（光学工程专业论文）基于虚拟仪器光学实验室的研究与实现.pdf

中山大学硕十学位论文摘要 论文题目：基于虚拟仪器的光学实验室的研究与实现 专业：光学工程 硕士生：罗烽庆 导师：蔡志岗教授 摘要 虚拟仪器技术综合运用了计算机、数字信号处理、通信、和软件工程等技术， 是对传统仪器概念的重大突破，代表了测量仪器与自动测试系统的发展方向。随 着虚拟仪器技术在国内普及和应用速度不断加快，部分高校和实验室也构建了基 于虚拟仪器技术的各类实验室，但总体上与国外的发展状况相比，对虚拟仪器的 应用和研究还未受到足够的重视，软硬件的配套设施不足，缺乏系统化、理论化 的设计开发理念，并且主要集中在化学、电子设计方面，并没有涉及光学等其他 学科，不能满足多学科综合应用的需要。 本文结合l a b v i e w 虚拟仪器技术网络化、多样化、模块化、智能化的优势， 通过远程教学实验、仪器功能定制、光学仪器设计三方面，阐述了基于l a b v i e w 虚拟仪器技术的光学实验室的实现技术、设计思想和总体结构： ( 1 ) 远程实验教学系统：提出了设计远程实验服务器端和客户端软件的通 用模式和编程方法。在具体应用中设计了l a b v i e w 远程管理共享系统，实现了实 验过程中资源分配、实时监控、维护管理等功能，并结合虚拟滤波器和l e d 远程 测量系统的应用实例加以阐述。 ( 2 ) 仪器功能定制：分析了在仪器功能定制时常用的编程模块和设计流程。 具体实例中，对k e i t h l e y 公司生产的2 4 0 0 型号高精度电源电表进行了功能改造， 在数据采集、显示和存储方面进行了较大优化。 ( 3 ) 光学仪器设计：总结了一套针对光学仪器设计的虚拟仪器开发流程， 并设计了硬件开发、通讯接口协议、软件编程中的模块化技术。在具体应用中介 绍了偏振态实时检测系统的研发和设计过程。 最后，论文对一些尚未完成的部分提出了基本设想和实现方案，并就功能和 技术做出了进一步的展望，为今后系统地、大规模地建设基于虚拟仪器的光学实 验室奠定了研究基础。 关键字：虚拟仪器，l a b v ie w ，光学实验，网络管理，仪器设计 中山大学硕十学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no f o p t i c a ll a b o r a t o r yb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y n a m e ：l u of e n g q i n g s u p e r v is o r ：p r o f c a iz h ig a n g a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ( v i t ) ，w h i c hi sc o m p r e h e n s i v eu s eo f c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，c o m m u n i c a t i o n ，a n d s o f t w a r ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ，e t c ，i sam a j o rb r e a k t h r o u g hc o n c e p tt o t r a d iti o n a li n s t r u m e n t s ，a n d r e p r e s e n t s t h ef u t u r e d e v e l o p m e n t o f m e a s u r i n gi n s t r u m e n t sa n da u t o m a t i ct e s ts y s t e m w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o n o fv i ti nd o m e s t i c ，s o m eu n i v e r s i t i e sa n d1 a b o r a t o r i e si sa 1 s ob u i l d i n g s e v e r a lt y p e so fl a b o r a t o r i e sb a s e do nv i t ，h o w e v e r ， g e n e r a ll yc o m p a r e t ot h ed e v e l o p m e n ti nf o r e i g n ，t h ed o m e s t i cr e s e a r c ha n da p p li c a t i o n si n v i th a v en o tb e e np a i de n o u g ha t t e n t i o nt o ，i n a d e q u a t ef a c i l i t i e si n s o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，l a c ko fs y s t e m a t i c ，t h e o r y b a s e dd e s i g na