多功能虚拟仪器教学实验装置设计

多功能虚拟仪器教学实验装置设计

陈昊杨

中国农业大学北京100083

摘要：针对目前虚拟仪器技术在教学和科研中最新应用情况和未来发展趋势，在虚拟设备中使用高性能计算机，以进行测试和测量，并与软件一起建立用户界面，以满足日益增长的需求。虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试和测量。模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，灵活高效的软件能创建完全自定义的用户界面，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。虚拟仪器技术的出现在使教学实验在同样硬件条件下能够进行多种不同类型的测试测量，从而更加节省教学和实验成本，帮助学生们在上机操作过程中巩固理论知识。

关键词：虚拟仪器、myDAQ、教学实验

1研究目标和内容

1.1研究目标

本次研究的主要目标是通过对LabVIEW和NImyDAQ硬件开发平台的学习，独立的完成设计多功能虚拟仪器教学实验装置，能够通过转速、位移的变化，产生相应的电信号，并开发虚拟仪器软件进行信号的采集及数据的处理和显示分析，用于虚拟仪器设计等课程的实验教学。分为以下四个目标：

1.利用三维软件设计多功能实验教学装置

2.掌握NImyDAQ硬件开发平台

3.利用LabVIEW进行虚拟仪器开发

4.软硬件联机调试，实现信号的发生和采集处理

1.2研究内容

1.设计方案：基于对myDAQ硬件平台的掌握以及相关文献的查阅，制定总体方案以及所要实现的功能，进而制定出所需要的传感器，执行模块以及供电模块。

2.搭建硬件平台：包括对驱动电路的设计、传感器的设计、控制电路的设计以及供电电路的设计。

3.进行实时动态监控：通过位移、转速传感器测得物理量的变化，产生相应的电信号，通过myDAQ将信号采集到电脑上，通过LabVIEW进行数据处理和显示分析，实现实时动态监控。

4.NImyDAQ平台结构的学习：NImyDAQ是学生测试和学习测量标准及其应用的设备，作为这一实验室的一部分，它使学生能够在任何时候、任何时候进行学习和创新。MyDAQ数据采集器，包含8个基于计算机的普通实验室设备。这些仪器包括数字表格、波探测器和电脑发电机。此外，学生可以使用仪器软面板进行实验和练习，包括波特分析仪、任意波发电机、动态信号分析仪（傅里叶快速转换）、数字输入和数字输出。通过这些低成本移动设备，加上LabView软件，可以实现基本的理论核查、专业理论的模拟、在传统测量测试教室以外的综合设计项目、虚拟工具、传感器实验等以及学生课程以外的创新做法。

2.整体方案设计

设计部分包含两大部分——硬件设计和软件设计。在硬件设计中，需要确定测控参数，传感器及数据采集卡的选型，搭建多功能试验台。在软件设计中，主要完成LabVIEW界面的设计。最终通过LabVIEW自定义界面显示需要测量的参数。

2.1系统整体方案设计

设计该装置是为了虚拟仪器技术课程教学中使用，总体的目标是能够通过转速、位移的变化，产生相应的电信号，并开发虚拟仪器软件进行信号的采集及数据的处理和显示分析。

为了完成改设计的目标，需要完成以下几个部分：

首先明确实验装置要测量的数据是转速和位移，确定了实验参数，依此进行传感器的选型，在这里选择使用编码器测转速，光栅尺测位移。

其次根据原有试验台改进设计实验装置结构，采用直流电机带动丝杠转动，丝杠转动带动滑块左右移动，滑块连接光栅尺测量滑块的位移；丝杠另一头通过编码器测量丝杠的转速信号。

通过NImyDAQ数据采集卡对编码器和光栅尺所测量的转速、位移信号进行采集，传输到计算机。

最后通过LabVIEW编写设计自定义界面处理和显示测量的转速、位移信号。

2.2硬件系统方案设计

2.2.1转速传感器

编码器，是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备，把角位移或直线位移转换成电信号。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

转速传感器的选择，因为是电机带动丝杠的转动，测量丝杠的转速，可以直接选用编码器加在丝杠一段，则可直接测出丝杠的转速。

2.2.2位移传感器

光栅尺，也称为光栅尺位移传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺经常应用于数控机床的闭环伺服系统中，可用作直线位移或者角位移的检测。

位移传感器选用光栅尺，将丝杠上的滑块与光栅尺连接，用光栅尺来测量滑块的直线位置信号。利用光栅尺测直线位移或者角位移的检测，输出的测量信号为数字脉冲，检测范围大，检测精度高，响应速度快。

2.2.3数据采集模块

数据采集模块采用NI的myDAQ数据采集卡，符合实验室教学装置用的低成本、小巧便携、可供学生随时随地开展学习的特点。myDAQ采用USB接口，提供AI、AO、DIO、音频、电源和数字万用表函数。

数据采集模块采用NI的myDAQ数据采集卡，符合实验室教学装置用的低成本、小巧便携、可供学生随时随地开展学习的特点。myDAQ采用USB接口，提供AI、AO、DIO、音频、电源和数字万用表函数。

