基于虛擬儀器的檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾貴苓　王蘋　段爭光

摘要：結(jié)合實(shí)際教學(xué)過程和實(shí)訓(xùn)條件，提出將虛擬儀器應(yīng)用于檢測技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，提出了虛擬儀器在檢測技術(shù)教學(xué)中的實(shí)施方案，并分別對(duì)系統(tǒng)涉及到的各個(gè)子模塊方案進(jìn)行探討，簡要列舉了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于LabVIEW軟件的實(shí)施過程，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的組網(wǎng)與遠(yuǎn)程發(fā)布。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器;LabVIEW;教學(xué)實(shí)驗(yàn);二次開發(fā)

中圖分類號(hào)：TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）02-0136-03

0 引言

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方式給實(shí)驗(yàn)者以真實(shí)的操作體驗(yàn)，但是這種單一的方式已不能滿足日益更新的教學(xué)要求。而虛擬儀器[1]具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，比如：開發(fā)容易、靈活高效、功能強(qiáng)大易擴(kuò)展、可操作性好等，是一款性價(jià)比非常高的新型設(shè)備，有著廣闊的應(yīng)用前景。但目前從國內(nèi)外現(xiàn)有的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2-3]來看，技術(shù)手段先進(jìn)模塊固化但成本高，對(duì)側(cè)重教學(xué)且經(jīng)費(fèi)短缺的普通職業(yè)院校來說專業(yè)性過強(qiáng)，不具有普遍適用性。本文針對(duì)檢測技術(shù)類常規(guī)教學(xué)環(huán)節(jié)中的實(shí)訓(xùn)，進(jìn)行了虛擬實(shí)驗(yàn)系的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)還增加了實(shí)驗(yàn)管理模塊和聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程發(fā)布模塊，提高實(shí)訓(xùn)管理的效率和共享的便捷。構(gòu)建虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室，利用軟件實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的二次開發(fā)[4]，大大挖掘了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的潛能，充分調(diào)動(dòng)利用實(shí)驗(yàn)資源，大大解決了當(dāng)今實(shí)驗(yàn)面臨的各種重大難題。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在功能上劃分為4個(gè)模塊[5]（如圖1所示）：一是仿真信號(hào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，二是真實(shí)信號(hào)實(shí)驗(yàn)?zāi)K，三是實(shí)驗(yàn)管理模塊;四是聯(lián)網(wǎng)及遠(yuǎn)程發(fā)布模塊。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由系統(tǒng)服務(wù)器、各類實(shí)驗(yàn)儀器平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)客戶端組成[6]。系統(tǒng)服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、實(shí)驗(yàn)資源的管理、共享以及控制等功能，是系統(tǒng)的核心;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主機(jī)和各類實(shí)驗(yàn)儀器平臺(tái)以及數(shù)據(jù)采集卡組成實(shí)際信號(hào)實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái);遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)客戶端安裝LabVIEW[7]軟件系統(tǒng)，聯(lián)網(wǎng)使用系統(tǒng)資源，單機(jī)可以開展仿真信號(hào)實(shí)驗(yàn)，也可以遠(yuǎn)程控制、讀取“實(shí)際信號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，開展遠(yuǎn)程實(shí)際信號(hào)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)通過局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)子模塊方案

3.1 仿真信號(hào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿真信號(hào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要內(nèi)容是由一個(gè)信號(hào)發(fā)生模塊生成仿真信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)信號(hào)描述及分析技術(shù)方面的8個(gè)典型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框圖程序以典型的“生產(chǎn)者/消費(fèi)者結(jié)構(gòu)”[8-9]為基礎(chǔ)，在“生產(chǎn)者”部分添加仿真信號(hào)的產(chǎn)生、分析以及處理等VI，在“消費(fèi)者”部分添加數(shù)據(jù)的記錄、存儲(chǔ)和顯示等VI。使用這樣的方式便于模塊化開發(fā)，也有利于提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

3.2 真實(shí)信號(hào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

真實(shí)信號(hào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，其流程架構(gòu)與仿真信號(hào)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本類似，其軟件程序框圖不再詳細(xì)敘述。

4 實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)

4.1 實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在教學(xué)工作中，實(shí)驗(yàn)室的管理和實(shí)驗(yàn)的管理是一項(xiàng)十分重要的工作，特別是對(duì)實(shí)驗(yàn)的管理顯得尤為重要，廣大教師耗費(fèi)大量時(shí)間精力，來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的環(huán)境的搭建、實(shí)驗(yàn)跟蹤指導(dǎo)、審閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告、統(tǒng)計(jì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績等等，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中也要花費(fèi)相當(dāng)時(shí)間來登記實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、繪制相關(guān)曲線圖、填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。因此本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)了的實(shí)驗(yàn)管理功能，如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)系統(tǒng)具有實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)功能、實(shí)驗(yàn)報(bào)告功能、實(shí)驗(yàn)管理功能及資源管理功能，對(duì)實(shí)驗(yàn)中等各類資源進(jìn)行信息化管理，并確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料的安全管控。