n d d e v e l o p m e n tc o n c e p t s ，a n dm a i n l yc o n c e n t r a t e di nc h e m i c a l ， e l e c t r o n i c d e s i g n ，d o e s n ti n v o l v eo p t i c a la n do t h e rd i s c i p l i n e s ，s oi tc a n tm e e t t h en e e do fm u l t i d i s c i p l i n a r ya p p l i c a t i o n ： t h i sp a p e r ，c o m b i n i n gw i t ht h ea d v a n t a g eo fv i ti ni n t e l l i g e n c e ， d i v e r s i f i c a t i o n ，m o d u l a r i z a t i o na n dn e t w o r k i n g ，d e c l a r e dt h ed e s i g n c o n c e p ta n do v e r a l ls t r u c t u r ei nb u il d i n go p t i c a ll a b o r a t o r yb a s e do nv i t t h r o u g ht h ef o l l o w i n ga s p e c t si nd i s t a n c et e a c h i n ge x p e r i m e n t ，i n s t r u m e n t c u s t o m i z a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs e l f - m a d ea p p a r a t u s ： ( 1 ) d is t a n c et e a c h i n ge x p e r i m e n t ：d e s i g nl a b v i e wr e m o t em a n a g e m e n t s h a r i n gs y s t e m ，w h i c hi m p l e m e n ts o m ef u n c t i o nl i k er e s o u r c ea 1 l o c a t i o n ， r e a l t i m em o n i t o r i n g ，m a i n t a i n i n g & m a n a g e m e n td u r i n gt h ep r o c e s so f r e m o t ee x p e r i m e n t t h r o u g ht h es p e c i f i ce x a m p l eo fl e dt e s t i n ge x p e r i m e n t ， s h o w e dt h eu n i v e r s a lm o d e la n dp r o g r a m m i n gm e t h o d si nd e s i g n i n gt h es e r v e r a n dt h ec li e n ts o f t w a r ef o rr e m o t ee x p e r i m e n t s ( 2 ) i n s t r u m e n tc u s t o m i z a t i o n ：u s i n gl a b v i e wt oa c h i e v ef u n c t i o n a l t r a n s f o r m a t i o no fk e i t h l e y2 4 0 0h i g h - p r e c i s i o np o w e rm e t e ra n df u r t h e r a n a l y z et h ep r o g r a mm o d u l a ra n dd e s i g nm e t h o di nc u s t o m i z i n gl a b o r a t o r y e q u i p m e n t s ( 2 ) d e v e l o p m e n ta n da p p li c a t i o no fs e l f m a d ea p p a r a t u s ：w i t ht h e c o m b i n a t i o no fr e s e a r c ha n dd e s i g ni np h o t o p o l a r i m e t e rs y s t e m ，s u m m e du p as e to fm o d u l a rd e s i g nt e c h n o l o g yi nh a r d w a r ed e v e l o p m e n t ，c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e p r o t o c o l a n dp r o g r a m m i