基于LabVIEW和Keithley2400遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李光明　戴晴晴　黨小娟

摘 要： 為了實現(xiàn)對程控交流電源遠程控制、數(shù)據(jù)實時查看等功能，以Keithley2400為例，設(shè)計了一套基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺的程控交流電源遠程監(jiān)控和實時同步Web發(fā)布的系統(tǒng)。該設(shè)計方案通過VISA接口實現(xiàn)計算機與Keithley2400通信，完成對程控交流電源的參數(shù)設(shè)置和輸出控制；并且以云計算作為云服務(wù)器，打破了局域服務(wù)器Web發(fā)布的不足，也解決了重要設(shè)備無法移動的問題。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)界面友好且可擴展性強，可以在整個因特網(wǎng)上通過網(wǎng)頁建立Web請求，具有一定的實用性和推廣價值。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； Keithley2400； 云服務(wù)器； Web發(fā)布； 遠程監(jiān)控

中圖分類號： TN948.64?34； TP302.1 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0155?04

Abstract： In order to realize the functions of the remote control and data real?time checking of the programmable AC power supply， a set programmable AC power supply remote monitoring and real?time synchronization Web publishing system based on LabVIEW software development platform was designed by taking Keithley2400 as the example. The communication between the computer and Keithley2400 through VISA interface is realized with the design scheme to set the parameter and control the output of the programmable AC power supply. The cloud computing is taken as the cloud server to make up the insufficiency of the Web publishing of the local area server， and solve the problem that the important device can′t move. The test results show that the system has friendly interface and strong expansibility， can establish the Web request through the Web page on the whole Internet， and has a certain practicability and popularization value.

Keywords： LabVIEW； Keithley2400； cloud server； Web publishing； remote monitoring

0 引 言

隨著電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用日益普遍，各種智能儀器處處可見。其中可編程程控電源在智能測試系統(tǒng)中是至關(guān)重要的一部分[1?2]，它主要是把計算機當(dāng)成電源內(nèi)部的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)運算處理部件，通過上位機發(fā)出一些程控儀器標(biāo)準命令SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments），使電源系統(tǒng)按照預(yù)先編好的命令自動輸出電壓和電流，并使其穩(wěn)定在給定數(shù)值上的一種電源裝置[3?4]。且程控電源在電源行業(yè)發(fā)展中也是至關(guān)重要的一個部分，國內(nèi)外對程控電源使用也是很廣的[5?9]。但將Keithley2400電源與云技術(shù)、LabVIEW技術(shù)合理結(jié)合實現(xiàn)遠程監(jiān)控的研究不是很多。

目前，在計算機、網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)快速發(fā)展的大背景下，物物相連的互聯(lián)網(wǎng)通過各種信息傳感設(shè)備實時地監(jiān)控得到的數(shù)據(jù)、信息。此外，由于互聯(lián)網(wǎng)新興的相關(guān)服務(wù)具有數(shù)據(jù)存儲量大等特點，推動了云計算平臺的出現(xiàn)[10?11]。而在互聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域上，利用云計算平臺在廣域網(wǎng)上實時查看并共享采集到的數(shù)據(jù)，已經(jīng)漸漸地成為國內(nèi)外的熱點。雖然LabVIEW本身具有Web發(fā)布工具可以對外實現(xiàn)網(wǎng)頁發(fā)布功能，但其在訪問瀏覽器網(wǎng)頁時，存在廣域網(wǎng)上的不足。

因此本文提出一種基于LabVIEW軟件與Keithley2400電源相結(jié)合，并在云服務(wù)器上實現(xiàn)對外Web發(fā)布的系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了廣域網(wǎng)訪問受限且設(shè)備移動困難，最后再對此系統(tǒng)進行了測試。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計由Keithley2400電源作為下位機、LabVIEW上位機等部分構(gòu)成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作過程如下：將電腦與Keithley2400電源物理連接成功后，打開Keithley2400電源的開關(guān)，當(dāng)上位機程序與該電源中的串口參數(shù)設(shè)置一致時，然后通過發(fā)送程控儀器標(biāo)準命令至上位機，來與下位機進行通信并可以控制下位機做出相應(yīng)的動作。

系統(tǒng)設(shè)計采用了云計算技術(shù)，它是以互聯(lián)網(wǎng)為載體，利用虛擬化等手段整合大規(guī)模分布式可配置的網(wǎng)絡(luò)、計算、數(shù)據(jù)等計算資源，使其以服務(wù)的方式提供給用戶，并滿足用戶按需使用的計算模式[12?13]。其主要特色是用戶不必關(guān)心云平臺底層的實現(xiàn)，只需按照實際需求進行訪問，同時共享資源[14]。本文主要是通過云計算的一個應(yīng)用：云服務(wù)，來實現(xiàn)系統(tǒng)的廣域網(wǎng)通信。即將云計算作為服務(wù)器，把云服務(wù)器設(shè)置為共享本地資源，再將Keithley2400電源與本地電腦連接。然后再把LabVIEW程序復(fù)制到云服務(wù)器上，使用前面板VI通過Web發(fā)布共享在整個廣域網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)通信暢通的條件下，可以隨時隨地在客戶端的IE瀏覽器上查看和遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件介紹

