針對當前流量計教學中存在的理論講解過于抽象化、視頻展示過于簡潔，缺少互動環(huán)節(jié)，而實物演示教學設 備成本太高的問題，設計了流量計三維教學仿真系統(tǒng)。在此系統(tǒng)設計中，以n型管段式超聲波流量計為研究對象，首 先是利用3DMAX建模工具對其進行三維建模，再將經(jīng)過渲染處理后的模型導入上位機軟件Unity3D中，然后制作能 夠控制教學展示的下位機系統(tǒng)，最后讓下位機系統(tǒng)與上位機系統(tǒng)進行通信，從而實現(xiàn)了超聲波流量計的三維動態(tài)展示 和交互式教學仿真的功能。該系統(tǒng)充分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的三維建模技術(shù)和三維交互技術(shù)的優(yōu)勢，給教學帶入了 真實感，增強了學員學習的積極性，提升了學習效率，縮短了學習周期，降低了教學成本。

1.引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，流量的測量在各種工業(yè)過程中 占據(jù)了不可取代的地位，通過流量計將所檢測的各種信號 轉(zhuǎn)化為電信號，然后將生成的電信號上傳給上位機，通過上 位機來實現(xiàn)信號的處理以及控制命令的下達，這已成為現(xiàn) 代工控的主流方式。

現(xiàn)今流量計的教學主要采取理論講解與實物展示相結(jié) 合的方式。理論講解以灌溉式為主，老師是知識的主要載 體，學員被動的接受，在這種情況下，課堂教學耗時較長，學 習的效率低，枯燥的知識會讓學員產(chǎn)生厭煩心理；而實物展示成本高，缺少課堂互動環(huán)節(jié)，效果有限。

在超聲波流量計的研究中，王雪峰等人通過對超聲 波氣體流量計的管道模型仿真和誤差分析，驗證了氣體超 聲波流量計流場誤差產(chǎn)生的原因、范圍；阮芬等人通過對 超聲波流量計反射聲道對比仿真研究，為超聲波流量計優(yōu) 化測量提供方法；鄧凱通過對超聲波流量計的設計與研 究，提出超聲波流量計整體設計方案。上述學者用各自的 方式實現(xiàn)了超聲波流量計的仿真與研究，效果各有不同，但 均未涉及對超聲波流量計的三維教學仿真，缺乏真實的可 視化顯示及交互功能。

針對以上情況，筆者設計了基于Unity3D的超聲波流量計仿真教學系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中引入三維建模技術(shù)、三維顯 示技術(shù)以及三維交互技術(shù)，先對n型管段式超聲波流量計 的熱量表、連接電纜、壓電元件、接受換能器、發(fā)射換能器等 元器件進行三維建模，然后將處理好的模型導入Umty3D 中，在Umty3D中編寫與單片機數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ懦绦?，并設 計下位機硬件電路，通過按鍵控制超聲波流量計的三維展 示，成功地實現(xiàn)了交互式的超聲波流量計仿真的三維教學 展示，激發(fā)了學員的學習熱情，提升了學習效率，降低了教 學成本，有利于推廣使用。

2.系統(tǒng)設計總體結(jié)構(gòu)

超聲波流量計仿真教學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

由圖1可知，超聲波流量計仿真教學系統(tǒng)的設計主要 由兩部分組成：上位機模塊和下位機模塊。在上位機模塊 中，主要包括計算機、超聲波流量計三維仿真軟件和顯示終 端。在上位機的工作過程中，首先是通過計算機上的三維 建模軟件對超聲波流量計進行三維建模，然后將所建立的 三維模型導入交互軟件Urnty3D中，計算機接收下位機所 傳來的控制信號，在Unity3D中實現(xiàn)實時動態(tài)交互和顯示。