n gf o r s o l v i n g t h ep r o b l e mo f g e n e r a li z a t i o na n ds c a l a b i l i t yi nv i r t u a li n s t r u m e n t 中山大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i n a ll y ，s o m eb a s i ci d e aa n ds u g g e s ti o nf o rt h eu n c o m p l e t e dp a r tw a s g i v e n ，a n daf u r t h e r o u t l o o ko ft h ef e a t u r e sa n dt e c h n o l o g yw a sa l s om a d e f o rs y s t e m a t i ca n dl a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o no fo p t i c a ll a b o r a t o r yb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y k e yw o r d ：v i s u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w ，o p t i c a ll a b o r a t o r y ，n e t w o r k a d m i n i s t r a t i o n ， i n s t r u m e n td e s i g n 1 1 1 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 叼略庆 珊守6 其t 。日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名孵灰 导师签名： 日期：砂睁移月加日日期：叩 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师 指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学 院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开 发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的 书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部 署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担。 学位论文作者虢- 罗烨尔 日期：纠年么月? o 日 中山大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 对于理工科院校来说，实验教学是一个必不可少的重要组成部分，实验室既 是重要的教学阵地，也是主要的科研基地，实验室装备水平通常被当做衡量教学、 科研水平的重要标志。但是，传统的实验室建设是一个资源高度密集的过程， 无论在人力、物力和财力方面，都需要国家、省、市和学校进行大量的投入，而 且建设周期长，设备功能和实验内容单一。同时，传统的实验室已不能完成教学、 研发和测试等多样化的任务晗，虽然可以根据设计、生产和测试要求，再建实验 室，购置新设备，但这只是单一功能的简单叠加，不能做到有效的资源整合，尤 其是随着高等教育的普及，学生规模不断扩大，进一步加剧了实验室场地、资金 等资源不足的问题。 上述问题最好的解决办法是建设新模式的实验室，打破传统实验室建设的模 式和格局，避免实验设备的重复购置，对实验设备配置进行优化，实现资源共享， 让实验设备发挥最大效益。因此，新模式实验室包含两层含义，一是拥有个性化 实验室的模式，二是最大限度发挥实验设备使用效率的模式。 随着现代科学技术与生产技术的发展以及高校实验教学改革的需要，如何开 发和利用现有的设备资源，并更好地发挥计算机技术、测控技术、数字处理技术 和网络通信技术等前沿技术的作用盼，将成为未来实验室建设的重要内容，而虚 拟仪器技术正是在这种情况下应运而生的，它的出现给新模式实验室的建设带来 了新的契机。 光学实验室是培养未来专业人才和促进产学研结合的重要平台，虚拟仪器技 术的引入使传统的光电测量领域产生了新的活力h 1 。本文结合教学实践，通过远 程教学实验、仪器功能定制、光学仪器设计三方面，阐述了基于l a b v i e w 虚拟仪 器技术的光学实验室的实现技术、设计思想和总体结构。 1 2 虚拟仪器与虚拟仪器实验室概述 虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，简称n i ) 在1 9 8 6 年提出的晒1 ，但其雏形可以追溯到1 9 8 1 年由美国西北仪器系统公司推出 的a p p l ei i 为基础的数字存储示波器这种仪器与个人计算机的概念相适应，当 时被称为个人仪器( p e r s o n a li n s t r u m e n t ) 。