实验室信息化虚拟实验设计与实现

2014-04-07曹剑文

河南科技 2014年20期

曹剑文

（武汉纺织大学数学与计算机学院实验室，湖北武汉 430000）

随着高校实验室资源的扩充，实验室信息化逐渐被提上日程。所谓实验室信息化，就是指从实验课的编排，到实验室的开放，再到实验教学，全部基于网络实现，真正构建出基于网络信息化的实验室教学管理系统。另一方面，虚拟现实技术逐渐得到了广泛的研究与应用，如何利用虚拟现实技术构建出虚拟实验，成为实验室信息化的一个重要构成，这也是很多高校实验室管理部门重点解决的技术问题之一。

1 实验室信息化管理设计方案

1.1 功能设计

（1）实验信息管理。实验信息管理主要包括对实验室工作人员、实验室规章制度、实验室通知以及实验室办公文件等信息的集中管理。（2）实验课程管理。实验课程管理是指面向不同的老师、不同的开设班级，对实验课程进行编排，以完成实验课程的统一集中管理，做到实验课程的时间、教室不冲突。（3）实验设备管理。实验设备是实验教学过程中的重要资源，对实验设备统一进行信息登记和管理，有助于实现对实验设备的网络化管理。（4）实验教学管理。实验教学管理主要包括实验课程的准备，学生实验过程视频的保存，实验报告的电子化及成绩评定，以及实验教学总结。

1.2 模式设计

该设计采用了C/S 模式和B/S 模式相结合的设计模式。整个实验室信息管理系统在WEB 环境下运行，客户端与数据库服务器之间采用B/S 模式，从而避免了客户端专用程序的开发；而数据库服务器与应用服务器之间采用C/S 模式，适宜满足应用程序和数据库系统之间的大批量数据访问和调用，从而提高了数据访问的灵活性。另一方面，由于数据全部存储在专用的数据库服务器上，而应用程序服务器和客户端只负责发出相应的数据请求指令，这样在一定程度上也提高了数据的安全性，后期维护也更加趋于合理。

2 虚拟现实技术在虚拟实验中的设计与应用

2.1 虚拟现实技术的应用方法

要将传统的动手实验演变为基于虚拟现实技术的虚拟实验，必须要完成三维建模、虚拟场景重建以及动作响应设定等一系列设置，这样才能够实现实验教学的信息化和虚拟化。目前三维建模主要依赖Solid Works 三维软件完成，而虚拟场景的重新构建，在很大程度上依赖于LabView 等图形化编程软件的使用。

要实现虚拟实验系统的设计，离不开数据库系统的应用，因为在虚拟实验操作过程中，离不开对数据库的实时动态访问，因此如何快速访问数据库系统成为虚拟技术应用的关键。目前应用在虚拟实验系统中的数据库访问技术，主要是依赖于数据的快速存储方式。对于底层传递来的数据，按照数据自身的属性进行分类，从而将数据自动划分到不同的数据类中。在同一数据类中，按照所定义的关键字对数据进行存储。采用分类的数据存储和访问方式，能够极大地提高数据库访问的效率。

2.2 机电一体化实验的虚拟化设计应用

本研究课题以具体的机电一体化实验为例探讨虚拟实验系统的设计与应用。

机电一体化实验主要完成传感器检测、数据滤波、数据采集、数据显示、电机控制等一系列任务。针对该实验的内容，虚拟化和信息化可以按照如下步骤实施：

（1）三维建模。借助于Solid Works 三维软件对传感器、滤波器、数据采集卡、数码管、CPU 控制器、步进电机等进行三维建模，实验室内的万用表、示波器等其他实验仪器也要建模，以增强实验环境的真实性。

（2）场景重建。利用LabView 图形化编程软件，将上述三维模型进行空间布局设置，构建与实验室完全一致的实验场景。

（3）界面接口设计。仅仅有图形化场景是远远不够的，还必须借助LabView 图形化编程软件对接口进行设计。比如数据采集卡的接口应当与传感器的输出接口保持相同的电平规格；再比如，CPU 控制器的输出脉冲应当跟步进电机的驱动电流保持相同电平规格，以确保电机能够被驱动。

（4）虚拟动作响应。设计了界面接口，就能够利用VRML 工具对虚拟动作响应进行设定，通过设定使虚拟实验系统能够智能地感知到操作者的意图，从而顺利完成虚拟实验。

（5）数据库的快速访问。在机电一体化实验中，需要保存的数据有传感器采集数据、数据采集卡的采集频率、CPU 控制器的输出脉冲规格以及步进电机的相关参数。这些参数按照其自身属性可以划分为采集数据、控制数据和输出数据三大类，将上述的数据自动地划分到这三大类中。当虚拟动作响应需要访问数据库系统查询上述相关数据时，可以首先按照数据所在的大类进行查询，这样有助于提高数据库系统访问的快速性和准确性。