声速测量远程实验设计

周 旋, 谌建飞, 赵 丹, 唐立军, 邓 敏

(1. 长沙理工大学 物理与电子科学学院, 湖南 长沙 410114; 2. 近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室, 湖南 长沙 410114)

随着网络技术的发展,远程教育已成为教育教学的新手段。截至2017年5月,以远程教育为手段的大型开放大学已增加至21所[1]。我国《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》中明确提出:到2020年,基本建成人人可享有优质教育资源的信息化学习环境,基本形成学习型社会的信息化支撑服务体系。但实验教学一直是远程教育的一个难点,有不少科研院所一直致力于远程实验的研究工作[2-5]。

“声速的测量”是大学物理中的基本实验项目,实验中需要学生动手操作、仔细观察和读取数据,因而作为远程实验开发难度较大。本文依托实验室现有的远程实验控制平台,开发了声速测量远程实验,并探讨了远程实验的实现方法。

1 远程实验设计方案

声速测量实验通常采用共振干涉法(驻波法)和李萨如图法[6-7]。测量声速时需要摇动手鼓带动游标移动,察看信号发生器的输出频率；需要观察定子的超声波波形和动子反射波波形,测量波与波的相同相位点(共振点)之间的距离。远程实验必须具有以下功能:

(1) 设备控制功能:能在远程Web客户端控制声速测量仪手鼓转动,需实现手鼓缓慢匀速正转、反转、停止等功能,以控制游标移动,调节动子与定子之间的距离(即超声波发射源与接收器之间的距离)；

(2) 数据采集功能:能远程采集信号发生器输出的波形信号以及游标读数或定子和动子之间的距离、手鼓带动游标移动的距离；

(3) 数据管理功能:能实时记录实验数据并保存至本地；

(4) 与远程实验控制平台的通信功能:通信可选方法有Wi-Fi、ZigBee、GPRS等通信方式。

根据以上需求分析,声速测量的远程实验应包括数据采集与设备控制模块、远程实验平台以及客户端模块等,如图1所示。

图1 系统模块组成图

2 远程实验的实现

2.1 数据采集模块

数据采集模块基于LabVIEW软件实现驱动,该模块包括视频采集子模块和波形信号采集子模块。

视频采集子模块通过双通道摄像头采集图像,经嵌入式设备传送至Web服务端。视频采集的功能包括视频图像采集以及同步传输、截图并保存图像至本地文件夹、双通道选择。视频采集程序如图2所示。

图2 视频采集程序图

信号采集子模块分为波形显示和超声波信号采集。系统通过USB数据采集卡分别采集信号发生器发射端(定子)和接收端(动子)输出的波形,经由嵌入式设备通过网络发送至虚拟示波器。该设计中的虚拟示波器仿照真实的数字示波器设计,界面如图3所示。功能包括AB通道显示模式转换、双通道选择、触发控制、时基控制、频谱分析控制、幅度调节、数据测量、读盘写盘以及波形打印。主程序分为数据采集子程序、频谱分析及显示程序、数据写入文件程序、从文件中读取数据程序、测量波形的各种参数程序、打印当前波形程序、手动/自动按钮切换程序。子VI主要有双通道信号采集、模式转换，以保证信号的采集和两种实验的进行,如:李萨如图法需要在XY显示模式下进行。

2.2 设备控制模块

设备控制模块应实现的功能为:当实验者在Web客户端点击开始按钮、正反转按钮以及停止按钮时,通过网络控制接入嵌入式设备的USB数据采集卡驱动步进电机低速转动、正向或反向慢速转动或停止转动。步进电机驱动程序如图3所示。

2.3 声速测量实验的远程实现

声速测量远程实验项目以网页交互界面的方式接入远程实验控制平台,应用了USB-over-Network技术、Wi-Fi技术以及Tools Web Publishing Tool技术。

2.3.1 实验仪器与服务端远程通信的实现

应用USB-over-Network和Wi-Fi技术实现实验仪器与服务端的远程通信。USB-over-Network技术又称USB接口映射技术,是一种end-to-end的IP策略,分为服务器端和客户端。该技术提出了基于IP的扩展USB总线iUSB的概念,并且通过在客户端的USB驱动层中加入虚拟主控制器接口(VHCI)和在服务器端的USB驱动层中加入虚拟设备驱动(VDD)来实现iUSB。由于iUSB协议与操作系统无关,使得网络上的USB设备可以被跨平台访问。该方法减轻了服务器端的负担,且具有很好的安全性[8-9]。

