周 旋, 諶建飛, 趙 丹, 唐立軍, 鄧 敏

(1. 長沙理工大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 長沙 410114; 2. 近地空間電磁環(huán)境監(jiān)測與建模湖南省普通高校重點實驗室, 湖南 長沙 410114)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,遠(yuǎn)程教育已成為教育教學(xué)的新手段。截至2017年5月,以遠(yuǎn)程教育為手段的大型開放大學(xué)已增加至21所[1]。我國《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020年)》中明確提出:到2020年,基本建成人人可享有優(yōu)質(zhì)教育資源的信息化學(xué)習(xí)環(huán)境,基本形成學(xué)習(xí)型社會的信息化支撐服務(wù)體系。但實驗教學(xué)一直是遠(yuǎn)程教育的一個難點,有不少科研院所一直致力于遠(yuǎn)程實驗的研究工作[2-5]。

“聲速的測量”是大學(xué)物理中的基本實驗項目,實驗中需要學(xué)生動手操作、仔細(xì)觀察和讀取數(shù)據(jù),因而作為遠(yuǎn)程實驗開發(fā)難度較大。本文依托實驗室現(xiàn)有的遠(yuǎn)程實驗控制平臺,開發(fā)了聲速測量遠(yuǎn)程實驗,并探討了遠(yuǎn)程實驗的實現(xiàn)方法。

1 遠(yuǎn)程實驗設(shè)計方案

聲速測量實驗通常采用共振干涉法(駐波法)和李薩如圖法[6-7]。測量聲速時需要搖動手鼓帶動游標(biāo)移動,察看信號發(fā)生器的輸出頻率；需要觀察定子的超聲波波形和動子反射波波形,測量波與波的相同相位點(共振點)之間的距離。遠(yuǎn)程實驗必須具有以下功能:

(1) 設(shè)備控制功能:能在遠(yuǎn)程Web客戶端控制聲速測量儀手鼓轉(zhuǎn)動,需實現(xiàn)手鼓緩慢勻速正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止等功能,以控制游標(biāo)移動,調(diào)節(jié)動子與定子之間的距離(即超聲波發(fā)射源與接收器之間的距離)；

(2) 數(shù)據(jù)采集功能:能遠(yuǎn)程采集信號發(fā)生器輸出的波形信號以及游標(biāo)讀數(shù)或定子和動子之間的距離、手鼓帶動游標(biāo)移動的距離；

(3) 數(shù)據(jù)管理功能:能實時記錄實驗數(shù)據(jù)并保存至本地；

(4) 與遠(yuǎn)程實驗控制平臺的通信功能:通信可選方法有Wi-Fi、ZigBee、GPRS等通信方式。

根據(jù)以上需求分析,聲速測量的遠(yuǎn)程實驗應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制模塊、遠(yuǎn)程實驗平臺以及客戶端模塊等,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊組成圖

2 遠(yuǎn)程實驗的實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊基于LabVIEW軟件實現(xiàn)驅(qū)動,該模塊包括視頻采集子模塊和波形信號采集子模塊。

視頻采集子模塊通過雙通道攝像頭采集圖像,經(jīng)嵌入式設(shè)備傳送至Web服務(wù)端。視頻采集的功能包括視頻圖像采集以及同步傳輸、截圖并保存圖像至本地文件夾、雙通道選擇。視頻采集程序如圖2所示。

圖2 視頻采集程序圖

信號采集子模塊分為波形顯示和超聲波信號采集。系統(tǒng)通過USB數(shù)據(jù)采集卡分別采集信號發(fā)生器發(fā)射端(定子)和接收端(動子)輸出的波形,經(jīng)由嵌入式設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至虛擬示波器。該設(shè)計中的虛擬示波器仿照真實的數(shù)字示波器設(shè)計,界面如圖3所示。功能包括AB通道顯示模式轉(zhuǎn)換、雙通道選擇、觸發(fā)控制、時基控制、頻譜分析控制、幅度調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)測量、讀盤寫盤以及波形打印。主程序分為數(shù)據(jù)采集子程序、頻譜分析及顯示程序、數(shù)據(jù)寫入文件程序、從文件中讀取數(shù)據(jù)程序、測量波形的各種參數(shù)程序、打印當(dāng)前波形程序、手動/自動按鈕切換程序。子VI主要有雙通道信號采集、模式轉(zhuǎn)換，以保證信號的采集和兩種實驗的進行,如:李薩如圖法需要在XY顯示模式下進行。

2.2 設(shè)備控制模塊

設(shè)備控制模塊應(yīng)實現(xiàn)的功能為:當(dāng)實驗者在Web客戶端點擊開始按鈕、正反轉(zhuǎn)按鈕以及停止按鈕時,通過網(wǎng)絡(luò)控制接入嵌入式設(shè)備的USB數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動步進電機低速轉(zhuǎn)動、正向或反向慢速轉(zhuǎn)動或停止轉(zhuǎn)動。步進電機驅(qū)動程序如圖3所示。