虚拟仪器是指以通用计算机作为核 心的硬件平台，配以相应测试功能的硬件作为信号输入输出的接口，利用仪器 软件开发平台在计算机的屏幕上虚拟出仪器的面板和功能，然后通过鼠标或键盘 操作的仪器。借用一块通用的数据采集板，用户就可以通过软件构造几乎任意功 中山大学硕士学位论文第一章绪论 能的仪器，可以是电压表、示波器、频谱分析仪或其他仪器，软件成了构建仪器 的核心。因此，n i 公司提出“软件即是仪器 的概念呻1 。 在近几年，随着计算机技术的迅猛发展给传统的信号处理技术注人了强大的 活力，虚拟仪器技术也得到了飞速发展，其中n i 公司最具有代表性，它不仅能 提供虚拟仪器系统所需的各种硬件产品( 包括各种数据采集卡、各种g p i b 、v x i 仪器控制产品等) ，还能为不同层次的用户提供简单方便的虚拟仪器软件开发平 台，如l a b v i e w ，l a b v i e w i n d o w s c v i 等。此外，安捷伦公司、t e k t r o n i x 公司、 r a c a l 公司也相继推出了数百种虚拟仪器的硬件和软件开发平台。所有的p c 主 流技术的最新进展，不管是c p u 的更新换代还是便携式计算机的进一步实用化， 不管是操作系统平台的提升还是网络的应用拓展，都能够为虚拟仪器系统技术带 来新的活力和好处。表1 - 1 是虚拟仪器与传统仪器的比较口1 们 表1 - i 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 功能由用户自己定义功能由生产厂商定义 可方便地与网络外设连接与其它仪器设备的连接有限 基于软件体系，开发和维护费用低开发和维护费用高 技术更新周期短( o 5 1 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 软什是关键硬件是关键 价格较低价格较高 开放灵活与计算机同步，可重配置和使用固定 自己编程硬件，二次开发强无法自己编科硬件，二次开发差 无限的显示选项 有限的显示选项 完整的时间记录和测试说明部分具有时间记录和测试说明 自动化的测试过程测试部分自动化 虚拟仪器实验室( v i r t u a li n s t r u m e n tl a b o r a t o r y ) 亦称为“合作实验室( c o l l a b o r a t o r y ) 呱“1 ，最早是在1 9 8 9 年由美国弗吉尼亚大学( u n i v e r s i t yo f v i r g i n i a ) 的威廉沃尔夫( w i l l i a mw u l f ) 教授提出，用来描述一个计算机网络化 的虚拟实验室环境。虚拟实验室的最初概念在文 1 2 ，1 3 中得到了阐述，文中指 出了虚拟实验室的发展是一个从控制虚拟设备至物理设备的过程。美国国家研究 委员会把虚拟实验室形容成为“一个无墙的中心”。文 1 0 中把虚拟实验室看成 是除理论与实物试验之外的第三种研究设计手段和形式。1 9 9 9 年5 月中旬，联 合国教科文组织( u n e s c o ) 将“虚拟实验室 定义为：以利用分散的信息和通信技 术来创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离合作和实验 的一种电子协作组n 钔。 虚拟仪器实验室及虚拟仪器技术，是近年来信息技术迅速发展的产物。虚拟 仪器实验室综合运用了虚拟仪器、虚拟现实、数据库、网络和计算机实时控制等 2 中山大学硕十学位论文第一章绪论 多种技术，为实验者营造虚拟的实验环境。实验者的指令通过网络发送给服务器 端的实际设备或者仿真对象，实验的结果以图表、动画等形式反馈给用户，以达 到与在普通实验室中相同的实验效果。实验者可以在计算机终端自由地浏览、学 习有关实验内容并进行实验。通过虚拟实验系统可以解除传统实验所无法克服的 地点和时间的限制，同时大大地提高设备的利用率，有效地降低实验成本，在相 同经费的情况下，提供更加丰富的实验内容，更加先进的实验设施旧1 。 1 3 国内外研究进展 1 3 1 国外研究情况 虚拟实验室的研究n ，国际始于2 0 世纪8 0 年代末，麻省理工学院的w e b l a b 是一个在线实验室，于1 9 8 8 年开发并投入使用。美国政府在9 0 年代投入巨大财 力在海洋学、天体物理学、分子生物学以及核科学四大领域建造了各自的虚拟实 验室作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。在美国各大 高校也在进行着虚拟实验室的研究，代表性的成果有：美国斯坦福大学的远程光 学实验室，实验室向用户提供监听和控制功能、实验室的日程安排，参考资料和 分析工具，学生可以远程登陆该光学实验室做实验，利用n i i m a q 软件工具和 n ip c i - 1 4 0 8 图像采集卡还可以植入动态图像。美国伊利诺伊( 1 1 l i n o i s ) 大学的 n m r s c o p e 系统，通过i n t e r n e t 研究人员在任何地方都能使用伊利诺伊大学的仪 器，只要向该大学递交一个样品，经授权后就可以与服务器联机，然后自行填写 设置仪器参数和功能清单，点击屏幕上的按钮就可以进行实验，生成的图像会被 传回到研究人员的计算机屏幕上n5 1 。