1 引言
《机械工程测试技术与信息处理》这门课程是机电类及机械制造及其自动化专业需要学习的重要专业基础课,是本科生后续课程和研究生课程的基础,它在专业课程体系中占有重要地位。本课程综合性和实践性都很强,是很多新技术新知识的综合,既有广度又有深度,加之学时少,内容抽象,使学生普遍反映该课程较难掌握。
为了取得更好的教学效果,填补实验条件的不足,利用软件代替硬件的先进思想[1],创新实验小组开发了一组基于虚拟仪器的测试实验平台。
2 虚拟测试实验平台的构成
图1给出了虚拟电子实验平台的系统设计框图,整个实验平台由软件系统和硬件系统构成,过程原理包括,声音信号作为激励。
通过声卡对声音信号进行采集,然后利用软件实现课程中所学习的频谱分析和信号的滤波。频谱分析包括幅频、相频分析,功率谱密度分析,相关分析等,其次是信号的滤波,包括数字滤波器的设计,窗函数的选择等功能。
2.1 虚拟测试实验平台的硬件构成
一般构成虚拟仪器的基本硬件除了计算机以外, 还需要一块数据采集卡, 但数据采集卡一般价格昂贵, 因实验经费的限制,不合适使用[2~5]。 电脑声卡作为计算机声音输入输出的常用设备, 通过麦克风(Mic)或线路输入(Line in)和喇叭(Speaker)录入与播放声音,可以作为数据采集和信号输出的设备,具备数据采集卡的基本功能,并且具有16位的量化精度、数据采集频率达44 kHz,以声卡代替数据采集卡设计的虚拟仪器,能够满足学生进行电子实验与制作的基本要求。
2.2 虚拟测试实验平台的软件构成
平台有8个VI(在LABVIEW环境下开发的应用程序)程序,包括实验登录、管理员界面、学生界面以及4种实验仪器界面,分别是虚拟信号发生器、虚拟信号频谱分析仪、虚拟滤波器、虚拟调幅波解调器以上这些子程序共同构成了一个电子类试验教学平台仪器。
3 虚拟测试实验平台功能模块设计
LabVIEW具有3个图形化操作模板,用于创建和运行程序。这些图形化操作模板可以随意在屏幕上移动,并可以放置在屏幕的任意位置。图形化操作模板分别是工具(Tools)模板、控制(Contirols)模板和功能(Function)模板。工具模板主要用于VI的创建、修改和调试,提供用于图形操作的各类工具,对于声卡的控制操作, LabVIEW提供了声卡的相关子VI,当设定好声卡的音频格式并启动了声卡后,声卡就可以实现数据采集或者信号输出,采集到的数据通过DMA传送到内存中指定的缓冲区,当缓冲区满后,再通过查询或中断机制通知CPU 执行显示程序显示缓冲区数据的波形。
3.1 虚拟信号发生与采集模块
虚拟信号发生器可以输出多种波形,替代硬件产生激励,如图2所示。当输入不同的产生波形的参数值时,会产生不同的波形记录,并且具有较宽的频率范围。
为了对信号进行滤波及频谱分析,首先要采集信号,在本实验平台中,利用电脑本身自带的声卡作为数据采集卡,通过耳麦对外部声音进行采集,采集信号的面板如图3所示。它可以自主选择采样频率,采样长度,并设定采样通道,同时具有对信号实时监测的功能,如图4所示。
2.2 信号分析与处理
该部分主要利用Labview中提供的信号处理分析函数,对一些教学中以理解的内容用形象的方式展示在学生面前,这不仅解决了传统实验装置少,且现代化程度不够的缺点,而且能加深学生对知识的理解。信号分析与处理模块主要包括信号的频谱分析、相关分析、功率谱分析功能,同时具有自设定数字滤波器模式,并进行直流分量消除。通过虚拟实验,可以了解信号的相关分析波形,学会利用各种形式的频谱分析对信号进行分析,并学会识别噪声信号。频谱分析具有幅频-相频谱、实频-虚频谱、功率谱分析功能,如图5所示,图6是采集的声音信号波形图。
分析仪设计了滤波模块,可以自己设定数字滤波器的形式,图7是对图6采集的声音信号进行数字滤波,所用的窗函数是矩形窗函数。
滤波后的波形图的幅值在同一频段上变小,说明某一频段上幅值大的信号被滤除掉了。
3 结束语
本文所设计的电子实验平台可以使学生不分地点和场合就能进行虚拟实验,解决了因实验场地和设备不足而导致学生不能自主实验问题,这为学生提高学习兴趣,更深入地理解专业知识提供了很好的平台。
参考文献:
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[2] 侯国屏,王珅,叶齐鑫.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M].北京:清华大学出版社,2005.
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[4] 卓么措.虚拟现实技术在教学中的应用[J].青海师范大学民族师范学院学报,2006,(11):75-76.
[5] 郝丽萍,李秀敏,王肇华.虚拟仪器的引入对提高实验教学水平的意义[J].天津商学院学报,2003,23(6):12-14.
作者简介:乔玉晶(1972-),女,教授,研究方向:机械工程测试技术。