1、用符号选择一类教 学 科 研编号（由专家组填写）第十届全国高校物理实验教学研讨会本科学生物理实验论文评比表第十届全国高校物理实验教学研讨会组委会制二 O 一八年一月姓 名 性别 出生年月学校名称入学时间 2015.9 毕业时间 2019.6学生情况及发表有关物学 号 15406026理实验论文情况本科期间发表与物理实验有关论文情况： 共发表 1 篇论文论 文 题 目 LabVIEW 环境下声波测距系统开发 杂志名称（卷、页、年）1杂志名称：大学物理实验2第 30 卷3. P94-P9742017 年列出全部作者排序* 引用情况代表性论文学术价值及应用价值介绍了一种可在普通 PC 机上开发并用于
2、短距离精确测量的非接触声波测距系统，引进 LabVIEW 虚拟仪器开发软件并设计出用于该系统的虚拟信号发生器和虚拟数字示波器。该系统在实践中可以达到超声波测距的精度，同时在测距过程中不受障碍物以及目标物体外表特性的影响；同激光测距相比，在保证精度的同时可大大降低设备成本。此外，该系统操作简单，原理易懂，可以作为物理实验室课程面向学生开放，为广大学生接触虚拟仪器相关知识起到抛砖引玉的作用。指导教师姓名 部德才 职称 讲师指导教师评语对学生发表论文评语及论文情况说明：该论文所述的非接触声波测距系统是学生的大创项目课题，论文其他作者均为项目指导老师与项目组成员。论文重点突出，介绍了同激光测距和超声波
3、测距系统相比，该可闻声波测距系统在短距离测距方面所具有的优势。详细介绍了该系统的开发过程以及实验数据，具备较强的可参考性。此外，论文提出可将该系统引进大学物理实验室，作为实验课程向广大学生开放的意见，为高校虚拟实验室建设提供了一种简便，高效，低成本的解决方案。指导教师（签名）： 2018 年 5 月 25 日学校推荐意见负责人（签名）： 公章 年 月 日大会学术组专家意见 专家组组长（签名）： 年 月 日评比结果 大会主席（签名） 年 月 日LabVIEW 环境下的声波测距系统设计摘要：虚拟仪器因具有突出的便捷性，高效性以及精确性，正被广泛地应用到科学测量的各个领域，普通高校实验室也应引进这一
4、技术以适应未来仪器技术的发展。介绍了一种可在普通 PC 机上开发并用于短距离精确测量的非接触声波测距系统，引进 LabVIEW 虚拟仪器开发软件并设计出用于该系统的虚拟信号发生器和虚拟数字示波器。系统在短距离测距时具有较高的稳定性和精确度，操作简单且成本低廉，对学生初步认知虚拟仪器技术能够发挥重要作用。关键词：虚拟仪器；LabVIEW；声波；测距中图分类号： TP274 文献标识码：A1 引言20 世纪 80 年代中期，美国国家仪器 公司成功研制虚拟仪器并首先提出了“软件就是仪器”的口号,为测试仪器赋予了全新的概念。LabVIEW 便是虚拟仪器开发环境，其采用框图形式的编程语言，使程序设计工作
5、更高效便捷。随着电子和软件技术的发展,虚拟仪器在精确度、性价比、可操作性等方面与传统仪器相比都具有明显的技术优势。将虚拟仪器引入高校的实验教学不但可以提高测试效率和教学的质量,而且为降低实验仪器成本提供了有效的途径和方法，同时有助于学生掌握并运用这一技术以适应未来技术的发展。在高校实验室物理实验课程设计中，声速的测量大多依然采用超声波换 *能器和示波器 1-3。本文在 LabVIEW 环境下设计了非接触声波测距系统，能在短距离内精确测距，将虚拟仪器同普通 PC 机的声卡相结合，开发出一种用于声波测距系统的虚拟信号发生器和虚拟数字示波器，经声卡采集两路声波信号，并对其波形进行分析，可得出声波传播
6、的时间，在声速已知的情况下测出声波传播的距离，核心思想类似于超声波的相位检测法，但不受测距范围内障碍物以及物体表面特性的影响 4-5，同时相对于激光测距，在满足精确度的同时更大幅度的降低开发成本，且操作简单，有利于在物理实验教学中广泛普及。2 系统原理分析系统整体框图如图 1 所示。利用虚拟信号发生器发出一个短暂的脉冲信号，利用计算机声卡的 D/A 转换器，将数字信号转换成音频输出信号，该部分功能由虚拟信号发生器实现。音频信号传输至音响放大，放大后的音频信号在传播过程中先后经过距离为x 的两个声音传感器麦克 1 和麦克2，声音传感器接收到的音频信号被放大处理后经麦克转换插座输入计算机，再利用声
7、卡的 A/D 转换器整合为数字信号，该数字信号被虚拟示波器接收后显示出波形，该部分功能由虚拟数字示波器完成。由于两个声音传感器在接收声音信号时存在时间差，因此虚拟示波器显示的两列波形存在采样点差 n，表现在波形图上为相位差。结合声卡采样频率可计算出两个传感器采样时间差 t ，在声速已知的情况下可得 x=v t。声速由公式 v（ T 为环境温度，=01+ 273.15）得出。在麦克 1 和麦0=331.45/克 2 两个声音传感器之间设置滤波器，用于过滤系统工作过程中产生的杂波。虚 拟 信 号 发 生 器虚 拟 数 字 储 存 示 波 器 声 卡计 算 机 系 统声 波 放 大 器麦 克 转 换
8、 插 座 xMIC1外 部 设 备MIC2图 1 基于虚拟仪器的声波测距系统整体框图3 硬件系统计算机声卡自带 16 位 A/D 转换器，其精度更高，采样频率可达44KHz,且兼容性好，性能稳定，适合在实验室环境下对低频信号的产生与分析。由于系统采用声波测距的原理，因此需要接入声波传感器，声波传感器采用无线麦克风，麦克输出的信号为低电平信号，需要外接前置放大器，而无线麦克需要与无线接收器连用，无线接收器同时具有前置放大功能 7。4 软件系统LabVIEW 作为一种开发环境，其优势在于采用框图形式的图形化编辑语言（G 语言）代替其他计算机开发环境采用的文本形式编程语言，并且提供了诸多子函数以及虚
