1、 *畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué) 院（系）： 專 業(yè)： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 評(píng) 閱 教 師： 完 成 日 期： *學(xué)院摘 要實(shí)驗(yàn)在普通高等教育中占有非常重要的地位，它是對(duì)學(xué)生進(jìn)行素質(zhì)教育的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。虛擬實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)必要的有益補(bǔ)充，既能節(jié)約大量的教育經(jīng)費(fèi)，也使實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上得到有效的延伸。它在教育、科研等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新的發(fā)展方向，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)課題之一。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。將虛擬儀器技術(shù)推向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，更能發(fā)揮

2、其“軟件就是儀器”的優(yōu)勢(shì)，更有助于形成分布式的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和儀器的遠(yuǎn)程共享，從而為實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及遠(yuǎn)程測(cè)控服務(wù)。本課題以美國(guó)NI公司的LabVIEW 8.2為軟件開發(fā)平臺(tái)，以虛擬測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，建立實(shí)驗(yàn)室用戶登陸系統(tǒng)VI，并嵌入一些虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的子VI，進(jìn)而建立相對(duì)簡(jiǎn)單的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文首先介紹課題的研究背景，縱觀了該課題在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并指出了研究的意義；然后介紹了本課題的研究對(duì)象虛擬儀器，闡述了它的定義、組成、功能、特點(diǎn)及發(fā)展前景；接著介紹了虛擬儀器的開發(fā)環(huán)境LabVIEW軟件，總結(jié)了LabVIEW軟件的特點(diǎn)，簡(jiǎn)單地介紹了它的操作工具，重點(diǎn)針對(duì)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)

3、平臺(tái)，從模塊建立、功能介紹、程序說(shuō)明、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等方面作了詳細(xì)的闡述；最后是本文的結(jié)論，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)并對(duì)將來(lái)作了展望。關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；登陸模塊；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)測(cè)試Networked Virtual Instrument Test and Measurement SystemBased on LabVIEWAbstractExperiment teaching has been playing an increasingly important role in high education. It's a key measure to improve the stu

4、dents' ability. Virtual Laboratory appears with the devel- opment of computer technique and Virtual Instrument technique. As an essential and benefic- ial supplement to the traditional experiment, virtual experiments not only save a lot of educat- ion funds, but also extend the experiments in ti

5、me and space effectively. It has the vast applie- d foreground in the education and research realm. Virtual Laboratory is a new development direction of the experiment teaching as well as an active research topic recently. Therefore, the development of the virtual laboratory of network is very neces

6、sary. Virtual Instrument Technology being applied to network construction can develop its preponderance-“The Soft ware is the Instrument” and help to form distributed network measuring system to accomplish data and instruments sharing for experiment teaching & learning or distant test control.Th

7、is subject regards LabVIEW 8.2 of U.S.A. NI Company as the engineering workbench of software, is based on mathematics model of the network testing system, to set up sub VI of virtual laboratory user login system, and embed some virtual instruments Sub VI, and then design the motor experiment that th

8、e series can be applied to simple Virtual Laboratory system. This thesis introduces the research background of the subject at first, make a general survey of this research current situation at home and abroad, and has pointed out the significance of research; Then introduced the research object virt

9、ual instrument, has explained its definition, composition, function, characteristic and development prospect; Then has introduced the development environment of the virtual instrument LabVIEW software, has summarized the characteristic of LabVIEW software, has introduced its operation tool briefly,

10、Then direct against the experiment designed especially Network Virtual Laboratory System, have done detailed exposition from the respects , such as model setting up, function introduction, procedure proving, experimental result, etc. It is a conclusion of this thesis finally, to designing and summar

11、ized and looked forward to future entirely.Keywords: Virtual Instrument; LabVIEW; Loading Module; System Design; Network Test目 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 課題背景11.1.1 虛擬儀器在國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用情況11.1.2 虛擬儀器在國(guó)外高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀21.2 研究意義32 虛擬儀器技術(shù)42.1 虛擬儀器概述42.1.1 虛擬儀器技術(shù)的由來(lái)42.1.2 虛擬儀器技術(shù)的定義42.2 虛擬儀器的組成52.2.1 虛擬儀器硬件平臺(tái)52.2.2

12、虛擬儀器軟件系統(tǒng)52.3 虛擬儀器的功能及特點(diǎn)62.3.1 虛擬儀器的功能62.3.2 虛擬儀器的特點(diǎn)62.4 虛擬儀器的應(yīng)用前景73 LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)83.1 概述83.2 LabVIEW軟件的特點(diǎn)83.3 LabVIEW應(yīng)用程序的構(gòu)成93.3.1 前面板介紹93.3.2 流程圖介紹10 圖標(biāo)/連接器簡(jiǎn)介103.4 LabVIEW的操作選板11 工具選板簡(jiǎn)介11 控件選板簡(jiǎn)介11 函數(shù)選板簡(jiǎn)介123.5 LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器的方法134 基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)154.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念及特點(diǎn)154.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)15 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案1

13、5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)16 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)16 系統(tǒng)用戶認(rèn)證模塊的實(shí)現(xiàn)17 系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介25結(jié) 論27參 考 文 獻(xiàn)28致 謝291 緒論1.1 課題背景實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在大學(xué)理工科教育中占有非常重要的地位，是提高學(xué)生動(dòng)手能力、培養(yǎng)創(chuàng)造能力和綜合素質(zhì)的一個(gè)重要的手段，很多學(xué)科都是以實(shí)驗(yàn)課程為基礎(chǔ)，缺少了實(shí)驗(yàn)課程的支持，工科學(xué)科的教學(xué)和科研活動(dòng)就無(wú)法進(jìn)行。學(xué)生只有通過(guò)足夠的動(dòng)手驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)型和綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)才能加深理解和掌握所學(xué)的理論知識(shí)和應(yīng)用技術(shù)，也只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)，才能將理論與實(shí)踐很好地結(jié)合起來(lái)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室是資源高度密集的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具有實(shí)驗(yàn)設(shè)備資金投入量大、實(shí)驗(yàn)體系的完善和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施所需人

