[摘要]介紹了基于LabVIEW的綜合實驗教學平臺的開發(fā)與應用，闡述了實驗臺的設計原理、結構與功能，并給出典型示例。該實驗臺采用較先進的數(shù)據(jù)采集軟件與硬件，實驗臺設計結構緊湊、使用靈活、操作界面美觀、直觀效果好，經(jīng)投入使用效果良好。

[關鍵詞]LabVIEW編程，綜合實驗臺，數(shù)據(jù)采集與控制，實驗教學。

[中圖分類號]TN06[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2008)01-0075-03

0引言

目前國內高等院校機械類專業(yè)普遍開設機械工程測試技術課程，該課程主要講授機械工程領域常見的各種物理量的測試與分析方法。由于機械工程測試技術課程豐富的實踐性，它的一個重要教學環(huán)節(jié)是實驗課。工程測試實驗教學的目的不僅在于對理論教學的驗證，更重要的是訓練學生工程測試實際應用能力。傳統(tǒng)的測試實驗方法已不能滿足現(xiàn)在的教學要求，隨著計算機技術和電子儀器技術的進步，測試技術實驗教學也面臨新的問題。

使用傳統(tǒng)儀器進行測試實驗教學，主要存在以下問題：①儀器功能單一。傳統(tǒng)測控設備一般只能獨立完成一項具體的測控任務和功能，不同實驗所用儀器也不盡相同，對于綜合性實驗所需的儀器較多，勢必增加儀器投資，而且現(xiàn)場使用很不方便，降低了實驗教學的效率；②儀器功能是封閉的。由于傳統(tǒng)儀器功能的封閉性，學生難以了解其工作原理，影響對實驗內容的理解；③學生只能按照教師事先設計好的實驗方案被動的進行操作，沒有體現(xiàn)出在實驗課中的主體地位。

LabVIEW作為高效的虛擬儀器開發(fā)平臺，以其靈活、緊湊、功能強和圖形編程方式使系統(tǒng)軟件開發(fā)更省時、更省力。無論是測量、測試、計量或是工業(yè)過程控制和分析處理，還是更為廣泛的測控領域，虛擬儀器都是理想的高效率的解決方案。該軟件作為一個比較完整和性能優(yōu)異的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境，被越來越多的工科大學作為課堂和實驗室教學內容，作為工程師素質培養(yǎng)的一個方面。使用者用圖形語言開發(fā)出各種儀器，綜合應用所學過的各學科知識，像搭積木一樣，在普通的計算機上構建一個個人實驗室，完成機械工程測試實驗。使教師和學生擺脫了功能單一、固定的現(xiàn)成儀器的束縛，充分發(fā)揮學生的積極性和創(chuàng)造性，有利于培養(yǎng)學生在實驗課中的主動性，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和工程實踐能力。

1綜合實驗平臺構成

綜合實驗平臺的設計原則是將LabVIEW軟件與專業(yè)課實驗結合，二次開發(fā)出適合本專業(yè)特點的實驗程序及實驗裝置。設計思路是要求學生學習用軟件搭建自己的實驗平臺，給出典型示例，了解測試程序的基本設計原理，并結合工程測試對象進行測試。

該平臺主要有三部分內容：基于LabVIEW的虛擬儀器基本組成實驗，傳感器的靜態(tài)特性測試，數(shù)據(jù)采集與控制綜合實驗。虛擬儀器基本組成實驗主要介紹虛擬儀器概念及虛擬儀器工作原理，要求學生熟悉LabVIEW環(huán)境及各模板，運行已編輯好的例程，了解基本的編輯技術，并根據(jù)提示創(chuàng)建簡單的程序。傳感器的靜態(tài)特性測試內容為靜態(tài)信號（或變化極緩慢信號）時測試裝置的輸入與輸出之間的關系。本實驗要求學生了解傳感器工作原理及使用方法，掌握基于LabVIEW的傳感器的靜態(tài)特性標定方法，靜態(tài)特性主要包括線性度、靈敏度、回程誤差。在前兩項實驗內容中學習了測試軟件的使用方法及傳感器的標定，在后續(xù)實驗中學習LabVIEW在工程實際中的應用，了解測速傳感器的工作原理及使用方法，了解測試系統(tǒng)的控制方法及滑塊行程的控制方法。該實驗平臺結構緊湊，設計合理，內容豐富，直觀效果強，復用性強，系統(tǒng)費用低，可操作性強，集計算機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與實驗室實驗模型于一體。