u t a hs t a t e 大学利用m a t l a b 与l a b v i e w 开 发了一系列的模块，并介绍了利用两种软件结合开发了在线电磁兼容课程u 引。 同时，其他国家也开展了虚拟实验室的研究。如加拿大达尔豪西大学的远程 激光实验室系统，工程学和自然科学的学生能随时随地登录虚拟的激光实验室作 激光实验n7 1 。德国r u h r 大学的虚拟自动化实验，是一个有关控制工程的学习系 统，它具有直观的三维实验场景视觉效果，通过各虚拟实验设备的仿真特性，实 现对虚拟实验的交互式操作；德国柏林大学的试验数学实验系统；还有德国的 h a g e n 大学“引。瑞典的b t h 远程实验室，文n 町中介绍了一个电路的测试实验，用 户可以通过切换继电器开关实现有限种电路，通过用g p i b 连接的虚拟仪器进行 测量，训练学生对各种仪器仪表的使用。 1 3 2 国内研究情况 与国外研究情况相比，国内的研究虽然起步比较晚，但随着这几年n i 公司 的大力推动，虚拟仪器技术在国内普及和应用速度不断加快，国内一些大学如清 华大学、西安交通大学、华北电力大学、复旦大学、上海交通大学、暨南大学、 华中科技大学等都成功的开设了虚拟仪器的相关课程并开发了一系列的虚拟仪 3 中山大学硕十学位论文第一章绪论 器用于教学实验，涉及到机电、物理、测量、电路、控制、信息等多门学科啪1 。 比较有代表性的是浙江大学自主研发的“电工电子网络试验室川2 ，目前网 络实验室已经初具规模，主要包括4 大类，1 1 组，近3 0 个具体实验。这4 大类 分别为控制类实验，电路类实验，电力电子类实验，电机控制类实验，所有实验 都基于真实物理对象，涵盖全部本科生和部分研究生教学研究相关实验。整个系 统采用双c s 架构，由客户端，服务器端，控制端三部分组成，允许多名用户， 多个实验同时进行，整个平台具有良好的可扩展性和安全性；大连理工大学的“远 程虚拟电子实验室川1 4 1 ，该系统是基于网络的交互式虚拟实验平台和远程实验室 环境，能够实现电工原理、模拟电路和数字电路总计2 0 个基础实验，此外还研 究了部分虚拟传感器实验，实验系统分为远程实验和仿真实验两大部分；西安交 通大学的“远程网络测控实验室 陋1 ，该系统共设计了2 2 个虚拟仪器，它们均是 组成一个完整测量系统的基本单元，分为简单虚拟仪器、信号分析类虚拟仪器、 数据处理类虚拟仪器、数据采集及信号记录类虚拟仪器和具有实测功能的虚拟仪 器5 类；清华大学基于虚拟仪器的电工教学实验系统，借助虚拟仪器开发工具和 数据采集卡设计了虚拟函数发生器、虚拟相量电压表、虚拟扫频仪和虚拟谐波分 析仪等仪器仪表啪1 ；武汉大学基于d c o m 技术的网络虚拟实验系统；华中科技大 学的基于网络的计算机硬件虚拟实验系统；华南理工大学；华北电力大学；电子 科技大学；中国科学技术大学；西安电子科技大学；湘潭大学；南京航天航空大 学等等。一些军事院校也开展了这方面的研究，如解放军信息工程大学；国防科 技大学等。此外，我国的香港p o l y t e c h n i c 大学，台湾n a t i o n a lt a i w a nn o r m a l 大学也丌展了这方面的工作。 值得注意的是，一些规模较小，条件困难，经费紧张的学校，也开始引进基于 虚拟仪器的实验室，很大程度上解决了实验经费短缺的问题。 1 3 3 研究现状总结 综上所述，我们可以看出，虚拟仪器实验室以其独特的优势在各个领域迅速 得到推广，目前存在的虚拟仪器实验室主要有以下特点： i ) 借助计算机的可视化技术，虚拟仪器技术的加入使得实验者对实验的掌 握程度也越来越逼近真实的实验。 2 ) 通过计算机互联网，易于实现网络化，突破了实验场地和时间的限制， 大大提高了设备使用率。 3 ) 灵活多样的模块化设计，通过不同的功能组合可以快速开发丰富的实验 内容，更能满足不断变化的实验需求，增强了实验室的灵活性。 4 ) 虚拟实验室的使用范围包括机电、物理、测量、电路、控制、信息等多 门学科，显示了强大的适用性和广泛的应用前景。 5 ) 借助于功能丰富的软件平台，降低了编程开发的难度，使得实验室人员 4 巾山大学硕士学位论文 第一章绪论 可以更专注于仪器功能的开发，同时也缩短了实验室建设周期。 6 ) 相对较低的建设费用，有利于解决实验经费短缺的问题。 但目前，虚拟仪器实验室的建设仍然存在着很多不足之处池1 。例如，大多数 虚拟仪器实验室都是演示型或验证型的，一些大型虚拟仪器实验室也是基于仿真 实现的，无法给实验者真实的实验感受。基于实际系统的虚拟仪器实验室也大多 是基于单个对象实现的，或者最多是基于一类对象的实现，没有全面系统的实现， 因此存在着重复开发，重用性差等问题。再有缺少一个综合的实验管理系统，用 户在进行实验时面对的是一个个分散的实验，而不是一个统一的实验室系统。 因此，开发一个大型、标准化、统一的综合虚拟实验系统有着重要的意义。 1 4 本课题研究的主要内容 从国内外研究情况中可以了解到随着虚拟仪器技术在国内普及和应用速度 不断加快，部分高校和实验室也构建了基于虚拟仪器技术的各类实验室，但总体 上与国外的发展状况相比，对虚拟仪器的应用和研究还未受到足够的重视，软硬 件的配套设施不足，缺乏系统化、理论化的设计开发理念，并且主要集中在化学、 电子设计方面，并没有涉及光学等其他学科，不能满足多学科综合应用的需要。 