14、力物力投入量大的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室常規(guī)設(shè)備有的己經(jīng)老化，有的技術(shù)上有些落后，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)緊缺的情況下，如果大量購(gòu)置常規(guī)儀器儀表，學(xué)校財(cái)力難以支付。又由于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室是面向所有的工科專業(yè)，任務(wù)異常繁重，實(shí)驗(yàn)室常常只能應(yīng)付學(xué)生按教學(xué)大綱的要求做一些最簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)去反復(fù)熟悉常用儀器儀表的使用，更少有機(jī)會(huì)去做設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。這對(duì)調(diào)度學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，加強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手能力都十分不利。本課題是針對(duì)目前高校中的實(shí)驗(yàn)資源緊張這一現(xiàn)實(shí)狀況，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)智能化的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。本虛擬實(shí)驗(yàn)室能實(shí)現(xiàn)從輔助教學(xué)、實(shí)驗(yàn)管理來(lái)完成本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本內(nèi)容，具有開放、安全、經(jīng)濟(jì)、更新快等優(yōu)

15、點(diǎn)，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和手段得到突破與創(chuàng)新。 虛擬儀器在國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用情況目前，隨著招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)普通高等院校實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往比較陳舊，不能及時(shí)更新，從而跟不上教育的飛速發(fā)展。目前高等工科院校仍沿用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)設(shè)備依附與理論課程進(jìn)行劃分，各實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容沒(méi)有形成一個(gè)有機(jī)的整體，缺乏系統(tǒng)的觀念。實(shí)驗(yàn)設(shè)備重復(fù)建設(shè)，沉積較多。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容側(cè)重于理論的驗(yàn)證和模仿訓(xùn)練，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)和綜合能力的提高。滯后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和死板的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)處于應(yīng)試教育。而虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)則主要依賴于軟件和較少的配套硬件，使實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)費(fèi)用和工作量也大大降

16、低。LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的杰出代表，可以利用Internet進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了資源共享，避免了儀器重復(fù)添置和資源浪費(fèi)，滿足了用戶不再受時(shí)間、地點(diǎn)限制進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)合作，提高了用戶的學(xué)習(xí)效果。目前國(guó)內(nèi)已有部分高校的個(gè)別實(shí)驗(yàn)室裝備了虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái),但都或多或少地存在著通用性較差，靈活性不強(qiáng)、交互性差的問(wèn)題。其中比較出色、比較有代表性的是清華大學(xué)虛擬儀器電工教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。清華大學(xué)電機(jī)系將虛擬儀器用于對(duì)傳統(tǒng)電工教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改造和更新,已開發(fā)出若干個(gè)基于虛擬儀器環(huán)境的電工實(shí)驗(yàn)。在這些新開實(shí)驗(yàn)中,被測(cè)對(duì)象是實(shí)際的電路或系統(tǒng)。另外，國(guó)內(nèi)許多大學(xué)和研究所都已經(jīng)開始研制和提供遠(yuǎn)程仿真

17、實(shí)驗(yàn)。例如，北京大學(xué)計(jì)算機(jī)系所設(shè)計(jì)的基于萬(wàn)維網(wǎng)的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室3WNVLAB就是一種支持較大計(jì)算量和交互式的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的通用基本框架。它是一個(gè)基于瀏覽器和Web服務(wù)器的虛擬實(shí)驗(yàn)室。在該系統(tǒng)中，用戶平臺(tái)采用JAVA編寫，用戶可通過(guò)界面選擇實(shí)驗(yàn)種類，并將用戶的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)Internet傳送到服務(wù)器端。服務(wù)器端是虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心，用來(lái)完成客戶端要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并將可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回客戶端。客戶收到實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，可評(píng)價(jià)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，從而對(duì)自己的能力進(jìn)行判斷。北京郵電大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院的網(wǎng)絡(luò)課程中就包括了虛擬物理實(shí)驗(yàn)、虛擬電子電路實(shí)驗(yàn)等。這些實(shí)驗(yàn)是用Flash和HTML等技術(shù)建設(shè)的，因此可以在網(wǎng)絡(luò)上

18、傳播，算是構(gòu)建真實(shí)感很強(qiáng)的、具有良好交互性的虛擬實(shí)驗(yàn)室。 虛擬儀器在國(guó)外高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀國(guó)外許多大學(xué)己經(jīng)建立起各種各樣的虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，研究也趨向成熟。新加坡國(guó)立大學(xué)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站就是采用這種結(jié)構(gòu)的典型例子。他們己經(jīng)開發(fā)了六個(gè)基于Web的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，如“帶禍合的水槽設(shè)備控制實(shí)驗(yàn)”，不僅能夠使學(xué)生應(yīng)用各種控制方法完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，而且為研究人員測(cè)試控制算法提供了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)使用Microsoft Net meeting，實(shí)驗(yàn)室還提供了視頻會(huì)話系統(tǒng)，使用者可以一邊調(diào)整參數(shù)一邊觀看實(shí)驗(yàn)的真實(shí)運(yùn)行過(guò)程。而美國(guó)Tennessee at Chattanooga大學(xué)的Jim Henry設(shè)計(jì)的網(wǎng)

19、上工程實(shí)驗(yàn)室則提供了一系列遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，如壓力控制、液面控制、溫度控制、速度控制實(shí)驗(yàn)等。這個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由一臺(tái)Web服務(wù)器和五臺(tái)客戶機(jī)構(gòu)成的。每臺(tái)客戶機(jī)上都運(yùn)行用LabVIEW編寫的軟件，并與一套實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備相連。當(dāng)通過(guò)Internet訪問(wèn)Web服務(wù)器時(shí)，首先用戶需要選擇控制參數(shù)，然后Web服務(wù)器把這些參數(shù)寫入文件傳送給相應(yīng)的客戶機(jī)。客戶機(jī)收到這些參數(shù)后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡來(lái)控制相連的實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn)，并把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)返回給Web服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)這些數(shù)據(jù)生成實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖反饋給用戶。另外，澳大利亞RMIT大學(xué)的John Ball和Kate Patrick設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)用于進(jìn)行熱傳遞過(guò)程的教學(xué)，可以幫

