徐富新 王 強(qiáng) 蔣英明 張 娜

1(中南大學(xué)物理與電子學(xué)院 湖南 長沙 410083)2(國網(wǎng)電科院江蘇瑞中數(shù)據(jù)股份有限公司 江蘇 南京 210012)

基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程聲速測量實驗系統(tǒng)設(shè)計

徐富新1王 強(qiáng)1蔣英明2張 娜1

1(中南大學(xué)物理與電子學(xué)院 湖南 長沙 410083)2(國網(wǎng)電科院江蘇瑞中數(shù)據(jù)股份有限公司 江蘇 南京 210012)

針對傳統(tǒng)實驗室資源限制的問題，設(shè)計一種遠(yuǎn)程聲速測量的實驗系統(tǒng)。該設(shè)計基于LabVIEW的編程框架，采用USB-6361數(shù)據(jù)采集卡和MySQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的實時采集以及管理；采用NI IMAQdx技術(shù)實現(xiàn)實驗過程的實時監(jiān)控；采用Tools Web Publishing Tool技術(shù)構(gòu)建B/S架構(gòu)的實驗系統(tǒng)。該設(shè)計將多種技術(shù)融合，實現(xiàn)一種多功能遠(yuǎn)程聲速測量實驗系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)行聲速測量實驗。實驗表明，遠(yuǎn)程聲速測量實驗系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)可行以及實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性、具有很好的應(yīng)用價值。

虛擬儀器 數(shù)據(jù)采集 圖像采集 遠(yuǎn)程聲速測量 LabVIEW

0 引 言

實驗教學(xué)可以加深學(xué)生對于理論知識的理解，同時對于培養(yǎng)學(xué)生的實踐、創(chuàng)新能力不可或缺。然而，大部分高校存在實驗經(jīng)費不足的問題，難以滿足大量購置實驗儀器的需求，使傳統(tǒng)實驗室存在時間與空間資源的限制[1]。隨著互聯(lián)網(wǎng)、虛擬儀器技術(shù)發(fā)展而興起的遠(yuǎn)程虛擬實驗室則可以打破傳統(tǒng)實驗室的時空限制，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)，隨時隨地訪問遠(yuǎn)程實驗室資源，實現(xiàn)實驗室資源的共享。

國內(nèi)外對于遠(yuǎn)程虛擬實驗已有一定的研究。例如：文獻(xiàn)[2]設(shè)計一種微電子與電路設(shè)計的遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)，用戶可通過手機(jī)端完成遠(yuǎn)程實驗。文獻(xiàn)[3]設(shè)計VRCEL實驗室，其應(yīng)用與化學(xué)領(lǐng)域的遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計一種遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的視頻采集系統(tǒng)，其基于虛擬技術(shù)實現(xiàn)了測控系統(tǒng)圖像的實時采集。

聲速測量實驗作為重要的實驗項目之一，研究遠(yuǎn)程聲速測量實驗系統(tǒng)有著重要的意義：突破傳統(tǒng)實驗室資源限制的問題；為“云”實驗室構(gòu)建進(jìn)行技術(shù)的試探等。本文基于Labview編程框架，并采用數(shù)據(jù)采集技術(shù)、視頻采集技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，設(shè)計一種多功能融合的遠(yuǎn)程聲速測量實驗系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)實驗室資源限制的問題。

1 遠(yuǎn)程聲速測量系統(tǒng)設(shè)計

介質(zhì)中的聲速測量主要有波動法和延時法兩大類，本文針對空氣這一均勻媒介進(jìn)行測試:

v=fλ

(1)

其中f表示聲波傳輸?shù)念l率、λ表示聲波的波長、v表示聲波傳輸?shù)乃俣?。在實驗過程中，聲波的頻率f是由聲波信號源信號的頻率決定，即：聲波的頻率為已知項，通常實驗通過測量聲波的波長λ，并由式(1)計算得到聲波的傳播速度。測量聲波波長主要有兩種方法：駐波共振法、相位比較法[5]。

