基于LabVIEW-VISA的传感器检测虚拟实验平台设计

李鹏 黄再辉 白娜

收稿日期：2023-05-16

基金项目：2022年桂林电子科技大学海洋工程学院优质本科课程建设项目（HYJ15009）；
2021年广西高等教育本科教学改革工程项目（2021JGA183）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.016

摘  要：为提升应用本科机电专业学生智能传感应用能力，设计传感器检测虚拟实验平台。提出基于LabVIEW-VISA的传感器检测虚拟实验平台及实验方法，在LabVIEW-VISA应用设计基础上搭建了传感器检测虚拟实验平台整体架构；
设计了传感器实验箱、myDAQ便携式测量、万用表、应变式传感器等主要硬件；
进行了数据采集模块、数据处理、输出模块及信号处理电路等软件设计，利用信号处理电路实现数据在平台中的双通道传输，实现了预期目标。结果表明，设计的传感器检测虚拟实验平台实验验证灵敏度高、线性误差小，有利于提高人才实践动手能力培养。

关键词：LabVIEW-VISA；
传感器检测；
虚拟实验平台；
信号处理电路

中图分类号：TP274；
TP212  文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）07-0067-06

Design of Virtual Experiment Platform for Sensor Detection Based on LabVIEW-VISA

LI Peng， HUANG Zaihui， BAI Na

（School of Ocean Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Beihai  536000， China）

Abstract：
In order to improve the application ability of intelligent sensor for undergraduate students majoring in Mechanical and Electrical Engineering， a virtual experiment platform for sensor detection is designed. A virtual experiment platform and experiment method for sensor detection based on LabVIEW-VISA are proposed. Based on LabVIEW-VISA application design， the whole structure of virtual experiment platform for sensor detection is built， and the main hardware such as sensor experiment box， myDAQ portable measurement， multimeter and strain sensor are designed. The software of data acquisition module， data processing module， output module and signal processing circuit are designed， and the dual-channel data transmission in the platform is realized by the signal processing circuit. The results show that the designed virtual experiment platform for sensor detection has high sensitivity and small linear error， which is helpful to improve the practical ability of talents.

Keywords：
LabVIEW-VISA; sensor detection; virtual experiment platform; signal processing circuit

0  引  言

传感器检测课程是当前应用本科机电专业朝智能制造方向拓展的重要基础课程，需要给学生提供能切实加以实践应用的课程实验条件，有利于满足线上-线下一体化课程教学需求。当前国内大部分高等院校传感器实验室中仪器都无法满足教学需求、功能不完善，利用计算机软件技术的虚拟实验可有效解决高等院校专业实验室面临的问题[1]。LabVIEW-VISA虚拟仪器软件系统具有维护简单、调试方便和容易掌握等优点，系统中存在大量的功能模块。LabVIEW-VISA中存在的图形输入接口可以符合用户的使用需求，并降低传感器检测虚拟实验平台的维护费用和开发费用[2]。

丛丛[3]等人结合虚拟现实、3D建模等技术搭建虚拟实验平台，平台由自动考评模块、教学模块、全场景漫游模块和训练模块构成。徐雪萌[4]等人在目标导向教学理念的基础上设计虚拟实验平台的体系，结合主义学习理论和学习经历在平台中设计学习环境和实验内容。

在上述方法的基础上，提出基于LabVIEW-VISA的传感器检测虚拟实验平台设计方法，

1  基于LabVIEW-VISA的实验平台设计

1.1  LabVIEW-VISA简介

LabVIEW-VISA是虚拟仪器软件开发工作台，LabVIEW-VISA可创建程序的前、后面板，其中包括菜单、工具条和工具选板[5，6]。

1.1.1  菜单功能

主菜单中不同选项对应的功能如下：

1）主菜单：主菜单中的单选项包括帮助、文件、窗口、编辑、工具、视图、操作和项目等，不同选项中还存在子菜单，对应着若干操作选项。

2）视图菜单：LabVIEW-VISA中存在的窗口都通过该菜单打开。

3）窗口菜单：框图与面板在LabVIEW-VISA之间的切换通过窗口菜单完成。

4）帮助菜单：通过该菜单浏览框图和版面中存在的信息，具有访问在线帮助功能。

1.1.2  LabVIEW-VISA选板

1）工具选板。通过工具选板在LabVIEW-VISA中对被选中的对象实行修改、编辑和操作等功能。如果启动LabVIEW-VISA之后工具选板没有处于运行状态，用户可在LabVIEW-VISA中通过ViewlTools Palette选项启动工具选板。