本文主要使用的硬件就是Keithley2400數(shù)字源表、KUSB?488A型USB?GPIB接口適配器。

2.1 Keithley2400數(shù)字源表

Keithley的Source Meter（數(shù)字源表）2400是為了符合緊密結(jié)合激勵源、測量功能和精密電壓源的要求，且符合電流、電壓同時測量而設(shè)計的?？梢酝ㄟ^閱讀Keithley2400數(shù)字源用戶使用手冊熟悉基本前面板和遠程操作[15]。其中主要的操作包括基本的電源操作、設(shè)置優(yōu)化性能、特性DUT測試等。遠程操作相關(guān)的SCPI命令都總結(jié)在該手冊中，可以隨時查詢。

本測試系統(tǒng)主要使用的是Keithley2400的遠程命令編程，實現(xiàn)上位機對Keithley2400遠程控制。

2.2 USB?GPIB接口適配器

本系統(tǒng)中上位機與程控電源的物理連接是選用National Instruments（NI）公司提供的KUSB?488A接口卡[16?17]。該接口適配器是通過USB接口利用以全功能、即插即用的IEEE?488.1接口控制器，可將任意一臺電腦與其他可編程GPIB儀器進行通信。該接口是適配器能兼容IEEE?488.1和IEEE?488.2標(biāo)準且傳輸數(shù)據(jù)的速率高達1.8 MB/s，其適用的系統(tǒng)平臺可以是Windows，Linux等，可很方便地通過LabVIEW 進行編程控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件平臺

本系統(tǒng)采用美國NI公司的LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），其是一種圖形化編程語言的高效開發(fā)環(huán)境，其主要應(yīng)用于測試、測量和自動化控制等[18]。另外，在LabVIEW開發(fā)平臺上，對于儀器控制，其核心在于VISA函數(shù)庫。NI?VISA（Virtual Instruments Software Architecture）是美國NI公司開發(fā)的一種高級應(yīng)用編程接口，是用來與各種儀器總線互相進行通信。VISA提供的函數(shù)使用方便，用戶可以從函數(shù)面板上調(diào)用VISA庫函數(shù)，再根據(jù)不同儀器配置不同的儀器參數(shù)，再編寫各種儀器驅(qū)動程序來控制各種I/O接口儀器[19?20]。然后上位機也可以使用VISA協(xié)議向串口寫數(shù)據(jù)和指令，控制程控電源進行各種測量工作。

由于VISA與儀器的通信需使用特定的儀器驅(qū)動程序，因此，為了實現(xiàn)VISA與儀器通信，首先需安裝NI?VISA驅(qū)動，該驅(qū)動可以通過NI官網(wǎng)進行下載。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計及實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的要求，本文設(shè)計的LabVIEW前面板，其中有串口選擇下拉框，設(shè)置串口參數(shù)框圖，電源設(shè)置、電壓設(shè)置、電流設(shè)置及電阻設(shè)置，開始測量按鍵，數(shù)據(jù)測量過程狀態(tài)指示燈，設(shè)置停止按鍵用于整個程序的終止。上位機主程序編程面板結(jié)構(gòu)的設(shè)計，采用模塊化方式，主要分為以下五個部分，包括程控電源初始化模塊，電壓、電流、電阻測量配置，輸出設(shè)置，讀取電壓、電流、電阻參數(shù)，關(guān)閉電源。為了實現(xiàn)以上模塊，程序設(shè)計中用到了順序結(jié)構(gòu)+While循環(huán)+條件結(jié)構(gòu)。

LabVIEW程序具體實現(xiàn)步驟如下：

（1） 順序結(jié)構(gòu)第一幀。程控電源初始化模塊：使用Initialize.vi子VI對儀器進行初始化配置，主要是建立和儀器的通信，并能執(zhí)行儀器標(biāo)識查詢。一般，在訪問儀器編程應(yīng)用的開始，都需要此初始化VI。其中有配置串口，VISA資源名稱下拉框可以選擇所使用的儀器對應(yīng)接口名。串口配置項包括波特率、流控、數(shù)據(jù)比特、奇偶校驗、停止位。

（2） 順序結(jié)構(gòu)第二幀。While循環(huán)嵌套條件結(jié)構(gòu)，當(dāng)條件結(jié)構(gòu)中布爾量為真，執(zhí)行以下模塊：電源各參數(shù)測量配置模塊、輸出配置模塊和讀取電源各參數(shù)模塊。同時前面板創(chuàng)建的開始測量狀態(tài)指示燈通過屬性節(jié)點閃爍項寫入真常量閃爍，即程序開始運行后，當(dāng)按下開始測量按鍵時LED燈為閃爍狀態(tài)。條件結(jié)構(gòu)中布爾量為假時，前面板創(chuàng)建的開始測量狀態(tài)指示燈通過屬性節(jié)點閃爍項寫入假常量熄滅，程序如圖2所示。