下位機模塊是以單片機STC89C52為主控制器所構(gòu)成 的控制模塊，主要包括控制量輸入模塊、電源模塊、主控單 元和通信模塊。在下位機中，控制按鍵輸入的鍵值傳送至 單片機的主控單元（MCU)，控制信號經(jīng)MCU處理后，通 過單片機的通信模塊上傳給上位機。在整個系統(tǒng)設計過程 中，下位機模塊主要起控制信號處理與傳輸?shù)淖饔?。下?/span> 機模塊與上位機模塊間的通信主要由串口通信協(xié)議 (RS232協(xié)議）實現(xiàn)，在通信過程中，單片機編程實現(xiàn)鍵值數(shù) 據(jù)的上傳，計算機通過Unity3D接收COM3C計算機的通信 端口）口的數(shù)據(jù)，并在Unity3D中實現(xiàn)交互仿真。

3.系統(tǒng)的實現(xiàn)

在基于Unity3D的超聲波流量計仿真教學系統(tǒng)中，為 實現(xiàn)系統(tǒng)的交互式控制和流量計模型的多功能展示，整個 系統(tǒng)設計分為4個部分：上位機三維建模、上位機三維交互 編程開發(fā)、下位機硬件電路設計和下位機軟件編程的實現(xiàn)。

3.1上位機三維建模

3. 1. 1超聲波流量計建模條件

在超聲波流量計三維教學仿真系統(tǒng)開發(fā)過程中，以n 型管段式超聲波流量計為研究對象。n型管段式超聲波流 量計是一種非接觸式儀表，既可以測量大管徑的介質(zhì)流量 也可以用于不易接觸和觀察的介質(zhì)的測量，測量準確度高， 幾乎不受被測介質(zhì)的各種參數(shù)的干擾。

n型管段式超聲波流量相比于其他超聲波流量計來 說，具有靈活多變的全中文顯示主機（壁掛標準型、壁掛防 爆型、盤裝型、壁掛網(wǎng)絡型）滿足各種不同的工業(yè)現(xiàn)場；管段 式傳感器解決了外夾式傳感器和插入式傳感器安裝過程 中，由于管道不標準人為安裝誤差而造成的測量精度下降 的問題，在工控測量過程中運用的越來越廣泛。

3.1.2建模關(guān)鍵技術(shù)

超聲波流量計三維模型建立的流程如圖2所示.

三維模型的建立是整個仿真教學系統(tǒng)的基礎，所以高 效的建模對后續(xù)交互、下位機控制和展示致關(guān)重要。在三 維建模前，應多收集流量計的照片素材，其中包括超聲波流 量計的熱量表、連接電纜、壓電元件、接受換能器、發(fā)射換能 器等元器的照片，模型的建立不能憑空捏造，模型的尺寸要 根據(jù)流量計的技術(shù)資料來獲得，在建模過程中要讓模型成 為實物的一種映射，通過觀察模型能真實地再現(xiàn)實物。在 建模過程中主要采用多邊形建模法，通過將基本幾何體轉(zhuǎn) 化為可編輯多變形來構(gòu)建各種三維圖形，再通過旋轉(zhuǎn)、平 移、對齊、縮放、鏡像等命令來實現(xiàn)模型部件的正確擺放，進 而將局部模型組裝成一個整體。

在建模過程中，還要注意對模型進行優(yōu)化。優(yōu)化模型 可以節(jié)約計算機資源，提高建模效率，也降低了三維交互編 程時出錯的可能性。在3DMAX建模過程中，模型優(yōu)化的 主要方式有刪除看不見的和不必要的面；盡量使模型上的 每條線都構(gòu)成一條閉合的回路；模型中線與線相交圖形為 四邊形，不能出現(xiàn)除四邊形和三角形以外的其他圖形；盡量 不要使用布爾命令。

在模型整體構(gòu)造建立完成后，為使模型逼近實物，達到 以假亂真的效果，要為模型賦予材質(zhì)和貼圖，模型的材質(zhì)要 根據(jù)實物的材料來調(diào)節(jié)，通過對Vray材質(zhì)的反射、滿反射、 折射、高光、模糊度、各項極性等參數(shù)的調(diào)節(jié)來使模型接近 實物，貼圖的選取要注意貼圖的大小必須是2的冪次，具體 情況應根據(jù)實物在場景中大小來選擇。在材質(zhì)、貼圖達到 滿意效果后，是對模型的渲染及輸出，通過模型的渲染讓最 后輸出模型的色澤、凹凸感、陰影等效果更貼近實際情況。

