基于LabVIEW的工程热力学虚拟实验系统开发

杜慧勇 王站成 赵凯宾 刘建新 吴 健

河南科技大学车辆与动力工程学院 河南洛阳 471003

基于LabVIEW的工程热力学虚拟实验系统开发

杜慧勇 王站成 赵凯宾 刘建新 吴 健

河南科技大学车辆与动力工程学院 河南洛阳 471003

随着信息技术的发展，通过建立虚拟实验教学系统，运用计算机对一些实验现象进行仿真模拟，可以达到“身临其境”的效果，较详细地介绍了采用LabVIEW软件构建工程热力学虚拟实验系统的方法。LabVIEW可使用图形化编程，内置丰富的控件与多种开发工具包并包含与其他程序的接口，扩展方便。

LabVIEW；虚拟仪器；多媒体教学；程序发布

1 系统功能分析

工程热力学虚拟实验系统运行流程及结构如图1所示。其中包含5个实验项目：空气定压比热容测定、喷管特性实验、空气绝热指数的确定、可视性饱和P-t关系实验、二氧化碳临界点态观测及p-υ-t关系实验。实验项目主要功能：(1)显示实验目的，回顾课程知识点；(2)显示实验步骤及注意事项，带领学生整体把握实验过程；(3)按步骤进行虚拟实验，使用者在操作虚拟仪器时，由动画同步显示实验过程；(4)布置实验报告及思考题，激励学生扩散思维。

图1 系统运行流程及结构

2 系统软件实现

2.1 欢迎及登录界面介绍

为方便登记学生的实验情况，本系统在启动时要求输入完整的个人信息，如班级、学号、姓名等。程序通过调用Windows系统API设定运行面板的透明度，隐匿前面板并显示欢迎界面，欢迎VI显示后自动关闭，程序将进入一个状态机结构，弹出输入信息对话框，并在“判断”状态时通过字符串检索功能匹配学生的学号和姓名信息，匹配通过则会调用写入表格文件VI，将登录用户信息写入指定的文件，以供管理员查询系统使用情况，程序将系统前面板透明度置为0。欢迎及登录界面的程序框图如图2所示。

图2 欢迎及登录界面程序框图

2.2 项目切换控制

本虚拟实验系统包括4个实验项目模块VI，每个项目均包含4个相同的项目类别，各项目模块间程序独立，系统运行前面板如图3所示。通过一个生产者—消费者结构使显示结果与切换动作同步，即当用户按下按钮或通过菜单选择进行项目切换时，会触发相应的事件，在生产者循环中采集事件来源，并将状态数据元素送入队列存储，在消费者循环中取出缓存的状态数据元素并由条件结构跳转到相应的执行语句。为保证显示结构紧凑，系统在启动VI的前面板上开辟了一块子面板窗口，各个实验项目可以按照用户的选择依次显示于子面板显示区域。使用子面板技术，可以很方便地做出模块化的程序，并且模块之间不会产生耦合[5]。子面板显示控制如图4所示。

图3 系统运行前面板

图4 子面板显示控制

2.3 虚拟实验的数据处理与显示

以空气绝热指数实验为例。该实验的实验过程可清晰地划分为三部分：(1)通过充气阀对刚性容器进行充气；(2)快速放气；(3)由大气环境定容加热。使用U形管测压计用来测得三个状态的表压力PA，PB和PC，将其代入公式(1)中即可求得空气的绝热指数k。

LabVIEW图形化程序采用数据流驱动，与面向过程的程序语言相比，增加了自动多线程的优势，一个节点只要它所有的输入都已经准备好，就会被执行，不需要等待其他节点执行完。即经常有多个节点同时运行，LabVIEW会自动把它们放到不同的线程中去运行[6]。在编程时其也可以借鉴面向过程的思想，先构想程序过程和数据流程，然后按照数据端口将相应的节点连接起来。本虚拟实验在构建时首先用一个顺序结构将程序分为初始化过程、实验过程和数据处理过程，初始化过程用来设置按钮或数据数组的初始状态，实验过程使用一个“生产者—消费者”结构，该结构中“生产者”部分为一事件结构，用来响应用户的鼠标或键盘操作，产生相应的实验数据，并将数据送入消息队列，“消费者”结构用来将测出的A，B和C三个状态下的压力存入数组，并计算出实验结果。在模拟时引入一定的随机误差干扰，使最终结果出现波动，可以使虚拟实验更类似于真实的实验情况。其数据处理图形的绘制，也可以方便地使用数据拟合工具绘出。本实验的虚拟实验界面如图5所示。