20、助學(xué)生快速地掌握這個(gè)抽象的概念。這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)觀察解釋的教學(xué)方法，一方面可以讓學(xué)生以實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)描述和測(cè)試他們自己對(duì)熱傳遞的期望，另一方面也可以讓老師更清楚地了解到學(xué)生面臨的困難。這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)使用了多種人機(jī)交互手段，為學(xué)生提供了一個(gè)易于使用的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。縱觀國(guó)內(nèi)國(guó)外，虛擬儀器在電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)上的應(yīng)用還不是很廣泛、深入，希望本文能為高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究做出些許的貢獻(xiàn)。1.2 研究意義傳統(tǒng)儀器下的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，嚴(yán)重滯后于信息時(shí)代和工程實(shí)際的需要。其根本原因在于實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容依附于課程設(shè)立，基本處于割裂狀態(tài)，儀器設(shè)備不可能實(shí)現(xiàn)資源共享。特別需要一些測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)性好的人機(jī)界面，虛擬儀器正可以

21、實(shí)現(xiàn)這些要求。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 性能高 虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，所以完全“繼承”了以現(xiàn)成即用的PC技術(shù)為主導(dǎo)的最新商業(yè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使數(shù)據(jù)高速導(dǎo)入磁盤的同時(shí)就能實(shí)時(shí)地進(jìn)行復(fù)雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來(lái)越快的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使得虛擬儀器技術(shù)展現(xiàn)其更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。(2) 擴(kuò)展性強(qiáng)這些軟硬件工具使得工程師和科學(xué)家們不再受限于當(dāng)前的技術(shù)中。得益于軟件的靈活性，只需更新計(jì)算機(jī)或測(cè)量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無(wú)需軟件上的升級(jí)即可改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)。(3) 開發(fā)時(shí)間少在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，NI高效的軟件構(gòu)架能與計(jì)算機(jī)

22、、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起。設(shè)計(jì)這一軟件構(gòu)架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時(shí)還提供了靈活性和強(qiáng)大的功能，使用戶輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護(hù)和修改高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。 (4) 除了以上幾點(diǎn)之外，虛擬儀器研制周期較傳統(tǒng)儀器大為縮短，且成本低廉；具有開放性和靈活性，可與計(jì)算機(jī)同步發(fā)展，與網(wǎng)絡(luò)及其它周邊設(shè)備互聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)。本文就LabVIEW在網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方面的應(yīng)用設(shè)計(jì)做初步的探討，希望其中成功的經(jīng)驗(yàn)、失敗的教訓(xùn)對(duì)于應(yīng)用此軟件的讀者來(lái)說(shuō)能夠有所幫助。2 虛擬儀器技術(shù)2.1 虛擬儀器概述儀器技術(shù)發(fā)展至今，經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器以及單臺(tái)儀器、層疊式儀器系統(tǒng)階段

23、，從20世紀(jì)80年代進(jìn)入虛擬儀器系統(tǒng)時(shí)代。 虛擬儀器技術(shù)的由來(lái)電子技術(shù)的飛速發(fā)展及其在各方面的廣泛應(yīng)用，對(duì)儀器的“智能”要求越來(lái)越高，儀器中微機(jī)的任務(wù)不斷加重，儀器在很多方面逐漸向微計(jì)算機(jī)靠攏。因此，需要統(tǒng)籌地考慮儀器與計(jì)算機(jī)之間的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在這種背景下，1982年出現(xiàn)了一種新型的、與PC機(jī)配合使用的模塊式儀器，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也從傳統(tǒng)的機(jī)架層疊式結(jié)構(gòu)發(fā)展成為模塊式結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)儀器不同的是，模塊式儀器本身不帶儀器面板，因此必須借助于PC機(jī)的強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立圖形化的“虛擬的”儀器面板，完成對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)分析與顯示。這種與PC機(jī)結(jié)合構(gòu)成的，包含實(shí)際儀器使用與操作信息軟件的儀器

24、，稱為“虛擬儀器”。1986年10月，美國(guó)NI公司推出了圖形化虛擬儀器專用開發(fā)平臺(tái)LabVIEW，它采用獨(dú)特的圖形化編程方式，編程過(guò)程簡(jiǎn)單方便，是目前最受歡迎的虛擬儀器主流開發(fā)平臺(tái)。在軟件上，為了兼顧其他高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)者的習(xí)慣，NI還推出了LabWindows /CVI等交互式開發(fā)平臺(tái)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，NI公司從正式發(fā)布LabVIEW 1.0到目前的LabVIEW 8.2，幾乎不到兩年就推出一個(gè)新版本，可見(jiàn)虛擬儀器技術(shù)進(jìn)步的迅速。從虛擬儀器概念提出至今，有關(guān)虛擬儀器技術(shù)的研究方興未艾。研究人員在虛擬儀器硬件接口、虛擬儀器軟件及其設(shè)計(jì)方法等方面做了許多有意義的研究工作，并已開發(fā)了許多實(shí)用的虛擬儀器

25、系統(tǒng)。典型的虛擬儀器模式可以理解為，除了信號(hào)的輸入和輸出以外，儀器的其他操作，如測(cè)量、控制、變換、分析、顯示等功能均由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，它們依據(jù)某種通用或?qū)Ｓ每偩€標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)約，或以某種接口形式，與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度和管理的一種數(shù)字化儀器。2.1.2 虛擬儀器技術(shù)的定義所謂虛擬儀器（Virtual Instrument），是指在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板，其儀器的大部分測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。儀器的面板由顯示在計(jì)算機(jī)上的軟面板來(lái)代替，信號(hào)的獲取和信號(hào)的分析、處理、存儲(chǔ)及打印等功能完全由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。其實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來(lái)

26、模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果；利用計(jì)算機(jī)的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理；利用I/O接口通信設(shè)備完成信號(hào)的采集與傳輸，最終完成各種測(cè)試功能。2.2 虛擬儀器的組成虛擬儀器一般由通用儀器硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件兩大部分組成。2.2.1 虛擬儀器硬件平臺(tái) 虛擬儀器的硬件一般包括計(jì)算機(jī)和外圍硬件設(shè)備。PC 機(jī)可以選擇各種類型的通用計(jì)算機(jī)，它是硬件平臺(tái)的核心。虛擬儀器使用的個(gè)人計(jì)算機(jī)中，微處理器和總線成為最重要的因素。它主要用來(lái)提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理和顯示功能。而外圍硬件設(shè)備則主要包括各種計(jì)算機(jī)內(nèi)置儀器插卡和外置測(cè)試儀器設(shè)備。通過(guò)友好的圖形界面操作，自己定義、自己設(shè)計(jì)，從而完成