在本课题的论文中，先对构建虚拟实验室的相关技术进行了介绍，通过对比 分析，选择n i 公司的虚拟仪器工具l a b v i e w 8 2 2 z 作为构建虚拟实验室的软件开 发平台。然后针对光学虚拟仪器实验室的建设，结合l a b v i e w 虚拟仪器技术网络 化、智能化、多样化、模块化的优势口4 1 ，通过远程教学实验、仪器功能定制、光 学仪器设计三方面，阐述了基于l a b v i e w 虚拟仪器技术的光学实验室的实现技 术、设计思想和总体结构。在下面的章节当中将针对图中的结构框架( 如图2 1 ) ， 对建设虚拟仪器光学实验室所需的软硬件配置进行介绍： ( 1 ) 远程实验教学系统：提出了设计远程实验服务器端和客户端软件的通 用模式和编程方法。在具体应用中设计了l a b v i e w 远程管理共享系统，实现了实 验过程中资源分配、实时监控、维护管理等功能，并结合虚拟滤波器和l e d 远程 测量系统的应用实例加以阐述。 ( 2 ) 仪器功能定制：分析了在仪器功能定制时常用的编程模块和设计流程。 具体实例中，对k e i t h l e y 公司生产的2 4 0 0 型号高精度电源电表进行了功能改造， 在数据采集、显示和存储方面进行了较大优化。 ( 3 ) 光学仪器设计：总结了一套针对光学仪器设计的虚拟仪器开发流程， 并设计了硬件开发、通讯接口协议、软件编程中的模块化技术。在具体应用中介 绍了偏振态实时检测系统的研发和设计过程。 最后，论文对一些尚未完成的部分提出了基本设想和实现方案，并就功能和 技术做出了进一步的展望，为今后系统地、大规模地建设基于虚拟仪器的光学实 验室奠定了研究基础。 中山大学硕士学位论文第二章虚拟仪器光学实验室的构建和技术实现 第二章虚拟仪器光学实验室的构建和技术实现 2 1 虚拟仪器光学实验室的构建方案 传统实验室的建设主要实现三大方面的功能，分别是教学实验、测量测试以 及仪器开发和设计。而本文设计的新模式的光学实验室将结合虚拟仪器技术网络 化、智能化、多样化、模块化的优势，从上述三大方面对传统实验室的的建设进 行了改造和升级，其构建方案如图2 - 1 。 图2 一l 虚拟仪器光学实验窒结构框架 远程实验教学系统：将虚拟仪器和网络技术相结合，突破了传统实验教学模 式中实验场地和时间的限制，解决了实验设备不足和学生人数不断增加之间的矛 盾，可以帮助参与实验的学生、工程技术人员、科学研究工作者掌握设计虚拟仪 器的技能，不受时空的限制，随时随地进行实验，共享仪器设备、数据和计算资 源等。 功能定制：通过虚拟仪器的仪器驱动程序模块，对各类测量测试设备进行功 能扩展和改造，充分利用现有仪器设备资源，节省经费开资和提高自动化测量的 6 中山大学硕士学位论文第二章虚拟仪器光学实验室的构建和技术实现 程度，有利于搭建多种设备的统一管理系统，增加了使用设备的灵活性以及适应 不同测量测试需要的能力。 光学仪器设计：综合应用虚拟仪器的软硬件资源，构建光学实验室科研技术 成果转化的平台。在建设过程中，不断积累虚拟仪器在光电测量仪器丌发和应用 中硬件支持、通讯接口协议、软件编程等方面的设计技术，从而缩短研发周期和 提高设计过程中的模块化程度，加快实现实验室的光机电一体化的进程。 2 2 虚拟仪器的软硬件结构体系 虚拟仪器的基本结构体系如表2 - 1 所示，虚拟仪器主要由两大部分构成口1 ， 即软件和硬件。其中软件又分为三部分：软件丌发环境是虚拟仪器的核心，通过 它才能充分利用计算机的软件和硬件资源，实现仪器的“虚拟化 ；仪器驱动程 序主要是由模块化仪器厂家提供，但是用户也可以根据实际需要进行二次开发； 测试应用软件由用户自行开发设计。硬件也分为两大部分：计算机硬件平台和基 于各种总线的模块化仪器。 表2 一l 虚拟仪器的基本结构体系 虚拟仪器测试应用程序 软件平台 虚拟仪器软佴：开发环境( l a b v i e w 、v e e ) 仪器驱动程序( v i s a ) 1 ) 插卡式数据采集 ( d a q ) 2 ) g p i b 通j f j 接口总线仪器 硬件平台 计算机硬件3 ) v x i 总线模块化仪器 4 ) p x i 总线模块化仪器 5 ) 串口及u s b 总线仪器 2 2 1 虚拟仪器的硬件平台 虚拟仪器的硬件主要分为两部分：数据采集部分和数据分析显示部分。其中 信号采集板完成对输入测量对象的调理、采集、缓存，并通过计算机总线送入内 存；计算机在应用程序控制下，对接收到的数据进行处理、运算，最后通过显示 器上用图形或数据形式显示测量结果，这一切均可在人机交互方式下完成。数据 采集部分主要是各种数据采集和仪器控制硬件。根据它们和计算机的不同通讯方 式可以有以下分类。 1 ) 插卡式数据采集卡( d a t aa c q u i s i t i o n ，d a q ) 嗌1 d a q 数据采集系统是指基于p c 计算机标准总线( 如i s a 、p c i 、u s b 等) 的数 据采集功能模块。它充分利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩 展性。利用d a q 可方便快速地组建基于计算机的仪器，实现“一机多型”和“一 机多用”。在性能上，随着a d 转换技术、信号调理技术的迅速发展，d a q 的采 7 中山大学硕士学位论文第二章虚拟仪器光学实验室的构建和技术实现 样速率已达到g b s ，精度可高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结合数字 i o 、计数器、定时器等通道。