馮梅琳，杜紅霞，劉 斌，張 龍

（江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

《傳感器技術(shù)》是測控技術(shù)與儀器專業(yè)一門必修的專業(yè)核心課程，通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以使學(xué)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(shí)驗(yàn)技巧[1].但由于受到時間、空間、設(shè)備臺套數(shù)等的限制，學(xué)生通常要多人一組、以班級為單位在固定的時間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，另外對實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備不熟悉，實(shí)驗(yàn)過程主要依賴?yán)蠋熒险n的講解和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的步驟進(jìn)行操作，如接插線、手工記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、用坐標(biāo)紙繪圖分析，最后寫實(shí)驗(yàn)報告，整個實(shí)驗(yàn)過程不利于調(diào)動學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，而且傳統(tǒng)的手算數(shù)據(jù)處理也存在著誤差大、處理結(jié)果存在個體差異、處理費(fèi)時而且不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)葐栴}.

網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器是當(dāng)今測控領(lǐng)域發(fā)展的一個重要方向，它利用LabVIEW強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能將前面板移植到Internet上，通過Web瀏覽器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控功能，有利于解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)中時間與空間的限制問題.目前已經(jīng)有部分高校利用網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室以實(shí)現(xiàn)資源共享、減少設(shè)備的重復(fù)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(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)，旨在提高《傳感器技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，為學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)提供直觀素材，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理提供新的分析方法，同時為學(xué)生提供了創(chuàng)新實(shí)踐的機(jī)會，加深了學(xué)生對傳感器知識的理解和掌握，鍛煉了學(xué)生的編程能力，拓展學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和工程設(shè)計創(chuàng)新能力.

1 網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)架構(gòu)

目前構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器所采用的結(jié)構(gòu)模型主要有客戶端/服務(wù)器(C/S)和瀏覽器/服務(wù)器(B/S)兩種模式[5-6]，前者可以利用遠(yuǎn)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(wù)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(wǎng)絡(luò)發(fā)布，本系統(tǒng)選擇B/S模式來實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括被測對象、實(shí)驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)采集單元、應(yīng)用服務(wù)器端和瀏覽器端，當(dāng)學(xué)生、教師等實(shí)驗(yàn)人員打開Web瀏覽器登陸到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器后即可隨時、隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以將服務(wù)器程序打包生成.exe可執(zhí)行文件嵌入到自主開發(fā)的傳感器技術(shù)課程平臺網(wǎng)站供學(xué)生學(xué)習(xí)，為學(xué)生提供了豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和編程的方法與思路.

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)功能模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能介紹

本系統(tǒng)采用模塊化的程序設(shè)計方法，在功能強(qiáng)大的LabVIEW2012環(huán)境下對系統(tǒng)登錄模塊、系統(tǒng)概述、實(shí)驗(yàn)室簡介、傳感器實(shí)體模型、實(shí)驗(yàn)項目等功能進(jìn)行設(shè)計和開發(fā).學(xué)生只需要一臺計算機(jī)就可以不受時間和空間的限制及時預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)對實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的了解，熟悉實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟及接線操作、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并加以分析等，使得實(shí)驗(yàn)過程更加直觀明了；教師也可以將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搬到課堂上，理論聯(lián)系實(shí)際，化抽象為具體，不僅增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，在一定程度上提高了教學(xué)質(zhì)量.

2.2 傳感器模型及實(shí)驗(yàn)?zāi)K的設(shè)計

圖2 傳感器模型及實(shí)驗(yàn)?zāi)K前面板圖

系統(tǒng)開發(fā)過程中通過三維實(shí)體建模軟件3DMAX對實(shí)驗(yàn)室各個傳感器進(jìn)行建模生成.c3d文件后導(dǎo)入Cult3D給模型加入互動效果，再生成動畫格式加載到LabVIEW中進(jìn)行顯示.點(diǎn)擊系統(tǒng)主界面的實(shí)驗(yàn)?zāi)K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(shí)體傳感器的3D模型動畫，增強(qiáng)了學(xué)生對各類傳感器的感性認(rèn)識；點(diǎn)擊各種傳感器模塊可見各個實(shí)驗(yàn)?zāi)K流水滾動效果，該模塊使學(xué)生對ZY12805B型實(shí)驗(yàn)臺各個實(shí)驗(yàn)?zāi)K有了更直觀的了解，對理論教學(xué)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(shí)驗(yàn)項目模塊的設(shè)計