2）控件选板。控件选板的主要功能是在程序前面板中设置控件，并设置其属性和样式。LabVIEW-VISA的控件选板功能较为强大，不同仪器图表中都包含多种类型的控件。

3）函数选板。后面板编辑工作通过函数选板完成，LabVIEW-VISA中存在的函数功能包括物理和数学等科目，功能较为强大，利用上述函数功能可以完成虚拟仪器的设计。

1.2  整体架构设计

基于LabVIEW-VISA的传感器检测虚拟实验平台由两部分构成，第一部分为实验网页资源，第二部分为LabVIEW-VISA实验平台，传感器检测虚拟实验平台的整体架构如图1所示。

传感器检测虚拟实验平台的资源关联图如图2所示。

LabVIEW-VISA是传感器检测虚拟实验平台的核心，由图1可知，LabVIEW-VISA实验平台由远程实验模块、实验原理模块、在线实验模块和仿真实验模块四部分构成，实验网页中储存的相关资源均可利用LabVIEW-VISA采集得到。将转换实验箱和传感器信号检测设置在传感器检测虚拟实验平台中，其主要作用是辅助远程实验模块和在线实验模块在平台中的运行。实验箱是传感器检测虚拟实验平台的下位机，传感器可通过串行通信方式[7，8]在工作状态下采集相关信号，并将其传输到上位机中。

LabVIEW-VISA函数库包括数据存储、数据采集、数据显示、GPIB、数据分析和串口控制等。传感器检测虚拟实验平台的主要目的是获取目标对象的特征、状态和性能，因此传感器检测虚拟实验室平台的首要工作是采集信号，其次是分析信号和处理数据。

在教学过程中可利用虚拟仪器技术演绎信号滤波、信号合成、信号调节、信号分解、信号调制、加窗函数、频域分析和时域分析等，信号分析和信号处理常用的方法包括信号频谱以及信号傅里叶变换[9，10]等。针对采集信号，传感器检测虚拟实验平台对其做双边FFT和单边FFT快速傅里叶变换，并在平台屏幕中显示处理后的信号，传感器检测虚拟实验平台的信号分析处理功能框图如图3所示。

1.3  平台硬件设计

1.3.1  传感器实验箱

本文采用AC220 V传感器测试箱输入电源，额定电流小于等于5 A，功率取50 Hz，可支持四组直流稳压电源，电源输出分别为±15 V和±5 V。该电源设计有短路保护模块，包含差动放大器、音频信号产生器等部分。同时可提供机械压力表、数字电压表等显示功能，可满足实验功能需求。

1.3.2  MyDAQ便携式测量和仪器仪表设备

MyDAQ具有携带方便、体积小等优点，能有效开展课程的实验教学设计。MyDAQ编写式测量仪器设备配备了诸如：动态信号分析仪、函数发生器等很多类型的传感器实验相关仪器。MyDAQ模块与LabVIEW-VISA软件进行配套使用，可有效进行功能扩展，如图4所示。

1.3.3  万用表

万用表具有提供电压、电阻等数据的功能。能够测量电感、电容等数据。万用表中间的旋钮旋转至特定位置时，用户可进行数据的读取。万用表一般采用与电子笔进行数据采集。

1.3.4  应变式传感器

应变传感器的组成分为弹性模块和称重传感器。弹性模块与托盘进行连接，在托盘上不断地加入解除码完成对电压值的核算计量。在弹性体上粘贴金属箔应变片，可测量细小变形导致的电压和电阻值产生的波动。传感器采用螺丝固定在板面上，输出线采用电压信号将测量值传输到数据采集系统，最后到计算机中进行数据处理。本文采用的弹性模块为AD-S321。应变片型号选用BF350-3aA金属箔。

1.4  平台软件设计

系统硬件设计完成后需要对系统内软件进行设计，软件设计是传感器检测虚拟实验平台的核心部分，基于LabVIEW-VISA的传感器检测虚拟实验平台设计方法通过模块化编程完成软件的设计。软件平台界面如图5所示。

