基于网络化虚拟仪器的传感器技术实验系统开发

冯梅琳，杜红霞，刘 斌，张 龙

（江西理工大学 机电工程学院，江西 赣州 341000）

《传感器技术》是测控技术与仪器专业一门必修的专业核心课程，通过实验教学可以使学生更好地理解和掌握基本理论和方法，获得一定的解决分析问题的能力和实验技巧[1].但由于受到时间、空间、设备台套数等的限制，学生通常要多人一组、以班级为单位在固定的时间内进行实验，另外对实际实验设备不熟悉，实验过程主要依赖老师上课的讲解和实验指导书上的步骤进行操作，如接插线、手工记录数据、分析数据、用坐标纸绘图分析，最后写实验报告，整个实验过程不利于调动学生的积极性和创造性，而且传统的手算数据处理也存在着误差大、处理结果存在个体差异、处理费时而且不够严谨等问题.

网络化虚拟仪器是当今测控领域发展的一个重要方向，它利用LabVIEW强大的网络通信功能将前面板移植到Internet上，通过Web浏览器实现远程测控功能，有利于解决实验教学中时间与空间的限制问题.目前已经有部分高校利用网络化虚拟仪器技术组建网络化实验室以实现资源共享、减少设备的重复投资，从而有效地缓减了资金短缺的压力[2-4].鉴于此，笔者采用网络化虚拟仪器技术实现传感器技术实验系统的开发，旨在提高《传感器技术》课程的实验教学效果，为学生预习实验提供直观素材，为实验数据的分析处理提供新的分析方法，同时为学生提供了创新实践的机会，加深了学生对传感器知识的理解和掌握，锻炼了学生的编程能力，拓展学生的专业素质和工程设计创新能力.

1 网络化系统架构

目前构建网络化虚拟仪器所采用的结构模型主要有客户端/服务器(C/S)和浏览器/服务器(B/S)两种模式[5-6]，前者可以利用远程控制面板访问，但客户端需要安装LabVIEW程序才能访问；后者可直接利用Web浏览器访问服务器端的程序，只需安装LabVIEW Run-Time Engine即可访问.为了方便程序的网络发布，本系统选择B/S模式来实现.系统总体架构如图1所示，主要包括被测对象、实验模块、数据采集单元、应用服务器端和浏览器端，当学生、教师等实验人员打开Web浏览器登陆到实验系统服务器后即可随时、随地进行学习，也可以将服务器程序打包生成.exe可执行文件嵌入到自主开发的传感器技术课程平台网站供学生学习，为学生提供了丰富的实验教学资源和编程的方法与思路.

图1 系统总体架构图

2 系统功能模块的实现

2.1 系统功能介绍

本系统采用模块化的程序设计方法，在功能强大的LabVIEW2012环境下对系统登录模块、系统概述、实验室简介、传感器实体模型、实验项目等功能进行设计和开发.学生只需要一台计算机就可以不受时间和空间的限制及时预习实验，增强对实验室现状和实验设备的了解，熟悉实验目的、实验原理、实验步骤及接线操作、观察实验现象、记录实验数据并加以分析等，使得实验过程更加直观明了；教师也可以将实验系统搬到课堂上，理论联系实际，化抽象为具体，不仅增强了学生学习的积极性和主动性，在一定程度上提高了教学质量.

2.2 传感器模型及实验模块的设计

图2 传感器模型及实验模块前面板图

系统开发过程中通过三维实体建模软件3DMAX对实验室各个传感器进行建模生成.c3d文件后导入Cult3D给模型加入互动效果，再生成动画格式加载到LabVIEW中进行显示.点击系统主界面的实验模块和传感器名称按钮，可观察电容式传感器、电感式传感器等十五种实体传感器的3D模型动画，增强了学生对各类传感器的感性认识；点击各种传感器模块可见各个实验模块流水滚动效果，该模块使学生对ZY12805B型实验台各个实验模块有了更直观的了解，对理论教学起到了很好的辅助作用，其前面板效果如图2所示.

