虚拟仪器在高等工程教育中的应用

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1、虚拟仪器在高等工程教育中的应用作者：作者：雷振山作者：职务：职务：高级实验师职务：单位：单位：唐山学院机电工程系单位：应用领域：院校使用的产品：LabVIEW，PCI-6024E，SCXI-1122挑战：如何开拓一个全新的教学平台，使学生能够利用最先进的技术去积极主动的学习，培养学生的创造性思维，提高高等工程教育的教学质量。应用方案：充分利用LabVIEW开发平台高效率的图形编程方法和功能丰富的VI，指导学生应用自己开发的虚拟仪器完成专业课程的实验。介绍:作者近年来为机械电子工程和铁路电气自动化专业学生开设了虚拟仪器课程，使学生掌握了

2、这种未来测试领域的主流技术。在这个基础上学生自己开发出一整套机械工程测试实验的虚拟仪器，完成机械工程测试的全部实验，虚拟仪器与工程测试两门课程的学习有机的结合在一起。不仅显著降低了实验设备投资，而且培养了学生的创新精神，提高了学生的工程素质，为高等工程教育实验教学带来革命性的变化。在这个过程中LabVIEW起到了不可替代的作用。测试信号处理实验教学信号处理是工程测试的一个重要环节，只有通过这个环节才能获取反映被测对象状态和特征的明确信息。这也是最能够充分体现虚拟仪器技术在机械工程测试中巨大优势的一个环节。我们设计的数字信号处理实验教学

3、系统充分考虑到工程实际需求，并使学生能在1到2学时内搭建好一个虚拟仪器程序模块，完成要求的实验内容。信号发生器LabVIEW计算机数据采集卡数字信号处理系统LabVIEW计算机数据采集卡数字滤波加窗频谱分析相关分析频响函数数字信号处理系统框图1.构建信号发生器信号发生器可以为以后的各个实验提供一个信号源，也能应用在工程实践中。LabVIEW的SignalGeneration子模板中有一组VI可以产生各种常见波形信号，能够方便快捷的构造一台多信道的信号发生器。使用这一组VI时，应设置其输入参数中的数字频率f满足下式：fa()f=1upd

4、aterate式中fa——信号发生器产生信号的模拟频率。updaterate——数据采集卡的模拟输出刷新率设置参数。2.频率响应函数与数字滤波频率响应函数是描述测试系统动态特性的重要参数，它是系统输出与输入的傅立叶变换之比Y()wH()jw=(2)X()wLabVIEW的TransferFunction.Vi根据式（2）计算频率响应函数。频率响应函数是复数，所以它返回两个参数，一个数组是频率响应函数的模(FrequencyResponseMag)，即被测系统的幅频特性；另一个是频率响应函数的幅角(FrequencyResponsePh

5、ase)，即被测系统的相频特性。LabVIEW中还有其它一些VI通过另外的算法求频率响应函数，得到的结果与上述方法一致。LabVIEW开发环境内有大量的数字滤波VI和数字滤波器开发工具。我们在实验中选取了比较有典型意义的巴特沃斯（Butterworth）和切比雪夫（Chebyshev）滤波器。根据选频要求分别将它们设置为低通、高通、带通和带阻型滤波器。实验时用冲激函数ImpulsePattern.vi作为系统激励信号，它具有无限宽广的频谱；用各种数字滤波器作为测试系统。这样既掌握了频率响应函数的测试方法，又了解了各种数字滤波器的频率响

6、应特性。3相关分析两模拟信号x(t)和y(t)做数字化处理以后，它们的相关函数表达形式应为1NR()r=limx(i)y(i+r)(r=0,1,2,...,m)(3)xySN®¥Ni=1式中N——沿时间轴的总采样数；I——沿时间轴的采样序数；r——间断时移值。作为有限长采样的相关函数估计为^1NRxy()r=Sx(i)y(i+r)(4)Ni=1但是在计算中随着y(i)时移增大，x(i)和y(i)二离散序列可提供计算的长度越来越短，所以计算的有效估值应为^1NRxy()r=Sx(i)y(i+r)(5)N-ri=1LabVIEW提供的求相

7、关函数的VI,AutoCorrelation和CrossCorrelation所用的算法为^NRxy()r=Sx(i)y(i+r)(6)i=1这一算法仅适用于确定性信号中的瞬态信号，所以对于一般的情况就应该在程序中根据式（5）加以修正。进行自相关函数实验时，信号发生器将正弦波信号与白噪声信号迭加在一起送出，实验系统利用数字滤波器的选频作用得到各种典型信号，然后进行自相关分析。进行互相关函数实验时信号发生器由两个信道送出正弦波信号，在程序运行中调整它们的频率和相位（相移代替时移），测试出相关函数，并验证同频相关、不同频不相关和正弦与余弦

8、不相关等相关理论。这部分实验的大多内容也可以脱离硬件进行，信号发生器程序产生信号，在软件内部将数据传递给数字信号处理系统。这样将大大降低实验成本。也可以将程序编译后脱离LabVIEW环境运行，在普通计算机上进行测试信号处