張文正

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽　合肥　230601）

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基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)在機(jī)械電子綜合實驗中應(yīng)用

張文正

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽合肥230601）

摘要：在機(jī)械電子綜合實驗中，應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)虛擬儀器軟件平臺LabVIEW，基于LabVIEW環(huán)境下，不僅可以遠(yuǎn)程監(jiān)控電子綜合實驗仿真過程，也可以有效適應(yīng)新形式下的實驗教學(xué)，發(fā)揮積極應(yīng)用價值.以下本篇淺析基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)在機(jī)械電子綜合實驗中的應(yīng)用.

關(guān)鍵詞：虛擬儀器技術(shù)；機(jī)械電子；LabVIEW；綜合實驗

針對電子工程專業(yè)的綜合實驗中，應(yīng)用基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)，不僅可以提升教學(xué)要求，還為機(jī)械電子綜合實驗提供新思路，符合當(dāng)前綜合實驗教學(xué)形勢，可以不斷提高學(xué)生實驗操作的水平，發(fā)揮積極應(yīng)用價值.本文主要分析利用Lab-VIEW設(shè)計虛擬儀器，并對此開發(fā)虛擬實驗室，分析應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的意義，以下對此做具體分析.

1　LabVIEW虛擬儀器技術(shù)

1.1概念

LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，可以提升應(yīng)用效益支持.LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，是一種實驗室虛擬儀器集成環(huán)境,主要就是利用計算機(jī)靈活的軟件功能，代替對于傳統(tǒng)實驗儀器中的某些部件,用虛擬的資源代替?zhèn)鹘y(tǒng)實際中的物質(zhì)資源,只需要通過一組LabVIEW虛擬軟件以及硬件部分,就可以形成普通試驗儀器具備的功能，然后由用戶設(shè)計的定義以及虛擬面板，以及具有測試功能的測試軟件工程組成的計算機(jī)儀器系統(tǒng)[1].同時，基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，又有一般儀器不具有的特殊功能，正沿著多功能化以及集成化的方向發(fā)展，可以滿足機(jī)械電子綜合實驗中不同領(lǐng)域以及不同用戶的實驗需求.

1.2特點分析

LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，可以用戶在通用計算機(jī)平臺進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測控工作，只需要根據(jù)需求定義，就可以設(shè)計儀器測試功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化測控.LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，保障用戶完全能夠自己進(jìn)行定義虛擬儀器分析方法以及虛擬儀器功能，用戶可以自己通過編程來控制其儀器的相應(yīng)硬件，形成用戶自身需求的系統(tǒng)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測控，并且還具備操作十分靈活的優(yōu)點.

2　淺析當(dāng)前機(jī)械電子綜合實驗現(xiàn)狀

2.1設(shè)備落后

針對機(jī)械電子工程教學(xué)中，在進(jìn)行機(jī)械電子綜合實驗之中，由于存在諸多問題，會嚴(yán)重的影響到實驗效果.不僅是實驗的設(shè)備陳舊，同時實驗的內(nèi)容也因設(shè)備落后而較為單一[2].同時，對于機(jī)械電子專業(yè)的實驗設(shè)備中，也缺乏必須的可擴(kuò)展性，以至于實驗的內(nèi)容與學(xué)生就業(yè)完全脫節(jié)，根本聯(lián)系不上，降低實驗?zāi)康?

2.2測量儀器不足

對于實驗室現(xiàn)中，有的實驗設(shè)備主要是前幾年購進(jìn)的儀器，測量設(shè)備數(shù)量較少，在實際機(jī)械電子綜合實驗中，往往需要幾個學(xué)生公用一臺實驗設(shè)備，導(dǎo)致學(xué)生不能獨立完成實驗，而且也影響實驗效果.

2.3檢測方式單一

對于機(jī)械電子綜合實驗之中，由于設(shè)備因素，導(dǎo)致實驗中僅限于進(jìn)行幾何量檢測，不能滿足機(jī)電測控實驗多樣化需要.并且，在機(jī)械電子專業(yè)的綜合實驗中，實驗設(shè)備不具備可擴(kuò)展性，不具備多元化，機(jī)械電子綜合實驗時效性差.

