机械测控技术课程虚拟实验室构建*

2016-08-18罗颂荣车晓毅

中国教育技术装备 2016年12期

◆罗颂荣车晓毅

机械测控技术课程虚拟实验室构建*

◆罗颂荣车晓毅

为解决实验室建设资金短缺与招生规模不断扩大的矛盾，利用声卡的数据采集技术和虚拟仪器低成本、扩展性好的优势，构建机械测控技术课程虚拟实验室。该实验室主要包括基于声卡虚拟示波器和虚拟信号发生器以及虚拟机械振动信号分析系统。实验验证了虚拟示波器和虚拟信号发生器的可靠性。

声卡；虚拟实验室；机械测控技术

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.015

1　前言

机械测试技术和机械控制工程是机械工程专业本科核心课程，理论抽象、难懂。为增强教学效果，培养学生的工程实践与创新能力，实验教学是教学体系中不可或缺的环节［1］。但传统的实验教学仪器功能单一，可扩展性差，在当今知识快速更新背景下，很难满足实验教学要求。

近10多年来，虚拟仪器的开发及应用已得到重点高校的广泛关注［2］。许多教研工作者开发了较好的虚拟仪器，取得良好的教学效果和经济效益［3］。本文针对机械工程专业测控技术核心课程的实验教学要求，构建虚拟实验系统，适用于测控技术类实验教学中的仿真实验、研究性实验和创新性实验，可以增强学生对课程的学习兴趣，培养学生实践动手能力、工程设计能力和工程创新能力，对改善高校办学条件，提升高校教育教学水平，均有重要意义。

2　系统总体设计

基于虚拟仪器的实验系统包括硬件和软件两大组成部分。硬件部分包括传感器、数据采集卡、计算机及其I/O接口设备等，主要完成数据采集和预处理功能；软件部分是指以G语言为软件平台，通过编程的方式来实现仪器功能的各种G代码。软件是虚拟仪器的关键。在硬件电路确定后，用户通过软件编程可以进行数据存储、分析、处理、输出等，根据各自的需要，研发出各种功能的虚拟仪器系统。系统总体方案框图如图1所示。

从数据采集的角度看，声卡是音频信号采集卡［4］。目前市面上声卡一般是16位的双通道数据采集卡，最高采样频率可达44.1 kHz，而且声卡价格十分低廉。另外，声卡同时具有模入和模出功能，因此，声卡可以应用于高校实验教学系统，实现音频范围的工程信号的有效采集。本文根据测控技术类课程实验教学要求，以声卡作为信号A/D卡和D/ A卡，实现模入与模出，以LabVIEW为软件平台，组建基于虚拟仪器技术的实验系统。本系统主要包括基于声卡的虚拟示波器和虚拟信号发生器，虚拟机械振动信号分析系统。

3　系统硬件设计

以PC机声卡为核心组织系统硬件。目前，声卡有粉红色的Line In口和草绿色Line Out口。因此，使用Line In作为示波器的输入口，使用Line Out作为信号发生器的输出口。LabVIEW软件提供了与声卡有关的函数，这些函数使用Windows底层函数直接与声卡驱动程序通信，响应速度快，可以访问、采集缓冲区中任意位置的数据，能够实时连续采集和输出数据。LabVIEW的数据采集函数在Sound Input子模板中，有SI Config.vi、SI Start.vi、SI Read.vi、SI Stop.vi和SI Clear.vi函数。声卡的输出函数在Sound Output子模板中，有SO Config.vi、SO Start.vi、SO Write. vi、SO Stop.vi、SO Wait.vi、SO Set Num Buffers.vi等。这些vis通过Windows底层函数与声卡驱动交换和传递信息，封装层次低，速度快。

4　系统软件设计

LabVIEW软件是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器开发软件，可以实现数据采集、信号分析与处理、各种标准接口仪器驱动程序的编制等。为满足实验教学的需要，本文采用LabVIEW软件实现教学中所需的基于声卡的虚拟示波器、双通道标准信号发生器和虚拟机械振动信号分析系统。

