何伶俐 何汶靜 楊慶華

*項(xiàng)目來(lái)源：四川省2021—2023年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項(xiàng)目“政產(chǎn)學(xué)研用合作培養(yǎng)創(chuàng)新人才的研究與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)JG2021-1122）；川北醫(yī)學(xué)院2022校級(jí)教改項(xiàng)目“醫(yī)學(xué)院校工科專(zhuān)業(yè)課程教考分離模式探索”（項(xiàng)目編號(hào)22-10-03）。

作者簡(jiǎn)介：何伶俐，講師；何汶靜、楊慶華，副教授。

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.02.122

摘? 要? 為了解決傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)中存在的各種弊端，針對(duì)現(xiàn)代傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，以ELVIS結(jié)合LabVIEW和Multisim構(gòu)建了虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并以溫度傳感器、光敏電阻傳感器和超聲波測(cè)距傳感器三個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，介紹虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)證明：虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)起到很好的補(bǔ)充和完善作用，豐富了教學(xué)手段，有效地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和效果。

關(guān)鍵詞? 傳感器；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；ELVIS；LabVIEW；Multi-

sim

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）02-0122-05

0? 引言

醫(yī)學(xué)傳感器是生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)業(yè)的主干課程之一，主要介紹傳感器產(chǎn)生的各種電量和非電量信號(hào)的檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和測(cè)量，綜合性較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)是課程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其教學(xué)方法對(duì)整個(gè)課程的教學(xué)有著重要影響。傳感器實(shí)驗(yàn)主要涉及兩方面的內(nèi)容：一是將傳感器轉(zhuǎn)換出來(lái)的微弱的電信號(hào)做放大及濾波處理；二是通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算，將放大處理后的電信號(hào)換算成對(duì)應(yīng)的物理量[1-2]。而傳統(tǒng)的傳感器實(shí)驗(yàn)都是按照搭建電路、記錄信號(hào)的電壓或者電流值、換算物理量的步驟進(jìn)行。電量和物理量之間的關(guān)系需手動(dòng)計(jì)算完成，不能實(shí)時(shí)顯示所測(cè)物理量的波形和數(shù)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示不夠直觀形象[3-4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及仿真工具軟件的發(fā)展，基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要模式，對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到了很好的補(bǔ)充和完善作用，有效地解決了其存在的問(wèn)題[5-6]。本文針對(duì)醫(yī)學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，應(yīng)用虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的教學(xué)研究，用實(shí)例展示了虛擬儀器平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，希望能夠幫助從事相關(guān)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師開(kāi)拓教學(xué)思路、豐富教學(xué)手段、提高教學(xué)效果。

1? 虛擬儀器平臺(tái)介紹

虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用ELVIS硬件結(jié)合Lab-VIEW構(gòu)建。ELVIS是美國(guó)National Instruments公司（簡(jiǎn)稱(chēng)NI）推出的一款教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可用于電路設(shè)計(jì)、儀器控制、無(wú)線(xiàn)通信、嵌入式/MCU等教學(xué)。ELVIS具有多種數(shù)據(jù)接口，包括模擬信號(hào)輸入/輸出接口（AIO）和數(shù)字信號(hào)輸入/輸出接口（DIO）以及計(jì)數(shù)I/O口，能同時(shí)進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集。內(nèi)部集成了12款最常用的儀器，可通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)快速地測(cè)量采集及顯示[7]。LabVIEW是一種基于圖形方式的集成化程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，在LabVIEW環(huán)境下所編寫(xiě)的程序稱(chēng)為VI。VI分為框圖程序和用戶(hù)界面兩部分，框圖程序決定了VI的運(yùn)行，用戶(hù)界面也稱(chēng)為前面板，是虛擬儀器的人機(jī)交互接口。LabVIEW還具有豐富的信號(hào)分析處理相關(guān)模塊，能方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理[8]。ELVIS和LabVIEW結(jié)合，能夠發(fā)揮虛擬儀器的靈活性及自定義功能。

2? 虛擬儀器平臺(tái)在傳感器實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用實(shí)例

2.1? 溫度傳感器實(shí)驗(yàn)

常用的溫度傳感器有熱敏電阻、鉑熱電阻PT100、熱電偶、AD590等。這里以AD590為例介紹溫度傳感器實(shí)驗(yàn)。AD590是一種感溫電流源集成模塊，輸出電流在溫度為絕對(duì)零度（-273.15 ℃）時(shí)為0，溫度每增加1 ℃，會(huì)增加1 μA輸出電流，因此在室溫25 ℃時(shí)，其輸出電流Iout=（273+25）=

298 μA。而ELVIS AI口的輸入電壓限幅為10 V，因此需將μA級(jí)的輸出電流轉(zhuǎn)換為0～10 V電壓以便ELVIS處理。本實(shí)驗(yàn)采用如圖1所示電路實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。由圖1可知，電流AD590在R5上的分流系數(shù)為R2+R6/R5+R2+R6=0.868，因此，0 ℃