3　機(jī)械電子綜合實驗中應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的必要性

3.1發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢

在機(jī)械電子工程專業(yè)綜合實驗中，應(yīng)用Lab-VIEW虛擬儀器技術(shù)有獨特優(yōu)勢.應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，可以用軟件代替硬件，從而能夠有效地節(jié)約采購儀器的成本.LabVIEW類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，在LabVIEW虛擬儀器技術(shù)中，主要是采用圖形化的編輯語言G來編寫程序的，可以產(chǎn)生的框圖形式程序[3].LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，在實驗中，可以通過程序前面板與框圖，在人機(jī)交互界面上，為實驗人員提供各種控件，滿足實驗需求，為機(jī)械電子綜合實驗提供技術(shù)支持.

3.2提升實驗效益

應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，有極高性價比[4].LabVIEW用戶，可以編寫有強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)通信能力的LabVIEW應(yīng)用軟件,實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控虛擬儀器，滿足機(jī)械電子綜合實驗要求.LabVIEW虛擬儀器技術(shù)可以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，并且還可以控制設(shè)備結(jié)合形式，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的維護(hù)費用.

4　機(jī)械電子綜合實驗中LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的實踐應(yīng)用

4.1實驗項目

針對機(jī)械電子綜合實驗中，應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，針對步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的綜合實驗中.可以通過LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)，應(yīng)用Lab-VIEW編程實現(xiàn)數(shù)字脈沖，然后通過手機(jī)整理數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)，從而通過數(shù)字輸出的端口來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，有效擺脫原來機(jī)械電子綜合實驗中對變頻器設(shè)備的依賴[5].同時在做機(jī)械電子綜合實驗中，對于實驗用戶也可以根據(jù)要求，靈活調(diào)用LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)中的模塊，簡化實驗操作.本次實驗中，選用的步進(jìn)電機(jī)是四相步進(jìn)電機(jī)，通過軟件和硬件的結(jié)合實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的啟停﹑正轉(zhuǎn)﹑反轉(zhuǎn)﹑加速﹑減速功能，并且步進(jìn)電機(jī)所處的狀態(tài)用相應(yīng)的發(fā)光二極管顯示.如下圖所示：

圖1　四相步進(jìn)電機(jī)原理圖

4.2實驗結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的機(jī)械電子綜合實驗，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程測控，滿足用戶測控需求，提升機(jī)械電子綜合實驗中步進(jìn)電機(jī)的性能.基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，對測試任務(wù)進(jìn)行遠(yuǎn)程測控，利用測控系統(tǒng)的I/O接口設(shè)備，完成對網(wǎng)絡(luò)測控信號的采集，并且可以傳輸信號，有效模擬出儀器的控制面板，實現(xiàn)以多種形式的輸入，從而多樣化表達(dá)輸出測試結(jié)果內(nèi)容.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示：

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

同時，可以采用臺式計算機(jī)作為平臺，用基于USB借口的USB6008多功能數(shù)據(jù)采集器作為模塊化I/O，USB6008多功能數(shù)據(jù)采集器共有32個端口.提供具有8個模擬信號的數(shù)據(jù)輸入（analog input）通道，還包含有2個模擬信號的輸出（analog output）通道，以及對于12個數(shù)字信號的輸入通道/輸出（digital input/output）通道，并且還包含32位計數(shù)器1個（counter）以及2.5V和5V的直流電源.數(shù)據(jù)采集卡PCI26024E，性能參數(shù)為:低價位200 kS/s,12位模擬輸入.其中8個AI通道可在差分模式（Differential Mode）下使用以擴(kuò)展電壓測量范圍，但該模式下只有4個AI通道.

