聲速測量遠程實驗設計

周 旋, 諶建飛, 趙 丹, 唐立軍, 鄧 敏

(1. 長沙理工大學 物理與電子科學學院, 湖南 長沙 410114; 2. 近地空間電磁環境監測與建模湖南省普通高校重點實驗室, 湖南 長沙 410114)

隨著網絡技術的發展,遠程教育已成為教育教學的新手段。截至2017年5月,以遠程教育為手段的大型開放大學已增加至21所[1]。我國《教育信息化十年發展規劃(2011—2020年)》中明確提出:到2020年,基本建成人人可享有優質教育資源的信息化學習環境,基本形成學習型社會的信息化支撐服務體系。但實驗教學一直是遠程教育的一個難點,有不少科研院所一直致力于遠程實驗的研究工作[2-5]。

“聲速的測量”是大學物理中的基本實驗項目,實驗中需要學生動手操作、仔細觀察和讀取數據,因而作為遠程實驗開發難度較大。本文依托實驗室現有的遠程實驗控制平臺,開發了聲速測量遠程實驗,并探討了遠程實驗的實現方法。

1 遠程實驗設計方案

聲速測量實驗通常采用共振干涉法(駐波法)和李薩如圖法[6-7]。測量聲速時需要搖動手鼓帶動游標移動,察看信號發生器的輸出頻率；需要觀察定子的超聲波波形和動子反射波波形,測量波與波的相同相位點(共振點)之間的距離。遠程實驗必須具有以下功能:

(1) 設備控制功能:能在遠程Web客戶端控制聲速測量儀手鼓轉動,需實現手鼓緩慢勻速正轉、反轉、停止等功能,以控制游標移動,調節動子與定子之間的距離(即超聲波發射源與接收器之間的距離)；

(2) 數據采集功能:能遠程采集信號發生器輸出的波形信號以及游標讀數或定子和動子之間的距離、手鼓帶動游標移動的距離；

(3) 數據管理功能:能實時記錄實驗數據并保存至本地；

(4) 與遠程實驗控制平臺的通信功能:通信可選方法有Wi-Fi、ZigBee、GPRS等通信方式。

根據以上需求分析,聲速測量的遠程實驗應包括數據采集與設備控制模塊、遠程實驗平臺以及客戶端模塊等,如圖1所示。

圖1 系統模塊組成圖

2 遠程實驗的實現

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊基于LabVIEW軟件實現驅動,該模塊包括視頻采集子模塊和波形信號采集子模塊。

視頻采集子模塊通過雙通道攝像頭采集圖像,經嵌入式設備傳送至Web服務端。視頻采集的功能包括視頻圖像采集以及同步傳輸、截圖并保存圖像至本地文件夾、雙通道選擇。視頻采集程序如圖2所示。

圖2 視頻采集程序圖

信號采集子模塊分為波形顯示和超聲波信號采集。系統通過USB數據采集卡分別采集信號發生器發射端(定子)和接收端(動子)輸出的波形,經由嵌入式設備通過網絡發送至虛擬示波器。該設計中的虛擬示波器仿照真實的數字示波器設計,界面如圖3所示。功能包括AB通道顯示模式轉換、雙通道選擇、觸發控制、時基控制、頻譜分析控制、幅度調節、數據測量、讀盤寫盤以及波形打印。主程序分為數據采集子程序、頻譜分析及顯示程序、數據寫入文件程序、從文件中讀取數據程序、測量波形的各種參數程序、打印當前波形程序、手動/自動按鈕切換程序。子VI主要有雙通道信號采集、模式轉換，以保證信號的采集和兩種實驗的進行,如:李薩如圖法需要在XY顯示模式下進行。

2.2 設備控制模塊

設備控制模塊應實現的功能為:當實驗者在Web客戶端點擊開始按鈕、正反轉按鈕以及停止按鈕時,通過網絡控制接入嵌入式設備的USB數據采集卡驅動步進電機低速轉動、正向或反向慢速轉動或停止轉動。步進電機驅動程序如圖3所示。

2.3 聲速測量實驗的遠程實現

聲速測量遠程實驗項目以網頁交互界面的方式接入遠程實驗控制平臺,應用了USB-over-Network技術、Wi-Fi技術以及Tools Web Publishing Tool技術。

2.3.1 實驗儀器與服務端遠程通信的實現

應用USB-over-Network和Wi-Fi技術實現實驗儀器與服務端的遠程通信。USB-over-Network技術又稱USB接口映射技術,是一種end-to-end的IP策略,分為服務器端和客戶端。該技術提出了基于IP的擴展USB總線iUSB的概念,并且通過在客戶端的USB驅動層中加入虛擬主控制器接口(VHCI)和在服務器端的USB驅動層中加入虛擬設備驅動(VDD)來實現iUSB。由于iUSB協議與操作系統無關,使得網絡上的USB設備可以被跨平臺訪問。該方法減輕了服務器端的負擔,且具有很好的安全性[8-9]。