2實驗平臺設計原理

實驗系統(tǒng)在基于LabVIEW軟件平臺上開發(fā)，設計有標定平臺、測試平臺及控制平臺（見圖1），系統(tǒng)采用研華PCI-1711型插入式數(shù)據(jù)采集與控制卡，分辨率為12位，采樣頻率100KS/s，通道16路單端，模擬量輸入各通道增益可單獨編程，自動通道/增益掃描，板載1KFIFO，2路12位模擬量輸出，16路數(shù)字量輸入/16路數(shù)字量輸出。該型號的數(shù)據(jù)采集卡各項性能指標均能滿足實驗教學與科研要求，且從價格性能比上經(jīng)濟實惠。實驗模型中的傳感器可測試位移、力、溫度、速度等物理參量。在綜合實驗臺上設計有電風扇、測量轉速裝置、直流電機、繼電器控制電路、位移測量裝置、滑塊等（見圖2）。

3實驗系統(tǒng)應用

圖3所示為綜合實驗臺，實驗臺集測速、電機換向及行程控制等功能于一體。轉速的測量是機械性能測試的重要參數(shù)，在工程應用中經(jīng)常要對電機轉速、飛輪轉速等參數(shù)進行測量。實驗中以電風扇作為測試對象，采用光電轉速傳感器，在黑色的電風扇葉片上粘貼白色條紋，將光電轉速傳感器發(fā)射的光點對準風扇的葉片，光電轉速測量系統(tǒng)中通過安裝在電風扇上的白色反光體來控制光電元件光通量的強弱，從而產生與被測物體轉速成正比的電脈沖信號。

圖4為綜合實驗臺的電機換向控制電路原理。該電路由三極管、繼電器與常開觸點組成。當觸發(fā)端給一高電位（+3V）時三極管的集電極和發(fā)射極接通，繼電器k1和k3的線圈吸合，電機正轉；反之，當觸發(fā)端給一低電位（0V）時三極管的集電極和發(fā)射極電阻較大，繼電器k1和k3的線圈斷電，繼電器k2的線圈和繼電器k4的線圈吸合，電機反轉，改變觸發(fā)端的電位高低是由LabVIEW控制程序來實現(xiàn)。在滑塊行程控制實驗中，將滑塊位移作為控制量，使滑塊按預定的行程運動，當滑塊運動到預定位置時由控制回路自動發(fā)出訊號，滑塊停止。當電機正反轉及滑塊運動和停止時會有相應的指示燈閃亮。

4實驗系統(tǒng)的擴展

該實驗系統(tǒng)的標定平臺可適用于各類傳感器，包括力、溫度、速度、加速度、行程等。為該實驗系統(tǒng)專門設計的端子盒將接線端子分別引出，便于連接和使用，當需要輸入或輸出信號時，只需將信號線的統(tǒng)一插頭插入相應通道接口即可，該實驗系統(tǒng)具有很強的通用性和可擴展性，對于測試信號較多，現(xiàn)場情況多變時，可在此基礎上很方便地搭建。

5應用效果分析

將基于LabVIEW的綜合實驗平臺引入實驗教學中，經(jīng)過兩年的實踐，收到較好的效果。

1）改善實驗環(huán)境，提高學生學習興趣。興趣是學好知識的基礎，有興趣才有動力。LabVIEW綜合實驗教學平臺的使用，充滿高新技術氣息的氛圍，調動了學生對實驗課的興趣，學生們在實驗課中積極主動；

2）減少資金投入，豐富實驗內容。傳統(tǒng)的實驗記錄儀采用SC-16型光線示波器，每年要消耗大量的紫外線感光紙，價格昂貴，采購不方便。此平臺使用以來，節(jié)省了費用，同時給學生拓寬了思維空間，提供了從模擬走向創(chuàng)新的條件；

3）科研帶動教學，教學促進科研。將科研成果引入實驗教學是一個高效可行之路，實驗教師通過開發(fā)高新技術實驗，不但提高教學水平，同時促進了科研；

4）LabVIEW是一個易學、高效的虛擬儀器開發(fā)平臺，在與使用傳統(tǒng)儀器基本相同的實驗課時內，學生就可以完成簡單編程、連接硬件，進行實驗的全部過程。用LabVIEW軟件編程可方便的自行開發(fā)出各種實驗儀器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器來完成實驗，生動直觀地展示出許多抽象物理的概念，易于理解，能夠達到課堂講授很難達到的效果。

虛擬儀器技術是基于計算機技術、現(xiàn)代測量技術和電子儀器技術發(fā)展起來的新產物，它將儀器硬件與軟件、計算機高效地結合在一起，應用虛擬儀器技術進行工程測試，是測試技術發(fā)展的必然趨勢。由于它的環(huán)境軟件硬件都是工業(yè)標準的產品，學生通過實驗學到的技能可直接應用到生產實踐中去，可使學生盡快適應未來市場對他們的需求。

參考文獻

1汪敏生.LabVIEW基礎教程.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

2 石博強，趙德永，李暢，等.LabVIEW編程技術實用教程.北京:中國鐵道出版社，2002.

3 陳花玲.機械工程測試技術.北京:機械工業(yè)出版社，2002.