4.3機(jī)械電子綜合實驗軟件編程

應(yīng)用LabVIEW軟件開發(fā)環(huán)境，虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)中，采用圖形化編程方式，編寫測控程序.LabVIEW虛擬儀器中，主要操作前面板﹑結(jié)構(gòu)化流程圖﹑圖標(biāo)組成，友好的人機(jī)界面，提升軟件使用效率[6].數(shù)據(jù)采集中，可以在LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的功能模板子選項中，根據(jù)其提供的6個串行通訊函數(shù)如串口初始化﹑串口讀﹑串口寫﹑檢測緩沖器大小﹑串口中斷以及關(guān)閉等功能，通過串口通訊提取單片機(jī)控制板的有關(guān)模擬狀態(tài)數(shù)據(jù).并通過數(shù)據(jù)分析，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量在前面板上顯示出來.LabVIEW虛擬儀器技術(shù)中，軟件內(nèi)部程序面板設(shè)計采用局部變量，數(shù)據(jù)流清晰，采用多級修正(示波器TDS2014和函數(shù)發(fā)生器SP820A)，使得測量結(jié)果更準(zhǔn)確.前面板設(shè)計更多的是傾向于直觀.設(shè)置連接是否正常指示燈，采用選項卡控件減少前面板面積.

4.4數(shù)據(jù)采集設(shè)計

對于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)中，針對步進(jìn)電機(jī)綜合實驗中，在對于數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)分析時，要求虛擬儀器客戶端能夠正確的同步地實時顯示出得到的測試結(jié)果，故此，可以把虛擬儀器的標(biāo)識號與實時數(shù)據(jù)進(jìn)行相互的綁定，將數(shù)據(jù)打包后在網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)中發(fā)布.將LabVIEW虛擬儀器技術(shù)中的數(shù)據(jù)包，分為數(shù)據(jù)項與屬性項，一個可以放采集數(shù)值，一個可以當(dāng)本次標(biāo)記序號Q，然后再在虛擬儀器的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)中，就可以發(fā)數(shù)據(jù)包給DataSocket函數(shù).LabVIEW虛擬儀器技術(shù)測控流程如下所示：

4.5網(wǎng)絡(luò)測控結(jié)果分析

通過LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，實現(xiàn)機(jī)械電子綜合實驗數(shù)據(jù)傳遞與服務(wù)器同步，可以有效解決機(jī)械電子綜合實驗數(shù)據(jù)傳送﹑接收的一致性問題，提升機(jī)械電子綜合實驗中的儀器性能[7].基于Lab-VIEW虛擬儀器中的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)測控功能，在儀器界面之中，從而實現(xiàn)對PC與單片機(jī)控制的串口通訊[8].運用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)程序發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)，使用Web鏈接到應(yīng)用程序，在網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)程對步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)模擬設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程測控.本次測控結(jié)果如下圖所示：

LabVIEW虛擬儀器技術(shù)中，機(jī)械電子綜合實驗中，可以進(jìn)行通過串口采集低頻的外界信號，調(diào)用函數(shù)進(jìn)行信號處理，實現(xiàn)LabVIEW虛擬儀器的某些功能.可以使用轉(zhuǎn)盤﹑圖表.可以有效的縮短用戶在實際應(yīng)用中學(xué)習(xí)虛擬儀器的時間，使用中只需將其各個圖標(biāo)連起來，就能夠創(chuàng)建流程圖，并及時開發(fā)出適合需求的虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)測控的程序，通過圖形化編程，加快機(jī)械電子綜合實驗速度，提升機(jī)械電子設(shè)備質(zhì)量.

圖3　LabVIEW虛擬測控波形圖

5　結(jié)論

綜上所述，在機(jī)械電子綜合實驗中，應(yīng)用Lab-VIEW虛擬儀器技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，對綜合實現(xiàn)的仿真控制，還可以通過LabVIEW遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時監(jiān)視設(shè)備運行狀態(tài)，并對其進(jìn)行有效控制,對機(jī)械電子綜合實驗進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)揮積極應(yīng)用價值，得到在實際中推廣該應(yīng)用.

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收稿日期：2015-10-27

中圖分類號：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）03-0037-03