27、對(duì)被測(cè)試量的采集、分析和顯示等功能。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集卡系統(tǒng)、GPIB 儀器控制系統(tǒng)、VXI 儀器系統(tǒng)以及這三者之間的任意組合。主要完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)/模轉(zhuǎn)換和信號(hào)輸出控制等。可根據(jù)不同的總線情況采用不同的I/O接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、串口儀器等，虛擬儀器構(gòu)成方式有五種類型， 無(wú)論上述哪種VI系統(tǒng)，都是通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合。其中，PC-DAQ測(cè)量系統(tǒng)是構(gòu)成VI的最基本的方式，也是最廉價(jià)的方式。 虛擬儀器軟件系統(tǒng)虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成，即應(yīng)用程序和I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。(1) 應(yīng)

28、用程序： 實(shí)現(xiàn)虛擬面板功能的前面板的軟件程序； 定義儀器測(cè)試功能的流程圖軟件程序。(2) I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序：這類程序用來(lái)完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)與通信。輸入/輸出(I/O)接口軟件存在于儀器(即I/O接口設(shè)備)與儀器驅(qū)動(dòng)程序之間，是一個(gè)完成對(duì)儀器內(nèi)部寄存器單元進(jìn)行直接存取數(shù)據(jù)操作，對(duì)VXI背板總線與器件作測(cè)試和控制，并為儀器與儀器驅(qū)動(dòng)程序提供信息傳遞的底層軟件層，是實(shí)現(xiàn)開放的、統(tǒng)一的虛擬儀器系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心。儀器驅(qū)動(dòng)程序是連接上層應(yīng)用軟件與底層輸入/輸出(I/O)軟件的紐帶和橋梁。這些軟件開發(fā)工具為用戶設(shè)計(jì)虛擬儀器應(yīng)用軟件提供了更多方便條件與良好的開發(fā)環(huán)境。本文采用的是NI公司的

29、圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW 8.2。 2.3 虛擬儀器的功能及特點(diǎn)2.3.1 虛擬儀器的功能虛擬儀器利用個(gè)人計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立虛擬儀器面板，完成對(duì)儀器的控制，數(shù)據(jù)分析與顯示。目前虛擬儀器廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、電力工程、礦質(zhì)勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。虛擬儀器的基本功能有以下三點(diǎn)：(1) 信號(hào)調(diào)理與采集功能此項(xiàng)功能主要是由虛擬儀器的硬件平臺(tái)完成的。儀器硬件可以是插入式數(shù)據(jù)采集卡及必要的外圍電路，或者是帶標(biāo)準(zhǔn)總線接口的儀器，如GPIB,VXI,PXI,STD,PCI總線儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器等。(2) 數(shù)據(jù)分析與處理功能虛擬儀器充分利用了計(jì)

30、算機(jī)的高速存儲(chǔ)功能、運(yùn)算功能，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的分析處理，如數(shù)字濾波、統(tǒng)計(jì)處理、數(shù)值計(jì)算、信號(hào)分析、數(shù)據(jù)壓縮、模式識(shí)別等數(shù)字信號(hào)處理。(3) 參數(shù)設(shè)置和結(jié)果表達(dá)功能虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)的人機(jī)對(duì)話功能，完成儀器的各種工作參數(shù)的設(shè)置，如功能、頻段、量程等參數(shù)的設(shè)置，對(duì)測(cè)量結(jié)果的表達(dá)與輸出有多種方式，如屏幕顯示，電、磁、光存儲(chǔ)，繪圖打印，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取?.3.2 虛擬儀器的特點(diǎn)虛擬儀器技術(shù)就是基于PC技術(shù)的、用戶自定義的測(cè)試和測(cè)量解決方案，其四大優(yōu)勢(shì)在于：性能強(qiáng)性價(jià)比高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間短，以及出色的集成功能。(1) 性能強(qiáng)性價(jià)比高以軟件為主的測(cè)量系統(tǒng)，充分利用了常用臺(tái)式計(jì)算機(jī)及工作平臺(tái)的

31、計(jì)算、顯示和互聯(lián)網(wǎng)等的強(qiáng)大功能。由于傳送的信號(hào)大多是數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)的處理幾乎是軟件實(shí)現(xiàn)的，從而大大降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差的影響。(2) 擴(kuò)展性強(qiáng)虛擬儀器的硬、軟件具有開放性、模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。為提高測(cè)試系統(tǒng)的性能，可以方便地加入一個(gè)通用儀器模塊或更換一個(gè)儀器模塊，而不必購(gòu)買一個(gè)全新的系統(tǒng)，大大有利于測(cè)試系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。(3) 開發(fā)時(shí)間短在驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用兩個(gè)層面上，優(yōu)秀虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)已經(jīng)將其高效的軟件構(gòu)架與計(jì)算機(jī)、儀器儀表和通訊方面的最新技術(shù)結(jié)合在一起，給用戶提供最方便的、最靈活的操作以及強(qiáng)大的功能，讓用戶輕松地配置、創(chuàng)建、部署和維護(hù)高性能、低成本的測(cè)量和控制解決方案。(4) 出

32、色的集成隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，工程師們通常需要集成多個(gè)測(cè)量設(shè)備來(lái)滿足完整的測(cè)試需求，虛擬儀器軟件平臺(tái)為大部分I/O設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，幫助用戶輕松地將多個(gè)測(cè)量設(shè)備集成到單個(gè)系統(tǒng)，減少了任務(wù)的復(fù)雜性。2.4 虛擬儀器的應(yīng)用前景近年來(lái)，世界各國(guó)的虛擬儀器公司開發(fā)了不少虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些儀器公司提供的開發(fā)平臺(tái)組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)。最早和最具影響的開發(fā)軟件，是NI公司的LabVIEW軟件和LabWindows/CVI， LabVIEW采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開發(fā)軟件。LabWindows/CVI是為熟悉C語(yǔ)言的開發(fā)人員準(zhǔn)備的、在Windows環(huán)境下的標(biāo)

