杜慧勇 王站成 趙凱賓 劉建新 吳 健

河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院 河南洛陽 471003

基于LabVIEW的工程熱力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

杜慧勇 王站成 趙凱賓 劉建新 吳 健

河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院 河南洛陽 471003

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，通過建立虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)對一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行仿真模擬，可以達(dá)到“身臨其境”的效果，較詳細(xì)地介紹了采用LabVIEW軟件構(gòu)建工程熱力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方法。LabVIEW可使用圖形化編程，內(nèi)置豐富的控件與多種開發(fā)工具包并包含與其他程序的接口，擴(kuò)展方便。

LabVIEW；虛擬儀器；多媒體教學(xué)；程序發(fā)布

1 系統(tǒng)功能分析

工程熱力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行流程及結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中包含5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：空氣定壓比熱容測定、噴管特性實(shí)驗(yàn)、空氣絕熱指數(shù)的確定、可視性飽和P-t關(guān)系實(shí)驗(yàn)、二氧化碳臨界點(diǎn)態(tài)觀測及p-υ-t關(guān)系實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要功能：(1)顯示實(shí)驗(yàn)?zāi)康模仡櫿n程知識(shí)點(diǎn)；(2)顯示實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)，帶領(lǐng)學(xué)生整體把握實(shí)驗(yàn)過程；(3)按步驟進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，使用者在操作虛擬儀器時(shí)，由動(dòng)畫同步顯示實(shí)驗(yàn)過程；(4)布置實(shí)驗(yàn)報(bào)告及思考題，激勵(lì)學(xué)生擴(kuò)散思維。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行流程及結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 歡迎及登錄界面介紹

為方便登記學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，本系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)要求輸入完整的個(gè)人信息，如班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名等。程序通過調(diào)用Windows系統(tǒng)API設(shè)定運(yùn)行面板的透明度，隱匿前面板并顯示歡迎界面，歡迎VI顯示后自動(dòng)關(guān)閉，程序?qū)⑦M(jìn)入一個(gè)狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，彈出輸入信息對話框，并在“判斷”狀態(tài)時(shí)通過字符串檢索功能匹配學(xué)生的學(xué)號(hào)和姓名信息，匹配通過則會(huì)調(diào)用寫入表格文件VI，將登錄用戶信息寫入指定的文件，以供管理員查詢系統(tǒng)使用情況，程序?qū)⑾到y(tǒng)前面板透明度置為0。歡迎及登錄界面的程序框圖如圖2所示。

圖2 歡迎及登錄界面程序框圖

2.2 項(xiàng)目切換控制

本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊VI，每個(gè)項(xiàng)目均包含4個(gè)相同的項(xiàng)目類別，各項(xiàng)目模塊間程序獨(dú)立，系統(tǒng)運(yùn)行前面板如圖3所示。通過一個(gè)生產(chǎn)者—消費(fèi)者結(jié)構(gòu)使顯示結(jié)果與切換動(dòng)作同步，即當(dāng)用戶按下按鈕或通過菜單選擇進(jìn)行項(xiàng)目切換時(shí)，會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的事件，在生產(chǎn)者循環(huán)中采集事件來源，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)元素送入隊(duì)列存儲(chǔ)，在消費(fèi)者循環(huán)中取出緩存的狀態(tài)數(shù)據(jù)元素并由條件結(jié)構(gòu)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的執(zhí)行語句。為保證顯示結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)在啟動(dòng)VI的前面板上開辟了一塊子面板窗口，各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以按照用戶的選擇依次顯示于子面板顯示區(qū)域。使用子面板技術(shù)，可以很方便地做出模塊化的程序，并且模塊之間不會(huì)產(chǎn)生耦合[5]。子面板顯示控制如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行前面板

圖4 子面板顯示控制

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理與顯示

以空氣絕熱指數(shù)實(shí)驗(yàn)為例。該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程可清晰地劃分為三部分：(1)通過充氣閥對剛性容器進(jìn)行充氣；(2)快速放氣；(3)由大氣環(huán)境定容加熱。使用U形管測壓計(jì)用來測得三個(gè)狀態(tài)的表壓力PA，PB和PC，將其代入公式(1)中即可求得空氣的絕熱指數(shù)k。

LabVIEW圖形化程序采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)，與面向過程的程序語言相比，增加了自動(dòng)多線程的優(yōu)勢，一個(gè)節(jié)點(diǎn)只要它所有的輸入都已經(jīng)準(zhǔn)備好，就會(huì)被執(zhí)行，不需要等待其他節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完。即經(jīng)常有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行，LabVIEW會(huì)自動(dòng)把它們放到不同的線程中去運(yùn)行[6]。在編程時(shí)其也可以借鑒面向過程的思想，先構(gòu)想程序過程和數(shù)據(jù)流程，然后按照數(shù)據(jù)端口將相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)連接起來。本虛擬實(shí)驗(yàn)在構(gòu)建時(shí)首先用一個(gè)順序結(jié)構(gòu)將程序分為初始化過程、實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理過程，初始化過程用來設(shè)置按鈕或數(shù)據(jù)數(shù)組的初始狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)過程使用一個(gè)“生產(chǎn)者—消費(fèi)者”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中“生產(chǎn)者”部分為一事件結(jié)構(gòu)，用來響應(yīng)用戶的鼠標(biāo)或鍵盤操作，產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送入消息隊(duì)列，“消費(fèi)者”結(jié)構(gòu)用來將測出的A，B和C三個(gè)狀態(tài)下的壓力存入數(shù)組，并計(jì)算出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在模擬時(shí)引入一定的隨機(jī)誤差干擾，使最終結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)，可以使虛擬實(shí)驗(yàn)更類似于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)情況。其數(shù)據(jù)處理圖形的繪制，也可以方便地使用數(shù)據(jù)擬合工具繪出。本實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)界面如圖5所示。

