基于虛擬儀器的遠程聲速測量實驗系統設計

徐富新 王 強 蔣英明 張 娜

1(中南大學物理與電子學院 湖南 長沙 410083)2(國網電科院江蘇瑞中數據股份有限公司 江蘇 南京 210012)

基于虛擬儀器的遠程聲速測量實驗系統設計

徐富新1王 強1蔣英明2張 娜1

1(中南大學物理與電子學院 湖南 長沙 410083)2(國網電科院江蘇瑞中數據股份有限公司 江蘇 南京 210012)

針對傳統實驗室資源限制的問題，設計一種遠程聲速測量的實驗系統。該設計基于LabVIEW的編程框架，采用USB-6361數據采集卡和MySQL數據庫實現實驗數據的實時采集以及管理；采用NI IMAQdx技術實現實驗過程的實時監控；采用Tools Web Publishing Tool技術構建B/S架構的實驗系統。該設計將多種技術融合，實現一種多功能遠程聲速測量實驗系統，并在該系統基礎上，進行聲速測量實驗。實驗表明，遠程聲速測量實驗系統的設計技術可行以及實驗結果的準確性、具有很好的應用價值。

虛擬儀器 數據采集 圖像采集 遠程聲速測量 LabVIEW

0 引 言

實驗教學可以加深學生對于理論知識的理解，同時對于培養學生的實踐、創新能力不可或缺。然而，大部分高校存在實驗經費不足的問題，難以滿足大量購置實驗儀器的需求，使傳統實驗室存在時間與空間資源的限制[1]。隨著互聯網、虛擬儀器技術發展而興起的遠程虛擬實驗室則可以打破傳統實驗室的時空限制，用戶可以通過網絡，隨時隨地訪問遠程實驗室資源，實現實驗室資源的共享。

國內外對于遠程虛擬實驗已有一定的研究。例如：文獻[2]設計一種微電子與電路設計的遠程實驗系統，用戶可通過手機端完成遠程實驗。文獻[3]設計VRCEL實驗室，其應用與化學領域的遠程實驗系統。文獻[4]設計一種遠程測控系統的視頻采集系統，其基于虛擬技術實現了測控系統圖像的實時采集。

聲速測量實驗作為重要的實驗項目之一，研究遠程聲速測量實驗系統有著重要的意義：突破傳統實驗室資源限制的問題；為“云”實驗室構建進行技術的試探等。本文基于Labview編程框架，并采用數據采集技術、視頻采集技術、數據庫技術等，設計一種多功能融合的遠程聲速測量實驗系統，解決了傳統實驗室資源限制的問題。

1 遠程聲速測量系統設計

介質中的聲速測量主要有波動法和延時法兩大類，本文針對空氣這一均勻媒介進行測試:

v=fλ

(1)

其中f表示聲波傳輸的頻率、λ表示聲波的波長、v表示聲波傳輸的速度。在實驗過程中，聲波的頻率f是由聲波信號源信號的頻率決定，即：聲波的頻率為已知項，通常實驗通過測量聲波的波長λ，并由式(1)計算得到聲波的傳播速度。測量聲波波長主要有兩種方法：駐波共振法、相位比較法[5]。

遠程聲速測量實驗系統需解決：實驗數據的實時采集與控制；實驗現場環境(圖像)的實時監控；用戶數據與實驗數據的管理；遠程用戶界面交互等。

1.1 總體設計

本文基于Labview的編程框架，設計一種遠程聲速測量的系統，其組成如圖1所示。原聲速測量實驗系統[6-7]包括：聲速測定儀、信號源，其通過示波器獲取信號波形以實現聲速測量。本設計在Labview編程框架基礎上，1) 采用數據采集卡采集信號源信號；2) 采用步進制電機實現超聲換能器S1、S2的位置調節，并由電機驅動控制器以及數據采集卡實現電機的驅動控制[8]；3) 采用攝像技術實現實驗過程的全景、全過程攝像；4) 采用數據庫技術實現相關人員、實驗成績信息的數據管理；5) 各項功能通過Labview編程框架集成，并由此而建立一種B/S架構的遠程聲速測量實驗的系統；6) 最終用戶由Web瀏覽器，并通過局域網、Internet訪問/共享實驗資源。該系統實現的主要功能有：實驗數據的實時采集、視頻采集、數據統一管理與存儲、B/S架構的構建。

圖1 遠程聲速測量系統框圖

1.2 超聲換能器信號的采集

數據采集采用數據采集卡實現模擬信號的A/D轉換，并采用Labview編程框架實現波形展示。超聲換能器信號共振頻率[9]為：

f∈(30kHz,40kHz)