各种性能和功能的d a q 功能模块可供选择使用， 如示波器、数字万用表、串行数据分析仪、动态信号分析仪、任意波形发生器等。 在p c 计算机上挂接d a q 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干 功能的p c 仪器。这种基于计算机的仪器，既可享用p c 机固有的智能资源，具有 高档仪器的测量品质，又能满足测量需求的多样性。对大多数用户来说，这种方 案实用性强，应用广泛，且具有很高的性能价格比。 2 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线心羽 这种接口总线是计算机和仪器间的标准通信协议。g p i b 的硬件规格和软件 协议己纳入国际工业标准i e e e 4 8 8 1 和i e e 4 8 8 2 ，它是最早的仪器总线，目前 多数仪器都配置了遵循i e e e 4 8 8 的g p i b 接口。典型的g p i b 测试系统包括一台计 算机、块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器。每台g p i b 仪器有单独的地址，由 计算机控制操作，系统中的仪器增加、减少或更换时，只需对计算机的控制软件 作相应改动。在价格上，g p i b 仪器有从比较便宜的到异常昂贵的仪器。但是g p i b 的数据传输速度较低，一般低于5 0 0 k b s ，不适合对系统速度要求较高的应用， 因此在应用上受到了一定程度的限制。 3 ) v x i ( v m eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t ) 总线1 v x i 总线系统是v m e 总线在仪器领域的扩展，它是在1 9 8 7 年v m e 总线、 e u r o c a r d 标准( 机械结构标准) 和i e e 4 8 8 标准等的基础上，由主要仪器制造商共 同制订的开放性仪器总线标准。v x i 系统可包含2 5 6 个装置，由主机箱、零槽控 制器、多种功能的模块仪器、驱动软件和系统应用软件等组成。系统中各功能模 块可随意更换，即插即用( p l u ga n dp l a y ) 组成新系统。目前国际上有两个v x i 总线组织，其一为v x i 联盟，负责制订v x l 的硬件( 仪器级) 标准规范，包括机箱 背板总线、电源分布、冷却系统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、 电磁兼容性以及系统资源管理和通信规程等内容；其二为v x i 总线即插即用( v x i p l u ga n dp l a y ，v p p ) 系统联盟，宗旨是通过制订一系列v x i 的软件( 系统级) 标准来提供一个开放性的系统结构，真正实现v x i 总线产品的“即插即用 。这 两套标准组成了v x i 标准体系，实现了v x i 的模块化、系列化、通用化以及v x i 仪器的互换性和互操作性。 4 ) p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线晗副 p x i 是一种由n i 公司发布的基于p c 的测量和自动化平台。制订p x i 规范的 目的是为了将台式p c 的性能价格比优势与p c i 总线面向仪器领域的必要扩展完 美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。因此，p x i 继承了p c i 的电 气信号，使得p x i 拥有如p c ib u s 的极高传输数据的能力，因此能够有高达 1 3 2 m b y t e s 到5 2 8 m b y t e s 的传输性能，而且在软件上是完全兼容的。这使它成 8 中山大学硕士学位论文第二章虚拟仪器光学实验室的构建和技术实现 为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。这些系统可用于诸如制造测试、 军事和航空、机器监控、汽车生产及工业测试等各种领域中。 5 ) 串口及u s b 总线啪1 串口叫做串行接口，也称串行通信接口，按电气标准及协议来分包括 r s - 2 3 2 - c 、r s - 4 2 2 、r s 4 8 5 、u s b 等。与前面介绍的内部总线标准不同，串口及 u s b 是外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯，符合这类标准的 硬件其最大的特点是既可以与台式机通讯、又可以与笔记本电脑相连接。同时 u s b 硬件的热插拔更是其新颖之处。 串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议，大多数计算机包含两个基于 r s 2 3 2 的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多g p i b 兼容的 设备也带有r s 一2 3 2 口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数 据。