遠(yuǎn)程聲速測量實驗系統(tǒng)需解決：實驗數(shù)據(jù)的實時采集與控制；實驗現(xiàn)場環(huán)境(圖像)的實時監(jiān)控；用戶數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的管理；遠(yuǎn)程用戶界面交互等。

1.1 總體設(shè)計

本文基于Labview的編程框架，設(shè)計一種遠(yuǎn)程聲速測量的系統(tǒng)，其組成如圖1所示。原聲速測量實驗系統(tǒng)[6-7]包括：聲速測定儀、信號源，其通過示波器獲取信號波形以實現(xiàn)聲速測量。本設(shè)計在Labview編程框架基礎(chǔ)上，1) 采用數(shù)據(jù)采集卡采集信號源信號；2) 采用步進(jìn)制電機(jī)實現(xiàn)超聲換能器S1、S2的位置調(diào)節(jié)，并由電機(jī)驅(qū)動控制器以及數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動控制[8]；3) 采用攝像技術(shù)實現(xiàn)實驗過程的全景、全過程攝像；4) 采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)相關(guān)人員、實驗成績信息的數(shù)據(jù)管理；5) 各項功能通過Labview編程框架集成，并由此而建立一種B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程聲速測量實驗的系統(tǒng)；6) 最終用戶由Web瀏覽器，并通過局域網(wǎng)、Internet訪問/共享實驗資源。該系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能有：實驗數(shù)據(jù)的實時采集、視頻采集、數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與存儲、B/S架構(gòu)的構(gòu)建。

圖1 遠(yuǎn)程聲速測量系統(tǒng)框圖

1.2 超聲換能器信號的采集

數(shù)據(jù)采集采用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)模擬信號的A/D轉(zhuǎn)換，并采用Labview編程框架實現(xiàn)波形展示。超聲換能器信號共振頻率[9]為：

f∈(30kHz,40kHz)

(2)

同時，根據(jù)奈奎斯特(NYQUIST)采樣定理[10]：

fs≥2fmax

(3)

在信號A/D轉(zhuǎn)換過程，其采樣頻率fs大于等于2倍的最高信號頻率fmax時，方能保證原信號的特征。為了達(dá)到較好的采樣效果，本文采用NIUSB-6361型號數(shù)據(jù)采集卡[11]，其最高采樣頻率為2MHz，模擬輸入輸出通道分別為16、2路，數(shù)字雙向通道分別為24路。信號采樣方式采用差分輸入，其接線方式如圖2所示。

圖2 信號采集接線方式圖

如圖2所示，信號源信號端X的正負(fù)極分別接入，數(shù)據(jù)采集卡USB-6361的模擬輸入端1、2引腳；同樣，信號源信號端Y的正負(fù)極分別接入，數(shù)據(jù)采集卡USB-6361的模擬輸入端4、5引腳。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的差分輸入，提高信號的抗干擾性。

根據(jù)信號接入的連接方式，聲速測量的信號采集Labview程序圖，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序圖

數(shù)據(jù)采集模塊采用高性能、多功能的數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)信號的高精度采集，以及滿足系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。如：電機(jī)控制、實驗系統(tǒng)安全性控制等。

1.3 實驗現(xiàn)場的視頻采集

視頻采集是指把模擬視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻，并按數(shù)字視頻文件的格式保存下來。在傳統(tǒng)視頻采集過程中，視頻采集卡作為核心部件，且成本較高。本文采用視頻采集工具NIIMAQdx[12]實現(xiàn)USB攝像頭的視頻采集。從而降低了系統(tǒng)成本，且實現(xiàn)過程簡便。

NIIMAQdx依賴于VisionAcquisitionSoftware組件。NIIMAQdx的視頻采集步驟如下：

Step1 調(diào)用IMAQdx Open Cameras.vi，打開PC機(jī)上的USB攝像頭；

Step2 調(diào)用IMAQdx Configure.vi，完成視頻采集的初始化；

Step3 調(diào)用IMAQdx Create.vi創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)的緩存；