圖3 步進電機驅動程序圖

設備分享過程為:在嵌入式設備上安裝服務端,以/opt.ftusbnet/bin/ftusbnetctl list命令查看端口編號,以命令/opt/ftusbnet/bin/ftusbnetctl share 203分享接入數據采集卡和攝像頭的USB接口。

2.3.2 LabVIEW Web Publishing Tool技術

應用LabVIEW Web Publishing Tool技術把VI的前面板嵌入網頁,生成一個特定的IP地址,以分配的IP地址接入遠程實驗平臺。當Web服務器端VI運行時,客戶端就可以通過遠程實驗控制平臺打開鏈接進行實驗操作,且無需安裝客戶端軟件,只需要具有與Web服務器端相同的LabVIEW Run Time Engine運行環境即可。在服務端后臺可更改收回賦予Web客服端的程序模塊使用權限[10-12]。

2.4 實驗數據管理模塊

實驗數據管理模塊有3項功能:

(1) 實驗數據記錄列表及一鍵導出至本地；

(2) 視頻截圖并保存至本地；

(3) 虛擬示波器波形的保存和打開。

在做實驗過程中,可在客戶端網頁上的列表中記錄從視頻中讀出的游標數據,按下導出鍵將數據導出至Excel表格。該功能利用DDE實現LabVIEW與Excel的通信,實現實驗數據管理功能。視頻截圖功能可保存視頻圖片至本地,波形的保存與打開可以讓實驗者以圖片的形式保存當前波形至本地，并在需要時打開或打印[13-15]。

2.5 客戶端

在該實驗交互界面上嵌入虛擬示波器、數據管理面板、雙通道視頻顯示控制面板和步進電機控制面板。用戶可右鍵點擊相應模塊獲取VI控制權進行實驗。該遠程實驗交互界面具有簡潔明了的特點。

3 實驗測試

對各模塊和系統進行功能測試,對聲速測量儀1和聲速測量儀2分別進行遠程實驗并與現場測試作對比。

3.1 系統功能測試

實驗測試30次,實驗結果如表1所示。

表1 功能模塊測試結果

注：測試次數均為30次。

從表1可以看出,該遠程實驗系統功能性能良好,能穩定運行。

3.2 實驗對比測試

3.2.1 實驗采用的基本公式

設置兩組對比實驗,分別對聲速測量儀1和聲速測量儀2進行手動測量和遠程測量。利用大學物理實驗理論,采用共振干涉法各測量8組數據,李薩如圖法各測量10組數據。

聲速理論值如式(1)；實驗數據用逐差法處理,共振法計算公式為式(2)；李薩如圖法計算公式為式(3)。式中i為測試次數。

(1)

(3)

3.2.2 聲速測量儀1測試結果

共振法手動測量頻率為38.274 kHz,遠程實驗測試頻率為38.454 kHz,所測數據如表2所示。根據公式(2)計算得到手動測量結果約為352.07 m/s,與理論值的相對誤差為1.7%,遠程實驗測試結果約為343.68 m/s,與理論值的相對誤差為0.8%。

李薩如圖法測量法手動測量頻率為38.351 kHz,遠程測試頻率為38.505 kHz,所測數據如表3所示。根據式(3)計算得到手動實驗結果約為347.75 m/s,與理論值相對誤差為0.4%,遠程實驗結果約為354.20 m/s,與理論值相對誤差為1.9%。

表2 聲速測量儀1的共振法測量數據

表3 聲速測量儀1的李薩如圖法測量數據

3.2.3 聲速測量儀2測試結果

用共振法手動測量時頻率為37.159 kHz,遠程測量頻率為37.189 kHz,所測數據如表4所示,根據公式(2)計算得到手動測量結果約為355.94 m/s,與理論值的相對誤差為2.8%,遠程測量結果約為358.04 m/s,與理論值的相對誤差為3.4%。李薩如圖法測量法手動測量頻率為37.180 kHz,遠程測量頻率為37.176 kHz,所測數據如表5所示,根據公式(3)計算得到手動測量結果約為354.33 m/s,與理論值相對誤差為2.3%,遠程測量結果約為333.57 m/s,與理論值相對誤差為3.7%。

表4 聲速測量儀2的共振法測量數據

表5 聲速測量儀2的李薩如圖法測量數據

根據以上對比實驗結果得出結論,該聲速遠程測量實驗的測量效果與現場實測效果相同。

4 結語

基于遠程實驗控制平臺的遠程聲速測量實驗項目可以在有網絡的任何地方完成聲速測量實驗的操作,且實驗效果和現場操作相同。該實驗既可用于實驗教學,也可用于相關的實驗研究,有較好的應用前景和推廣價值。

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