(2)

同時，根據奈奎斯特(NYQUIST)采樣定理[10]：

fs≥2fmax

(3)

在信號A/D轉換過程，其采樣頻率fs大于等于2倍的最高信號頻率fmax時，方能保證原信號的特征。為了達到較好的采樣效果，本文采用NIUSB-6361型號數據采集卡[11]，其最高采樣頻率為2MHz，模擬輸入輸出通道分別為16、2路，數字雙向通道分別為24路。信號采樣方式采用差分輸入，其接線方式如圖2所示。

圖2 信號采集接線方式圖

如圖2所示，信號源信號端X的正負極分別接入，數據采集卡USB-6361的模擬輸入端1、2引腳；同樣，信號源信號端Y的正負極分別接入，數據采集卡USB-6361的模擬輸入端4、5引腳。實現數據采集的差分輸入，提高信號的抗干擾性。

根據信號接入的連接方式，聲速測量的信號采集Labview程序圖，如圖3所示。

圖3 數據采集程序圖

數據采集模塊采用高性能、多功能的數據采集卡，實現信號的高精度采集，以及滿足系統的可擴展性。如：電機控制、實驗系統安全性控制等。

1.3 實驗現場的視頻采集

視頻采集是指把模擬視頻轉換成數字視頻，并按數字視頻文件的格式保存下來。在傳統視頻采集過程中，視頻采集卡作為核心部件，且成本較高。本文采用視頻采集工具NIIMAQdx[12]實現USB攝像頭的視頻采集。從而降低了系統成本，且實現過程簡便。

NIIMAQdx依賴于VisionAcquisitionSoftware組件。NIIMAQdx的視頻采集步驟如下：

Step1 調用IMAQdx Open Cameras.vi，打開PC機上的USB攝像頭；

Step2 調用IMAQdx Configure.vi，完成視頻采集的初始化；

Step3 調用IMAQdx Create.vi創建圖像數據的緩存；

Step4 調用IMAQdx Grab.vi循環采集圖像數據，并通過Image Display控件顯示圖像；

Step5 調用IMAQdx Close Camera.vi關閉攝像頭，并釋放占用的資源；

Step6 最后調用IMAQdx Dispose釋放圖像數據的緩存空間。

視頻采集的LabVIEW程序圖，如圖4所示。

圖4 USB攝像頭的圖像采集程序圖

視頻采集模塊采用軟件工具NI IMAQdx，解決視頻采集卡成本高的問題，且高效地實現了視頻的即時采集。

1.4 實驗數據管理

遠程聲速測量實驗系統在運行過程中，主要存在兩類數據：系統管理性數據(系統管理員、普通用戶)、實驗測試數據。數據的服務與管理作為遠程聲速測量系統的重要支撐，系統采用開源數據庫MySql5.6.24，并結合LabVIEW的數據庫連接工具DCT(Database Connectivity Toolkit)，以實現對數據庫的訪問與操作。其數據流圖，如圖5所示。

圖5 數據流圖

LabVIEW服務器通過數據庫連接工具、開放數據庫互連ODBC，實現與數據庫的互連操作。其實現步驟：

在Windows平臺下，安裝MySql數據庫、ODBC驅動；創建數據源DSN(Data Source Names)；在LabVIEW編程框架下，創建與數據庫的連接和操作。

圖6為數據庫表記錄查詢的LabVIEW程序圖。

圖6 數據庫表記錄查詢程序圖

其程序處理的流程如圖7所示。

圖7 數據查詢流程圖

數據管理模塊采用資源消耗小、開源的MySql數據庫，實現遠程聲速測量系統的數據存儲；并采用DCT工具便捷地實現了LabVIEW與數據庫的無縫集成。

1.5 B/S架構構建

基于LabVIEW的網絡系統可分為兩種模式C/S模式、B/S模式。相比C/S模式，B/S模式使用簡便、維護成本低。因此，本文基于Tools Web Publishing Tool[13]技術，構建B/S架構的遠程聲速測量實驗系統。系統構建的基本過程：首先配置LabVIEW服務器，通過LabVIEW軟件的“Web服務器”選項，設置服務端的網絡端口、文件路徑、訪問權限等；其次網絡的分布，采用Tools Web Publishing Tool工具配置Web頁面、程序vi、統一資源定位法URL等，實現系統的網絡發布；最后在客戶端訪問與控制聲速測量實驗系統，用戶由URL，并通過局域網/Internet訪問遠端的聲速測量實驗系統。