虚拟示波器面板有声卡设置、波形的显示、时基幅值控制、结果显示、仪器操作控制、文件存储等模块，具有时域波形显示、简单频谱分析、数据存储和回放、截图、显示数据最大值最小值、基波频率、基波幅值、数据均方值等功能。双通道标准信号发生器是利用声卡的双通道模拟输出功能编程实现的虚拟信号发生器，可以产生标准正弦波、方波、三角波和锯齿波、白噪声，并通过声卡Line Out口输出。以下主要阐述虚拟机械振动信号分析系统设计过程。

图1　系统总体框图

*项目来源：湖南文理学院教改项目（JGYB1319）；机械控制工程课程研究性教学改革项目资助。作者：罗颂荣，湖南文理学院机械工程学院副教授，研究方向为虚拟仪器技术；车晓毅，湖南文理学院机械工程学院教授，研究方向为数控技术教研教改（415000）。

前面板设计振动是机械系统一种常见的物理现象。通过测量机械系统的振动，可以获取机械系统的动态性能，进行系统参数辨识；可以及时了解机械系统的运行状态，预测或诊断系统故障；可以寻找异常振动和噪声的根源，为结构优化设计提供可靠的理论依据。

振动信号的分析方法主要有幅值域统计分析、时域分析和频域分析。幅值域统计分析包括最大值、最小值、峰峰值、均值、均方值和方差、方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指标、峰值指标、脉冲指标和裕度指标。时域分析包括时域波形的显示、自相关分析、互相关分析等。频域分析包括以傅里叶变换为核心的幅值谱、功率谱、倒频谱、包络谱等。本文利用声卡采集由于机械振动所产生的音频信号，从而实现信号分析。系统前面板主要包括声卡数据采集模块，离线在线控制、数据文件读取与存取、数据预处理模块，性能指标显示模块，以及时域、频域分析与显示模块。

SI Config.vi对声卡的采集参数进行设置后，SI Start. vi启动声卡的数据采集，在While循环中SI Read.vi将缓冲区的数据一整块一整块地读入内存。同时，利用CASE结构将采样频率fs送入While循环体中。已读入内存的电压信号，经过标定后和时间信息捆绑为波形数据，供信号处理程序调用。按下停止按钮STOP，程序跳出While循环，执行SI Stop.vi和SI Clear.vi，停止声卡采集并清除和释放内存。

声卡采集的数据进入信号分析模块前，需要经过抗混滤波、加窗截断等预处理。因此，数据预处理模块主要包括滤波器类型选择、滤波器参数设置和窗函数选择。在实验中可以选择Butterworth滤波器或者Chebyshev滤波器及相应的高通、低通、带通或带阻，并设置滤波器参数，可供选择的窗函数有Hanning、Hamming、Blackman、Exact Blackman、Flat Top等。

振动信号分析模块可设计为研究性实验或者创新实验，学生可以根据兴趣设计实验内容。机械振动信号往往表现为复杂的调幅—调频特征。对于此类信号，包络解调分析是十分有效的分析方法之一。在此，对包络解调程序做详细阐述：首先对原始信号作Hilbert变换获得Hilbert变换对，构造原始信号的解析信号；然后通过求取解析信号的模来获得幅值包络信号；最后对幅值包络信号进行低通滤波，再作FFT变换求取包络谱，从而得到调制频率及其倍频。包络解调程序框图如图3所示。

图3　包络解调程序框图

5　实验验证

对基于声卡的虚拟示波器和信号发生器进行验证。对声卡进行标定并设置采集参数，声卡的标定为3500，单声道，采样频率为44.1 kHz，16位采样精度。利用GW SFG-2110音频信号发生器产生频率为100 Hz，幅值为0.8 V的标准正弦波，从Line In口输入，运行虚拟示波器。虚拟信号发生器产生频率为100 Hz，幅值为0.8 V的标准正弦波，用两头均为3.5 mm插头的音频信号线将Line Out与Line In连接，则虚拟信号发生器产生的信号从Line Out口输出后送入Line In口，运行界面如图4和图5所示。可见虚拟示波器和虚拟信号发生器均能可靠运行，满足实验要求。