基于LabVIEW的遠(yuǎn)程中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計

程建軍

一、引言

中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理教學(xué)活動的重要的組成部分,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,學(xué)生與實(shí)驗(yàn)設(shè)備共處一地,而遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是使學(xué)生可以不用到達(dá)實(shí)驗(yàn)室,在Internet上采用遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)及圖像(聲音)采集、計算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù),從異地計算機(jī)設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和觀察的教學(xué)活動.遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)無論從形式還是應(yīng)用上都與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式相比,具有了革命性變化,是遠(yuǎn)程教育中未來發(fā)展的主要熱點(diǎn).

本文所討論的遠(yuǎn)程中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加入實(shí)際的硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備,并可對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制.當(dāng)遠(yuǎn)程用戶通過Internet瀏覽器鍵入實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)頁的網(wǎng)址,登錄到實(shí)驗(yàn)室的服務(wù)器后,就可以對這些儀器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作.視頻攝像頭使用戶能夠更直觀、更形象的觀察到自己所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)操作,通過數(shù)據(jù)采集卡的接口采集到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中,然后在客戶端顯示數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理.這樣,用戶便不受時間、地點(diǎn)的限制,用戶僅靠一臺計算機(jī),就可以通過互聯(lián)網(wǎng)來訪問遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室,在頁面上選擇相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,而且還可以從網(wǎng)絡(luò)上直接獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)地觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

二、LabVIEW的簡介

LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱,是NI推出的一種基于圖形程序的虛擬儀器儀表開發(fā)平臺.LabVIEW廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制、信號處理以及數(shù)據(jù)表達(dá)等方面,它提供了一種全新的編程方法,即對軟件對象“虛擬儀器(VI)”進(jìn)行圖形化的組合操作.LabVIEW程序的執(zhí)行順序是按數(shù)據(jù)流方式確定的,可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)任務(wù)并執(zhí)行.LabVIEW的程序由前面板(Frontpanel)、流程圖(Blockdiagram)和圖標(biāo)/接線端口(Icon/Connector)三部分組成.在虛擬儀器設(shè)計中,從控制模板中選取所需的控制及顯示對象構(gòu)建儀器的操作面板;在功能模板中選取適當(dāng)?shù)墓δ苣K進(jìn)行必要的連接與設(shè)置形成控制流程圖,完成所設(shè)計儀器應(yīng)具有的功能,程序的模塊化與層次化更為直觀.

三、基于LabVIEW的遠(yuǎn)程中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.系統(tǒng)硬件構(gòu)成

遠(yuǎn)程中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有客戶機(jī)、Web服務(wù)器、儀器控制服務(wù)器、遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)平臺、USB攝像頭、USB數(shù)據(jù)采集器、各種傳感器和伺服電機(jī)控制器等部分組成.

2.系統(tǒng)功能

(1)用戶登陸與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備功能.遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器進(jìn)入遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)站的登錄頁面.每個用戶在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前先通過實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、網(wǎng)上仿真或虛擬實(shí)驗(yàn)等模塊來預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和技能要求,然后用戶排隊(duì)等待獲得實(shí)驗(yàn)設(shè)備的控制權(quán).為了減少沖突,保證用戶能在操作時間內(nèi)很好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在一段時間內(nèi)只能有一個用戶得到控制權(quán).

(2)客戶端實(shí)現(xiàn)對硬件的控制功能.在客戶端,用戶打開儀器后輸入與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的控制參量,這些數(shù)據(jù)將通過儀器控制服務(wù)器傳送給伺服電機(jī)控制器,通過伺服電機(jī)控制器來靈活控制實(shí)驗(yàn)中的機(jī)械操作過程,用戶也還可以通過攝像頭來了解現(xiàn)場運(yùn)行狀況,即使進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的調(diào)整,從而達(dá)到遠(yuǎn)程操控的目的.

(3)實(shí)時數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理功能.這是遠(yuǎn)程控制平臺中最基本的功能,它是將實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡的接口采集到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中,然后在客戶端顯示數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理.

(4)具有保障遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)安全措施功能.為保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備安全、操作過程互鎖、狀態(tài)的檢測和設(shè)備連接,需要有一定的設(shè)備故障復(fù)位等安全措施.

3.遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn),可以采用多種技術(shù)來實(shí)現(xiàn).LabVIEW提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能主要包括:TCP/IP、DataSocket、RDA和遠(yuǎn)程面板技術(shù).

(1)遠(yuǎn)程面板技術(shù)最大的特點(diǎn).①編程簡單(只需進(jìn)行簡單的配置);②允許用戶利用Web瀏覽器監(jiān)控遠(yuǎn)程(WebServer端)計算機(jī)上的VI系統(tǒng).

(2)利用遠(yuǎn)程面板技術(shù),完成系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能主要通過下列幾個步驟實(shí)現(xiàn):①編寫相應(yīng)的VI程序,完成本地系統(tǒng)的監(jiān)控;②WebServer設(shè)置;③權(quán)限設(shè)置;④VI發(fā)布.

(3)本地VI的設(shè)計主要包括:數(shù)據(jù)采集、流程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)通信等部分.根據(jù)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)流程完成VI系統(tǒng)設(shè)計之后,對WebServer進(jìn)行配置,然后進(jìn)行相應(yīng)的權(quán)限設(shè)置.最后,將用戶訪問的VI通過LabVIEW中的WebPublishTool將網(wǎng)頁發(fā)布出去,這樣在客戶端就可以通過網(wǎng)頁瀏覽器完成對相應(yīng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控了.當(dāng)然,在客戶端還需要安裝LabVIEWRun-TmieEngine.客戶端包含了視頻監(jiān)視、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)控制面板和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集面板,通過設(shè)置相應(yīng)的訪問權(quán)限,用戶可以完成對系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集.

四、結(jié)束語

將虛擬儀器技術(shù)與中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)高度整合,可以建立基于網(wǎng)絡(luò)的全天候無人值守開放的中學(xué)物理遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室.它是一個開放性實(shí)驗(yàn)室,是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室有益的補(bǔ)┏.以遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)為平臺,結(jié)合其他網(wǎng)絡(luò)資源,遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室可以在其網(wǎng)站上設(shè)計實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、網(wǎng)上仿真或虛擬實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)、問題討論等模塊,對新課程標(biāo)準(zhǔn)下中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有著不同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的支持作用.遠(yuǎn)程物理實(shí)驗(yàn)作為一種嶄新的實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù),具有很好的發(fā)展前景.