通過對ZY12805B型傳感器實(shí)驗(yàn)臺主臺體和實(shí)驗(yàn)?zāi)K的多組照片進(jìn)行分類整理，運(yùn)用Photoshop CS6強(qiáng)大的圖片編輯功能對實(shí)驗(yàn)臺和實(shí)驗(yàn)?zāi)K實(shí)體照片進(jìn)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(shè)置為各個圖層，再按照實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)際尺寸對各個器件按比例重新繪制實(shí)驗(yàn)臺面板.在此，為了接線方便，將虛擬實(shí)驗(yàn)臺和實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)置在同一操作界面下，再以圖像格式導(dǎo)入LabVIEW開發(fā)環(huán)境，為學(xué)生提供了清晰逼真的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和真實(shí)情景體驗(yàn)的機(jī)會.在實(shí)驗(yàn)項目的設(shè)計過程中，采用多個選項卡的設(shè)計方式來模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)的操作過程，即對每個實(shí)驗(yàn)項目的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和思考題等都進(jìn)行了設(shè)計，使學(xué)生能快速的獲取整個實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵知識點(diǎn)并在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證.以電阻應(yīng)變式傳感器三種測量橋路的比較實(shí)驗(yàn)為例，其單臂電橋步驟十如圖3所示，該實(shí)驗(yàn)步驟完全模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中砝碼和電壓表讀數(shù)成一定的線性關(guān)系，給學(xué)生身臨其境的感覺.

圖3 實(shí)驗(yàn)一單臂電橋步驟十前面板圖

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理模塊的設(shè)計

該模塊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集主要包括在線實(shí)時采集和離線采集兩種方式，實(shí)時采集主要要求學(xué)生嘗試采用單片機(jī)二次開發(fā)模塊和購買的NI USB6008數(shù)據(jù)采集卡兩種方式進(jìn)行編程，其中單片機(jī)采集方式通過VISA模塊實(shí)現(xiàn)串口的初始化、讀寫和關(guān)閉等操作[7-8]；數(shù)據(jù)采集卡采集方式相對簡單，只需要利用NI DAQ Assistant采用條件結(jié)構(gòu)，每單擊一次“采集”按鈕則進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集[9-10].點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析環(huán)境，實(shí)現(xiàn)測試結(jié)果的顯示和記錄.為了更好的檢驗(yàn)學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的情況，在系統(tǒng)登陸和實(shí)驗(yàn)項目程序設(shè)計中將姓名、班級、學(xué)號設(shè)置為全局變量，保證了登陸界面和實(shí)驗(yàn)項目中的實(shí)驗(yàn)者信息的一致性.另外，實(shí)驗(yàn)者可根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，或修改實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序，得到想要的分析結(jié)果；點(diǎn)擊保存圖片按鈕，可將實(shí)驗(yàn)整個前面板保存為JPG格式打印.在本系統(tǒng)中，采用Microsoft ACCESS2007作為數(shù)據(jù)庫，并利用ADO技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲與讀取，其中數(shù)據(jù)庫的路徑為系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫如圖4所示.以電渦流式傳感器位移特性測量為例，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果前面板如圖5所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存程序如圖6所示.

圖4 連接測試數(shù)據(jù)庫程序框圖

圖5 電渦流式傳感器特性及位移測量實(shí)驗(yàn)前面板圖

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果保存程序框圖

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(xié)議在客戶端和服務(wù)器端編程實(shí)現(xiàn)；利用基于TCP/IP協(xié)議的DataSocket技術(shù)（DataSocket API和 DataSocket Server）、IrDA技術(shù)或Bluetooth技術(shù)編程實(shí)現(xiàn)；使用基于NI-PSP協(xié)議的共享變量編程實(shí)現(xiàn)；利用遠(yuǎn)程桌面鏈接實(shí)現(xiàn)；通過Remote Panels技術(shù)來實(shí)現(xiàn).經(jīng)過認(rèn)真分析各種通信方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采取具有無損傳輸、客戶端訪問跨平臺等優(yōu)越性的Remote Panels技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能.Remote Panels技術(shù)允許用戶直接在Client端計算機(jī)上打開并操作Web Server端計算機(jī)上的VI，甚至可以將前面板窗口嵌入到網(wǎng)頁中利用Web瀏覽器在網(wǎng)頁中直接操作，但必須首先利用Web Publish Tool將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用程序以HTML格式進(jìn)行網(wǎng)頁發(fā)布，再在Web Server計算機(jī)上運(yùn)行LabVIEW程序，并通過文件路徑和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、客戶機(jī)訪問權(quán)限設(shè)置、VIs訪問權(quán)限設(shè)置三個方面配置Web Server，學(xué)生只需要按照規(guī)定的格式在瀏覽器中輸入服務(wù)器端的URL地址、班級、姓名和學(xué)號等信息就可以遠(yuǎn)程訪問傳感器技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)在現(xiàn)有傳感器實(shí)驗(yàn)臺的基礎(chǔ)上采用圖形化編程語言LabVIEW2012設(shè)計開發(fā)了傳感器技術(shù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使實(shí)驗(yàn)環(huán)境更加貼近真實(shí)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)過程更加直觀明了，能有效的提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的自主性，激發(fā)了學(xué)生自主設(shè)計和開發(fā)實(shí)驗(yàn)的興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和創(chuàng)新意識.同時突破了空間和時間的限制，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺數(shù)量不足、實(shí)驗(yàn)配件易損壞等問題，對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是一種有益的補(bǔ)充，也是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)重要的發(fā)展方向，對其他課程開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)具有一定的啟示和借鑒意義.

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