基于LabVIEW的远程中学物理实验系统的设计

程建军

一、引言

中学物理实验是中学物理教学活动的重要的组成部分,传统实验教学中,学生与实验设备共处一地,而远程实验是使学生可以不用到达实验室,在Internet上采用远程控制、远程数据及图像(声音)采集、计算机仿真、虚拟现实等技术,从异地计算机设备上进行实验操作和观察的教学活动.远程实验无论从形式还是应用上都与传统实验方式相比,具有了革命性变化,是远程教育中未来发展的主要热点.

本文所讨论的远程中学物理实验系统是在网络实验的基础上加入实际的硬件实验设备,并可对实验设备进行相应的控制.当远程用户通过Internet浏览器键入实验室网页的网址,登录到实验室的服务器后,就可以对这些仪器设备进行远程控制操作.视频摄像头使用户能够更直观、更形象的观察到自己所进行的实验操作,通过数据采集卡的接口采集到服务器的数据库中,然后在客户端显示数据并进行处理.这样,用户便不受时间、地点的限制,用户仅靠一台计算机,就可以通过互联网来访问远程实验室,在页面上选择相关的实验来远程控制实验仪器设备,进行实验操作,而且还可以从网络上直接获得实验数据,实地观察到实验结果.

二、LabVIEW的简介

LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境的简称,是NI推出的一种基于图形程序的虚拟仪器仪表开发平台.LabVIEW广泛应用于数据采集与控制、信号处理以及数据表达等方面,它提供了一种全新的编程方法,即对软件对象“虚拟仪器(VI)”进行图形化的组合操作.LabVIEW程序的执行顺序是按数据流方式确定的,可以实现多项任务并执行.LabVIEW的程序由前面板(Frontpanel)、流程图(Blockdiagram)和图标/接线端口(Icon/Connector)三部分组成.在虚拟仪器设计中,从控制模板中选取所需的控制及显示对象构建仪器的操作面板;在功能模板中选取适当的功能模块进行必要的连接与设置形成控制流程图,完成所设计仪器应具有的功能,程序的模块化与层次化更为直观.

三、基于LabVIEW的远程中学物理实验系统

1.系统硬件构成

远程中学物理实验系统有客户机、Web服务器、仪器控制服务器、远程物理实验平台、USB摄像头、USB数据采集器、各种传感器和伺服电机控制器等部分组成.

2.系统功能

(1)用户登陆与实验准备功能.远程用户通过浏览器进入远程物理实验系统网站的登录页面.每个用户在进行实验之前先通过实验预习、网上仿真或虚拟实验等模块来预习实验的内容和技能要求,然后用户排队等待获得实验设备的控制权.为了减少冲突,保证用户能在操作时间内很好地进行实验,在一段时间内只能有一个用户得到控制权.

(2)客户端实现对硬件的控制功能.在客户端,用户打开仪器后输入与实验相关的控制参量,这些数据将通过仪器控制服务器传送给伺服电机控制器,通过伺服电机控制器来灵活控制实验中的机械操作过程,用户也还可以通过摄像头来了解现场运行状况,即使进行实验的调整,从而达到远程操控的目的.

(3)实时数据采集与数据处理功能.这是远程控制平台中最基本的功能,它是将实验中获得的数据通过数据采集卡的接口采集到服务器的数据库中,然后在客户端显示数据并进行处理.

(4)具有保障远程实验安全措施功能.为保证实验设备安全、操作过程互锁、状态的检测和设备连接,需要有一定的设备故障复位等安全措施.

3.远程实验的实现

远程实验的实现,可以采用多种技术来实现.LabVIEW提供了强大的网络通信功能主要包括:TCP/IP、DataSocket、RDA和远程面板技术.

(1)远程面板技术最大的特点.①编程简单(只需进行简单的配置);②允许用户利用Web浏览器监控远程(WebServer端)计算机上的VI系统.

(2)利用远程面板技术,完成系统远程监控功能主要通过下列几个步骤实现:①编写相应的VI程序,完成本地系统的监控;②WebServer设置;③权限设置;④VI发布.

(3)本地VI的设计主要包括:数据采集、流程监控、网络通信等部分.根据相应的实验流程完成VI系统设计之后,对WebServer进行配置,然后进行相应的权限设置.最后,将用户访问的VI通过LabVIEW中的WebPublishTool将网页发布出去,这样在客户端就可以通过网页浏览器完成对相应系统的远程监控了.当然,在客户端还需要安装LabVIEWRun-TmieEngine.客户端包含了视频监视、远程实验控制面板和远程实验数据采集面板,通过设置相应的访问权限,用户可以完成对系统的远程控制和数据采集.

四、结束语

将虚拟仪器技术与中学物理实验高度整合,可以建立基于网络的全天候无人值守开放的中学物理远程实验室.它是一个开放性实验室,是传统实验室有益的补┏.以远程实验为平台,结合其他网络资源,远程实验室可以在其网站上设计实验预习、网上仿真或虚拟实验、远程控制实验、问题讨论等模块,对新课程标准下中学物理实验教学有着不同于传统实验室的支持作用.远程物理实验作为一种崭新的实验方法和技术,具有很好的发展前景.