2 實驗系統搭建與驗證

根據本文的設計，實現了兩種典型的聲速測量方法，下位機采用多功能數據采集卡與USB攝像頭，分別實現實驗數據、實驗過程視頻的采集。上位機是基于LabVIEW的編程框架實現實驗數據采集、視頻采集、數據管理與B/S架構的構建。實驗采用的硬件環境配置如表1所示。

表1 硬件配置

軟件配置環境如表2所示。

表2 軟件配置

2.1 駐波共振法實驗

駐波共振法的原理，兩個相同頻率信號的距離為半波波長時形成駐波。由該項原理，則可計算出聲波的波長。根據系統設計，駐波共振法的LabVIEW程序圖及前面板圖，如圖8、圖9所示。

圖8 駐波共振法程序圖

圖9 駐波共振法前面板圖

如圖9所示，信號源頻率設置為：35.955 KHz，數據采集卡的采樣頻率與采樣數分別為：1 MHz、200。調整超聲信號換能器的位置，進行以下實驗。

表3 駐波共振法實驗結果

實驗采用逐差法的實驗處理方式，計算得到聲音在均勻空氣介質中的傳播速度v1：

(4)

2.2 相位比較法實驗

相位比較法原理：李薩如圖的圖形從直線狀至原位置直線狀時，其兩個信號相位相差360°即為一個波長。根據系統的設計，相位比較法的LabVIEW程序圖及前面板圖，分別如圖10、圖11所示。

圖10 相位比較法程序圖

圖11 相位比較法前面板圖

與駐波共振法一樣的配置參數進行實驗，結果如表4所示。

表4 相位比較法實驗結果

如表4所示，采用逐差法的實驗處理方式，計算得到聲音在均勻空氣介質中的傳播速度v2：

(5)

2.3 實驗結果分析

由以上兩組實驗，其結果表明：本設計技術上可行；實驗過程體現了聲速測量的實際情景，并驗證了該系統的可靠性；相比于傳統實驗，本系統突破了時間與空間資源的限制，實驗人員可以隨時隨地完成聲速測量的實驗。

3 結 語

本文將多種技術的融合，實現了一種多功能、B/S架構的遠程聲速測量實驗系統，解決了傳統實驗室資源限制的難題。采用多功能數據采集卡，實現實驗數據的實時采集，且具有一定功能的可擴展性；采用NIIMAQdx技術視頻圖像的即時采集；解決LabVIEW環境下，遠程聲速測量系統數據的管理。測試實驗體現了聲速測量的實際情景，驗證了系統的準確性與可靠性，因此，本系統具有很好的應用價值。

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[2]ParkhomenkoAV,GladkovaO,IvanovE,etal.Developmentandapplicationofremotelaboratoryforembeddedsystemsdesign[J].InternationalJournalofOnlineEngineering,2015,11(3):27-31.

[3]SpoelderHJW.Virtualinstrumentationandvirtualenvironments[J].IEEEInstrumentationandMeasurementMagazine,1999,2(3):14-19.

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DESIGN OF REMOTE ACOUSTIC VELOCITY MEASUREMENT EXPERIMENTAL SYSTEM BASED ON VIRTUAL INSTRUMENTS

Xu Fuxin1Wang Qiang1Jiang Yingming2Zhang Na1

1(SchoolofPhysicsandElectronics,CentralSouthUniversity,Changsha410083,Hunan,China)2(ChinaReal-timeDatabaseCo.,Ltd,StateGridElectricPowerInstitute,Nanjing210012,Jiangsu,China)

An experimental system of remote sound velocity measurement was designed to solve the problem of the limited resource in traditional laboratory. The design is based on the LabVIEW programming framework. Using USB-6361 data acquisition card and MySQL database to realize the real-time acquisition and management of the experimental data. Besides, the real-time monitoring of the whole experimental process is realized by the NI IMAQdx technology, and the experimental system with B/S architecture is constructed by the Tools Web Publishing Tool technology. The design integrates various technologies to achieve a multi-functional remote acoustic velocity measurement system, and to do acoustic velocity measurement on the basis of the system. The experiments results show that the design of the experimental system of the remote acoustic velocity measurement is feasible, and has a certain application value.

Virtual instrument Data acquisition Image acquisition Remote acoustic velocity measurement LabVIEW

2015-11-25。湖南省自然科學基金重點項目(11JJ22039)。徐富新，教授，主研領域：虛擬儀器技術研究與開發。王強，碩士生。蔣英明，工程師。張娜，碩士生。

TP2

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.02.029