图3 步进电机驱动程序图

设备分享过程为:在嵌入式设备上安装服务端,以/opt.ftusbnet/bin/ftusbnetctl list命令查看端口编号,以命令/opt/ftusbnet/bin/ftusbnetctl share 203分享接入数据采集卡和摄像头的USB接口。

2.3.2 LabVIEW Web Publishing Tool技术

应用LabVIEW Web Publishing Tool技术把VI的前面板嵌入网页,生成一个特定的IP地址,以分配的IP地址接入远程实验平台。当Web服务器端VI运行时,客户端就可以通过远程实验控制平台打开链接进行实验操作,且无需安装客户端软件,只需要具有与Web服务器端相同的LabVIEW Run Time Engine运行环境即可。在服务端后台可更改收回赋予Web客服端的程序模块使用权限[10-12]。

2.4 实验数据管理模块

实验数据管理模块有3项功能:

(1) 实验数据记录列表及一键导出至本地；

(2) 视频截图并保存至本地；

(3) 虚拟示波器波形的保存和打开。

在做实验过程中,可在客户端网页上的列表中记录从视频中读出的游标数据,按下导出键将数据导出至Excel表格。该功能利用DDE实现LabVIEW与Excel的通信,实现实验数据管理功能。视频截图功能可保存视频图片至本地,波形的保存与打开可以让实验者以图片的形式保存当前波形至本地，并在需要时打开或打印[13-15]。

2.5 客户端

在该实验交互界面上嵌入虚拟示波器、数据管理面板、双通道视频显示控制面板和步进电机控制面板。用户可右键点击相应模块获取VI控制权进行实验。该远程实验交互界面具有简洁明了的特点。

3 实验测试

对各模块和系统进行功能测试,对声速测量仪1和声速测量仪2分别进行远程实验并与现场测试作对比。

3.1 系统功能测试

实验测试30次,实验结果如表1所示。

表1 功能模块测试结果

注：测试次数均为30次。

从表1可以看出,该远程实验系统功能性能良好,能稳定运行。

3.2 实验对比测试

3.2.1 实验采用的基本公式

设置两组对比实验,分别对声速测量仪1和声速测量仪2进行手动测量和远程测量。利用大学物理实验理论,采用共振干涉法各测量8组数据,李萨如图法各测量10组数据。

声速理论值如式(1)；实验数据用逐差法处理,共振法计算公式为式(2)；李萨如图法计算公式为式(3)。式中i为测试次数。

(1)

(3)

3.2.2 声速测量仪1测试结果

共振法手动测量频率为38.274 kHz,远程实验测试频率为38.454 kHz,所测数据如表2所示。根据公式(2)计算得到手动测量结果约为352.07 m/s,与理论值的相对误差为1.7%,远程实验测试结果约为343.68 m/s,与理论值的相对误差为0.8%。

李萨如图法测量法手动测量频率为38.351 kHz,远程测试频率为38.505 kHz,所测数据如表3所示。根据式(3)计算得到手动实验结果约为347.75 m/s,与理论值相对误差为0.4%,远程实验结果约为354.20 m/s,与理论值相对误差为1.9%。

表2 声速测量仪1的共振法测量数据

表3 声速测量仪1的李萨如图法测量数据

3.2.3 声速测量仪2测试结果

用共振法手动测量时频率为37.159 kHz,远程测量频率为37.189 kHz,所测数据如表4所示,根据公式(2)计算得到手动测量结果约为355.94 m/s,与理论值的相对误差为2.8%,远程测量结果约为358.04 m/s,与理论值的相对误差为3.4%。李萨如图法测量法手动测量频率为37.180 kHz,远程测量频率为37.176 kHz,所测数据如表5所示,根据公式(3)计算得到手动测量结果约为354.33 m/s,与理论值相对误差为2.3%,远程测量结果约为333.57 m/s,与理论值相对误差为3.7%。

表4 声速测量仪2的共振法测量数据

表5 声速测量仪2的李萨如图法测量数据

根据以上对比实验结果得出结论,该声速远程测量实验的测量效果与现场实测效果相同。

4 结语

基于远程实验控制平台的远程声速测量实验项目可以在有网络的任何地方完成声速测量实验的操作,且实验效果和现场操作相同。该实验既可用于实验教学,也可用于相关的实验研究,有较好的应用前景和推广价值。

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