33、準(zhǔn)ANSIC開發(fā)環(huán)境。虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。虛擬儀器的突出成就不僅是可以利用PC機(jī)組建靈活的虛擬儀器，取代測(cè)量技術(shù)傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器，更重要的是它可以通過(guò)各種不同的接口總線，組建不同規(guī)模的自測(cè)試系統(tǒng)。它可以與不同的接口總線的溝通，將虛擬儀器、帶接口總線的各種電子儀器或各種插件單元，調(diào)配并組建成為中小型甚至大型的自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)。虛擬儀器在組成和改變儀器的功能和技術(shù)性能方面具有靈活性與經(jīng)濟(jì)性，因而虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。3 LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)3.1 概述LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workben

34、ch,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）是美國(guó)NI公司推出的一種基于G語(yǔ)言（Graphics Language,圖形化編程語(yǔ)言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。LabVIEW是一個(gè)開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，它為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，利用它設(shè)計(jì)者可以輕松組建一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并任意構(gòu)造自己的儀器面板，而無(wú)需進(jìn)行任何繁瑣的計(jì)算機(jī)程序代碼的編寫，從而可以大大簡(jiǎn)化程序的設(shè)計(jì)。LabVIEW包含有專門用于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的功能庫(kù)和開發(fā)工具庫(kù)。LabVIEW的程序設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)的“虛擬儀器”，即“VI”。在計(jì)算機(jī)顯示屏幕上利用功能庫(kù)和開發(fā)工具庫(kù)而產(chǎn)生一個(gè)前面板；在后

35、臺(tái)則利用圖形化編程語(yǔ)言編制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有與傳統(tǒng)儀器類似的界面，可接受用戶的鼠標(biāo)指令。一般來(lái)說(shuō)，每一個(gè)VI都可以作為其它VI的調(diào)用對(duì)象，其功能類似于文本語(yǔ)言的子程序。LabVIEW程序是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的。數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)規(guī)定，一個(gè)目標(biāo)只有當(dāng)它的所有輸入有效時(shí)才能執(zhí)行；而目標(biāo)的輸出，只有當(dāng)它的功能完全時(shí)才是有效的。這樣，LabVIEW中被連接的方框圖之間的數(shù)據(jù)流控制程序的執(zhí)行次序，而不像文本程序受到行順序執(zhí)行的約束。用LabVIEW編制方框圖程序時(shí)，不必受常規(guī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)法細(xì)節(jié)的限制。首先，從功能菜單中選擇需要的功能方框，將之置于面板上適當(dāng)?shù)奈恢茫蝗缓笥脤?dǎo)線連接各功能方框在方框圖中

36、的端口，用來(lái)在功能方框之間傳輸數(shù)據(jù)。這些方框包括了簡(jiǎn)單的算術(shù)功能，高級(jí)的采集和分析VI以及用來(lái)存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的文件輸入輸出功能和網(wǎng)絡(luò)功能。LabVIEW的核心是VI。VI有一個(gè)人機(jī)對(duì)話的用戶界面前面板和類似于源代碼功能的方框圖。前面板用于接受來(lái)自方框圖的指令。在VI的前面板中，控件模擬了儀器的輸入裝置并把數(shù)據(jù)提供給VI的方框圖；而指示器則模擬了儀器的輸出裝置并顯示由方框圖獲得或產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。當(dāng)把一個(gè)控件或指示器放置到前面板上時(shí)，LabVIEW在方框圖中相應(yīng)地放置了一個(gè)端口，這個(gè)從屬于控件或指示器的端口不能隨意刪除，只有刪除它對(duì)應(yīng)的控件或指示器時(shí)它才隨之一起被刪除。3.2 LabVIEW軟件的特點(diǎn)

37、歸納起來(lái)LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 圖形化的編程方式，設(shè)計(jì)者不用寫任何文本格式的代碼，是真正的工程師語(yǔ)言。(2) 提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫(kù)函數(shù)。(3) 采用數(shù)據(jù)流編程模式，是能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序的多任務(wù)系統(tǒng)。(4) 既提供了傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，同時(shí)提供有獨(dú)到的高亮執(zhí)行和探針工具，使程序動(dòng)畫式運(yùn)行，利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開發(fā)更為便捷。(5) 32bit的編譯器編譯生成32bit的編譯程序，保證用戶數(shù)據(jù)采集、測(cè)試和測(cè)量方案的高速執(zhí)行。(6) 囊括了DAQ，GPIB，PXI，VXI，RS-232/485在內(nèi)的各種儀器通信總線

38、標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的用戶也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備與儀器。(7) 提供大量與外部代碼或軟件進(jìn)行連接的機(jī)制，諸如DLLs(動(dòng)態(tài)連接庫(kù))、DDE(共享庫(kù))、ActiveX、MATLAB等。(8) 強(qiáng)大的Internet功能，內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP，DDE，ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開發(fā)。 圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開發(fā)效率高。隨著虛擬儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，圖形化的編程語(yǔ)言必將成為測(cè)試和控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的發(fā)展趨勢(shì)。3.3 LabVIEW應(yīng)用程序的構(gòu)成所有的LabVIEW應(yīng)用程序，即虛擬儀器(VI )，都包括前面板、流程圖以

39、及圖標(biāo)/連結(jié)器三部分。3.3.1 前面板介紹前面板的開發(fā)窗口如圖3.1所示。窗口中包含主選菜單欄和快捷工具欄。用戶制作虛擬儀器前面板是用工具選板中相應(yīng)的工具去選取控件選板上的相關(guān)控件，并拖入到窗口中的適當(dāng)位置。圖3.1 前面板的開發(fā)窗口前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形以及其他控件和顯示對(duì)象。3.3.2 流程圖介紹流程圖是圖形化程序的源代碼，是VI測(cè)試功能軟件的圖形化表述。虛擬儀器通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能。圖3.2所示為流程圖編輯窗口。選用工具選板中相應(yīng)的工具去控件功能選板上的有關(guān)圖標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)制作虛擬儀器流程圖，以