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)設(shè)方案

前述4個(gè)子系統(tǒng)特別是管理子系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要頻繁的存儲(chǔ)和訪問大量的數(shù)據(jù)。在虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)過程中，一般的做法是利用LabVIEW本身提供的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。然而，LabVIEW本身提供的存儲(chǔ)方法雖然不少，但其存儲(chǔ)容量比較有限，高職院校在校學(xué)生都在幾千以上，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)會(huì)生成大量的數(shù)據(jù)，這時(shí)就需要用到專業(yè)的數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，這也是基于模塊化設(shè)計(jì)的思想。利用LabSQL[10]，這是一款第三方開發(fā)數(shù)據(jù)庫工具包，是免費(fèi)的。也是一種基于ADO（ActiveX Data Object）技術(shù)的數(shù)據(jù)庫訪問方式，通過已經(jīng)封裝好的子Vl就可以方便的訪問數(shù)據(jù)庫，使用起來非常方便，效率也比較高。

5 聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程發(fā)布

5.1 網(wǎng)絡(luò)通信功能設(shè)計(jì)

LabVIEW軟件在網(wǎng)絡(luò)通信[10]方面，提供了十分豐富的網(wǎng)絡(luò)通信組件，它集成了TCP、UDP等各種常用的以及特殊的通信協(xié)議。本文主要采用TCP和DataSocket兩種技術(shù)。

（1）TCP通信。TCP協(xié)議通信一般采用Server（服務(wù)器）/Client（客戶機(jī)）的模式。圖4、圖5就是采用該模式進(jìn)行通信的。其工作流程是，數(shù)據(jù)客戶端先打開TCP連接，從指定的地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作;數(shù)據(jù)服務(wù)器端也打開TCP連接，并通過指定的端口（Port）向指定的地址發(fā)送指定的波形數(shù)據(jù)。

（2）DataSocket通信。DataSocket是LabVIEW專門提供的一種通信技術(shù)，為測量與控制提供通信支撐。DataSocket技術(shù)提供的工具包括：DataSocket Server、DataSocket ServerManager以及DataSocket函數(shù)庫等，為了進(jìn)一步規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸操作、統(tǒng)一操作流程，還提供了如下技術(shù)規(guī)范：以DSTP開頭的，統(tǒng)一資源的定位符URL（DSTP）以及文件格式。如圖6所示。

5.2 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

LabVIEW提供了一個(gè)已經(jīng)部署好的網(wǎng)頁服務(wù)器（即通常稱的WEB服務(wù)器，Web Server），且已連接好。該網(wǎng)頁服務(wù)器除了與常見的普通網(wǎng)頁服務(wù)器一樣可以發(fā)布WebPage（網(wǎng)頁文檔）外，一項(xiàng)特殊的功能就是可以方便地發(fā)布VI程序的前面板?？蛻舳思词箾]有安裝LabVIEW軟件或者LabVIEW運(yùn)行環(huán)境，也沒有連接任何的儀器設(shè)備，但是通過網(wǎng)絡(luò)連接運(yùn)行VI的主機(jī)上的WEB服務(wù)器，可以遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)地加載和運(yùn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)服務(wù)器主機(jī)上的VI程序[11]。

6 結(jié)語

將虛擬儀器引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)解決了實(shí)訓(xùn)設(shè)備短缺，維護(hù)困難等基本問題，同時(shí)可對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行二次開發(fā)，能實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能的擴(kuò)展、設(shè)備資源的共享等諸多優(yōu)勢。本文提出的實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)管理的落后問題，在技術(shù)和流程上確保了實(shí)驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、提交的及時(shí)性和管理的信息化，并完成了系統(tǒng)的組網(wǎng)與遠(yuǎn)程發(fā)布，無疑是對(duì)教學(xué)實(shí)訓(xùn)管理的一次革命。據(jù)文獻(xiàn)表明目前在中等初等教育的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中關(guān)于虛擬儀器的研究寥寥無幾，本研究可進(jìn)一步開發(fā)延伸到該領(lǐng)域。

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Design of detection technology based on virtual instrument

ZENG Gui-ling，WANG Ping，DUAN Zheng-guang

（Department of Electrical Engineering，Wuhu Institute of Technology，Anhui Wuhu? 241006）

Abstract：Combined with the actual teaching process and the actual training conditions， this paper puts forward the application of virtual instrument to the teaching experiment of detection technology， puts forward the implementation plan of virtual instrument in the teaching of detection technology， and probes into each sub-module scheme involved in the system. This paper briefly lists the implementation process of the experimental system based on LabVIEW software， designs the experimental management system， and completes the system network and remote distribution.

Key words：virtual instrument;LabVIEW;experimental teaching;remote publishing