基于網絡化虛擬儀器的傳感器技術實驗系統開發

馮梅琳，杜紅霞，劉 斌，張 龍

（江西理工大學 機電工程學院，江西 贛州 341000）

《傳感器技術》是測控技術與儀器專業一門必修的專業核心課程，通過實驗教學可以使學生更好地理解和掌握基本理論和方法，獲得一定的解決分析問題的能力和實驗技巧[1].但由于受到時間、空間、設備臺套數等的限制，學生通常要多人一組、以班級為單位在固定的時間內進行實驗，另外對實際實驗設備不熟悉，實驗過程主要依賴老師上課的講解和實驗指導書上的步驟進行操作，如接插線、手工記錄數據、分析數據、用坐標紙繪圖分析，最后寫實驗報告，整個實驗過程不利于調動學生的積極性和創造性，而且傳統的手算數據處理也存在著誤差大、處理結果存在個體差異、處理費時而且不夠嚴謹等問題.

網絡化虛擬儀器是當今測控領域發展的一個重要方向，它利用LabVIEW強大的網絡通信功能將前面板移植到Internet上，通過Web瀏覽器實現遠程測控功能，有利于解決實驗教學中時間與空間的限制問題.目前已經有部分高校利用網絡化虛擬儀器技術組建網絡化實驗室以實現資源共享、減少設備的重復投資，從而有效地緩減了資金短缺的壓力[2-4].鑒于此，筆者采用網絡化虛擬儀器技術實現傳感器技術實驗系統的開發，旨在提高《傳感器技術》課程的實驗教學效果，為學生預習實驗提供直觀素材，為實驗數據的分析處理提供新的分析方法，同時為學生提供了創新實踐的機會，加深了學生對傳感器知識的理解和掌握，鍛煉了學生的編程能力，拓展學生的專業素質和工程設計創新能力.

1 網絡化系統架構

目前構建網絡化虛擬儀器所采用的結構模型主要有客戶端/服務器(C/S)和瀏覽器/服務器(B/S)兩種模式[5-6]，前者可以利用遠程控制面板訪問，但客戶端需要安裝LabVIEW程序才能訪問；后者可直接利用Web瀏覽器訪問服務器端的程序，只需安裝LabVIEW Run-Time Engine即可訪問.為了方便程序的網絡發布，本系統選擇B/S模式來實現.系統總體架構如圖1所示，主要包括被測對象、實驗模塊、數據采集單元、應用服務器端和瀏覽器端，當學生、教師等實驗人員打開Web瀏覽器登陸到實驗系統服務器后即可隨時、隨地進行學習，也可以將服務器程序打包生成.exe可執行文件嵌入到自主開發的傳感器技術課程平臺網站供學生學習，為學生提供了豐富的實驗教學資源和編程的方法與思路.

圖1 系統總體架構圖

2 系統功能模塊的實現

2.1 系統功能介紹

本系統采用模塊化的程序設計方法，在功能強大的LabVIEW2012環境下對系統登錄模塊、系統概述、實驗室簡介、傳感器實體模型、實驗項目等功能進行設計和開發.學生只需要一臺計算機就可以不受時間和空間的限制及時預習實驗，增強對實驗室現狀和實驗設備的了解，熟悉實驗目的、實驗原理、實驗步驟及接線操作、觀察實驗現象、記錄實驗數據并加以分析等，使得實驗過程更加直觀明了；教師也可以將實驗系統搬到課堂上，理論聯系實際，化抽象為具體，不僅增強了學生學習的積極性和主動性，在一定程度上提高了教學質量.

2.2 傳感器模型及實驗模塊的設計

圖2 傳感器模型及實驗模塊前面板圖

系統開發過程中通過三維實體建模軟件3DMAX對實驗室各個傳感器進行建模生成.c3d文件后導入Cult3D給模型加入互動效果，再生成動畫格式加載到LabVIEW中進行顯示.點擊系統主界面的實驗模塊和傳感器名稱按鈕，可觀察電容式傳感器、電感式傳感器等十五種實體傳感器的3D模型動畫，增強了學生對各類傳感器的感性認識；點擊各種傳感器模塊可見各個實驗模塊流水滾動效果，該模塊使學生對ZY12805B型實驗臺各個實驗模塊有了更直觀的了解，對理論教學起到了很好的輔助作用，其前面板效果如圖2所示.