40、完成虛擬儀器的設(shè)計(jì)工作。圖3.2 流程圖編輯窗口在流程圖中對(duì)VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖中包括前面板上的控件的連線端子，還有一些前面板上沒(méi)有，但編程必須有的東西，例如函數(shù)、結(jié)構(gòu)和連線等。3.3.3 圖標(biāo)/連接器簡(jiǎn)介VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個(gè)VI可以作為子程序，這里稱為子VI (Sub VI)，被其他VI調(diào)用。圖標(biāo)與連接器在這里相當(dāng)于圖形化的參數(shù)。構(gòu)造子VI主要的工作就是定義它的圖標(biāo)和聯(lián)接器。每個(gè)VI在前面板和流程圖窗口的右上角都顯示了一個(gè)默認(rèn)的圖標(biāo)。可以用窗口左邊的各種工具設(shè)計(jì)像素編輯區(qū)中的圖標(biāo)形狀。編輯區(qū)右側(cè)的一個(gè)方框中顯示了一個(gè)實(shí)際大小的圖標(biāo)。聯(lián)接器

41、是 VI 數(shù)據(jù)的輸入輸出接口。如果用面板控制對(duì)象或者顯示對(duì)象從子 VI 中輸出或者輸入數(shù)據(jù)，那么這些對(duì)象都需要在聯(lián)接器面板中有一個(gè)連線端子。用戶可以通過(guò)選擇 VI的端子數(shù)并為每個(gè)端子指定對(duì)應(yīng)的前面板的對(duì)象以定義聯(lián)器。3.4 LabVIEW的操作選板在LabVIEW的用戶界面上，應(yīng)特別注意它的操作模板，包括工具選板、控件選板和函數(shù)選板。這些選板集中反映了該軟件的功能與特征。 工具選板簡(jiǎn)介該選板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具，如圖3. 3所示。如果該選板沒(méi)有出現(xiàn)，則可以在查看菜單下選擇工具選板命令以顯示該選板。圖3.3 工具選板 控件選板簡(jiǎn)介該選板用來(lái)給前面板的設(shè)置各種所需的輸出顯示

42、對(duì)象和輸入控件對(duì)象。控件選板如下圖3. 4所示，它包括如下所示的一些子選板。每個(gè)圖標(biāo)代表一類子選板。如果控件選板不顯示，可以用查看菜單的控件選板功能打開它，也可以在前面板的空白處，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，以彈出控件選板。 圖3.4 控件選板 函數(shù)選板簡(jiǎn)介函數(shù)選板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。該選板上的每一個(gè)頂層圖標(biāo)都表示1個(gè)子選板。若函數(shù)選板不出現(xiàn)，則可以用查看菜單下的函數(shù)選板功能打開它，也可以在流程圖程序窗口的空白處點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵以彈出函數(shù)選板，函數(shù)選板如下圖3. 5所示。 圖3.5 函數(shù)選板3.5 LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬儀器的方法LabVIEW的圖形化程序設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)代軟件的面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)流技術(shù)而發(fā)展起

43、來(lái)的。下面按步驟說(shuō)明進(jìn)行圖形化的程序設(shè)計(jì)：(1) 建立方案：選用LabVIEW軟件，可以構(gòu)建虛擬儀器，而不是編寫程序。有了交互式控制的軟件系統(tǒng)，用戶可以很方便地建立其前面板接口。為了實(shí)現(xiàn)具體的功能，用戶利用向?qū)О蚜鞒虉D組合在一起。(2) 建立前面板：用戶從控件選板上選擇需要的對(duì)象，放在虛擬儀器的前面板上。控件選板上的對(duì)象包括數(shù)字顯示、表頭、壓力計(jì)、熱敏計(jì)外殼、表、圖片等。當(dāng)虛擬儀器完成以后，就能在虛擬儀器工作時(shí)利用前面板中去控制整個(gè)系統(tǒng)。(3) 構(gòu)建圖形化的流程圖：對(duì)虛擬儀器進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，用戶不必?fù)?dān)心很多傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)所需的語(yǔ)法細(xì)節(jié)，而可自己構(gòu)建流程圖。從函數(shù)選板上選擇對(duì)象，并用線將它們連接起來(lái)

44、以便數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞。函數(shù)選板上的對(duì)象包括簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算、高級(jí)數(shù)據(jù)采集和分析方法、以及網(wǎng)絡(luò)和文件輸入輸出操作。(4) 數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)：LabVIEW用一種精巧的數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)模式把用戶從文本式語(yǔ)言的線形化方式構(gòu)建程序的辦法中解放出來(lái)。LabVIEW軟件是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)，具有多線程功能并運(yùn)行多個(gè)虛擬儀器。(5) 模塊化和層次：LabVIEW虛擬儀器實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，因而任何虛擬儀器既能獨(dú)立運(yùn)行，又能被用作其他虛擬儀器的一部分。甚至可以創(chuàng)建自己的虛擬儀器圖標(biāo)，因而可以設(shè)計(jì)由虛擬儀器構(gòu)成的多層系統(tǒng)。(6) 圖形編輯器：在許多場(chǎng)合、程序運(yùn)行速度都非常關(guān)鍵。LabVIEW軟件是唯一的帶有編輯器的圖形化編程環(huán)境

45、、可以產(chǎn)生最優(yōu)化的代碼。利用內(nèi)置的繪圖器，甚至能夠?qū)εc時(shí)間非常關(guān)鍵的代碼部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。圖形化程序設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單、直觀、開發(fā)效率高。4 基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室的概念及特點(diǎn)虛擬實(shí)驗(yàn)室是指利用虛擬儀器建立起來(lái)的實(shí)驗(yàn)室。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比，本虛擬實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)基于以下幾個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行：(1) 開放性：主要是指資源開放。虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了大量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，任何用戶需輸入正確登陸信息才能使用本系統(tǒng)的資源；用戶無(wú)論在何時(shí)何地都可以自由地使用虛擬實(shí)室，即在時(shí)間和空間上對(duì)使用者沒(méi)有限制。 (2) 共享性：虛擬實(shí)驗(yàn)拓寬了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空觀，傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)一般因?qū)嶒?yàn)室的空間、實(shí)驗(yàn)儀器