3.2上位機三維交互編程開發(fā)

在上位機交互軟件Uriy3D中，編程開發(fā)主要是：數(shù)據(jù) 通信編程和三維交互控制編程。

上位機數(shù)據(jù)通信編程是針對上位機和下位機間數(shù)據(jù)傳 輸進行的程序開發(fā)。上位機中Unity3D軟件為接收下位機 上傳的數(shù)據(jù)，在程序中首先應對接收數(shù)據(jù)端口進行相應的 設置。在此次設計中通信端口為COM3 口，通過new SerialPortO命令來進行COM3 口的初始化，在串口初始化 完成后，要通過sp. Opem()打開串口，并通過new Thread (ReceiveData)和 new Thread ( DealData)命令打開數(shù)據(jù)接 收和數(shù)據(jù)處理兩個線程，再等待接收緩存區(qū)接收數(shù)據(jù)，然后 通過sp. Read()命令讀取buf[i]中的數(shù)據(jù)，并在其他腳本中 調(diào)用buf[i]中的數(shù)據(jù)，為三維交互編程提供條件判斷量，最 后清空buf[i]中數(shù)據(jù)，等待下一次數(shù)據(jù)接收[1。一11]。上位機 數(shù)據(jù)通信流程如圖3所示。

三維交互控制編程是對導入的三維模型進行功能實現(xiàn) 的編程方式。由3DMAX所建立的三維模型導入到 Umity3D中后，由Umity3D軟件所認同的編程語言進行功 能開發(fā)。在本次設計中采用C#編程語言，來實現(xiàn)超聲波 流量計的全面展示、模型的旋轉(zhuǎn)展示、展示過程中鏡頭的拉 伸、部件的分塊展示以及流量計視頻的調(diào)用，由此讓學員全 方位的認知超聲波流量計的總體結(jié)構(gòu)、工作原理以及使用 過程中的注意事項。

在Untiy3D交互軟件中編寫流量計功能展示程序的過 程中，最主要是獲取模型物體的控制權(quán)（GameObject)，一 般通過GameObject. Find()函數(shù)實現(xiàn)，也可以直接將腳本 賦予模型對象，通過調(diào)用gameObject類型直接對模型進行 功能編程。在獲取下位機上傳的數(shù)據(jù)后，對不同的數(shù)據(jù)賦 予不同的展示功能，并通過if()條件判斷語句來編寫不同 功能實現(xiàn)的程序[12—13]。例如，可以通過調(diào)用gameObject transform. Rotate (0，15 * Time. deltaTime，0，Space. Self) 來實現(xiàn)模型繞Y軸正方向每秒旋轉(zhuǎn)15°，在此函數(shù)語句加 上if(buf[1] == 0x11){}的條件判斷語句，就可通過下位 機來控制三維場景中模型的旋轉(zhuǎn)展示。

3.3下位機硬件電路設計

下位機主要是為了讓學員在學習過程中，能實時地與 三維模型進行交互而設計的。本次設計過程中，下位機的 控制器采用單片機STC89C52，通過該單片機系統(tǒng)上的矩 陣鍵盤產(chǎn)生輸入控制信號，并將此信號上傳給上位機，控制 三維模型的功能展示。下位機的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

按鍵控制電路

圖4下位機硬件結(jié)構(gòu)

由圖4可知，下位機硬件電路主要由單片機 STC89C52、電源電路、復位電路、時鐘電路、報警電路和串 口通信電路組成。在上述硬件構(gòu)造中，單片機STC89C52 為系統(tǒng)的主控單元，并結(jié)合其他硬件電路單元，共同構(gòu)成了 單片機的最小控制系統(tǒng)。按鍵控制電路采用矩陣鍵盤的方 式進行控制量的輸入，通過對鍵盤的循環(huán)掃描，只需分時復 用I/O 口即可將不同的鍵值輸送到單片機STC89C52中， 有效地減少了單片機I/O 口的使用個數(shù)，節(jié)約系統(tǒng)資源。 鍵值信號到達單片機后，通過單片機對數(shù)據(jù)信號進行處理， 然后將處理后的信號通過串口通信電路上傳給上位機進行 三維交互式控制。

