傳感器與檢測技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

姜海燕， 宋慶軍， 謝統(tǒng)顏

(山東科技大學(xué)(泰安校區(qū))，山東 泰安 271019)

0 引 言

傳感器與檢測技術(shù)是工業(yè)自動化、機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等技術(shù)的基礎(chǔ)，因此，傳感器與檢測技術(shù)是自動化專業(yè)必修課程，掌握傳感器的原理、性能特點(diǎn)和應(yīng)用就越來越重要?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》要求“加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室、校內(nèi)外實(shí)習(xí)基地等基本建設(shè)……”。而且，當(dāng)今是一個科技技術(shù)發(fā)展迅速而且變化很快的時代，因此，要使學(xué)生適應(yīng)這種形式，必須重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室和儀器的數(shù)量很難滿足學(xué)生的需求[1]，傳感器與檢測技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室便應(yīng)運(yùn)而生。

另外，在國內(nèi)很多大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)課程差不多，給出了Word(或PDF)格式的實(shí)驗(yàn)教案、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書以及思考題，有的學(xué)校給出了實(shí)驗(yàn)錄像。此類網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)是單向的而非反饋式或雙向的，實(shí)驗(yàn)者無法親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)最基本的目的—提高學(xué)生的動手能力和解決工程實(shí)際問題能力便成為紙上談兵。

1 原傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)室

傳感器俠義定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出的電信號器件或裝置。傳感器實(shí)驗(yàn)就是通過對傳感器施加感應(yīng)信息，通過測量電路輸出電壓(或頻率)信號，并分析傳感器的動靜態(tài)特性，以及傳感器在實(shí)際應(yīng)用和選擇上應(yīng)注意事項(xiàng)。

原有的傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主要包括兩類實(shí)驗(yàn)：CSY3000型傳感器試驗(yàn)臺和綜合測控實(shí)驗(yàn)臺。CSY3000型傳感器試驗(yàn)臺主要是原理型、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，包括金屬薄式應(yīng)變片實(shí)驗(yàn)、電容傳感器實(shí)、電感/電渦流傳感器實(shí)驗(yàn)，溫度傳感器實(shí)驗(yàn)等。CSY環(huán)形帶綜合測控實(shí)驗(yàn)臺是傳感器在實(shí)際中的應(yīng)用，包括材質(zhì)的識別、數(shù)量的計(jì)算、轉(zhuǎn)速的測量與控制、高度檢測與控制、位置的檢測與控制等。

該實(shí)驗(yàn)室可以開設(shè)50多個實(shí)驗(yàn)，但受到教學(xué)計(jì)劃的影響，一個班通常只開設(shè)幾個或十幾個實(shí)驗(yàn)。對于那些熱愛實(shí)踐學(xué)習(xí)、喜歡動手操作的學(xué)生，在網(wǎng)上給他們提供一個實(shí)驗(yàn)平臺；另外，對于那些熱愛此專業(yè)的自學(xué)者也提供了一個很好的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

2 傳感器與檢測技術(shù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

傳感器與檢測技術(shù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室主要完成兩種實(shí)驗(yàn)類型：第一類是虛擬傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器或檢測方法的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，又稱軟件共享；第二類是傳感器的遠(yuǎn)程測控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動檢測系統(tǒng)硬件的共享，客戶端能對實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制，又稱硬件共享。

2.1 虛擬傳感器與檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

這種實(shí)驗(yàn)不涉及到硬件設(shè)備的調(diào)用，客戶端通過訪問服務(wù)器端的軟件程序?qū)崿F(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)，所完成的實(shí)驗(yàn)是原理型、驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，采用B/S(Browser/Server)模式[2-4]，CSY3000型試驗(yàn)臺上完成的傳感器原理的實(shí)驗(yàn)采用此模式。下面以電渦流傳感器為例，說明交互式虛擬傳感器的構(gòu)建過程。

電渦流傳感器主要包括位移特性實(shí)驗(yàn)、被測面積對電渦流傳感器特性的影響、被測體的材料對電渦流傳感器特性的影響、電渦流傳感器在電子稱中的應(yīng)用，通過這幾個實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共同分析電渦流傳感器的特性及應(yīng)用。利用 3DS MAX 、Cult 3D 以及LabVIEW軟件操作平臺，實(shí)現(xiàn)傳感器虛擬雙向反饋式實(shí)驗(yàn)，主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)室場景(實(shí)驗(yàn)室房間、窗戶、桌椅、燈光等)構(gòu)建、虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)體(實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備等)構(gòu)建、建立實(shí)體關(guān)系，用戶交互單元的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程的監(jiān)視與指導(dǎo)這幾個過程。

(1) 三維模型的建立。用現(xiàn)成建模工具3D MAX軟件建立三維實(shí)驗(yàn)場景、虛擬設(shè)備模型可以縮短建模時間，提高模型逼真度，主要包括建框架、編輯材質(zhì)、貼圖、打燈、渲染5 大基本步驟[5-6]，模型建立完后，利用 3D MAX 的 Export 功能將該場景導(dǎo)出為*.c3d格式文件[7]。