2.3 傳感器實驗項目模塊的設計

通過對ZY12805B型傳感器實驗臺主臺體和實驗模塊的多組照片進行分類整理，運用Photoshop CS6強大的圖片編輯功能對實驗臺和實驗模塊實體照片進行處理，如照片存在陰影、臟污、色彩不一等問題時，獲取所需的旋鈕、接線端子、電壓表、傳感器、螺旋測微儀等器件并設置為各個圖層，再按照實驗臺的實際尺寸對各個器件按比例重新繪制實驗臺面板.在此，為了接線方便，將虛擬實驗臺和實驗模塊設置在同一操作界面下，再以圖像格式導入LabVIEW開發環境，為學生提供了清晰逼真的實驗室環境和真實情景體驗的機會.在實驗項目的設計過程中，采用多個選項卡的設計方式來模擬實際實驗的操作過程，即對每個實驗項目的實驗目的、實驗原理、實驗器材、實驗步驟、實驗結果和思考題等都進行了設計，使學生能快速的獲取整個實驗的關鍵知識點并在真實實驗中進行驗證.以電阻應變式傳感器三種測量橋路的比較實驗為例，其單臂電橋步驟十如圖3所示，該實驗步驟完全模擬實際實驗過程中砝碼和電壓表讀數成一定的線性關系，給學生身臨其境的感覺.

圖3 實驗一單臂電橋步驟十前面板圖

2.3 實驗數據采集處理模塊的設計

該模塊的實驗數據采集主要包括在線實時采集和離線采集兩種方式，實時采集主要要求學生嘗試采用單片機二次開發模塊和購買的NI USB6008數據采集卡兩種方式進行編程，其中單片機采集方式通過VISA模塊實現串口的初始化、讀寫和關閉等操作[7-8]；數據采集卡采集方式相對簡單，只需要利用NI DAQ Assistant采用條件結構，每單擊一次“采集”按鈕則進行一次實驗數據的采集[9-10].點擊實驗結果可進入實驗數據分析環境，實現測試結果的顯示和記錄.為了更好的檢驗學生預習實驗的情況，在系統登陸和實驗項目程序設計中將姓名、班級、學號設置為全局變量，保證了登陸界面和實驗項目中的實驗者信息的一致性.另外，實驗者可根據實際實驗測試結果將實驗數據存入數據庫，或修改實驗數據處理程序，得到想要的分析結果；點擊保存圖片按鈕，可將實驗整個前面板保存為JPG格式打印.在本系統中，采用Microsoft ACCESS2007作為數據庫，并利用ADO技術實現數據庫的訪問，從而實現實驗數據的存儲與讀取，其中數據庫的路徑為系統VI同一目錄，必須與DB Tools Open Connection VI、DB Tools Insert Data VI和 DB Tools Select Data VI相連接，再將輸入輸出量捆綁寫入表格，連接測試數據庫如圖4所示.以電渦流式傳感器位移特性測量為例，其實驗結果前面板如圖5所示，實驗結果保存程序如圖6所示.

圖4 連接測試數據庫程序框圖

圖5 電渦流式傳感器特性及位移測量實驗前面板圖

圖6 實驗結果保存程序框圖

3 系統網絡發布功能的實現

LabVIEW中實現網絡通信功能的方法有多種[11-12]，如利用 TCP、UDP、SMTP、PROFIBUS、Modbus、Ethernet/IP、CAN Open等通信協議在客戶端和服務器端編程實現；利用基于TCP/IP協議的DataSocket技術（DataSocket API和 DataSocket Server）、IrDA技術或Bluetooth技術編程實現；使用基于NI-PSP協議的共享變量編程實現；利用遠程桌面鏈接實現；通過Remote Panels技術來實現.經過認真分析各種通信方法的優缺點，本系統采取具有無損傳輸、客戶端訪問跨平臺等優越性的Remote Panels技術來實現系統的網絡發布功能.Remote Panels技術允許用戶直接在Client端計算機上打開并操作Web Server端計算機上的VI，甚至可以將前面板窗口嵌入到網頁中利用Web瀏覽器在網頁中直接操作，但必須首先利用Web Publish Tool將實驗系統應用程序以HTML格式進行網頁發布，再在Web Server計算機上運行LabVIEW程序，并通過文件路徑和網絡設置、客戶機訪問權限設置、VIs訪問權限設置三個方面配置Web Server，學生只需要按照規定的格式在瀏覽器中輸入服務器端的URL地址、班級、姓名和學號等信息就可以遠程訪問傳感器技術實驗系統.

4 結束語

本系統在現有傳感器實驗臺的基礎上采用圖形化編程語言LabVIEW2012設計開發了傳感器技術網絡實驗系統，使實驗環境更加貼近真實實驗室，實驗過程更加直觀明了，能有效的提高學生實驗的自主性，激發了學生自主設計和開發實驗的興趣，有利于培養學生的實驗技能和創新意識.同時突破了空間和時間的限制，豐富了實驗教學內容，提高了實驗教學效果，彌補了實驗室實驗臺數量不足、實驗配件易損壞等問題，對傳統實驗教學模式是一種有益的補充，也是當前實驗教學重要的發展方向，對其他課程開發虛擬實驗具有一定的啟示和借鑒意義.

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