Step4 調(diào)用IMAQdx Grab.vi循環(huán)采集圖像數(shù)據(jù)，并通過Image Display控件顯示圖像；

Step5 調(diào)用IMAQdx Close Camera.vi關(guān)閉攝像頭，并釋放占用的資源；

Step6 最后調(diào)用IMAQdx Dispose釋放圖像數(shù)據(jù)的緩存空間。

視頻采集的LabVIEW程序圖，如圖4所示。

圖4 USB攝像頭的圖像采集程序圖

視頻采集模塊采用軟件工具NI IMAQdx，解決視頻采集卡成本高的問題，且高效地實現(xiàn)了視頻的即時采集。

1.4 實驗數(shù)據(jù)管理

遠(yuǎn)程聲速測量實驗系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，主要存在兩類數(shù)據(jù)：系統(tǒng)管理性數(shù)據(jù)(系統(tǒng)管理員、普通用戶)、實驗測試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的服務(wù)與管理作為遠(yuǎn)程聲速測量系統(tǒng)的重要支撐，系統(tǒng)采用開源數(shù)據(jù)庫MySql5.6.24，并結(jié)合LabVIEW的數(shù)據(jù)庫連接工具DCT(Database Connectivity Toolkit)，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問與操作。其數(shù)據(jù)流圖，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)流圖

LabVIEW服務(wù)器通過數(shù)據(jù)庫連接工具、開放數(shù)據(jù)庫互連ODBC，實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的互連操作。其實現(xiàn)步驟：

在Windows平臺下，安裝MySql數(shù)據(jù)庫、ODBC驅(qū)動；創(chuàng)建數(shù)據(jù)源DSN(Data Source Names)；在LabVIEW編程框架下，創(chuàng)建與數(shù)據(jù)庫的連接和操作。

圖6為數(shù)據(jù)庫表記錄查詢的LabVIEW程序圖。

圖6 數(shù)據(jù)庫表記錄查詢程序圖

其程序處理的流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)查詢流程圖

數(shù)據(jù)管理模塊采用資源消耗小、開源的MySql數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)遠(yuǎn)程聲速測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲；并采用DCT工具便捷地實現(xiàn)了LabVIEW與數(shù)據(jù)庫的無縫集成。

1.5 B/S架構(gòu)構(gòu)建

基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可分為兩種模式C/S模式、B/S模式。相比C/S模式，B/S模式使用簡便、維護(hù)成本低。因此，本文基于Tools Web Publishing Tool[13]技術(shù)，構(gòu)建B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程聲速測量實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建的基本過程：首先配置LabVIEW服務(wù)器，通過LabVIEW軟件的“Web服務(wù)器”選項，設(shè)置服務(wù)端的網(wǎng)絡(luò)端口、文件路徑、訪問權(quán)限等；其次網(wǎng)絡(luò)的分布，采用Tools Web Publishing Tool工具配置Web頁面、程序vi、統(tǒng)一資源定位法URL等，實現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布；最后在客戶端訪問與控制聲速測量實驗系統(tǒng)，用戶由URL，并通過局域網(wǎng)/Internet訪問遠(yuǎn)端的聲速測量實驗系統(tǒng)。

2 實驗系統(tǒng)搭建與驗證

根據(jù)本文的設(shè)計，實現(xiàn)了兩種典型的聲速測量方法，下位機(jī)采用多功能數(shù)據(jù)采集卡與USB攝像頭，分別實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)、實驗過程視頻的采集。上位機(jī)是基于LabVIEW的編程框架實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)采集、視頻采集、數(shù)據(jù)管理與B/S架構(gòu)的構(gòu)建。實驗采用的硬件環(huán)境配置如表1所示。

