基于LabVIEW的测试技术与信号处理虚拟实验平台设计

2024.05.24

侯鹏亮　田晓峰　段文锐　梁振宇　何宇杰

摘要：LabVIEW程序设计充分利用了计算机强大的数据分析与处理能力，将其应用于测试技术与信号处理虚拟实验平台的图形化设计，并以实例充分展示LabVIEW程序设计的直观性和虚拟仪器性。学生可以充分利用该平台自由完成对测试技术相关理论知识的实验，加深学生对理论知识的理解，充分调动了学生学习的主动性，也能极大的激发学生的创新意识，培养学生的创新能力，得到了学生的充分认可。

关键词：测试技术与信号处理;LabVIEW;仿真实验;虚拟仪器

测试技术与信号处理是我校机械类专业必修的一门专业基础课，其知识涵盖了高等数学、信号与系统、控制工程、数字信号分析与处理等学科，对学生的综合素质能力要求较高[1-2]。测试技术与信号处理的课程教学目标是通过本课程的学习，使学生掌握测试系统的基本原理和方法，并能根据机械工程实际的需要搭建简单的测试系统，合理的选择传感器，并对测试信号进行分析和处理，获得有用信息，从而实现对被测量的测试[3]。在教学的过程中要注重理论教学与实验教学的结合，特别是针对波形的合成与分解、周期信号的频谱分析、信号的调制与解调、信号的自相关与互相关等知识点非常抽象学生不好理解，更加突显出实验教学的重要性，只能通过具体的实验才能帮助学生建立起直观的效果，加深学生对理论知识的学习。由于硬件实验的时间比较固定，不方便学生进行实验，具有一定的局限性。本文利用虚拟仪器设计一套测试技术与信号处理实验平台，学生可以利用课余时间进行自主实验，提高教学效果。

1 虚拟仪器

虚拟仪器（Virtual Instrument）是由美国国家仪器公司提出的，主要利用计算机的强大运算、处理能力和高性能的模块化硬件，结合高效的软件来完成数据的采集、数据的分析和处理的测试平台。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美国国家仪器NI（National Instrument）开发的一种图形化编程语言，又称G语言[4-5]。LabVIEW能够提供许多函数控件、信号分析与处理控件，同时还提供类似传统仪器的外观控件，可以非常方便的用来创建虚拟仪器。鉴于此，本设计利用LabVIEW强大的图形化设计功能，结合计算机的超强的运算与数据处理能力，进行测试技术与信号处理仿真实验平台的设计。

2 虚拟仿真实验平台设计

鉴于测试技术与信号处理理论性强、抽象，侧重于理论分析与计算，整个课程围绕信号这条主线展开，包括信号的产生、信号的采集、信号的调制与解调、信号的分析与处理等内容。为了提高学生对理论知识的掌握，要以实验作为辅助手段，提高学生对理论知识的理解。因此，开展了周期信号的合成与分解、典型波形的频谱分析、信号幅度调制与解调、典型信号的相关分析等实验。利用LabVIEW强大的图形控件和图形化的编程语言设计出测试技术与信号处理常用的实验平台如图1所示。在学生使用时，只要将打包测试技术与信号处理虚拟实验平台安装文件和LabVIEW安装到自己的个人电脑上就可以运行，打开运行程序的主界面如图1所示。

下面将以波形的合成与幅值调制为例说明测试技术与信号处理虚拟实验平台的创建过程。由测试技术与信息处理的理论知识作为虚拟实验平台设计的理论可知：

（1）周期方波信号：已知：

由公式（1）、（2）和（3）可知，一个周期方波信号是由若干个奇次谐波分量叠加而成的。这时利用LabVIEW提供的强大图形控件就可以方便创建如图2所示的方波的合成虚拟实验操作界面。同时为了提高设计软件的通用性，在波形的合成与分解实验平台主界面可以点击其相应波形的按钮進行相应的实验如图3所示，丰富了学生的实验内容，加深学生对各种波形的合成与分析的理解。

3 结论

LabVIEW程序设计充分利用了现代计算机强大的数据处理、数据分析的能力，同时具有图形化的编程设计优势，将其用于测试技术与信号处理虚拟实验平台的设计，可以充分弥补实验室硬件设备的不足，而且学生可以随时利用自己的个人电脑上进行虚拟实验，可以取得和硬件实验相同的教学效果。同时，也会促进学生对理论知识的理解，使理论教学与实验教学相辅相成。另外，用LabVIEW设计的测试技术与信号处理虚拟实验平台原代码对学生开放，学生可以根据自己的兴趣对相关的知识点进行补充和修改，充分调动了学生学习的主动性，也能极大的激发学生的创新意识，培养学生的创新能力，得到了学生的充分认可。

参考文献：

[1]颜志刚，刘婷婷.测试技术与信号处理的课程教学改革[J].教育教学论坛，2016（36）：122-123.

[2]牛礼民.测试技术与信号处理课程案例式教学探索[J].大学教育，2017，000（012）：36-38.

[3]邹大鹏，肖体兵，刘伟，等.测试技术课程的实验教学研究[J].教育教学论坛，2019（049）：177-180.

[4]王伟功，钱晓琦，何中原.基于LabVIEW的齿轮箱振动信号采集与分析[J].农业装备与车辆工程，2020，（58）：127-130+145.

[5]陈良兵，邓贞宙，王玉皞，等.基于LabVIEW的干涉仪测向实验教学系统设计[J].实验技术与管理，2020，（37）：150-153+195.

盐城工学院教改研究项目：基于LabVIEW的测试技术与信号处理虚拟仿真实验平台的设计（项目编号：JYKT2019B005）

作者简介：侯鹏亮（1977— ），男，博士，副教授，主要从事复合载荷下材料微观力学性能原位测试技术与虚拟仪器研究。