9、拟仪器前面板设计功能。基于 LabVIEW 的测距系统软件框图如图 2 所示，通过快捷调用函数库的子函数，结合前面板设计出所需要的虚拟仪器实现特定功能8。系统使用的诸多软件模块均为常见子函数，大大提高了开发效率。 While循 环参数设置 While循 环触发设置 数据采集 波形显示 时差计算 声速测算声 波 传 出声卡驱动虚 拟 信 号 发 生 器 虚 拟 数 字 储 存 示 波 器波形调用 测 量 结 果 显 示4.1 虚拟信号发生器设计本系统设计的虚拟音频信号发生器利用 LabVIEW 提供的基本信号发生器和声卡的输出子控件实现。主要由波形调用、参数设置、声卡驱动输出三个模块组成 9。系
10、统采用正弦波形，参数设置为采样频率 44100Hz，正弦波频率设置为 2000Hz，采样点数为 2000；正弦波幅度设置默认值 1.0Vpp；相位重设默认值为 TRUE，相位输入默认值为0。由于声卡不能同时配置在两个应用程序上，在调用声卡时要对其进行初始化。4.2 虚拟数字示波器的设计由于要实现两列波形对比功能，因此在设计虚拟数字示波器时要采用双通道显示并采用 While 循环结构,包含触发控制、数据采集、波形显示、时差计算 4 个模块 10，测量结果显示模块设置在 while 循环结构外部。（1）触发控制模块触发控制是根据触发电平的大小和触发极性进行触发。在触发之前用户需设置触发电平范围和极
11、性，只有范围和极性都符合的触发电平才能被触发，将此值送入触发控制子程序后的 Array Subset 函数的“ index”端口，每次采集数据后都从触发点开始提取子数组，送入显示屏实现波形的同步显示。（2）数据采集模块为了防止在连续采集过程中数据的丢失，设置一个缓冲区将要采集的数据进行暂存，调用 SIConfig 节点设置缓冲区，大小为 8192 字节或其倍数。该函数节点除设置缓存区大小外，也可对采样速率、采样通道数，样本位数进行设置。本系统设计的采样通道为双通道，样本位数为 16bit，缓冲区大小为 32768 字节以保证双通道采集时缓冲区足够大。构成数据采集模块的节点为：SI Start
12、节点，驱动声卡开始采集数据；SIRead 节点，从缓存区读取数据，由两个 Index Array 函数分别提取左声道和右声道数据作为示波器显示信号和测量的数据；SI Stop 节点，停止采集数据。（3）波形显示模块两个声音传感器接收声音信号的时间差是计算传播距离的关键，要准确计算时间差，就要对双通道信号进行同步采集。为此，该模块程序利用CASE 结构，采用 Build Array 节点把两个通道的波形数据组成一个二维数组后再送到波形显示控件 Waveform Graph，从而实现双通道波形的同时显示。（4）时差计算模块图 2 软件系统整体框图计算时差时首先对两列波进行相位分析，将相位差转化为采
13、样点数差，再根据采样点频率最终计算出时间差。其中用到的关系式为：一个周期的采样点= 采样频率/信号频率。求两路信号的采样点数差可用 Slope, vi 函数，首先将 array1 信号在触发电平作用下利用该函数求出 index1，将其附加在array2 内，此时算出的 array2 的index2 是从虚拟数字示波器接收信号开始算起两通道总的 index，其绝对值减去总周期采样点数即得两通道采样点数差 。设置正弦波频率为n2000Hz，声卡采样频率为最大值44100 Hz，即每 1/44100s 记录一个采样点数，通过自动计算两列波第一个波峰（或波谷）之间的采样点数差 n便可得声波在两声音传感
14、器之间的传播时间 s。虚拟数 =n1/44100字示波器经上述 while 循环结构产生的波形图如图 3 所示。（5）测量结果显示模块示波器前面板测量数据在 while循环结构外部生成，在声速控件的程序框图中键入计算公式 v，其中 T 为温度输入=01+ 273.15值。在结果显示控件程序框图中键入公式 x=v t， 调用示波器程序中的While 循环结果，v 则调用上述声速计算结果，以此进行测量结果显示。为了直观地体现该系统的精确度，在示波器前面板中插入误差显示控件。通过上述程序可实现声速测算、测量结果显示、误差显示功能设计。图 3 系统面板图5 测量结果按照上述步骤及实现方法设计出声波测距
15、系统，在 C 实验室环境17下，在 2.000-5.000m 范围内测试数据记录以及误差测量如表 1 所示。表 1 测试数据记录及误差计算序号点样差数 时差/s距离/m 结果/m相对误差1 259 0.00587 2.000 2.006 0.31%2 285 0.00646 2.200 2.208 0.34%3 310 0.00703 2.400 2.401 0.13%4 336 0.00762 2.600 2.600 0.16%5 363 0.00823 2.800 2.812 0.42%6 391 0.00887 3.000 3.029 1.0%7 415 0.00941 3.200 3.
