基于網(wǎng)絡的虛擬儀器測試教學實驗系統(tǒng)

李趙春，程玉柱

（南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037）

近年來，隨著計算機技術、通信技術以及儀器技術的發(fā)展，虛擬儀器（Virtual Instruments，VI）技術得到前所未有的迅猛的發(fā)展，鑒于其技術層面上的多樣性，虛擬儀器技術也成為當前國內(nèi)外測試技術和儀器制造界十分關注的熱門話題[1－4]。

對于虛擬儀器測試實驗室來說，要達到一定數(shù)量的設備才能滿足教學實驗的要求，因此要求所有的計算機軟硬件、儀器設備、前端裝置都要購置或開發(fā)多套[5]。為了節(jié)約成本，采用網(wǎng)絡技術，構(gòu)建基于網(wǎng)絡的虛擬儀器測試實驗系統(tǒng)成為必要手段[6－8]。同時，網(wǎng)絡化的測試系統(tǒng)也為遠程測試和監(jiān)控提供了方法和技術途徑。

1 網(wǎng)絡化的虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

網(wǎng)絡化的虛擬儀器系統(tǒng)通常采用兩種結(jié)構(gòu)模型：客戶機／服務器（C／S）模式和瀏覽器／服務器（B／S）模式。

1.1 C／S模式

C／S模式是網(wǎng)絡通信中常用的一種模式，通常集散控制系統(tǒng)多采樣這種結(jié)構(gòu)。它一般有多個客戶端來采集數(shù)據(jù)，而通常有一個服務器充當數(shù)據(jù)庫的角色，客戶端通過通信協(xié)議把測試數(shù)據(jù)寫入遠程服務器數(shù)據(jù)庫。C／S模式需要做兩個方面的開發(fā)，一是服務器端數(shù)據(jù)采集和處理程序以及遠程通訊數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴某绦蛟O計；二是客戶端數(shù)據(jù)接收程序的設計。

1.2 B／S模式

B／S模式是方便用戶在 Web下發(fā)布數(shù)據(jù)。通常用戶端只需安裝一個瀏覽器，直接訪問虛擬儀器測試節(jié)點的網(wǎng)絡地址，就可監(jiān)視遠程測控節(jié)點的數(shù)據(jù)變化情況。它的主要工作在服務器端程序開發(fā)，不存在客戶端程序的開發(fā)和維護。

鑒于以上兩種模式各自的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)中采用兩種模式混用的方式，取長補短，以達到最佳的網(wǎng)絡應用效果。

2 網(wǎng)絡技術在虛擬儀器教學實驗系統(tǒng)中的應用

2.1 網(wǎng)絡化虛擬儀器教學實驗系統(tǒng)的特點

作為測試儀器設備和數(shù)據(jù)等資源的共享的平臺，該教學實驗系統(tǒng)應該具有如下的一些特點：教師或者學生可以方便的操作實驗室的各種虛擬儀器設備，進行各種實驗；服務器和各客戶端可同時進行測量，可以互相進行數(shù)據(jù)傳輸和通訊；測試環(huán)境友好，方便對被測量進行數(shù)據(jù)采集、分析、存儲及顯示等等；教師可以根據(jù)需要自行設計各種虛擬儀器；學生自由選擇實驗內(nèi)容，制定實驗方案。

2.2 系統(tǒng)硬件配置

在測試環(huán)境中，各個獨立的虛擬儀器測試節(jié)點及虛擬儀器遠程測試節(jié)點之間通過局域網(wǎng)互聯(lián)，虛擬儀器測試節(jié)點配置相應虛擬儀器設備及測試主機，而遠程測試節(jié)點僅僅配置測試主機，通過軟件可對網(wǎng)絡上的測試節(jié)點進行遠程監(jiān)視或測試，遠程測試節(jié)自由接入或退出測試網(wǎng)絡，提高了系統(tǒng)配置的靈活性，同時也方便了系統(tǒng)的擴展，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于網(wǎng)絡的虛擬儀器測試教學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)中的各虛擬儀器測試節(jié)點是以通用計算機為核心，具有虛擬面板，其測試功能由各節(jié)點測試軟件實現(xiàn)的計算機儀器系統(tǒng)。虛擬儀器測試節(jié)點的硬件包括計算機、數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊等。綜合考慮各種形式的性價比和系統(tǒng)的靈活性等因素，選擇PC－DAQ作為虛擬儀器測試節(jié)點的硬件最為合適，測試節(jié)點組成框圖如圖2所示。