表1 硬件配置

軟件配置環(huán)境如表2所示。

表2 軟件配置

2.1 駐波共振法實驗

駐波共振法的原理，兩個相同頻率信號的距離為半波波長時形成駐波。由該項原理，則可計算出聲波的波長。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，駐波共振法的LabVIEW程序圖及前面板圖，如圖8、圖9所示。

圖8 駐波共振法程序圖

圖9 駐波共振法前面板圖

如圖9所示，信號源頻率設(shè)置為：35.955 KHz，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率與采樣數(shù)分別為：1 MHz、200。調(diào)整超聲信號換能器的位置，進(jìn)行以下實驗。

表3 駐波共振法實驗結(jié)果

實驗采用逐差法的實驗處理方式，計算得到聲音在均勻空氣介質(zhì)中的傳播速度v1：

(4)

2.2 相位比較法實驗

相位比較法原理：李薩如圖的圖形從直線狀至原位置直線狀時，其兩個信號相位相差360°即為一個波長。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計，相位比較法的LabVIEW程序圖及前面板圖，分別如圖10、圖11所示。

圖10 相位比較法程序圖

圖11 相位比較法前面板圖

與駐波共振法一樣的配置參數(shù)進(jìn)行實驗，結(jié)果如表4所示。

表4 相位比較法實驗結(jié)果

如表4所示，采用逐差法的實驗處理方式，計算得到聲音在均勻空氣介質(zhì)中的傳播速度v2：

(5)

2.3 實驗結(jié)果分析

由以上兩組實驗，其結(jié)果表明：本設(shè)計技術(shù)上可行；實驗過程體現(xiàn)了聲速測量的實際情景，并驗證了該系統(tǒng)的可靠性；相比于傳統(tǒng)實驗，本系統(tǒng)突破了時間與空間資源的限制，實驗人員可以隨時隨地完成聲速測量的實驗。

3 結(jié) 語

本文將多種技術(shù)的融合，實現(xiàn)了一種多功能、B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程聲速測量實驗系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)實驗室資源限制的難題。采用多功能數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的實時采集，且具有一定功能的可擴(kuò)展性；采用NIIMAQdx技術(shù)視頻圖像的即時采集；解決LabVIEW環(huán)境下，遠(yuǎn)程聲速測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理。測試實驗體現(xiàn)了聲速測量的實際情景，驗證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性，因此，本系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用價值。

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DESIGN OF REMOTE ACOUSTIC VELOCITY MEASUREMENT EXPERIMENTAL SYSTEM BASED ON VIRTUAL INSTRUMENTS

Xu Fuxin1Wang Qiang1Jiang Yingming2Zhang Na1

1(SchoolofPhysicsandElectronics,CentralSouthUniversity,Changsha410083,Hunan,China)2(ChinaReal-timeDatabaseCo.,Ltd,StateGridElectricPowerInstitute,Nanjing210012,Jiangsu,China)

An experimental system of remote sound velocity measurement was designed to solve the problem of the limited resource in traditional laboratory. The design is based on the LabVIEW programming framework. Using USB-6361 data acquisition card and MySQL database to realize the real-time acquisition and management of the experimental data. Besides, the real-time monitoring of the whole experimental process is realized by the NI IMAQdx technology, and the experimental system with B/S architecture is constructed by the Tools Web Publishing Tool technology. The design integrates various technologies to achieve a multi-functional remote acoustic velocity measurement system, and to do acoustic velocity measurement on the basis of the system. The experiments results show that the design of the experimental system of the remote acoustic velocity measurement is feasible, and has a certain application value.

Virtual instrument Data acquisition Image acquisition Remote acoustic velocity measurement LabVIEW

2015-11-25。湖南省自然科學(xué)基金重點項目(11JJ22039)。徐富新，教授，主研領(lǐng)域：虛擬儀器技術(shù)研究與開發(fā)。王強(qiáng)，碩士生。蔣英明，工程師。張娜，碩士生。

TP2

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.02.029