46、的數(shù)量、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師人數(shù)等的限制，實(shí)驗(yàn)只能分組進(jìn)行，因而學(xué)生實(shí)際用于實(shí)驗(yàn)的時(shí)間是有限的，接觸實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的機(jī)會(huì)是很少的，從而使得實(shí)驗(yàn)儀器的使用效率不高，但虛擬實(shí)驗(yàn)室將儀器、元器件軟件化，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將其得到最大限度地共享。因此，在不同終端上可同時(shí)進(jìn)行相同科目的虛擬實(shí)驗(yàn)，拓展了實(shí)驗(yàn)室的空間，提高了實(shí)驗(yàn)效率。(3) 高效性：經(jīng)過(guò)了虛擬實(shí)驗(yàn)的先期訓(xùn)練，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)康男愿鼜?qiáng)，操作的熟練程度等有了很大的提高，再進(jìn)入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室可以高效率地完成實(shí)驗(yàn)。 (4) 易于維護(hù)性：虛擬實(shí)驗(yàn)室管理者可以不斷添加新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和增強(qiáng)原有實(shí)驗(yàn)的性能，并對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和管理，保證使用者每次使用的都是最新的系統(tǒng)，使擴(kuò)展后的虛擬實(shí)驗(yàn)

47、室對(duì)使用者沒(méi)有增加不方便之處。這些優(yōu)點(diǎn)在實(shí)踐教學(xué)中產(chǎn)生了不可忽視的作用，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的不足。LabVIEW是構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的最理想的軟件平臺(tái)。 4.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案本系統(tǒng)考慮到虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)為了適應(yīng)今后功能及結(jié)構(gòu)上的擴(kuò)展，通過(guò)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以將虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)分解為多個(gè)層次的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度。設(shè)計(jì)時(shí)先完成底層模塊的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證，再進(jìn)行高層次模塊的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。每個(gè)模塊是功能相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以劃分為用戶登陸界面模塊、用戶管理模塊、虛擬實(shí)驗(yàn)儀器仿真模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊。虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的模塊組成如圖4. 1所示

48、。虛擬實(shí)驗(yàn)室用戶登陸界面用戶管理模塊虛擬儀器仿真數(shù)據(jù)管理模塊圖4.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)模塊4.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)本系統(tǒng)的總體目標(biāo)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于局域網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要完成虛擬示波器、濾波器等虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的仿真和數(shù)據(jù)采集等實(shí)驗(yàn)的研究與發(fā)，使學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成大學(xué)相關(guān)課程的規(guī)定實(shí)驗(yàn)，突破地域和時(shí)間上的限制，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。學(xué)生是虛擬實(shí)驗(yàn)室的最終用戶，每個(gè)用戶以自己的學(xué)號(hào)和密碼作為出入虛擬實(shí)驗(yàn)室的通行證，登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室系后，可以在客戶端進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，用戶可以選擇實(shí)驗(yàn)，選擇實(shí)驗(yàn)儀器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真、數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師是虛擬實(shí)驗(yàn)室的特殊用戶

49、，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師以教工號(hào)和密碼作為通行證，可以進(jìn)行創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉⑻砑有聝x器、加入新實(shí)驗(yàn)、制訂實(shí)驗(yàn)步驟等操作。系統(tǒng)管理員是虛擬實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)用戶，負(fù)責(zé)對(duì)教師、學(xué)生信息及各種實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理。為達(dá)到系統(tǒng)的總體目標(biāo)，該系統(tǒng)要完成的主要工作可描述如下： (1) 用戶在客戶端登錄，應(yīng)用服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取該用戶有關(guān)信息，驗(yàn)證該用戶是否為合法用戶。如果是合法用戶，批準(zhǔn)請(qǐng)求，用戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)；否則，拒絕用戶使用。 (2) 用戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)后，從實(shí)驗(yàn)列表中選擇實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)顯示該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明和用戶操作界面。用戶在操作界面上對(duì)元器件進(jìn)行選擇、連接，然后確認(rèn)仿真開始，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 (3) 用戶可以自主

50、選擇實(shí)驗(yàn)儀器和元件，搭建實(shí)驗(yàn)電路，服務(wù)器對(duì)儀器連接和實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行檢查，提供必要的幫助。如果正確，進(jìn)行仿真計(jì)算并輸出結(jié)果。 (4) 特殊用戶能夠創(chuàng)建新實(shí)驗(yàn)、制訂實(shí)驗(yàn)步驟并保存為實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹瑒?chuàng)建新實(shí)驗(yàn)儀器并加入儀器庫(kù)中供用戶以后使用。 (5) 系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)教師信息、學(xué)生信息及實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，可把要完成的主要功能分別劃分到客戶端和服務(wù)器端： (1) 客戶端主要功能 用戶登錄 每個(gè)參加實(shí)驗(yàn)的用戶必須先進(jìn)行登錄，客戶端將相關(guān)信息送往服務(wù)器，由服務(wù)器進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后，用戶才能由客戶端進(jìn)入系統(tǒng)。 儀器選擇 用戶選擇實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)儀器，用戶可以對(duì)器件的一些

51、特定參數(shù)在其允許范圍內(nèi)進(jìn)行改變，系統(tǒng)以可視化的形式提供用戶的選擇和設(shè)置操作。 實(shí)驗(yàn)操作 用戶連接已選用的器件，將其操作傳送給服務(wù)器，進(jìn)行規(guī)則驗(yàn)證，若正確則觸發(fā)仿真，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面。用戶的操作過(guò)程以可視化的形式進(jìn)行表現(xiàn)。 結(jié)果可視化接收服務(wù)器端傳回的仿真結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果在波形顯示區(qū)可視化地顯示出來(lái)。 (2) 服務(wù)器端的主要功能 用戶管理 管理員為每個(gè)用戶建立用戶名、密碼、使用權(quán)限，并記錄用戶的登錄信息。同時(shí)，服務(wù)器為該用戶創(chuàng)建輸入、輸出通信線程，并通知該用戶，服務(wù)器己為該用戶建立了必要的連接，登錄過(guò)程結(jié)束。 儀器管理 服務(wù)器端對(duì)所有的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行管理，包括儀器的增加、修改等操作。 規(guī)則審查 當(dāng)