软件平台通过主控模块完成调用，具体包括数据采集模块、数据处理及输出模块、信号处理电路设计模块、调用模块。

1.4.1  数据采集模块

将PCI-6221数据采集卡应用于传感器检测虚拟实验室平台，在VI的基础上建立多条连续通道，具有用户自己设置采样数及采样频率的功能，用户获取的数据均可以通过波形图得以统计。

1.4.2  数据处理及输出模块

该模块具有显示波形输出及数值的功能，输入传感器检测虚拟实验平台的信号属于脉冲信号，在该模块中利用LabVIEW-VISA中存在的Filter函数对脉冲信号实行滤波处理，提高信号频率的准确率。

1.4.3  信号处理电路设计模块

该模块具有放大电路抑制共模信号的功能。当微弱信号进入传感器检测虚拟实验平台的信号处理电路时，利用三运放差动放大处理差模信号，利用低通滤波器对信号实行滤波处理[11，12]，滤除信号中存在的高频信号。将信号输入50 Hz陷波器，在实际电路中滤除50 Hz工频信号，将电压跟随器设置于信号处理电路，完成前后级的隔离。

1）三运放差动放大电路。工程中采用的三运放差动放大器是由放大器A1、A2组成的，该放大器的共模抑制比较高，性能良好，设Su表示差分电路在放大器中的增益，可通过式（1）计算得到：

（1）

式中，Vi1、Vi2分别表示A1、A2的输入电压；
V0表示放大电路对应的输出电压，可通过式（2）计算得到：

（2）

式中，R5表示接入第二级差分放大电路A3中的电阻；
Rf表示变阻器；
R3表示接入放大器A1输入端的电阻。

2）二阶低通滤波电路。滤波器的分辨能力可通过品质因数W得以衡量，两者之间呈正比关系。幅频响应当品质因数W的值为0.707时，较为平坦。

设Sup表示该电路的电压放大倍数，其计算公式如下：

（3）

式中，R6、R7均表示放大器接地端存在的电阻。

二阶低通滤波电路的传递函数如下[13]：

（4）

式中，C表示输入端电容；
R表示输入端电压。当电压放大倍数Sup的值小于3时，电路处于稳定状态。

3）50 Hz陷波电路。50 Hz工频干扰信号通常存在于微弱的有用信号中，为了消除50 Hz工频干扰信号，将陷波器设置在信号处理电路中。陷波器的陷波特性可通过放大器侧端电阻得以调节[14，15]。

4）LabVIEW-VISA的应用。在LabVIEW中使用VISA是仪器编程的标准I/O API。VISA可控制GPIB、串口、USB、以太网、PXI或VXI仪器，并根据使用的仪器类型调用相应的驱动程序。用户不需要学习各种仪器的通信协议。Visa独立于操作系统、总线和编程环境。不论使用何种设备、操作系统和编程语言，都使用相同的API。基于LabVIEW-VISA的操作步骤如下：串口初始化，使用VISA Configure Serial Port.vi [ VISA配置串口]节点设置串口的端口号、波特率、停止位、校验位和数据位；
读写串口。使用VISA读节点和VISA写节点对串口进行读写；
关闭串口，停止所有读写操作。

2  实验平台有效性验证

2.1  测试环境

实验平台的有效性验证测试环境如表1所示。

2.2  运行性能测试及结果分析

为验证基于LabVIEW-VISA的传感器检测虚拟实验平台设计方法运行程序的性能测试结果，进行如下测试。

具体测试流程为：扭动传感器检测虚拟实验平台中存在的增益旋钮，在2路信号处理电路中输入传感器的微弱电压信号，通道1表示传感器检测虚拟试验台的信号处理电路，通道2表示后设计的信号处理电路。向数据采集卡传送经过处理后的2路信号，用计算机可识别的数字信号代替模拟电压信号，向计算机输入处理后的电压信号，采用LabVIEW-VISA程序采集、保存并处理2路采集的数字信号，实验流程如图6所示。

在增益旋钮上随机选用一段位移，分别将通道1和通道2的放大倍数设置为10倍和15倍，通道1和通道2的均值分别为3.19、5.14，均方根分别为3.19、5.14，双通道数据采集的波形图如图7所示。

