基于LabVIEW的測控仿真虛擬實驗在遠程開放教育中的應用研究

孫雷

摘要：基于LabVIEW的測控仿真虛擬實驗是虛擬實驗的重要組成部分，此類實驗通過虛擬儀器技術和網絡技術的融合實現在真實環境下實驗的共享，將此類虛擬實驗應用于遠程開放教育是一種新型的教學模式，可以有效解決遠程開放教育實踐性教學的難題，尤其是遠程開放教育操縱儀器的難題，本文圍繞在遠程開放教育環境下基于LabVIEW的測控仿真虛擬實驗的特點，以基于虛擬儀器的植物監控虛擬實驗為實例，探索構建此類虛擬實驗的方法和路徑，并在此基礎上提出了遠程開放教育進行此類虛擬實驗的教學模式。

關鍵詞：遠程開放;LabVIEW;虛擬實驗;測控

中圖分類號：G64 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）17-0200-02

Abstract： The virtual experiment based on LabVIEW is an important part of virtual experiment. The virtual experiment based on virtual instrument technology and network technology realizes the sharing of experiment in real environment. It is a new teaching mode to apply this kind of virtual experiment to remote open education， which can effectively solve the difficult problem of practical teaching of remote open education， especially the problem of manipulating instrument.

Key words： remote Open ;LabVIEW;Virtual experiment; observe and control

1引言

實踐性教學環節是高等學校理工科教育重要的組成部分，實驗是培養學生動手能力和創新能力的重要的手段，近年來隨著網絡技術的發展，遠程開放教育得到了迅速的發展，已成為高等教育重要的組成部分[1]。但由于遠程開放教育存在師生分離、實驗設備缺乏等特點，實踐性環節已成為遠程開放教育的難點，也是制約遠程開放教育發展的瓶頸之一，虛擬實驗的出現，許多遠程開放教育學校建設了虛擬實驗系統，學生可以通過虛擬實驗網站做虛擬實驗，得到實驗結果，受到遠程開放教育學校普遍歡迎，近年來出現了虛擬儀器技術，用戶可以根據自己的需求，在計算機上定義和設計儀器完成一定的功能，將虛擬儀器技術與網絡技術的融合組成虛擬實驗室，能夠解決遠程開放教育中操控儀器的難題，尤其是傳感器實驗等測量控制實驗，具有很強的現實意義。

本文以美國NI公司推出的虛擬儀器平臺LabVIEW為軟件開發平臺，探索構建一個基于LabVIEW的測控仿真虛擬實驗平臺，并探索將此平臺應用于遠程開放教育中的模式。

2 基于虛擬儀器的測控虛擬實驗室的設計

基于虛擬儀器的測控虛擬實驗室直接控制的是遠程實驗室的設備，以真實的實驗設備為實驗模型，此類實驗的特點是一次只允許一個用戶操作實驗，其他用戶進行觀看，基于虛擬儀器的測控虛擬實驗室的結構圖如圖1所示。

傳感器是測控虛擬實驗室的重要組成部分，其主要功能是將系統外部各種類型的物理量轉化為電信號，供數據采集系統進行采集和處理，由于傳感器將外部轉換得到的電信號往往比較微弱或含有比較多的噪聲，不符合直接采集，信號調理設備對信號進行放大、濾波、隔離等調理措施，使得信號易于被數據采集設備讀取[2]。數據采集卡的功能是將數據轉換為計算機可處理的數字信號，并傳遞到計算機中，LabVIEW平臺即虛擬儀器軟件，在圖1中將數據采集卡采集到數據進行實時顯示，并將實時顯示的結果通過WEB服務器在用戶的電腦或手機等終端顯示。

3 基于虛擬儀器的植物監控虛擬實驗的設計

以中小植物的日常養護為背景，以植物的土壤濕度、空氣溫度、光照強度等的控制量為研究對象，開發一個基于虛擬儀器的植物監控虛擬實驗，測量植物周圍的環境溫度，將土壤濕度值、溫度值和光照強度顯示供給用戶查看，系統結構框架如圖2所示。

數據采集包括：光感采集，土壤濕度采集以及溫度采集，利用光敏電阻因光強變化而改變自身阻值的特性，收集光感數據;通過YL-69傳感器測量土壤濕度，該傳感器工作穩定，對工作電壓要求為3.3V-5V，方便安裝在植物檢測;測量溫度使用DS18B20傳感器，讓用戶知道周圍的溫度多少，該傳感器為獨特的單線接口，不需要外部元件，使用簡單方便。

