基于LabVIEW的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪文蝶

摘要：為了滿足高校數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求，文章設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集對(duì)象，利用VISA驅(qū)動(dòng)以及SCPI命令實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的遠(yuǎn)程設(shè)置及數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)采用LabVIEW設(shè)計(jì)登錄和控制界面，并通過Socket通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的雙向通信。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程登錄管理、參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)采集。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集；LabVIEW；SCPI命令；Socket；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著遠(yuǎn)程教育和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)已成為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可或缺的組成部分。特別是在疫情期間，學(xué)生無法親臨實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行儀器操作。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)借助現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，通過遠(yuǎn)程操控儀器設(shè)備，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在時(shí)間和空間上的限制。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，四川師范大學(xué)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室在2022年新購置了一批具備網(wǎng)絡(luò)接口的儀器設(shè)備。這些設(shè)備不僅為學(xué)生提供了更為靈活的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，還為遠(yuǎn)程操作提供了有力的支持。因此，本文設(shè)計(jì)了一套基于Web的LabVIEW遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程操控以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取。

近年來，基于LabVIEW的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。董夢(mèng)嬌^[1]針對(duì)科研機(jī)構(gòu)在儀器控制和管理方面存在的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)儀器遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種儀器的遠(yuǎn)程控制和儀器的有序化管理。俞丙威等^[2]利用LabVIEW友好的人機(jī)交互性和強(qiáng)大的通信能力，開發(fā)了一款基于LabVIEW的示波器波形采集系統(tǒng)。王渝等^[3]設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的多通道液位監(jiān)控系統(tǒng)，以滿足液位監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)、多通道的需求。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，本研究設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了示波器和函數(shù)發(fā)生器的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集，學(xué)生可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室受時(shí)間和空間限制的問題。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)需求

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需求主要包括2個(gè)方面：一是用戶系統(tǒng)登錄功能，用戶根據(jù)已設(shè)定的用戶名和密碼登錄系統(tǒng)，并選擇需要控制的實(shí)驗(yàn)儀器；二是遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器功能，該功能需要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與實(shí)驗(yàn)儀器之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與實(shí)驗(yàn)儀器的雙向通信，即PC機(jī)能夠向?qū)嶒?yàn)儀器寫入相關(guān)命令并讀取實(shí)驗(yàn)儀器返回的信息。

1.2 方案設(shè)計(jì)

此次基于LabVIEW的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體方案如下：通過LAN連接示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和PC機(jī)，根據(jù)TCP/IP協(xié)議，通過Socket實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的雙向通信。系統(tǒng)搭建成功后，PC機(jī)通過Socket發(fā)送SCPI命令遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)設(shè)備接收命令并執(zhí)行相應(yīng)操作，并將操作結(jié)果通過Socket返回PC機(jī)，最終顯示在基于LabVIEW設(shè)計(jì)的客戶端界面上?；贚abVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1.3 用戶端總體設(shè)計(jì)方案

用戶端主要利用LabVIEW的用戶界面設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶界面的設(shè)計(jì)，利用SCPI命令實(shí)現(xiàn)用戶界面的相關(guān)功能。本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的用戶端主要包含3個(gè)部分：第一部分是系統(tǒng)用戶的登錄界面，登錄界面主要負(fù)責(zé)權(quán)限管理，當(dāng)用戶成功登錄后，系統(tǒng)進(jìn)入遠(yuǎn)程控制儀器的跳轉(zhuǎn)界面，繼續(xù)訪問后續(xù)的示波器控制界面和數(shù)字信號(hào)發(fā)生器控制界面；第二部分是儀器選擇界面，負(fù)責(zé)跳轉(zhuǎn)示波器遠(yuǎn)程控制界面和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器遠(yuǎn)程控制界面；第三個(gè)部分是控制界面，分別為MDO-2202EG示波器控制界面和MFG-2260 M函數(shù)信號(hào)發(fā)生器控制界面，控制界面用于實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與儀器設(shè)備之間的雙向通信，通過相關(guān)的儀器編程手冊(cè)所設(shè)定的SCPI命令對(duì)示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 用戶登錄與儀器選擇界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

用戶登錄界面主要由賬戶名輸入框、賬戶密碼輸入框和系統(tǒng)登錄按鈕組成，用戶輸入相對(duì)應(yīng)的用戶名和密碼后，點(diǎn)擊系統(tǒng)登錄按鈕切換到所需的操作界面。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的用戶登錄界面如圖2所示。