下位機的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機的過程中，采用 RS232的串口通信協(xié)議。單片機丁丁L電路輸出電平一般 為一5?+ 5 V，一般的PC接口的兼容電平為一15? + 15 V，故而在上位機和下位機進行數(shù)據(jù)傳輸過程中要進 行電平的轉(zhuǎn)化。在本次設計過程中采用USB轉(zhuǎn)串口芯片 CH340T來實現(xiàn)上位機和下位機間的數(shù)據(jù)傳輸。CH340丁 芯片中集成了供電、下載、串口通信功能，在CH340丁芯片 中實現(xiàn)串口通信，主要用到了 UD+、UD—、丁XD、RXD端 口，單片機的數(shù)據(jù)通過RXD進入SBUF存儲區(qū)，再通過UD+、UD —發(fā)送給PC機；PC機的數(shù)據(jù)通過USB線發(fā)送 到UD+、UD—，再通過芯片丁XD端口發(fā)送至單片機的 M CU，這樣整個流程下來就可以實現(xiàn)上位機和下位機以串 口通信的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

3.4下位機軟件編程的實現(xiàn)

下位機主要是為上位機傳遞控制信號，通過不同的控 制信號來完成系統(tǒng)不同功能的展示?？刂菩盘栍?/span>4X4的 矩陣鍵盤產(chǎn)生，在編程過程中通過對不同按鍵賦予不同的 鍵值，就可以在上位機中區(qū)分各個按鍵所展示的功能。除 了對矩陣鍵盤掃描程序的編寫外，還需編寫串口通信程序， 下位機軟件編程流程如圖5所示。

由圖5可知，在程序開始執(zhí)行時，首先應對系統(tǒng)進行初 始化，對系統(tǒng)初始化主要包括定時器1的初始化、串口初始 化。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)以一定的時間間隔不斷地向緩沖區(qū)發(fā)送， 設定定時器1為定時模式，工作方式為2，定時器初值由系 統(tǒng)時鐘電路晶振大小決定，并以此產(chǎn)生串口通信所需波特 率；串口初始化主要是設定串口工作模式為1。在系統(tǒng)初 始化完成后，要實時地檢測是否有按鍵按下，將矩陣鍵盤循 環(huán)掃描的鍵值通過P0?P3 口輸送到單片機進行處理，然 后將處理后的數(shù)據(jù)通過串口上傳給上位機，在上傳數(shù)據(jù)過 程中如果檢測到數(shù)據(jù)傳輸沒有完成，則等待數(shù)據(jù)傳輸完成， 防止數(shù)據(jù)覆蓋造成數(shù)據(jù)丟失。

4.系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)上位機、下位機、通信模塊設計完成后，通過 Unity3D軟件對三維模型進行交互編程，并將編程調(diào)試的 結(jié)果通過Build&Run發(fā)布成“ exe”文件，在系統(tǒng)調(diào)試過程 中，點擊發(fā)布的“ e xe ”文件就可以進行流量計的仿真教學 展示。如圖超聲波流量計仿真教學系統(tǒng)如圖6所示。

在該界面中可以根據(jù)教學仿真的需要選擇超聲波流量 計展示的方式，點擊進入整體結(jié)構(gòu)展示、部件細節(jié)展示、視 頻展示、工作原理展示界面后，可通過下位機硬件仿真平 臺，對上位機展示界面進行控制，按下單片機鍵盤上的不同按鍵可選擇不同的交互功能，進而實現(xiàn)超聲波流量計的三 維互動仿真功能。

5.結(jié) 論

在Untiy3D的平臺上編譯出了超聲波流量計仿真教學 系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功的實現(xiàn)了超聲波流量計仿真教學的功能， 既解決了傳統(tǒng)教學過程中，學員與知識缺少互動、積極性不 夠的問題，又通過虛擬展示的方式解決了購買昂貴器材的 難題。通過仿真教學，學員能夠更有效的掌握流量計的整 體結(jié)構(gòu)、各個部件結(jié)構(gòu)、工作原理、使用方式等，激發(fā)了學員 學習積極性，使現(xiàn)場培訓的時間明顯縮短，減少了教學培訓 成本.