基于LabVIEW的遠程中學(xué)物理實驗系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)秀獲獎科研論文

1、基于LabVIEW的遠程中學(xué)物理實驗系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)秀獲獎科研論文 一、引言 中學(xué)物理實驗是中學(xué)物理教學(xué)活動的重要的組成部分,傳統(tǒng)實驗教學(xué)中,學(xué)生與實驗設(shè)備共處一地,而遠程實驗是使學(xué)生可以不用到達實驗室,在Internet上采用遠程控制、遠程數(shù)據(jù)及圖像(聲音)采集、計算機仿真、虛擬現(xiàn)實等技術(shù),從異地計算機設(shè)備上進行實驗操作和觀察的教學(xué)活動.遠程實驗無論從形式還是應(yīng)用上都與傳統(tǒng)實驗方式相比,具有了革命性變化,是遠程教育中未來發(fā)展的主要熱點. 本文所討論的遠程中學(xué)物理實驗系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)實驗的基礎(chǔ)上加入實際的硬件實驗設(shè)備,并可對實驗設(shè)備進行相應(yīng)的控制.當遠程用戶通過Internet瀏覽器鍵入實驗室網(wǎng)頁的網(wǎng)

2、址,登錄到實驗室的服務(wù)器后,就可以對這些儀器設(shè)備進行遠程控制操作.視頻攝像頭使用戶能夠更直觀、更形象的觀察到自己所進行的實驗操作,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)并進行處理.這樣,用戶便不受時間、地點的限制,用戶僅靠一臺計算機,就可以通過互聯(lián)網(wǎng)來訪問遠程實驗室,在頁面上選擇相關(guān)的實驗來遠程控制實驗儀器設(shè)備,進行實驗操作,而且還可以從網(wǎng)絡(luò)上直接獲得實驗數(shù)據(jù),實地觀察到實驗結(jié)果. 二、LabVIEW的簡介 LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(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)表達等方

3、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,可以實現(xiàn)多項任務(wù)并執(zhí)行.LabVIEW的程序由前面板(Frontpanel)、流程圖(Blockdiagram)和圖標/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?shù)墓δ苣K進行必要的連接與設(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的遠程中學(xué)物理實驗系統(tǒng) 1.系統(tǒng)硬件構(gòu)成 遠程中學(xué)物理實驗系統(tǒng)有客戶機

4、、Web服務(wù)器、儀器控制服務(wù)器、遠程物理實驗平臺、USB攝像頭、USB數(shù)據(jù)采集器、各種傳感器和伺服電機控制器等部分組成. 2.系統(tǒng)功能 (1)用戶登陸與實驗準備功能.遠程用戶通過瀏覽器進入遠程物理實驗系統(tǒng)網(wǎng)站的登錄頁面.每個用戶在進行實驗之前先通過實驗預(yù)習(xí)、網(wǎng)上仿真或虛擬實驗等模塊來預(yù)習(xí)實驗的內(nèi)容和技能要求,然后用戶排隊等待獲得實驗設(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)很好地進行實驗,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驗相關(guān)的控制參量,這些數(shù)據(jù)將通過儀器控制服務(wù)器傳送給伺服電機控制器,通過伺服電機控制器來靈活控

5、制實驗中的機械操作過程,用戶也還可以通過攝像頭來了解現(xiàn)場運行狀況,即使進行實驗的調(diào)整,從而達到遠程操控的目的. (3)實時數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理功能.這是遠程控制平臺中最基本的功能,它是將實驗中獲得的數(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)并進行處理. (4)具有保障遠程實驗安全措施功能.為保證實驗設(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.遠程實驗的實現(xiàn) 遠程實驗的實現(xiàn),可以采用多種技術(shù)來實現(xiàn).LabVIEW提供了強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能主要包括:TCP/IP、DataSocket、RDA和遠程面板技術(shù). (1)遠程面板技術(shù)最大的

6、特點.編程簡單(只需進行簡單的配置);允許用戶利用Web瀏覽器監(jiān)控遠程(WebServer端)計算機上的VI系統(tǒng). (2)利用遠程面板技術(shù),完成系統(tǒng)遠程監(jiān)控功能主要通過下列幾個步驟實現(xiàn):編寫相應(yīng)的VI程序,完成本地系統(tǒng)的監(jiān)控;WebServer設(shè)置;權(quán)限設(shè)置;VI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)的實驗流程完成VI系統(tǒng)設(shè)計之后,對WebServer進行配置,然后進行相應(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)的遠程監(jiān)控了.當然,在客戶端還需要安裝LabVIEWRun-TmieEngine.客戶端包含了視頻監(jiān)視、遠程實驗控制面板和遠程實驗數(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)物理實驗高度整合,可以建立基于網(wǎng)絡(luò)的全天候無人值守開放的中學(xué)物理遠程實驗室.它是一個開放性實驗室,是傳統(tǒng)實驗室有益的補.以遠程實驗為平臺,結(jié)合其他網(wǎng)絡(luò)資源,遠程