16、215 0.56%8 441 0.01000 3.400 3.428 0.83%9 466 0.01057 3.600 3.616 0.42%10 493 0.01118 3.800 3.826 0.77%11 517 0.01172 4.000 4.012 0.36%12 542 0.01229 4.200 4.206 0.14%13 568 0.01288 4.400 4.408 0.29%14 594 0.01347 4.600 4.609 0.24%15 619 0.01404 4.800 4.803 0.12%16 647 0.01467 5.000 5.012 0.27%分析实验数
17、据发现平均误差为0.34%，可认为本系统在 2.000-5.000m 范围内测距精确，误差在允许范围内。同时可预测，在有效测量范围内，距离越大其误差越小。超过有效范围时，由于声波的衰减会逐渐使误差增大。6 结束语在 LabVIEW 环境下，利用虚拟信号发生器和虚拟示波器构建了短距离测距系统，在实际检测中发现采用可闻声波测距系统在进行短距离测量时无测量盲区，不受测量范围内障碍物限制，工作性能稳定，测量精确，弥补了激光测距和超声波测距的不足。其概念新颖，不仅适用于实际测量任务，更适合在实验室中推广。参考文献：1杨小静,季诚响,张民. 提高大学物理实验教学质量的几点建议J. 大学物理实验,2009,
18、22(02):106-108. 2洪焕凤,林明星. 基于虚拟仪器的实验教学J.实验室研究与探索,20053荣雅君,刘琳,高广峰,赵朋. 虚拟仪器在实验教学中的应用J.电力系统及其自动化学报,2009,21(01):78-82. 4.张珂,俞国华,刘钢海. 超声波测距回波信号处理方法的研究J. 测控技术,2008,27(01):48-50.5.王小阳,童峰,阮橙. 反射面起伏程度对超声波测距精度影响研究J. 南京大学学报( 自然科学),2015,51(11):107-111.6.李冬,王铮,李浩,陈晓白. 非接触法测量距离的研究J. 大学物理实验,2010,23(02):31-34.7.刘朝辉,
19、吴先球,吕红英,部德才,陈俊芳. 基于虚拟仪器技术的声速直接测量J. 计算机工程与应用,2005,34:207-209.8.雷旭,冯兴乐,常莹,谭亮. 基于 LabVIEW多样式数据识别及存取的实现J.测控技术,2016,35(04):113-116+131.9.林静，林振宇，郑福仁. LabVIEW 虚拟仪器程序设计从入门到精通M. 北京：人民邮政出版社，2010 年.10.何玉钧，高会生. LabVIEW 虚拟仪器设计教程M. 北京：人民邮政出版社，2012 年.Design of An Sonic Wave Distance Measurement System in LabVIEW E
20、nvironmentAbstract: The virtual intruements are used in every fields of science more and more, because of its characteristics of convenience, high efficiency and accuracy. The laboratories of ordinary universities should introduce this technology to adapt the development of the future instrument.A n
21、on-contact sonic wave distance measurement system is introduced ,which can be developed on PC and used for short-distance precision measurement. The overall design scheme and the realization of each system are expatiated. In the software design, LabVIEW virtual instrument development software is use
22、d for designing virtual signal generator and virtual digital oscilloscope to reduce the development costs, if the speed of sound is known, the distance can be calculated by counting the phase difference of two columns of waves which input virtual digital oscilloscope. In the actual test, its found that the system has the characteristics of high stability and accuracy , low cost, and it will play an important role for the students to learn the virtual instrument preliminarily.Key words: virtual instrument; LabVIEW; sonic wave; distance measurement