2.2.4步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制电机，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

使用步进电机带动丝杠转动，通过联轴器将主动轴和从动轴丝杠联接起来一同旋转，并传递运动和扭矩，可以带动丝杠正反转。

2.3软件系统方案设计

软件系统主要是LabVIEW界面的设计，将实验装置测得的转速和位移信号，经过处理和分析，显示到LabVIEW的自定义界面中，实现虚拟仪器的数据测量和显示。

3机械结构设计

3.1原有试验台

图3-1原有试验台

该试验台通过最右侧的直流电机带动中间丝杠旋转，丝杠转动带动中间滑块左右移动，滑块后面与光栅尺连接，利用光栅尺传感器提供位移数据；左侧凸轮随丝杠转动，凸轮上两个位移传感器，提供另一个位移数据；最左侧编码器测量丝杠的转速和脉冲。

最后通过一个数据采集模块将采集到的位移、转速数据传输到电脑上，利用LabVIEW对数据进行处理、分析和显示。

3.2改进后的试验台

3.2.1SolidWorks图

图3-2机械结构SolidWorks

利用SolidWorks绘制草图相对灵活，更换基准面也相当方便，就算特征编辑一半突出，草图也仍在，不会丢失；SolidWorks可以动态修改特征，不需要编辑草图，在三维状态下就可以。利用SolidWorks绘制多功能虚拟仪器装置的硬件三维图，可以清晰的看到机械结构的各部分设计。

3.2.2CAD图

图3-3机械结构CAD

1步进电机通过2联轴器带动8丝杠转动，丝杠带动9滑块左右移动，通过14光栅尺测量滑块的位移；在最左侧安装编码器测量丝杠的转速。

去除了原有试验台上的凸轮机构，所需测量的数据只有滑块的直线位移数据及丝杠的转速数据。

4软件界面设计

4.1前面板

图4-1前面板

该界面设计包括转速和位移两个部分的数据显示和分析，首先左侧圆形转速表用来显示丝杠的转速测量情况，左侧设置转速上限和下限，当所测转速超过所设定上限时，转速上限报警灯亮；当转速低于所设定下限时，转速下限报警灯亮。右侧显示实时的位移数据，然后将每秒的位移数据用线连接起来，生成了位移数据折线图。

4.2程序框图

图4-2程序框图

首先第一部分程序框图，创建DAQmx任务，选择ai0和ai1两个通道，设定电压最大值是﹢10V，最小值是﹣10V，选择完通道以后通过采样时钟设定采样点数和采样率。采样点数是一共要采样的点数的总和，采样率是每秒钟采样的个数，所以该图中设定的每秒钟采样10000个数。

图4-3程序框图

第二部分程序框图是采集到的数据的处理和显示部分的While循环，将采样到的数据通过DAQmx读取，得到一个二维数组，其中上半部分是转速数据，下半部分是位移数据。转速部分通过脉冲测量，得到周期，取倒数得到频率，再*60得到转速（r/min），后面分别设置转速的上限和转速下限，通过与测量出的转速的比较，确定转速上线限报警灯亮不亮；位移部分首先对数据取均值，因为每秒钟得到10000个点数，取平均后的数据可以认为是该时间段内的位移数据，再*一个系数，该系数由传感器的量程和显示决定，得到实时位移数据，显示到前面板上，再通过一个数组，将每秒钟的位移数据记录并连线，得到前面板中的位移折线图。

结论

1.通过设计简单的机械结构，可以提供出可供测量的转速和位移物理量，再通过合适的传感器将采集到的物理量转化为电信号，最后通过数据采集模块传输到计算机上，通过LabVIEW界面将数据处理和显示分析，该过程不仅可以让学生加深对虚拟仪器技术的认知、提升对虚拟仪器课程的学习热情，也体现了硬件软件联机等多知识的运用。

2.通过使用NImyDAQ硬件开发平台，加深了对myDAQ数据采集卡的掌握，认识到如何实现信号的采集。

3.采用编码器测量丝杠的转速，光栅尺测量滑块的位移，符合传感器选型的合理性，可用性，经济性的原则。

参考文献：

[1]李小川.基于虚拟仪器的网络测控技术的分析[J].化工管理，2016（14）

[2]何倩.应怀樵：做中国原创的“虚拟仪器”[J].科学新闻，2011（11）

[3]徐军.虚拟仪器在计量测试中的应用[J].信息系统工程，2013（01）

[4]王新.虚拟仪器的应用及发展前景[J].科技与企业，2013（13）

[5]罗刘敏，王明霞，郭艳花，刘晓青.基于虚拟仪器技术的传感器实验教学系统研究[J].科技创新导报.2017（20）

[6]卫琴芳，葛金花.计算机技术对虚拟仪器的影响[J].中国科技信息.2018（18）

作者简介：陈昊杨（1997.07—），男，河北石家庄人，，中国农业大学（大学），学士，，机械电子工程方向（研究方向），