测试过程中，通道1与通道2的位移与电压关系如表2所示。

增益旋钮位移增大时的双通道数据电压变化情况如图8所示。

采用前述模块处理数据，分析结果如图9所示。可知，所获得的去程数据拟合曲线和回程数据拟合曲线与实际实验结果基本一致。结果表明基于LabVIEW-VISA的传感器检测虚拟实验平台设计可满足实验要求，具有较小的线性误差和较高的灵敏度。分析误差产生的原因主要在于人为调整电压调零不准确或读数有一定偏差，此外，实验仪器也可能产生微小误差，如电路内部、数据采集系统等。

3  结  论

应用型本科机电专业人才培养依赖于实验教学，针对目前高校存在的传感器检测实验教学部分在存在很多缺陷与不足，针对传感器检测虚拟实验平台进行了设计。本文将LabVIEW-VISA应用于传感器检测虚拟实验平台的设计中，在LabVIEW-VISA的基础上设计了传感器检测虚拟实验平台整体架构；
探讨了传感器实验箱、MyDAQ便携式测量和仪器仪表设备、万用表、应变式传感器等硬件设计及集合了数据采集模块、数据处理、输出模块及信号处理电路在内的传感器检测虚拟实验平台的软件模块设计。研究结果表明，本文所设计的虚拟实验平台实验验证灵敏度高、线性误差小。有利于提升应用本科学生动手能力培养及课下双创技能培养，同时也为实验教学改革增加了活力和拓展潜力。

参考文献：

[1] 朱利华.大数据背景下计算机软件技术的应用研究——评《软件技术与程序设计》 [J].现代雷达，2021，43（10）：118.

[2] 王永泉，杨朝旭，周淳，等.应用LabVIEW软件开发的气体绝缘金属封闭开关设备声振联合检测系统 [J].西安交通大学学报，2021，55（6）：131-140.

[3] 丛丛，李俊辉，秦凯.城市轨道交通行车作业虚拟仿真实训系统的设计与应用 [J].城市轨道交通研究，2020，23（8）：44-49.

[4] 徐雪萌，王志山，张永宇，等.包装机械虚拟仿真实验教学平台设计与实践 [J].包装工程，2020，41（S1）：92-97.

[5] 李文韬，孙茜茜，陆辰凌，等.基于LabVIEW的电位差计虚拟实验系统 [J].大学物理，2021，40（11）：59-63+68.

[6] 温慧知，汤跃，汤玲迪.基于LabVIEW的泵试验非采集点数据显示程序设计 [J].排灌机械工程学报，2021，39（2）：128-131.

[7] 关瑞云，甄国涌，单彦虎.基于DSP的大气数据解算卡串行通信接口设计 [J].电测与仪表，2020，57（3）：94-98.

[8] 贾科军，杨博然，曹明华，等.可见光通信自适应O-OFDM符号分解串行传输系统设计与研究 [J].通信学报，2020，41（9）：179-189.

[9] 陈延涛，董彬虹，李昊，等.一种高动态低信噪比环境下基于多样本点串行快速傅里叶变换的信号捕获方法 [J].电子与信息学报，2021，43（6）：1691-1697.

[10] 王鸿鹏，段发阶，蒋佳佳，等.基于非谐波傅里叶变换的发动机转速测量系统 [J].电力电子技术，2020，54（4）：57-60.

[11] 张瑞亮，陈准，刘森海，等.基于低通滤波的大功率型氢燃料电池重型货车自适应能量管理策略 [J].汽车工程，2021，43（11）：1693-1701+1729.

[12] 田桂珍，卢栋，刘广忱，等.基于零相位低通滤波器的混合储能平抑直驱风电机组功率波动控制策略的研究 [J].太阳能学报，2021，42（6）：72-78.

[13] 刘海文，唐嘉铭.基于非对称耦合阶跃阻抗谐振器的高阶窄带超导平衡式滤波器设计 [J].中国科学：信息科学，2021，51（1）：157-170.

[14] 刘计龙，付康壮，麦志勤，等.基于双频陷波器的改进型高频脉振电压注入无位置传感器控制策略 [J].中国电机工程学报，2021，41（2）：749-759.

[15] 巩磊，杨智，祝长生，等.基于极性切换自适应陷波器的磁悬浮高速电机刚性转子自动平衡 [J].电工技术学报，2020，35（7）：1410-1421.

作者简介：李鹏（1982—），男，汉族，山东单县人，高级实验师，工学硕士，主要研究方向：先进制造与检测技术。