2.3 传感器实验项目模块的设计

通过对ZY12805B型传感器实验台主台体和实验模块的多组照片进行分类整理，运用Photoshop CS6强大的图片编辑功能对实验台和实验模块实体照片进行处理，如照片存在阴影、脏污、色彩不一等问题时，获取所需的旋钮、接线端子、电压表、传感器、螺旋测微仪等器件并设置为各个图层，再按照实验台的实际尺寸对各个器件按比例重新绘制实验台面板.在此，为了接线方便，将虚拟实验台和实验模块设置在同一操作界面下，再以图像格式导入LabVIEW开发环境，为学生提供了清晰逼真的实验室环境和真实情景体验的机会.在实验项目的设计过程中，采用多个选项卡的设计方式来模拟实际实验的操作过程，即对每个实验项目的实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤、实验结果和思考题等都进行了设计，使学生能快速的获取整个实验的关键知识点并在真实实验中进行验证.以电阻应变式传感器三种测量桥路的比较实验为例，其单臂电桥步骤十如图3所示，该实验步骤完全模拟实际实验过程中砝码和电压表读数成一定的线性关系，给学生身临其境的感觉.

图3 实验一单臂电桥步骤十前面板图

2.3 实验数据采集处理模块的设计

该模块的实验数据采集主要包括在线实时采集和离线采集两种方式，实时采集主要要求学生尝试采用单片机二次开发模块和购买的NI USB6008数据采集卡两种方式进行编程，其中单片机采集方式通过VISA模块实现串口的初始化、读写和关闭等操作[7-8]；数据采集卡采集方式相对简单，只需要利用NI DAQ Assistant采用条件结构，每单击一次“采集”按钮则进行一次实验数据的采集[9-10].点击实验结果可进入实验数据分析环境，实现测试结果的显示和记录.为了更好的检验学生预习实验的情况，在系统登陆和实验项目程序设计中将姓名、班级、学号设置为全局变量，保证了登陆界面和实验项目中的实验者信息的一致性.另外，实验者可根据实际实验测试结果将实验数据存入数据库，或修改实验数据处理程序，得到想要的分析结果；点击保存图片按钮，可将实验整个前面板保存为JPG格式打印.在本系统中，采用Microsoft ACCESS2007作为数据库，并利用ADO技术实现数据库的访问，从而实现实验数据的存储与读取，其中数据库的路径为系统VI同一目录，必须与DB Tools Open Connection VI、DB Tools Insert Data VI和 DB Tools Select Data VI相连接，再将输入输出量捆绑写入表格，连接测试数据库如图4所示.以电涡流式传感器位移特性测量为例，其实验结果前面板如图5所示，实验结果保存程序如图6所示.

图4 连接测试数据库程序框图

图5 电涡流式传感器特性及位移测量实验前面板图

图6 实验结果保存程序框图

3 系统网络发布功能的实现

LabVIEW中实现网络通信功能的方法有多种[11-12]，如利用 TCP、UDP、SMTP、PROFIBUS、Modbus、Ethernet/IP、CAN Open等通信协议在客户端和服务器端编程实现；利用基于TCP/IP协议的DataSocket技术（DataSocket API和 DataSocket Server）、IrDA技术或Bluetooth技术编程实现；使用基于NI-PSP协议的共享变量编程实现；利用远程桌面链接实现；通过Remote Panels技术来实现.经过认真分析各种通信方法的优缺点，本系统采取具有无损传输、客户端访问跨平台等优越性的Remote Panels技术来实现系统的网络发布功能.Remote Panels技术允许用户直接在Client端计算机上打开并操作Web Server端计算机上的VI，甚至可以将前面板窗口嵌入到网页中利用Web浏览器在网页中直接操作，但必须首先利用Web Publish Tool将实验系统应用程序以HTML格式进行网页发布，再在Web Server计算机上运行LabVIEW程序，并通过文件路径和网络设置、客户机访问权限设置、VIs访问权限设置三个方面配置Web Server，学生只需要按照规定的格式在浏览器中输入服务器端的URL地址、班级、姓名和学号等信息就可以远程访问传感器技术实验系统.

4 结束语

本系统在现有传感器实验台的基础上采用图形化编程语言LabVIEW2012设计开发了传感器技术网络实验系统，使实验环境更加贴近真实实验室，实验过程更加直观明了，能有效的提高学生实验的自主性，激发了学生自主设计和开发实验的兴趣，有利于培养学生的实验技能和创新意识.同时突破了空间和时间的限制，丰富了实验教学内容，提高了实验教学效果，弥补了实验室实验台数量不足、实验配件易损坏等问题，对传统实验教学模式是一种有益的补充，也是当前实验教学重要的发展方向，对其他课程开发虚拟实验具有一定的启示和借鉴意义.

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