圖3是GPRS模塊電路圖，JP3為主控GPRS連接插座，其中： 1、2引腳為GND接地信號、 5、6 引腳TX2，7、8引腳RX2為主控板與GPRS板的串口通信。

4 系統軟件的設計

明確了實驗的功能，采用模塊化設計，分為兩大模塊：下位機程序模塊和上位機處理模塊，下位機可具體劃分為兩個部分：微處理器程序模塊和GPRS模塊;上位機模塊，通過LabVIEW同GPRS模塊[3]進行通信，將各個模塊進行整合，將數據實時顯示在電腦屏幕上，完成系統的功能。

4.1 下位機軟件設計

下位機軟件由數據采集和GPRS無線傳輸組成，圖4是下位機的流程圖。

4.2 上位機軟件設計

上位機采用LabVIEW程序設計，LabVIEW程序設計語言是一種圖形化編輯語言，其特點是編程效率高，采用圖形化界面比較直觀， Lab View面板將GPRS傳送的數據轉換為波形圖，可以實時在線直觀監測土壤溫度，空氣溫度、關系強度等參數[4]，并且將土壤參數實時值，上限值，下限值，報警燈依次展示出來。

5 虛擬實驗的遠程發布

考慮到虛擬實驗是面向遠程教育的，因此需要將此虛擬實驗進行遠程發布，由于LabVIEW內置了web發布工具，所以可以直接通過該工具進行遠程發布，在配置web服務器以后對HTTP、端口進行配置，配置完發布即可[5]。

6 基于LabVIEW的測控仿真虛擬實驗在遠程開放教育中的教學模式

要將基于LabVIEW的測控仿真虛擬實驗落地到遠程教育教學實踐中，需確定虛擬實驗的整體框架，根據調研，基于LabVIEW的測控虛擬實驗包括登錄模塊、教學輔導模塊、學生做虛擬實驗模塊、學生提交實驗報告、教師批閱模塊、學生查詢實驗成績模塊，為實現此功能，需建設數據庫將學生信息、教師信息、實驗報告、實驗成績記錄在數據庫中，在配置好數據源后，利用LabVIEW的LabSQL與數據源進行連接，完成LabVIEW與數據庫的通訊。在此基礎上，確定基于LabVIEW的測控仿真虛擬實驗在遠程開放教育中的教學模式如圖5所示，學生和教師分部登錄系統，準備做虛擬實驗的學生向教師提出虛擬實驗的請求，教師進行指導，指導過程通過視頻共享給所有登錄系統的學員，準備做虛擬實驗的學生在教師的指導下利用傳感器做虛擬實驗，其結果在LabVIEW面板上實時顯示，其他同學在線觀看了做實驗同學的過程和實驗數據，做完實驗以后學生做實驗報告并提交，教師進行批閱給出成績，學生查看實驗成績。

7 結語

本文利用傳感器采集及處理模塊、 GPRS數據通信模塊以及上位機監測中心模塊組建了基于LabVIEW的遠程測控虛擬實驗，該虛擬實驗與網絡技術的融合實現了在真實環境下實驗的共享，此類虛擬實驗具有造價成本低、實時性好、交互界面友善等優點，可以有效地解決遠程開放教育實踐性環節的難題，具有廣泛的應用價值。

參考文獻：

[1] 李林，陳宇峰，李仲君，等. 大規模在線虛擬實驗教學平臺的建設與實踐[J]. 實驗技術與管理，2018，35（7）：144-147.

[2] 譚穗妍，林芳，姚堯，等. 水質檢測系統設計[J].電子測試，2019，413（8）：20-21.

[3] 周正貴，王松林. 基于GPRS遠程土壤PH值監測系統設計[J].綏化學院學報，2017，37（8）：158-160.

[4] 徐曉玲，余佼，張明輝，等. ?基于LabVIEW的傳感器虛擬綜合實驗系統設計[J].實驗技術與管理，2019，36（2）：135-140.

[5] 李海芳，張民，陳俊杰，等. LabVIEW下遠程虛擬實驗室的研究與實現[J]. 太原理工大學學報，2010，41（2）：147-149.

【通聯編輯：王力】