圖2 虛擬儀器測試節(jié)點組成框圖

2.3 系統(tǒng)軟件設計

（1）測試監(jiān)視主機軟件模塊

與系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)相對應，系統(tǒng)測試監(jiān)視主模塊是系統(tǒng)監(jiān)視測試情況的中樞，連接和控制各虛擬儀器測試節(jié)點模塊，集中監(jiān)視各測試節(jié)點的測試狀態(tài)，在必要的情況下，啟動測試節(jié)點投入測試網(wǎng)絡，或者停止測試節(jié)點以退出測試網(wǎng)絡，監(jiān)視該測試局域網(wǎng)上所有的虛擬信號源、虛擬示波器和虛擬萬用表等模塊，可以遠程控制各虛擬儀器測試節(jié)點，給測試對象提供激勵信號。通過測試監(jiān)視主機，可以將某測試節(jié)點的測試數(shù)據(jù)實時傳送至多媒體系統(tǒng)，結(jié)合多媒體系統(tǒng)進行多媒體教學。測試監(jiān)視主機同時也可以作為遠程虛擬儀器測試節(jié)點，其軟件功能模塊組成示意圖如圖3所示。

圖3 測試監(jiān)視主機軟件模塊組成框圖

（2）虛擬儀器測試節(jié)點軟件模塊

虛擬儀器的核心思想是利用計算機的硬件和軟件資源，將硬件實現(xiàn)的功能軟件化（虛擬化），最大限度的降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)的功能，增加系統(tǒng)靈活性。VPP系統(tǒng)聯(lián)盟提出了系統(tǒng)框架、驅(qū)動程序、VISA、軟面板、部件知識庫等一系列VPP軟件標準，推動了軟件標準化的進程。虛擬儀器的軟件框架從底層到頂層包括三部分：VISA庫、儀器驅(qū)動程序、儀器開發(fā)軟件（應用程序）。

虛擬儀器測試節(jié)點軟件模塊實現(xiàn)對各種模擬量和開關量數(shù)據(jù)的采集和處理，網(wǎng)絡通信模塊承擔該測試節(jié)點與測試監(jiān)視主機或者遠程測試節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸與通信的任務，每個虛擬儀器測試節(jié)點模塊內(nèi)部都封裝了對應儀器的控制命令集、數(shù)據(jù)采集命令集、數(shù)據(jù)處理模型以及通信協(xié)議等處理子模塊。虛擬儀器本地測試節(jié)點軟件功能模塊組成如圖4所示。

圖4 虛擬儀器本地測試節(jié)點軟件模塊組成框圖

（3）虛擬儀器遠程測試節(jié)點軟件模塊

虛擬儀器遠程測試節(jié)點并沒有配置虛擬儀器設備，通過軟件的方法，該節(jié)點遠程控制局域網(wǎng)內(nèi)符合其功能要求的虛擬儀器測試節(jié)點，從而獲得需要的測試數(shù)據(jù)。

3 其他關鍵技術

實現(xiàn)該實驗系統(tǒng)的重點是軟件設計，包括以下兩個方面：

（1）測試網(wǎng)絡中測試監(jiān)視節(jié)點、虛擬儀器測試節(jié)點、虛擬儀器遠程測試節(jié)點這三種測試

角色之間的網(wǎng)絡通信處理模塊的實現(xiàn)，各測試節(jié)點之間數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上的傳輸形式；

（2）虛擬儀器測試節(jié)點中數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動實現(xiàn)，為了節(jié)約整個實驗系統(tǒng)開發(fā)的成本，一般采樣價格較低的國產(chǎn)普通板卡，能滿足各種傳感器的測試要求即可。

在LabVIEW中實現(xiàn)了對采集卡的驅(qū)動，就可以利用軟件對已獲得的測試數(shù)據(jù)進行各種處理和變換顯示最終結(jié)果，從而得到測試結(jié)果，配合網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理模塊，局域網(wǎng)內(nèi)的其他虛擬儀器測試節(jié)點或遠程虛擬儀器測試節(jié)點以及測試監(jiān)視主機通過網(wǎng)網(wǎng)絡便捷地獲取數(shù)據(jù)和其他相關測試信息。

4 結(jié) 論

構(gòu)建基于網(wǎng)絡的虛擬儀器測試教學系統(tǒng)，使得電子技術類相關課程的實驗配置更靈活，實驗資源得到更大程度的應用，便于拓展，節(jié)約資源，

同時也有利于學生更感性的認識和應用各種實驗設備，更好地理解和學習實驗中相關的傳感器的工作原理和特性及電子電路的知識。有利于綜合性、設計性實驗的開設，激發(fā)學生的實驗興趣和創(chuàng)新精神，提高電子實驗課程的效率。

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