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        基于LabVIEW的測試技術(shù)與信號處理虛擬實驗平臺設(shè)計

        2021-04-07 10:51:25侯鵬亮田曉峰段文銳梁振宇何宇杰
        科技風(fēng) 2021年9期

        侯鵬亮 田曉峰 段文銳 梁振宇 何宇杰

        摘 要:LabVIEW程序設(shè)計充分利用了計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與處理能力,將其應(yīng)用于測試技術(shù)與信號處理虛擬實驗平臺的圖形化設(shè)計,并以實例充分展示LabVIEW程序設(shè)計的直觀性和虛擬儀器性。學(xué)生可以充分利用該平臺自由完成對測試技術(shù)相關(guān)理論知識的實驗,加深學(xué)生對理論知識的理解,充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性,也能極大的激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,得到了學(xué)生的充分認(rèn)可。

        關(guān)鍵詞:測試技術(shù)與信號處理;LabVIEW;仿真實驗;虛擬儀器

        測試技術(shù)與信號處理是我校機(jī)械類專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課,其知識涵蓋了高等數(shù)學(xué)、信號與系統(tǒng)、控制工程、數(shù)字信號分析與處理等學(xué)科,對學(xué)生的綜合素質(zhì)能力要求較高[1-2]。測試技術(shù)與信號處理的課程教學(xué)目標(biāo)是通過本課程的學(xué)習(xí),使學(xué)生掌握測試系統(tǒng)的基本原理和方法,并能根據(jù)機(jī)械工程實際的需要搭建簡單的測試系統(tǒng),合理的選擇傳感器,并對測試信號進(jìn)行分析和處理,獲得有用信息,從而實現(xiàn)對被測量的測試[3]。在教學(xué)的過程中要注重理論教學(xué)與實驗教學(xué)的結(jié)合,特別是針對波形的合成與分解、周期信號的頻譜分析、信號的調(diào)制與解調(diào)、信號的自相關(guān)與互相關(guān)等知識點非常抽象學(xué)生不好理解,更加突顯出實驗教學(xué)的重要性,只能通過具體的實驗才能幫助學(xué)生建立起直觀的效果,加深學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)。由于硬件實驗的時間比較固定,不方便學(xué)生進(jìn)行實驗,具有一定的局限性。本文利用虛擬儀器設(shè)計一套測試技術(shù)與信號處理實驗平臺,學(xué)生可以利用課余時間進(jìn)行自主實驗,提高教學(xué)效果。

        1 虛擬儀器

        虛擬儀器(Virtual Instrument)是由美國國家儀器公司提出的,主要利用計算機(jī)的強(qiáng)大運算、處理能力和高性能的模塊化硬件,結(jié)合高效的軟件來完成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的分析和處理的測試平臺。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是由美國國家儀器NI(National Instrument)開發(fā)的一種圖形化編程語言,又稱G語言[4-5]。LabVIEW能夠提供許多函數(shù)控件、信號分析與處理控件,同時還提供類似傳統(tǒng)儀器的外觀控件,可以非常方便的用來創(chuàng)建虛擬儀器。鑒于此,本設(shè)計利用LabVIEW強(qiáng)大的圖形化設(shè)計功能,結(jié)合計算機(jī)的超強(qiáng)的運算與數(shù)據(jù)處理能力,進(jìn)行測試技術(shù)與信號處理仿真實驗平臺的設(shè)計。

        2 虛擬仿真實驗平臺設(shè)計

        鑒于測試技術(shù)與信號處理理論性強(qiáng)、抽象,側(cè)重于理論分析與計算,整個課程圍繞信號這條主線展開,包括信號的產(chǎn)生、信號的采集、信號的調(diào)制與解調(diào)、信號的分析與處理等內(nèi)容。為了提高學(xué)生對理論知識的掌握,要以實驗作為輔助手段,提高學(xué)生對理論知識的理解。因此,開展了周期信號的合成與分解、典型波形的頻譜分析、信號幅度調(diào)制與解調(diào)、典型信號的相關(guān)分析等實驗。利用LabVIEW強(qiáng)大的圖形控件和圖形化的編程語言設(shè)計出測試技術(shù)與信號處理常用的實驗平臺如圖1所示。在學(xué)生使用時,只要將打包測試技術(shù)與信號處理虛擬實驗平臺安裝文件和LabVIEW安裝到自己的個人電腦上就可以運行,打開運行程序的主界面如圖1所示。

        下面將以波形的合成與幅值調(diào)制為例說明測試技術(shù)與信號處理虛擬實驗平臺的創(chuàng)建過程。由測試技術(shù)與信息處理的理論知識作為虛擬實驗平臺設(shè)計的理論可知:

        (1)周期方波信號:已知:

        由公式(1)、(2)和(3)可知,一個周期方波信號是由若干個奇次諧波分量疊加而成的。這時利用LabVIEW提供的強(qiáng)大圖形控件就可以方便創(chuàng)建如圖2所示的方波的合成虛擬實驗操作界面。同時為了提高設(shè)計軟件的通用性,在波形的合成與分解實驗平臺主界面可以點擊其相應(yīng)波形的按鈕進(jìn)行相應(yīng)的實驗如圖3所示,豐富了學(xué)生的實驗內(nèi)容,加深學(xué)生對各種波形的合成與分析的理解。

        3 結(jié)論

        LabVIEW程序設(shè)計充分利用了現(xiàn)代計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析的能力,同時具有圖形化的編程設(shè)計優(yōu)勢,將其用于測試技術(shù)與信號處理虛擬實驗平臺的設(shè)計,可以充分彌補(bǔ)實驗室硬件設(shè)備的不足,而且學(xué)生可以隨時利用自己的個人電腦上進(jìn)行虛擬實驗,可以取得和硬件實驗相同的教學(xué)效果。同時,也會促進(jìn)學(xué)生對理論知識的理解,使理論教學(xué)與實驗教學(xué)相輔相成。另外,用LabVIEW設(shè)計的測試技術(shù)與信號處理虛擬實驗平臺原代碼對學(xué)生開放,學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣對相關(guān)的知識點進(jìn)行補(bǔ)充和修改,充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性,也能極大的激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力,得到了學(xué)生的充分認(rèn)可。

        參考文獻(xiàn):

        [1]顏志剛,劉婷婷.測試技術(shù)與信號處理的課程教學(xué)改革[J].教育教學(xué)論壇,2016(36):122-123.

        [2]牛禮民.測試技術(shù)與信號處理課程案例式教學(xué)探索[J].大學(xué)教育,2017,000(012):36-38.

        [3]鄒大鵬,肖體兵,劉偉,等.測試技術(shù)課程的實驗教學(xué)研究[J].教育教學(xué)論壇,2019(049):177-180.

        [4]王偉功,錢曉琦,何中原.基于LabVIEW的齒輪箱振動信號采集與分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2020,(58):127-130+145.

        [5]陳良兵,鄧貞宙,王玉皞,等.基于LabVIEW的干涉儀測向?qū)嶒灲虒W(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗技術(shù)與管理,2020,(37):150-153+195.

        鹽城工學(xué)院教改研究項目:基于LabVIEW的測試技術(shù)與信號處理虛擬仿真實驗平臺的設(shè)計(項目編號:JYKT2019B005)

        作者簡介:侯鵬亮(1977— ),男,博士,副教授,主要從事復(fù)合載荷下材料微觀力學(xué)性能原位測試技術(shù)與虛擬儀器研究。

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