圖5 空氣絕熱指數(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)

通過LabVIEW設(shè)計(jì)的各個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)均可以較為逼真地模擬出真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，其程序模塊化程度高、與用戶交互界面友好。由于其采用圖形化程序設(shè)計(jì)并可以通過ActiveX與其他軟件交互通訊或通過DLL接口調(diào)用已經(jīng)編制好的應(yīng)用程序，在適應(yīng)其編程語言后，其編程效率很高，程序也易于維護(hù)與升級(jí)。

2.4 程序打包及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

虛擬實(shí)驗(yàn)程序可以打包成EXE，DLL或安裝程序文件。以EXE文件為例，在LabVIEW8.6環(huán)境中，可以直接在項(xiàng)目樹中的程序生成規(guī)范右鍵菜單中選擇需要打包的文件類型，類型選擇為EXE后會(huì)彈出打包信息對話框，我們依次設(shè)置好打包文件的目標(biāo)目錄信息、啟動(dòng)VI、目標(biāo)、原文件設(shè)置后點(diǎn)擊生成就可以自動(dòng)生成打包文件。程序打包時(shí)可以支持多種語言，但如果想在沒有安裝LabVIEW的電腦上運(yùn)行EXE程序還需要生成安裝程序文件，其過程與生成EXE文件類似，但在附加安裝程序信息欄中需包括相應(yīng)的LabVIEW運(yùn)行引擎。其他的EXE程序不必生成安裝程序文件即可直接運(yùn)行。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)借助于LabVIEW的一種簡單WEB發(fā)布工具對局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，即使客戶端沒有安裝LabVIEW運(yùn)行引擎或硬件資源，也可以通過URL地址以嵌入、快照或顯示器方式遠(yuǎn)程訪問虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。對于遠(yuǎn)程用戶來說，訪問實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就像訪問網(wǎng)頁一樣簡單。這種訪問方式需要服務(wù)器端同時(shí)運(yùn)行該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并且同一時(shí)刻只能允許一個(gè)用戶控制系統(tǒng)。

筆者介紹了采用LabVIEW軟件構(gòu)建工程熱力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方法。用LabVIEW軟件模擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及演示過程動(dòng)畫，可以使實(shí)驗(yàn)者在操作儀器的過程中通過動(dòng)畫感受設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，更加直觀地了解實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面美觀友好，使用方便，借助該系統(tǒng)既可以作為動(dòng)畫在課堂現(xiàn)場演示，也可以打包供學(xué)生下載在課下模擬練習(xí)，使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，提高學(xué)習(xí)效果，通過低成本的軟件系統(tǒng)替代了部分高成本的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)維護(hù)費(fèi)用。

[1] 王東斌,王敏麗.工科專業(yè)多媒體課堂教學(xué)改革若干問題思考[J].科技信息,2010,5:164-165.

[2] 王俊峰,宋文愛.基于LabVIEW的信號(hào)處理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].國外電子測量技術(shù),2006,25(10):71-73.

[3] 鄭茵，李文清.淺談高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)的難點(diǎn)與重點(diǎn)[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2010,1:125-127.

[4] 余建波,楊西強(qiáng).高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化的建設(shè)與探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,10:150-153.

[5] 戴成梅,戴成建.基于LabVIEW的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室研究與開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(2):74-77.

[6] 阮奇楨.我和LabVIEW—一個(gè)NI工程師的十年編程經(jīng)驗(yàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)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

近年來，國內(nèi)幾乎所有高等院校都已建設(shè)了一定數(shù)量的多媒體教室，許多教師使用多媒體授課，在一定程度上提高了課堂教學(xué)效率，取得了較好的教學(xué)效果。然而大部分教學(xué)軟件只是有助于教師講課和學(xué)生復(fù)習(xí)，學(xué)生被動(dòng)接受，不能主動(dòng)地通過實(shí)踐去驗(yàn)證相關(guān)結(jié)論。要想讓學(xué)生真正掌握其所學(xué)內(nèi)容，最好的辦法是讓其自己動(dòng)手做相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。但隨著我國高等教育規(guī)模的擴(kuò)大，高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨著巨大的壓力[1-4]。我們利用LabVIEW軟件開發(fā)了工程熱力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境可以再現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中的儀器設(shè)備，計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對實(shí)驗(yàn)操作過程中的正誤進(jìn)行判斷，使實(shí)驗(yàn)者了解實(shí)驗(yàn)過程，加深對理論知識(shí)的理解與消化。其中LabVIEW軟件由美國NI公司開發(fā)，主要應(yīng)用于測試測量儀器的研發(fā)，軟件采用基于信號(hào)流的圖形化編程界面，長于信號(hào)采集、分析以及儀表控制界面的設(shè)計(jì)，也可以進(jìn)行簡單的過程動(dòng)畫的表現(xiàn)。

通過建立虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，對一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行仿真模擬，以低成本的軟件替代高成本的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，既節(jié)省實(shí)驗(yàn)維護(hù)費(fèi)用，又對大面積的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2011-09-07

杜慧勇，博士，副教授。

河南科技大學(xué)校級(jí)項(xiàng)目“虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在工程熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用”(編號(hào)：2009Z-018)。