其传输速率( 波特率) 与传输距离成反比，国际上规定了一个标准波特率系 列：l1 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、 1 8 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 4 4 k b p s 、1 9 2 k b p s 、 2 8 8 k b p s 、3 3 6 k b p s 、5 6 k b p s 。例如：波特率为9 6 0 0 b p s 是指每秒传送9 6 0 0 个数 据位，包含字符的数位和其它必须的数位，如奇偶校验位等大多数串行接口电路 的接收波特率和发送波特率可以分别设置，但接收方的接收波特率必须与发送方 的发送波特率相同 u s b 接口和规范为数据采集设备仪器与计算机之间的连接提供了一个简单 易用的方案，其主要特点是更快的速率( u s b l 1 是1 2 m b p s ，u s b 2 0 是 4 8 0 m b p s ，u s b 3 0 是5 g b p s ) 、热插拔功能、内嵌式操作系统配置，以及多点布线 技术等。采用u s b 总线的d a q 仪器具有很多优点，如安装、携带方便；不容易受 机箱内环境环境的干扰；不受计算机插槽数量、地址、中断自由限制；可扩展性 好；在一些电磁干扰较强的测试现场，可以专门对其进行电磁屏蔽，避免采集的 数据失真。另一方面，测量和控制系统通常要求有相应事件的能力。u s b 协议可 确保具备必要同步带宽的设备在每帧都有预定数量的数据包，允许设备生成异步 事件。异步传输应用包括发送控制信息和改变设备参数。u s b 协议可确保异步精 确传送，且带有紧急信息的设备可优先于其他所有设备。 在建设虚拟仪器实验室的时候，为了实现集中式管理，利用一台计算机同 时管理和运行多个实验设备，而且考虑开发成本和传输速率的要求，本文的实 验采用的是串口及u s b 总线。 2 2 2 虚拟仪器的软件平台 软件是虚拟仪器的关键，通过编制软件可以在有限的设备基础上实现虚拟 仪器的各种自定义功能，因此美国n i 公司提出“软件即是仪器力的概念。虚拟 仪器的软件系统主要由仪器驱动程序、软件开发环境和测试应用程序三部分组 成，其组织架构如图2 2 。 9 中山大学硕+ 学位论文第二章虚拟仪器光学实验室的构建和技术实现 虚拟仪器应用软件开发环境 通用软件专业软件 v i s u a lc 抖，v i s u a lb a s i c ，j a ，a l a b v i e w , v e e ， 等 l a b w i n d o w s c oo 介介介n ! v - 卫义一v - - 固园圃回固；匾丝l ! 图2 - 2 虚拟仪器软件系统的组织结构图 ( 一) 仪器驱动程序 在2 2 1 虚拟仪器的硬件中对多个接口总线( d a q 、g p i b 、v x i 、p x i 、串口) 进行了介绍，但是要利用计算机对仪器进行功能开发和改造，在程序编程上就必 须符合一定的协议规范，这种协议和规范一般就称为仪器驱动程序。 计算机与仪器进行通信的方式有两种嘲：一种是基于寄存器的通信方式，另 一种是基于消息的通信方式。具体采用哪种方式由仪器本身决定。p x i 和很多v x i 仪器都采用寄存器的通信方式，使用这种方式可以在一个较低层次直接对仪器的 控制寄存器读写二进制信息。g p i b 、串口、u s b 和一些v x i 仪器都使用基于消息 的通信格式，对这些仪器发送的命令和返回的数据都是高层次的a s c i i 字符串， 仪器本身具有处理器负责解析字符串命令和发送字符串数据。s c p i 就是一种标 准的可编程仪器命令集。若直接通过底层的通信方式与仪器通信，用户必须知道 寄存器的配置或是消息的具体格式，这就无谓地加大了用户开发系统的工作量， 仪器驱动的目的就是解决这个问题。 在实验室应用虚拟仪器技术对仪器设备进行功能定制的时候，根据所使用的 仪器驱动程序的规范性和标准化程度区分，主要有两种仪器设备：第一种是专用 驱动程序，此驱动程序只适用于由该厂家提供的仪器设备。目前，国内厂家的产 品大多使用此类通讯协议，主要原因是不必要遵循严格的编程规则，设计灵活性 高，从而降低了开发周期和开发成本，如p h o t 0 2 0 0 0 j 和w y 3 0 5 ( 见第三章) ；第 l o 巾山大学碗学位论文第= 章虚拟仅光学实验室的构建和技术实现 二种是标准驱动程序，一般由国际性的标准组织( 如i e e e ) 、联盟( 如i v i 和s c p ) 制定。通过提供方便编程的高层次模块化库，用户不再需要学习复杂的可能只是 某个仪器用的通讯协议。而且，对于l 司类的仪器，仪器驱动程序具￥i 通丌 的结 构和a p i ，减少了重复编程的麻烦，如第四市中介绍的s c p i 驱动程序。 目23 巾口( v i 鼬) * 榄* 表22 牛1 7 埘讯带v i s a 节点功能拒 节点名称目杯地端口土婴功能 s 堀置$ 口 【y i s c o n f l 口_ es e t i l lp o t t 】 训婧化、酣谢申1 1 。 - 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