表达式 A () 和相频特性表达式() 来模拟系统。由于频率特性是系统对于输入频率的响应特性 , 故需要对系统进行激励, 即依次用不同频率i 的简谐信号对系统进行激励, 同时测出相应频率的激励和系统稳态响应的幅值 Xi 、Y i 及相位差i () , 这样对于每一个频率i 便有一组A i ()= Y i / Xi 和i () , 全部的 A i () i 和i () i 便可表达系统的

17、频率响应 6 。本例采用快速正弦扫描方式进行激励 , 具体实现上采用了多步法。为了分配测量的频率点或确定频率步长 , 最常见的方法是在扫频范围内等分地产生各个频率 , 即采用等步长的方法。这种方法的主要缺点是在高频部分取点过多 , 扫描过慢。本例采用的策略是按对数坐标中的频率轴取等间隔步长 , 这样可以较好地兼顾不同频段的曲线特性 7 。 程序的编写是基于一个for 循环完成的 ,循环的次数根据调制原理,将被测信号(调制信号)与作为载波的由频率分辨率、起始频率、结束频率共同确定 8 。激励信高频振荡波相乘,其结果将是一个携带被测信号幅值信息而频率为载波频率的高频信号,即调幅波。调幅波的包络线反

18、应了被测信号波形的变化。如果将其与前述载波再一次相乘,即进行同步解调,便可将调幅波中反映被测信号的低频成分分离出来,再通过低通滤波器将高频成分滤除, 便可恢复原被测信号。根据这一原理分别用信号发生 号由正弦波形发生器产生 , 激励的实现及数据的采集则由公式节点来模拟。频率特性曲线的显示在for 循环结束之后实现。该子系统可以对一阶系统和二阶系统进行频率特性的测试 ,并采用 Case 结构进行切换选择。系统频率响应特性实验的前面板及程序框图如图 7 和图 8 所示。 85 第 31 卷电 子 测 量 技 术 图 7 系统频率响应前面板 图 8 系统频率响应程序框图 为了使相频特性图与教科书相一致

19、,程序中采用公式LabVIEW 的易学易用、快捷及功能的强大 ,已成为虚拟仪器开发的首选工具。利用 LabVIEW 对测试实验进行虚拟仿真, 满足了课程教学的需求。其本身所具有的便携、灵活、直观、易操作等特点 , 更是传统实验手段所无法实现的。实践表明 ,本实验系统不但能帮助学生更容易地理解抽象的概念, 也使学生更深入地了解到了概念的实质。通过学生自己动手进行实践 ,引发了学生对课程的兴趣,增强了学习的信心,也使学生充分感受到了虚拟仪器技术的魅力和乐趣。 参 考 文 献 1 姜志玲. 虚拟仪器在信号处理和教学实验中的应用 J . 电子测量技术 ,2007 ,30 (9) :74277. 2 张

20、国华 ,王如松. 虚拟仪器技术对改革实验教学的作用 J . 四川职业技术学院学报 , 2006 , 16 ( 2 ) : 1042105. 3 吴晓男. 高校虚拟实验室的构建J . 国外电子测量技术 ,2006 ,25 (12) :37239. 4 王俊峰 ,宋文爱 ,刘哲. 基于LabV IEW 的信号处理虚拟实验系统J . 国外电子测量技术 , 2006 , 25 ( 10) : 71273. 5 于波 ,刘祥楼 ,韩建. 基于LabVIEW 的模拟调制实验仪的设计J . 微计算机信息 ,2007 ,23 (521) :1852186. 6 蔡共宣 ,林富生. 工程测试与信号处理 M . 武汉:华中科技大学,2006.节点对其进行了技