電源各參數(shù)測量配置模塊：其中使用3個configure Measurement.vi配置了電壓、電流和電阻測量。

輸出配置模塊：首先使用configure Output.vi配置電源輸出模式是電流或電壓、期望輸出水平、設(shè)置最大值。其次使用Enable Output.vi使能電源輸出。即測量時，當(dāng)布爾量賦值為真，電源才分配電壓或電流給被測器件。

讀取模塊：使用Read（Single Point）.vi可以從儀器中讀取并返回一個信號測量。注意，在使用該子VI時，將會立即設(shè)置單點覆蓋所有觸發(fā)設(shè)置。為了觸發(fā)控制，可以使用底層的應(yīng)用程序。

（3） 順序結(jié)構(gòu)第三幀。為了增加系統(tǒng)性能的可靠性以及合理利用資源，因此在順序結(jié)構(gòu)第二幀程序執(zhí)行后，必須對串口進行關(guān)閉來釋放資源提高系統(tǒng)效率。即首先使用Enable Output.vi，并給布爾量賦值為假。再使用close.vi來結(jié)束該程序。

4 云發(fā)布及系統(tǒng)測試

4.1 云發(fā)布

在云服務(wù)器上，利用LabVIEW的Web技術(shù)發(fā)布程序前面板界面或HTML文件供本地、遠程計算機瀏覽、監(jiān)控數(shù)據(jù)，首先需要通過設(shè)置遠程連接到云服務(wù)，其次再配置LabVIEW的Web服務(wù)器，然后再Web發(fā)布，則實現(xiàn)遠程控制的具體流程如下：

（1） 遠程連接云服務(wù)器設(shè)置。首先啟動遠程桌面，在計算機空格里輸入云服務(wù)器名或是它的IP地址。然后再把用戶名和密碼輸入，點擊連接。進入云服務(wù)器后，需關(guān)閉云服務(wù)器高級安全Windows防火墻的域配置文件和公用配置文件。

（2） Web服務(wù)器的配置。在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下，首先打開需要發(fā)布的程序，然后配置Web服務(wù)器參數(shù)。其中Web服務(wù)本地調(diào)試HTTP端口默認為80，在啟動遠程前面板服務(wù)器HTTP端口7889前打鉤，即表示啟動打開。端口號參數(shù)是根據(jù)所使用的云服務(wù)器的相應(yīng)開發(fā)端口修改。

（3） 應(yīng)用程序Web發(fā)布。在云服務(wù)器上，打開該程序，啟動LabVIEW Web服務(wù)器，先在查看模式選擇內(nèi)嵌，可以讓用戶通過客戶端打開IE瀏覽器遠程監(jiān)控前面板，進而監(jiān)控程控電源；再設(shè)置網(wǎng)頁上輸出的文檔標(biāo)題、頁眉、頁腳；然后設(shè)置保存網(wǎng)頁的本地目錄和文件名，生成（URL）并保存至磁盤，自動生成的URL格式為：http：//計算機名：端口號/VI名.html。

（4） 應(yīng)用程序遠程訪問。實現(xiàn)了VI程序的Web發(fā)布后，可以把URL格式變?yōu)椋篐TTP：//云服務(wù)器地址：服務(wù)器Web發(fā)布使用的HTPP端口號/VI名.html。

Web發(fā)布成功后進行測試分析，其結(jié)果如圖3所示。

4.2 測試結(jié)果分析

本系統(tǒng)測試是在程控電源空載的情況下測得數(shù)據(jù)，如圖3（a）所示。圖3（b）是在客服端，通過打開相應(yīng)的URL，進入遠程監(jiān)控界面。右擊“請求VI控制權(quán)”，獲得權(quán)限控制面板程序，根據(jù)實際選擇串口后點擊運行程序，并按開始測量按鈕，即可訪問并控制連接硬件設(shè)備的本地電腦的測量數(shù)據(jù)。通過系統(tǒng)測試，可以在網(wǎng)絡(luò)連通的任一個電腦IE瀏覽器中輸入相應(yīng)的URL都可以建立Web請求。

5 結(jié) 語

本文將LabVIEW軟件、Keithley2400電源和云服務(wù)器平臺相結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了一個既可以遠程控制，也可以讓公眾在沒有硬件設(shè)備的情況下通過互聯(lián)網(wǎng)了解和查看測量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。而且，通過按下開始測量后，打開遠程控制，界面顯示測試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還可以根據(jù)用戶所需增加相應(yīng)的遠程控制動作。最后，再使用云技術(shù)的可伸縮的空間來進行數(shù)據(jù)存儲和處理。本系統(tǒng)通過IE瀏覽器遠程訪問的VI前面板，實現(xiàn)客戶端遠程訪問本地VI，充分解決了客戶端沒有硬件設(shè)備的難題。也為一些復(fù)雜的遠程監(jiān)控系統(tǒng)提供了一種簡單思想。同時，該系統(tǒng)不僅擴展性好，且可以在其基礎(chǔ)上適當(dāng)增加新的功能或移植到其他的移動設(shè)備上實時查看。

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