基于LabVIEW的测控仿真虚拟实验在远程开放教育中的应用研究

孙雷

摘要：基于LabVIEW的测控仿真虚拟实验是虚拟实验的重要组成部分，此类实验通过虚拟仪器技术和网络技术的融合实现在真实环境下实验的共享，将此类虚拟实验应用于远程开放教育是一种新型的教学模式，可以有效解决远程开放教育实践性教学的难题，尤其是远程开放教育操纵仪器的难题，本文围绕在远程开放教育环境下基于LabVIEW的测控仿真虚拟实验的特点，以基于虚拟仪器的植物监控虚拟实验为实例，探索构建此类虚拟实验的方法和路径，并在此基础上提出了远程开放教育进行此类虚拟实验的教学模式。

关键词：远程开放;LabVIEW;虚拟实验;测控

中图分类号：G64       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）17-0200-02

Abstract： The virtual experiment based on LabVIEW is an important part of virtual experiment. The virtual experiment based on virtual instrument technology and network technology realizes the sharing of experiment in real environment. It is a new teaching mode to apply this kind of virtual experiment to remote open education， which can effectively solve the difficult problem of practical teaching of remote open education， especially the problem of manipulating instrument.

Key words： remote Open ;LabVIEW;Virtual experiment; observe and control

1引言

实践性教学环节是高等学校理工科教育重要的组成部分，实验是培养学生动手能力和创新能力的重要的手段，近年来随着网络技术的发展，远程开放教育得到了迅速的发展，已成为高等教育重要的组成部分[1]。但由于远程开放教育存在师生分离、实验设备缺乏等特点，实践性环节已成为远程开放教育的难点，也是制约远程开放教育发展的瓶颈之一，虚拟实验的出现，许多远程开放教育学校建设了虚拟实验系统，学生可以通过虚拟实验网站做虚拟实验，得到实验结果，受到远程开放教育学校普遍欢迎，近年来出现了虚拟仪器技术，用户可以根据自己的需求，在计算机上定义和设计仪器完成一定的功能，将虚拟仪器技术与网络技术的融合组成虚拟实验室，能够解决远程开放教育中操控仪器的难题，尤其是传感器实验等测量控制实验，具有很强的现实意义。

本文以美国NI公司推出的虚拟仪器平台LabVIEW为软件开发平台，探索构建一个基于LabVIEW的测控仿真虚拟实验平台，并探索将此平台应用于远程开放教育中的模式。

2 基于虚拟仪器的测控虚拟实验室的设计

基于虚拟仪器的测控虚拟实验室直接控制的是远程实验室的设备，以真实的实验设备为实验模型，此类实验的特点是一次只允许一个用户操作实验，其他用户进行观看，基于虚拟仪器的测控虚拟实验室的结构图如图1所示。

传感器是测控虚拟实验室的重要组成部分，其主要功能是将系统外部各种类型的物理量转化为电信号，供数据采集系统进行采集和处理，由于传感器将外部转换得到的电信号往往比较微弱或含有比较多的噪声，不符合直接采集，信号调理设备对信号进行放大、滤波、隔离等调理措施，使得信号易于被数据采集设备读取[2]。数据采集卡的功能是将数据转换为计算机可处理的数字信号，并传递到计算机中，LabVIEW平台即虚拟仪器软件，在图1中将数据采集卡采集到数据进行实时显示，并将实时显示的结果通过WEB服务器在用户的电脑或手机等终端显示。

3 基于虚拟仪器的植物监控虚拟实验的设计

以中小植物的日常养护为背景，以植物的土壤湿度、空气温度、光照强度等的控制量为研究对象，开发一个基于虚拟仪器的植物监控虚拟实验，测量植物周围的环境温度，将土壤湿度值、温度值和光照强度显示供给用户查看，系统结构框架如图2所示。

数据采集包括：光感采集，土壤湿度采集以及温度采集，利用光敏电阻因光强变化而改变自身阻值的特性，收集光感數据;通过YL-69传感器测量土壤湿度，该传感器工作稳定，对工作电压要求为3.3V-5V，方便安装在植物检测;测量温度使用DS18B20传感器，让用户知道周围的温度多少，该传感器为独特的单线接口，不需要外部元件，使用简单方便。

