傳感器虛擬實驗平臺的設計及開發

張美鳳 郭 杰

（常州工學院光電工程學院，江蘇 常州 213032）

1 引言

傳感器課程是測控技術與儀器專業的一門重要的專業基礎課。本課程是實踐性要求比較高的一門課程，需要提供良好的開放實驗室環境，配置較好的教學儀器，但國內高校普遍資金投入不足。另外隨著傳感器實驗教學儀器的日積月累的使用，儀器內部元件容易老化，影響儀器的正常使用和儀器測量結果的準確性，并且由于受實驗場地和實驗時間的限制，學生并不能實現隨時隨地進行實驗。本虛擬實驗項目就是在這樣的背景下提出的，旨在使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展實驗，提高學生的實踐動手能力。

2 傳感器虛擬實驗平臺的結構

傳感器虛擬實驗平臺的結構如圖1所示，主要包括應變式傳感器、電容式傳感器、差動變壓器、霍爾測速傳感器、霍爾位移傳感器五個實驗。每一個實驗都設置有實驗目的、實驗原理、實驗裝置、實驗步驟、仿真實驗、課后思考等內容。通過前面五部分內容的學習，對實驗進行預習，對實驗內容有大致了解；仿真實驗部分把儀器的測試功能用形象逼真的面板控件形成軟件模塊，像實物儀器一樣完成測試、處理等任務，得到實驗室里相同的實驗過程，通過仿真實驗將實驗教學搬進課堂，搬上網絡，實現理論與實踐的完美融合，減少了設備資金的投入，改善了實驗條件，促進了實驗方法、手段的完善；最后通過課后思考，對實驗過程進行反思，實現學習上的反饋，從而不斷提高學習效果。

圖1 傳感器虛擬實驗平臺結構

3 傳感器虛擬實驗平臺的開發

傳感器虛擬實驗平臺，首先在FLASH 平臺上開發五個仿真實驗，然后利用LabVIEW平臺構建平臺框架，并將五個仿真實驗調用到平臺里，最后發布生成安裝程序，這樣此平臺就可以脫離LabVIEW 平臺，直接在Windows 系統下安裝使用。

3.1 FLASH平臺的開發

五個FLASH 仿真實驗的制作過程包括制作元件庫、場景制作、添加腳本代碼、測試影片四個部分。下面以應變式傳感器為例，具體講解其開發過程。

（1）制作元件庫

根據對應變式傳感器實驗的分析，確定該實驗模塊所需的器件與單元為：應變式傳感器實驗模塊、應變式傳感器、砝碼、數顯表、±15V電源、±4V電源、電源開關。制作以上各個元件，如圖2所示。

圖2 應變式傳感器元件庫

（2）場景制作

該實驗模塊有多個圖層：背景、電阻、插孔、應變式傳感器實驗、導線、支架、底座、托盤、滑動變阻器、返回菜單按鈕、狀態欄、砝碼等。場景只使用了一幀，但是圖層中的元件采用了多幀制作，這樣的做法是為了產生良好的交互效果。

（3）添加腳本代碼

本實驗模塊主要的動作腳本集中在：“開始”按鈕、“下一步”按鈕、“返回菜單”按鈕以及MainMovie。

“開始”按鈕，實現的功能是：當點擊“開始”按鈕，狀態欄就會顯示第一步操作，提示實驗者進行第一步操作。

其程序代碼為：

“下一步”按鈕，實現的功能是：每點擊一次“下一步”按鈕，狀態欄就會顯示下一步要進行的操作，而且如果實驗者誤點擊了這個按鈕或者需要查看上一步操作，可以重新點擊“開始”按鈕和“下一步”按鈕即可。

“返回菜單”按鈕，實現的功能是：當點擊“返回菜單”按鈕，可以返回到主菜單并重新選擇實驗模塊，體現了交互式操作效果。

（4）測試影片

按下Ctrl+Enter，即可測試影片。應變式傳感器的實驗模塊測試效果如圖3所示。

圖3 應變式傳感器實驗界面

3.2 LabVIEW虛擬實驗平臺的開發

（1）主界面設計

傳感器虛擬實驗平臺主要包括五個實驗，其主程序前面板如圖4（a）所示，程序框圖中通過while循環結構、case結構等實現數據流的控制，其程序框圖如圖4（b）所示，當在主界面用鼠標點擊某一項實驗時，可以進入相關的實驗界面進行實驗。

圖4 主界面設計

（2）各子VI設計（以應變式傳感器為例）

應變式傳感器實驗主要實驗目的、實驗原理、實驗裝置、實驗步驟、仿真實驗、課后思考等內容。當每點擊不同的按鈕，可以進行相應的實驗內容。其主界面如圖5（a）所示，其程序框圖通過選擇函數、局部變量函數、移位寄存器等實現數據流的控制，其程序框圖如圖5（b）所示。其它實驗設計與應變式類同。

圖5 應變式傳感器實驗設計

4 結語

通過傳感器虛擬實驗平臺的仿真實驗，可以把傳統儀器的測試功能用形象逼真的面板控件形成軟件模塊，在計算機的協調下像實物儀器一樣完成測試、處理、分析等任務，得到在實驗室里相同的實驗過程和測試結果；通過此虛擬實驗平臺可以使學生不受空間、時間限制，隨時隨地進行實驗，使學生在開放、自主、交互的虛擬環境中開展高效、經濟、安全的實驗，節約了設備資金的投入，降低了設備的使用損耗；通過此虛擬實驗平臺，逐步激發更多的學生開發類似系統的興趣，有利于提高學生的實踐創新能力。另外，此虛擬實驗平臺也為實驗教學改革和實驗室建設增添了活力和動力。