(2) 交互單元的設(shè)計(jì)。Cult 3D 軟件可以讓建立好的模型增加互動效果，這是一種窗口型虛擬現(xiàn)實(shí)平臺，能在網(wǎng)頁上建立互動的三維模型。Cult 3D軟件在對三維模型的三維交互操作上與其它Web 3D技術(shù)是一致的。但是，這些Web 3D技術(shù)(如VRML、3DML等)支持的是用源代碼直接進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)，需要開發(fā)者精通Java、C等基本編程語言，對于非專業(yè)三維建模人員來說有一定的困難。而Cult 3D軟件是3DS Max等可視化三維建模軟件輸出的一個外掛插件，另外，Cult 3D軟件支持ActiveX控件，為完成窗口虛擬現(xiàn)實(shí)，提供了方便的接口技術(shù)。

Cult3D Export Pulgin為3D MAX增加一個*.c3d的文件格式；Cult3D Designer是Cult 3D的核心技術(shù)，能夠?qū)?.c3d文件中的三維模型對象賦予旋轉(zhuǎn)、縮放、聲音、攝象機(jī)導(dǎo)航等動畫特性和交互響應(yīng)特性，其輸出格式為*.co格式。所以，利用Cult3D Designer對剛才輸出的*.c3d格式文件進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，合成虛擬實(shí)驗(yàn)室場景以及虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)體后，保存為*.co格式，而且*.co格式已嵌入到LabVIEW中。

(3) 3D模型在LabVIEW中運(yùn)行。LabVIEW是Nl公司推出的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，采用圖形化編程語言(G語言)，內(nèi)置很多控件(支持ActiveX控件)，可以很方便地創(chuàng)建用戶界面。ActiveX采用客戶機(jī)/服務(wù)器的模式進(jìn)行不同應(yīng)用程序的鏈接，LabVIEW既可以作為ActiveX的客戶端，又可以作為ActiveX的服務(wù)器。在LabVIEW ActiveX控件中選擇“Cult3D ActiveX Player”對象，在程序框圖中打開Cult3D輸出的* . co文件，點(diǎn)擊運(yùn)行就可以看到3D模型。

(4) 分布。LabVIEW自帶內(nèi)置Web服務(wù)器，具有網(wǎng)頁發(fā)布功能，采用HTTP 協(xié)議進(jìn)行通信。這種方式VI運(yùn)行在服務(wù)器端，客戶端通過網(wǎng)頁瀏覽器與服務(wù)器上VI的前面板進(jìn)行交互。

其虛擬仿真界面如圖1所示[7-10，12-13]。

圖1 電渦流傳感器的虛擬仿真界面

2.2 傳感器與檢測技術(shù)的測控實(shí)驗(yàn)構(gòu)建

CSY環(huán)形帶綜合測控實(shí)驗(yàn)臺是各種傳感器在實(shí)際中的應(yīng)用，其目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用傳感器基本理論知識分析工程實(shí)際問題的能力，通過LabVIEW軟件及相關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)該試驗(yàn)臺的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)中，虛擬儀器和客戶端必須同時具備了收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，因此，需采用C/S(Client/ Server)模式[9]?？紤]到系統(tǒng)應(yīng)用的安全性和規(guī)模性，將服務(wù)器分為Web服務(wù)器和Application 服務(wù)器，Web服務(wù)器負(fù)責(zé)與多個客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和軟件的共享，而Application 服務(wù)器用于控制傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及運(yùn)行LabVIEW，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程測控實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖

傳感器與檢測技術(shù)遠(yuǎn)程測控實(shí)驗(yàn)采用的是TCP/ IP協(xié)議[10-11]，遠(yuǎn)方的客戶通過TCP/IP協(xié)議遙控服務(wù)器端所連的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過圖形化界面實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的啟動或停止。程序的設(shè)計(jì)包括兩個VI，一個是服務(wù)器端VI，一個是客戶端的VI，其中服務(wù)器的啟動子程序流程見圖3所示。

圖3 服務(wù)器的啟動VI的流程圖

在建立客戶端和服務(wù)器端之間的通訊時，應(yīng)當(dāng)注意，除了指定Internet地址之外，還必須指定通訊端口號，端口是一種抽象的軟件結(jié)構(gòu)，包括一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和I/O緩沖區(qū)。應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用與一定的端口建立綁定，端口便成為應(yīng)用程序訪問數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的入口，這樣通過端口就可以建立進(jìn)程之間的通信。端口號的范圍是0～65 535，端口號最好不要低于1 000，同時，客戶端和服務(wù)器的端口號必須相同，才能進(jìn)行有效的通訊[12-14]。

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)實(shí)時實(shí)驗(yàn)，必須具有視頻和聲音的采集和傳輸，客戶端通過視頻隨時了解現(xiàn)場測控情況。本系統(tǒng)采用NI PCI-1408的視頻采集卡配合NI- IMAQ的圖像采集軟件，利用LabVIEW 與ActiveX 軟件, 實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)過程的錄像、拍照、視頻預(yù)覽以及數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸?shù)裙δ?。主要包括攝像頭圖像的抓取、LabVIEW 視頻的壓縮保存、視頻圖像的簡單后處理三部分。通過視頻, 客戶端可以隨時了解現(xiàn)場運(yùn)行狀況, 并發(fā)出控制，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時測控[15]。

3 結(jié) 語

分析了目前國內(nèi)大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室存在的問題，建立了以3DS MAX 、Cult 3D 以及LabVIEW為軟件平臺的傳感器與檢測技術(shù)的雙向反饋式三維虛擬實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)主要包括了三維虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程測控實(shí)驗(yàn)，能方便地將傳感器原理的講解演示與真實(shí)的測控實(shí)驗(yàn)合為一體，并且學(xué)生可以不受時間、地點(diǎn)的限制通過網(wǎng)絡(luò)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

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