52、客戶端將實(shí)驗(yàn)操作傳給服務(wù)器端后，服務(wù)器端的規(guī)則審查模塊對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)則判斷實(shí)驗(yàn)操作是否正確。如果所有的操作都正確，進(jìn)入仿真計(jì)算模塊，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果；否則，向用戶返回錯(cuò)誤信息。 仿真計(jì)算 仿真計(jì)算模塊根據(jù)數(shù)據(jù)文件中包含的信息，通過(guò)軟件模擬各種實(shí)驗(yàn)操作，在服務(wù)器端進(jìn)行仿真計(jì)算，最后將計(jì)算結(jié)果傳送給客戶端。 文件及數(shù)據(jù)庫(kù)管理用戶在登錄到虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)的登錄信息以及以后的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等都需要保存、載入和查詢，因此在服務(wù)器中專門為此建立了文件數(shù)據(jù)庫(kù)管理。4.2.4 系統(tǒng)用戶認(rèn)證模塊的實(shí)現(xiàn)一個(gè)完善的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)應(yīng)具有完備的安全驗(yàn)證體系，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)資源的維護(hù)和管理更加安全。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)之

53、前，學(xué)生初始用戶名和密碼分別是姓名和學(xué)號(hào)，密碼系統(tǒng)主要是防止非授權(quán)用戶的非法進(jìn)行，只有合法的用戶在驗(yàn)證后才能進(jìn)行測(cè)試和其它操作，比如查看數(shù)據(jù)等，增加系統(tǒng)和測(cè)試數(shù)據(jù)的安全性。用戶登陸界面如4.2圖，圖4.2 登錄界面用戶登錄界面的實(shí)現(xiàn)是利用LabVIEW形象的用戶控件設(shè)置的，其實(shí)現(xiàn)的程序框圖如圖4.3所示。 圖4.3 用戶登陸框圖主程序在登錄模塊中驗(yàn)證用戶是否合法是關(guān)鍵，通過(guò)一個(gè)不斷循環(huán)的While結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)比用戶輸入的與數(shù)據(jù)庫(kù)中的用戶名和密碼是否匹配。輸入用戶名后，可以按回車鍵，光標(biāo)會(huì)跳到密碼輸入欄，輸入密碼后，可以按回車鍵進(jìn)行密碼確認(rèn)，也可以點(diǎn)擊“用戶登錄”，單擊“用戶登錄”或按下回車鍵進(jìn)行驗(yàn)

54、證，如果用戶信息不正確的話，會(huì)提示“用戶名或密碼錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入”，如果用戶輸入三次錯(cuò)誤的用戶名和密碼時(shí)，會(huì)提示“輸入錯(cuò)誤的用戶名或密碼次數(shù)超出限制，請(qǐng)聯(lián)系系統(tǒng)管理員確認(rèn)您的用戶名和密碼！”，此時(shí)請(qǐng)聯(lián)系管理員確認(rèn)正確的用戶名和密碼。如果用戶信息正確，則允許登錄。表1是本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)擬訂的用戶名、密碼、使用權(quán)限的數(shù)據(jù)庫(kù)生成表。表 1 密碼系統(tǒng)里面記錄了當(dāng)前用戶的用戶名、用戶密碼、用戶權(quán)限。使用時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)的用戶名“admin”，其密碼為“123”，用戶權(quán)限是管理員。圖4.4是管理員第一次登錄后的界面：圖4.4 管理員登錄后的界面成功登錄系統(tǒng)后，將出現(xiàn)用戶選擇界面，如果用戶權(quán)限是管理員的話，則多了一個(gè)“

55、用戶管理”的功能，用于對(duì)當(dāng)前所有用戶的密碼等信息進(jìn)行管理，如圖4.5所示：圖4.5 用戶管理界面管理員可以進(jìn)行的管理包括：(1) 增加用戶彈出對(duì)話框提示輸入新用戶的用戶名、密碼、權(quán)限，確認(rèn)后完用戶增加，如圖4.6所示，圖4.6 增加用戶界面(2) 刪除用戶選擇左邊的任意一個(gè)用戶，點(diǎn)刪除用戶，確認(rèn)后刪除該用戶，如圖4.7所示，圖4.7 刪除用戶界面(3) 編輯用戶雙擊其中某一行時(shí)，可以對(duì)該用戶的密碼和權(quán)限進(jìn)行修改，但用戶名、不能改變。用戶權(quán)限如果只是普通測(cè)試員的話，則只有“進(jìn)入系統(tǒng)”、“退出系統(tǒng)”這幾個(gè)按鍵可用。如圖4.8所示，圖4.8 測(cè)試員登錄后的界面退回用戶登錄界面，單擊“進(jìn)入系統(tǒng)”開始進(jìn)

56、入系統(tǒng)。如圖4.9所示，圖4.9 進(jìn)入系統(tǒng)后的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面用戶可繼續(xù)進(jìn)入系統(tǒng)仿真平臺(tái)，選擇進(jìn)入系統(tǒng)平臺(tái)后，用戶選擇想要進(jìn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器單擊進(jìn)入，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器板塊如圖4.10所示圖4.10 虛擬實(shí)驗(yàn)版塊界面然后根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境提供的元器件，進(jìn)行電路連接，參數(shù)設(shè)置，完成仿真。 系統(tǒng)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介本文以虛擬示波器界面4.11為例。虛擬示波器主要是對(duì)信號(hào)發(fā)生器模塊產(chǎn)生的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析與處理。它可以完成以下功能：測(cè)試信號(hào)經(jīng)濾波、加窗處理后，進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析以及諧波分析。可以進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，包括采樣設(shè)置、濾波器類型選擇及其參數(shù)設(shè)置、窗函數(shù)類型選擇等。該程序可對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行FFT、自相關(guān)譜、功率譜、相位譜、互相關(guān)譜等的分析。通過(guò)這些頻譜的分析,我們可以非