2.3 聲速測量實驗的遠(yuǎn)程實現(xiàn)

聲速測量遠(yuǎn)程實驗項目以網(wǎng)頁交互界面的方式接入遠(yuǎn)程實驗控制平臺,應(yīng)用了USB-over-Network技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)以及Tools Web Publishing Tool技術(shù)。

2.3.1 實驗儀器與服務(wù)端遠(yuǎn)程通信的實現(xiàn)

應(yīng)用USB-over-Network和Wi-Fi技術(shù)實現(xiàn)實驗儀器與服務(wù)端的遠(yuǎn)程通信。USB-over-Network技術(shù)又稱USB接口映射技術(shù),是一種end-to-end的IP策略,分為服務(wù)器端和客戶端。該技術(shù)提出了基于IP的擴展USB總線iUSB的概念,并且通過在客戶端的USB驅(qū)動層中加入虛擬主控制器接口(VHCI)和在服務(wù)器端的USB驅(qū)動層中加入虛擬設(shè)備驅(qū)動(VDD)來實現(xiàn)iUSB。由于iUSB協(xié)議與操作系統(tǒng)無關(guān),使得網(wǎng)絡(luò)上的USB設(shè)備可以被跨平臺訪問。該方法減輕了服務(wù)器端的負(fù)擔(dān),且具有很好的安全性[8-9]。

圖3 步進電機驅(qū)動程序圖

設(shè)備分享過程為:在嵌入式設(shè)備上安裝服務(wù)端,以/opt.ftusbnet/bin/ftusbnetctl list命令查看端口編號,以命令/opt/ftusbnet/bin/ftusbnetctl share 203分享接入數(shù)據(jù)采集卡和攝像頭的USB接口。

2.3.2 LabVIEW Web Publishing Tool技術(shù)

應(yīng)用LabVIEW Web Publishing Tool技術(shù)把VI的前面板嵌入網(wǎng)頁,生成一個特定的IP地址,以分配的IP地址接入遠(yuǎn)程實驗平臺。當(dāng)Web服務(wù)器端VI運行時,客戶端就可以通過遠(yuǎn)程實驗控制平臺打開鏈接進行實驗操作,且無需安裝客戶端軟件,只需要具有與Web服務(wù)器端相同的LabVIEW Run Time Engine運行環(huán)境即可。在服務(wù)端后臺可更改收回賦予Web客服端的程序模塊使用權(quán)限[10-12]。

2.4 實驗數(shù)據(jù)管理模塊

實驗數(shù)據(jù)管理模塊有3項功能:

(1) 實驗數(shù)據(jù)記錄列表及一鍵導(dǎo)出至本地；

(2) 視頻截圖并保存至本地；

(3) 虛擬示波器波形的保存和打開。

在做實驗過程中,可在客戶端網(wǎng)頁上的列表中記錄從視頻中讀出的游標(biāo)數(shù)據(jù),按下導(dǎo)出鍵將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至Excel表格。該功能利用DDE實現(xiàn)LabVIEW與Excel的通信,實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)管理功能。視頻截圖功能可保存視頻圖片至本地,波形的保存與打開可以讓實驗者以圖片的形式保存當(dāng)前波形至本地，并在需要時打開或打印[13-15]。

2.5 客戶端

在該實驗交互界面上嵌入虛擬示波器、數(shù)據(jù)管理面板、雙通道視頻顯示控制面板和步進電機控制面板。用戶可右鍵點擊相應(yīng)模塊獲取VI控制權(quán)進行實驗。該遠(yuǎn)程實驗交互界面具有簡潔明了的特點。

3 實驗測試

對各模塊和系統(tǒng)進行功能測試,對聲速測量儀1和聲速測量儀2分別進行遠(yuǎn)程實驗并與現(xiàn)場測試作對比。

3.1 系統(tǒng)功能測試

實驗測試30次,實驗結(jié)果如表1所示。

表1 功能模塊測試結(jié)果

注：測試次數(shù)均為30次。

從表1可以看出,該遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)功能性能良好,能穩(wěn)定運行。

3.2 實驗對比測試

3.2.1 實驗采用的基本公式

設(shè)置兩組對比實驗,分別對聲速測量儀1和聲速測量儀2進行手動測量和遠(yuǎn)程測量。利用大學(xué)物理實驗理論,采用共振干涉法各測量8組數(shù)據(jù),李薩如圖法各測量10組數(shù)據(jù)。

聲速理論值如式(1)；實驗數(shù)據(jù)用逐差法處理,共振法計算公式為式(2)；李薩如圖法計算公式為式(3)。式中i為測試次數(shù)。

(1)

(3)