图5 空气绝热指数虚拟实验

通过LabVIEW设计的各个虚拟实验均可以较为逼真地模拟出真实的实验过程，其程序模块化程度高、与用户交互界面友好。由于其采用图形化程序设计并可以通过ActiveX与其他软件交互通讯或通过DLL接口调用已经编制好的应用程序，在适应其编程语言后，其编程效率很高，程序也易于维护与升级。

2.4 程序打包及网络发布

虚拟实验程序可以打包成EXE，DLL或安装程序文件。以EXE文件为例，在LabVIEW8.6环境中，可以直接在项目树中的程序生成规范右键菜单中选择需要打包的文件类型，类型选择为EXE后会弹出打包信息对话框，我们依次设置好打包文件的目标目录信息、启动VI、目标、原文件设置后点击生成就可以自动生成打包文件。程序打包时可以支持多种语言，但如果想在没有安装LabVIEW的电脑上运行EXE程序还需要生成安装程序文件，其过程与生成EXE文件类似，但在附加安装程序信息栏中需包括相应的LabVIEW运行引擎。其他的EXE程序不必生成安装程序文件即可直接运行。

本实验系统借助于LabVIEW的一种简单WEB发布工具对局域网络进行网络发布，即使客户端没有安装LabVIEW运行引擎或硬件资源，也可以通过URL地址以嵌入、快照或显示器方式远程访问虚拟实验系统。对于远程用户来说，访问实验系统就像访问网页一样简单。这种访问方式需要服务器端同时运行该实验系统，并且同一时刻只能允许一个用户控制系统。

笔者介绍了采用LabVIEW软件构建工程热力学虚拟实验系统的方法。用LabVIEW软件模拟实验仪器设备及演示过程动画，可以使实验者在操作仪器的过程中通过动画感受设备的运行状态，更加直观地了解实验过程。实验系统界面美观友好，使用方便，借助该系统既可以作为动画在课堂现场演示，也可以打包供学生下载在课下模拟练习，使理论教学与实践教学相结合，提高学习效果，通过低成本的软件系统替代了部分高成本的实验设备，节省了实验维护费用。

[1] 王东斌,王敏丽.工科专业多媒体课堂教学改革若干问题思考[J].科技信息,2010,5:164-165.

[2] 王俊峰,宋文爱.基于LabVIEW的信号处理虚拟实验系统[J].国外电子测量技术,2006,25(10):71-73.

[3] 郑茵，李文清.浅谈高校实验教学中心建设的难点与重点[J].中国现代教育装备,2010,1:125-127.

[4] 余建波,杨西强.高校实验教学信息化的建设与探索[J].实验室研究与探索,2010,10:150-153.

[5] 戴成梅,戴成建.基于LabVIEW的电工电子网络虚拟实验室研究与开发[J].实验室研究与探索,2011,30(2):74-77.

[6] 阮奇桢.我和LabVIEW—一个NI工程师的十年编程经验[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

Development of engineering thermodynamic virtual experiment system based on LabVIEW

Du Huiyong, Wang Zhancheng, Zhao Kaibin, Liu Jianxin, Wu Jian
Henan university of science and technology, Luoyang, 471003, China

With development of information technology, immersion effect can be achieved in virtual experiment teaching system through the computer simulation of real experiment. A virtual experiment system of thermodynamics of engineering that was built by LabVIEW was described in the paper. LabVIEW is a scalable graphical programming environment with plenty of built-in control unit and development kits include of interfaces with the other software.

LabVIEW; virtual instruments; multimedia teaching; program publishing

近年来，国内几乎所有高等院校都已建设了一定数量的多媒体教室，许多教师使用多媒体授课，在一定程度上提高了课堂教学效率，取得了较好的教学效果。然而大部分教学软件只是有助于教师讲课和学生复习，学生被动接受，不能主动地通过实践去验证相关结论。要想让学生真正掌握其所学内容，最好的办法是让其自己动手做相关的实验。但随着我国高等教育规模的扩大，高校的实验教学面临着巨大的压力[1-4]。我们利用LabVIEW软件开发了工程热力学虚拟实验系统，该虚拟实验环境可以再现真实实验过程中的仪器设备，计算实验结果，对实验操作过程中的正误进行判断，使实验者了解实验过程，加深对理论知识的理解与消化。其中LabVIEW软件由美国NI公司开发，主要应用于测试测量仪器的研发，软件采用基于信号流的图形化编程界面，长于信号采集、分析以及仪表控制界面的设计，也可以进行简单的过程动画的表现。

通过建立虚拟实验教学系统，对一些实验现象进行仿真模拟，以低成本的软件替代高成本的实验设备，既节省实验维护费用，又对大面积的实验教学具有重要的现实意义。

2011-09-07

杜慧勇，博士，副教授。

河南科技大学校级项目“虚拟实验技术在工程热力学实验教学中的应用”(编号：2009Z-018)。