所對(duì)應(yīng)電壓為：273 uA×0.868×10 k=2.37 V。AD590輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓后，與0 ℃對(duì)應(yīng)電壓2.37 V

經(jīng)TL082差分放大，推算出電壓和溫度有如下關(guān)系。

（1）

用Multisim仿真電路進(jìn)行驗(yàn)證，可以看出，當(dāng)溫度為25 ℃時(shí)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到的輸出電壓為

1.220 V，代入式（1）得到的溫度也是25 ℃，說(shuō)明電路能夠?qū)崿F(xiàn)溫度傳感器輸出電流信號(hào)到電壓的轉(zhuǎn)換。

仿真驗(yàn)證無(wú)誤后，按照?qǐng)D1搭建電路，將采集到的電壓送入ELVIS的AI4模擬電壓輸入端口中，用LabVIEW編程讀取此電壓，并進(jìn)行電壓和溫度的轉(zhuǎn)換，最后在前面板上將測(cè)量結(jié)果以數(shù)值和波形的形式顯示出來(lái)?？驁D程序和前面板分別如圖2、圖3所示。

2.2? 光敏電阻實(shí)驗(yàn)

光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管，是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。這里采用分壓式電路來(lái)測(cè)量光敏電阻的伏安特性，將光敏電阻和1 kΩ電阻串聯(lián)接入ELVIS的可變電壓端VPS，通過(guò)改變VPS的值來(lái)獲得光敏電阻的伏安特性，實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示。

光敏電阻計(jì)算和伏安特性繪制框圖程序如圖5所示。首先為制圖數(shù)組添加零點(diǎn)，然后采用一個(gè)10次的For循環(huán)，每個(gè)循環(huán)內(nèi)首先為VPS+供電，使VPS的電壓從1 V依次變到10 V。接著延時(shí)100 ms

等待電路建立。最后通過(guò)AI0口讀出節(jié)點(diǎn)電壓，用VPS電壓減去節(jié)點(diǎn)電壓即可得到光敏電阻兩端電壓。由于參考電阻阻值為1 kΩ，因此參考電阻兩端電壓數(shù)值的大小即為mA單位的電路電流值，最后由LabVIEW提供的線(xiàn)性擬合函數(shù)計(jì)算出此時(shí)光敏電阻的阻值?？梢酝ㄟ^(guò)前面板選擇測(cè)亮電阻或暗電阻，主程序和前面板分別如圖6、圖7所示。

2.3? 超聲波測(cè)距

實(shí)驗(yàn)采用的是HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，與ELVIS的連接如圖8所示。當(dāng)Trig端收到超過(guò)10 us

的觸發(fā)信號(hào)后，HC-SR04將自動(dòng)發(fā)送超聲波信號(hào)。與此同時(shí)，Echo端變?yōu)楦唠娖?，遇到障礙物超聲波返回，收到返回信號(hào)后Echo端變?yōu)榈碗娖?。因此，Echo端高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。此外，空氣中聲音傳播的速度不是一個(gè)定值，通常所說(shuō)的340 m/s只是一個(gè)近似值，在不同的溫度下將會(huì)有一些變化。經(jīng)過(guò)修正，作為常溫下（按25 ℃計(jì)算）的測(cè)試，可以認(rèn)定聲速為346 m/s。

測(cè)出高電平持續(xù)的時(shí)間t，通過(guò)式（2）可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距離障礙物的距離S。

S=346*t/2? ? ? ? ? ? ? ? （2）

采用圖9所示的脈沖產(chǎn)生子程序，在ELVIS的CTR0-OUT端產(chǎn)生寬度為10 ms的單脈沖信號(hào)作為HC-SR04的觸發(fā)信號(hào)。HC-SR04的Echo端信號(hào)送入ELVIS的CTR1-GATE端，采用圖10所示脈沖寬度測(cè)量子程序，得到超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間t。根據(jù)式（2）在主程序上編程，在前面板上顯示出測(cè)量結(jié)果，如圖11、圖12所示。

3? 結(jié)束語(yǔ)

目前，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已應(yīng)用于川北醫(yī)學(xué)院的醫(yī)學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)課程中。實(shí)踐證明，基于虛擬儀器平臺(tái)的傳感器實(shí)驗(yàn)，通過(guò)完成信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理電路的設(shè)計(jì)仿真、實(shí)際電路搭建及調(diào)試、數(shù)據(jù)采集處理和結(jié)果顯示的實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)于傳感器技術(shù)和智能測(cè)量系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)能力，對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性起到了積極作用，為培養(yǎng)新醫(yī)工結(jié)合人才奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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