图3是GPRS模块电路图，JP3为主控GPRS连接插座，其中： 1、2引脚为GND接地信号、 5、6 引脚TX2，7、8引脚RX2为主控板与GPRS板的串口通信。

4 系统软件的设计

明确了实验的功能，采用模块化设计，分为两大模块：下位机程序模块和上位机处理模块，下位机可具体划分为两个部分：微处理器程序模块和GPRS模块;上位机模块，通过LabVIEW同GPRS模块[3]进行通信，将各个模块进行整合，将数据实时显示在电脑屏幕上，完成系统的功能。

4.1 下位机软件设计

下位机软件由数据采集和GPRS无线传输组成，图4是下位机的流程图。

4.2 上位机软件设计

上位机采用LabVIEW程序设计，LabVIEW程序设计语言是一种图形化编辑语言，其特点是编程效率高，采用图形化界面比较直观， Lab View面板将GPRS传送的数据转换为波形图，可以实时在线直观监测土壤温度，空气温度、关系强度等参数[4]，并且将土壤参数实时值，上限值，下限值，报警灯依次展示出来。

5 虚拟实验的远程发布

考虑到虚拟实验是面向远程教育的，因此需要将此虚拟实验进行远程发布，由于LabVIEW内置了web发布工具，所以可以直接通过该工具进行远程发布，在配置web服务器以后对HTTP、端口进行配置，配置完发布即可[5]。

6 基于LabVIEW的测控仿真虚拟实验在远程开放教育中的教学模式

要将基于LabVIEW的测控仿真虚拟实验落地到远程教育教学实践中，需确定虚拟实验的整体框架，根据调研，基于LabVIEW的测控虚拟实验包括登录模块、教学辅导模块、学生做虚拟实验模块、学生提交实验报告、教师批阅模块、学生查询实验成绩模块，为实现此功能，需建设数据库将学生信息、教师信息、实验报告、实验成绩记录在数据库中，在配置好数据源后，利用LabVIEW的LabSQL与数据源进行连接，完成LabVIEW与数据库的通讯。在此基础上，确定基于LabVIEW的测控仿真虚拟实验在远程开放教育中的教学模式如图5所示，学生和教师分部登录系统，准备做虚拟实验的学生向教师提出虚拟实验的请求，教师进行指导，指导过程通过视频共享给所有登录系统的学员，准备做虚拟实验的学生在教师的指导下利用传感器做虚拟实验，其结果在LabVIEW面板上实时显示，其他同学在线观看了做实验同学的过程和实验数据，做完实验以后学生做实验报告并提交，教师进行批阅给出成绩，学生查看实验成绩。

7 结语

本文利用传感器采集及处理模块、 GPRS数据通信模块以及上位机监测中心模块组建了基于LabVIEW的远程测控虚拟实验，该虚拟实验与网络技术的融合实现了在真实环境下实验的共享，此類虚拟实验具有造价成本低、实时性好、交互界面友善等优点，可以有效地解决远程开放教育实践性环节的难题，具有广泛的应用价值。

参考文献：

[1] 李林，陈宇峰，李仲君，等. 大规模在线虚拟实验教学平台的建设与实践[J]. 实验技术与管理，2018，35（7）：144-147.

[2] 谭穗妍，林芳，姚尧，等. 水质检测系统设计[J].电子测试，2019，413（8）：20-21.

[3] 周正贵，王松林. 基于GPRS远程土壤PH值监测系统设计[J].绥化学院学报，2017，37（8）：158-160.

[4] 徐晓玲，余佼，张明辉，等.  基于LabVIEW的传感器虚拟综合实验系统设计[J].实验技术与管理，2019，36（2）：135-140.

[5] 李海芳，张民，陈俊杰，等. LabVIEW下远程虚拟实验室的研究与实现[J]. 太原理工大学学报，2010，41（2）：147-149.

【通联编辑：王力】