3.2.2 聲速測量儀1測試結(jié)果

共振法手動測量頻率為38.274 kHz,遠(yuǎn)程實驗測試頻率為38.454 kHz,所測數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)公式(2)計算得到手動測量結(jié)果約為352.07 m/s,與理論值的相對誤差為1.7%,遠(yuǎn)程實驗測試結(jié)果約為343.68 m/s,與理論值的相對誤差為0.8%。

李薩如圖法測量法手動測量頻率為38.351 kHz,遠(yuǎn)程測試頻率為38.505 kHz,所測數(shù)據(jù)如表3所示。根據(jù)式(3)計算得到手動實驗結(jié)果約為347.75 m/s,與理論值相對誤差為0.4%,遠(yuǎn)程實驗結(jié)果約為354.20 m/s,與理論值相對誤差為1.9%。

表2 聲速測量儀1的共振法測量數(shù)據(jù)

表3 聲速測量儀1的李薩如圖法測量數(shù)據(jù)

3.2.3 聲速測量儀2測試結(jié)果

用共振法手動測量時頻率為37.159 kHz,遠(yuǎn)程測量頻率為37.189 kHz,所測數(shù)據(jù)如表4所示,根據(jù)公式(2)計算得到手動測量結(jié)果約為355.94 m/s,與理論值的相對誤差為2.8%,遠(yuǎn)程測量結(jié)果約為358.04 m/s,與理論值的相對誤差為3.4%。李薩如圖法測量法手動測量頻率為37.180 kHz,遠(yuǎn)程測量頻率為37.176 kHz,所測數(shù)據(jù)如表5所示,根據(jù)公式(3)計算得到手動測量結(jié)果約為354.33 m/s,與理論值相對誤差為2.3%,遠(yuǎn)程測量結(jié)果約為333.57 m/s,與理論值相對誤差為3.7%。

表4 聲速測量儀2的共振法測量數(shù)據(jù)

表5 聲速測量儀2的李薩如圖法測量數(shù)據(jù)

根據(jù)以上對比實驗結(jié)果得出結(jié)論,該聲速遠(yuǎn)程測量實驗的測量效果與現(xiàn)場實測效果相同。

4 結(jié)語

基于遠(yuǎn)程實驗控制平臺的遠(yuǎn)程聲速測量實驗項目可以在有網(wǎng)絡(luò)的任何地方完成聲速測量實驗的操作,且實驗效果和現(xiàn)場操作相同。該實驗既可用于實驗教學(xué),也可用于相關(guān)的實驗研究,有較好的應(yīng)用前景和推廣價值。

References)

[1] 張偉遠(yuǎn),謝青松,王曉霞.國際視野中開放大學(xué)的最新發(fā)展和關(guān)注熱點[J].遠(yuǎn)程教育雜志,2017,35(4):66-76.DOI:10.15881/j.cnki.cn33-1304/g4.2017.04.007.

[2] 諶建飛,鄧敏,王永建,等.遠(yuǎn)程實驗控制平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國教育信息化,2017(3):80-84.

[3] 陳穎,高東鋒.基于高校的智能實驗室建設(shè)與實施方案研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2015(8):88-92.

[4] 唐立軍,賓峰,鄧敏,等.遠(yuǎn)程實驗操作平臺設(shè)計與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索,2015,34(12):49-52,60.

[5] 賓峰,鄧敏,唐付橋,等.邁克爾遜干涉條紋自動測量方法[J].光學(xué)與光電技術(shù),2015,13(4):36-40.

[6] 李天一,何沃洲,盧子璇,等.聲速測量實驗方法的改進[J].物理與工程,2016,26(3):29-32.

[7] 李志杰,趙騫.超聲波聲速測量方法的探討[J].大學(xué)物理實驗,2012,25(4):26-28.DOI:10.14139/j.cnki.cn22-1228.2012.04.027.

[8] Zhang Tao, Wang Haibo, Chu Xiaoli,et al.A Signaling-based Incentive Mechanism for Device-to-Device Content Sharing in Cellular Networks[J].IEEE Communications Letters,2017,21(6):1377-1380.

[9] Zhang T, Wang H, He J. An incentive mechanism under Hidden-Action for device-to-device content sharing[J].IEEE International Conference on Signal Processing,2017：1288-1292.

[10] 賈鵬.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)及在南極科考平臺的應(yīng)用[D].南京:東南大學(xué),2015.

[11] 須文波,施小勇,楊朝龍.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機信息,2006,22(31):211-213,236.

[12] 劉穎,孫先逵,秦嵐.基于LabVIEW的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的設(shè)計[J].測控技術(shù),2005(9):43-45,64.

[13] 于永芳,王毓順,許中運,等.基于LabVIEW的虛擬波形發(fā)生器和示波器的設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機,2017,30(3):34,39.

[14] 李奇,徐曉東,盧顏,等.基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù),2017,46(1):39-41.

[15] 黃嘉智.基于LabVIEW的高速數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)設(shè)計[D].北京:北京理工大學(xué),2016.