選擇遠(yuǎn)程控制的儀器界面主要由實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)到示波器遠(yuǎn)程控制界面的連接按鈕和實(shí)現(xiàn)跳轉(zhuǎn)到數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的遠(yuǎn)程控制界面的連接按鈕構(gòu)成。儀器遠(yuǎn)程控制跳轉(zhuǎn)界面主要通過用戶點(diǎn)擊界面上的按鈕觸發(fā)儀器遠(yuǎn)程控制界面跳轉(zhuǎn)的功能，然后根據(jù)用戶的具體請(qǐng)求，鏈接到相對(duì)應(yīng)的儀器遠(yuǎn)程控制界面，實(shí)現(xiàn)儀器遠(yuǎn)程控制界面的跳轉(zhuǎn)。遠(yuǎn)程控制儀器選擇界面如圖3所示。

2.2 遠(yuǎn)程控制界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程控制界面實(shí)現(xiàn)了與儀器面板按鍵類似的操作，比如：通道的選擇、頻率調(diào)制、幅值調(diào)制、儀器的本地控制和遠(yuǎn)程控制、相位調(diào)制以及占空比的選擇等。遠(yuǎn)程控制界面如圖4所示。

3 實(shí)現(xiàn)效果

3.1 儀器連接

在對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于LabVIEW遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，首先需要對(duì)系統(tǒng)與示波器、函數(shù)發(fā)生器的連接進(jìn)行驗(yàn)證，通過PC命令提示符來簡(jiǎn)單地驗(yàn)證PC與示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是否連接成功。驗(yàn)證連接成功以后，系統(tǒng)利用NIMAX的VISA測(cè)試面板輸入相對(duì)應(yīng)的儀器標(biāo)識(shí)查詢SCPI命令，對(duì)示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的Socket功能進(jìn)行驗(yàn)證。在確保Socket功能正常的情況下，進(jìn)行下一步的系統(tǒng)登錄功能驗(yàn)證以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能的驗(yàn)證。

3.2 遠(yuǎn)程控制界面功能驗(yàn)證

以示波器為例，在連接示波器與PC后，系統(tǒng)進(jìn)入示波器遠(yuǎn)程控制界面，選擇已經(jīng)在NIMAX配置好的示波器通信地址，點(diǎn)擊相應(yīng)的控制按鈕，使示波器做出響應(yīng)。如：在選擇通道時(shí)，用戶可以通過控制界面上的通道按鈕對(duì)示波器通道進(jìn)行“選擇”的控制；在對(duì)控制界面的耦合、探針比例、垂直范圍進(jìn)行設(shè)置后，示波器界面也會(huì)出現(xiàn)所設(shè)置的數(shù)據(jù)波形；當(dāng)按下控制界面的停止按鈕時(shí)，控制界面將停止采集示波器的波形。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字示波器和函數(shù)發(fā)生器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。首先，所提設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了用戶的登錄管理；然后，利用Socket建立多功能混合域示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器與PC的雙向通信；最后，采用編程手冊(cè)中相對(duì)應(yīng)的SCPI命令實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的基于LabVIEW、Socket的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)?shí)驗(yàn)室中的示波器進(jìn)行基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程操作，如：控制示波器的通道選擇，控制示波器的波形的垂直范圍、耦合等。此設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)為四川師范大學(xué)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了有力的支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]董夢(mèng)嬌.基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)室儀器遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.

[2]俞丙威，王宇霄，王飛，等.基于LabVIEW的示波器波形采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新，2023（20）：97-98.

[3]王渝，趙宇梵，張浩男.基于LabVIEW的多通道液位監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2024（3）：97-100.

（編輯 沈 強(qiáng)編輯）

Design of a remote laboratory data acquisition system based on LabVIEW

Wang? Wendie

（Sichuan Normal University， Chengdu 610000， China）

Abstract： In order to meet the needs of remote experimental teaching in digital circuit laboratories in universities， this article designs a remote experimental data acquisition system based on LabVIEW. The system utilizes Socket communication technology to establish the bidirectional communication between the system and the oscilloscope/function signal generator. The remote control of oscilloscope/function signal generator is achieved through the use of VISA drivers and SCPI commands. The proposed system allows users to remotely log in， manage， configure parameters， and collect data.

Key words： laboratory data acquisition; LabVIEW; SCPI commands; Socket; remote control