（信号与信息处理专业论文）基于web虚拟仪器远程测控系统.pdf

摘要 随着i n t e m e t 的发展，虚拟仪器也开始向着网络化方向发展。基于w e b 的虚拟仪器 是实现网络化远程测控、构建虚拟仪器测控网络的应用之一。这种以浏览器与服务器为 结构的虚拟仪器技术，不仅使测试系统大为扩展，数据采集、处理、传输和存储统一化， 而且在很大程度上降低了测试成本，提高了测试效率。本文运用n e t 技术，结合 l a b v i e w 开发环境，构建了一个基于w e b 的虚拟仪器测试网络，在浏览器中操作下实 现信号测量、数据存储、以及波形显示等。其中实现基于w e b 远程虚拟仪器控制是本 文的重点。 本文首先论述了虚拟仪器的特点、国内外发展现状、以及虚拟仪器网络化的概念。 其次分析了l a b v i e w 下的远程面板的实现原理，指出其过多的冗余数据是影响网络传 输实时性的主要原因，从而提出了种基于w e b 编程的方法，采用动态数据交换技术， 实现了仅刷新变化的数据部分，最后分析如何继续改进在远程测控的性能和方法。 关键词：虚拟仪器，l a bv i e w ，w e b ，n e t ，d d e ，d l l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e t ，v i r t u a li n s t r u m e n t sb e g a nt ob ei n t e r n e t o r i e n t e d w e b b a s e dv i r t u a li n s t r u m e n ti so n eo ft h ea p p l i c a t i o n so fr e a l i z i n gr e m o t em o n i t o r i n g n e t w o r k i n g a n db u i l d i n gam o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r ko fv i r t u a li n s t r u m e n t s b r o w s e r - a n d s e r v e r b a s e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yn o to n l ye x p a n d st e s ts y s t e m ，u n i f i e s d a t ac o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n g ，t r a n s m i s s i o na n ds t o r a g e ，r e d u c e st h et e s tc o s tb u ta l s o c o n s i d e r a b l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h et e s t t h i sp a p e ru t i l i z i n g n e tt e c h n o l o g i e s ， u n d e rl a b v i e wd e v e l o p m e n t a le n v i r o n m e n t ，b u i l d sat e s tn e t w o r ko fw e b b a s e dv i r t u a l i n s t r u m e n t ，w h i c hr e a l i z e ss i g n a lm e a s u r e m e n t ，d a t as t o r a g ea n dw a v e f o r md i s p l a yu n d e rt h e b r o w s e r t h ew e b b a s e dr e m o t ec o n t r o lo fv i r t u a li n s t r u m e n t si st h ef o c u so ft h i st h e s i s f i r s t l yt h et h e s i sd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fv i r t u a li n s t r u m e n t s ，t h ed e v e l o p m e n to f t h es t a t u sq u oa th o m ea n da b r o a da n dt h ec o n c e p to fv i r t u a li n s t r u m e n tn e t w o r k i n g s e c o n d l y ， i ta n a l y z e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so fl a b v i e w b a s e dr e m o t ep a n e la n dp o i n t so u tt h a ti t s r e d u n d a n td a t ai st h em a i nr e a s o no fi n t e r v e n i n gr e a l - t i m en e t w o r kt r a n s m i s s i o n t h i r d l yt h e p a p e r ，t h e r e f o r e ，p r o p o s e sa w e b b a s e dp r o g r a m m i n ga p p r o a c h ，u s i n gd y n a m i cd a t ae x c h a n g e t e c h n o l o g yt or e f r e s ho n l yt h ed i f f e r e n c e si nt h ed a t as e t f i n a l l y ，t h i st h e s i sd i s c u s s e sh o wt o i m p r o v et h er e m o t er e a l t i m ep e r f o r m a n c eo ft h ea p p r o a c h i nq u e s t i o na n dc o n t i n u o u s i m p r o v e m e n t st oi t k e y w o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ，l a b v l e w ，w e b ，n e t ，d d e ，d l l i i i 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许 论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：垒型垡指导教师签名：学位论文作者签名：二塑垒量指导教师签名： a 矿夕年占月? 2 日加a 夕年多月哆e l 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = c 巴 思。 学位论文作者签名：名攀d 每 口pp 年厶月二灵日 西北大学硕士学位论文 第一章绪论 随着计算机技术和微电子技术飞速发展，仪器与计算机深层次的结合下引起仪器领 域罩一场新的变革【卜3 1 ，一种全新的仪器结构概念虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简 称v d 应运而生，同时n i ( 美国国家仪器有限公司n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 倡导“软件 就是仪器”1 4 j 的概念把仪器带入新的发展阶段。虚拟仪器是仪器发展史上的一场革命， 代表着仪器发展的最新方向和潮流，它的出现使得仪器技术进入一个新的发展阶段。 由于虚拟仪器技术的先进性，优越性和广阔的发展前景，既n i 公司之后，不少国 际知名的厂商，如美国的h p 公司、t e k t r o n i x 、r a c a l 公司、p c 仪器公司也加入到虚 拟仪器技术软硬件产品开发的行列。虚拟仪器技术已经逐步成熟，远程测控和实时性成 为热门话题。国内外许多公司、企业和研究所正致力于研究基于b s 结构的多用户操 作的实时性更高的分布式远程测控系统【5 8 】。国内专家预测，未来的几年里，我国将有 5 0 的仪器为虚拟仪器。这也必将推动基于w e b 浏览器的b s 结构的虚拟仪器得到更快、 更大的发展。 近年来w 曲技术得到前所未有的发展，自从微软公司把i n t e r n e te x p l o r e r 捆绑到 w i n d o w s 操作系统中后，各大公司也已经看到了其广阔的应用前景，纷纷推出性能优异 的浏览器，像m o z i l l a 公司的f i r e f o x 、o p e r a 公司的o p e r a 、苹果公司的s a f a r i 、g o o g l e 公司的c h r o m e ，特别值得一提的是国产的傲游浏览器( m a x t h o nb r o w s e r ) ，目前下载量已 接近七千万，在世界上2 0 0 多个国家拥有超过千万的用户，支持2 0 多种语言。可见 w e b 浏览器已经变成用户最经常使用的客户端程序。全球资讯网己成为全球最大的连结 文件网络文库，网页设计者便可以把图像、动画、视频、声音和流媒体包含在网页中， 让人们通过w e b 浏览器获取它们。利用w e b 技术扩展虚拟仪器应用范围【9 - 1 3 1 ，将使虚拟 仪器技术得到更充分的发挥。 1 1 研究内容与重要意义 虚拟仪器作为新一代仪器仪表，将计算机资源与仪器硬件、数字信号处理技术结合， 用户可以根据自己的实验需求设计所需要的虚拟仪器系统，利用一种或多种功能的通用 模块，调用不同功能的软件模块，实现不同的虚拟仪器功能1 1 4 】。在虚拟仪器中，计算机 成为仪器的一部分，使得计算机的功能可以得到充分发挥。 当今，随着计算机网络技术的迅速发展，一个大的复杂的测试系统往往是系统的测 第一章绪论 量、输入、输出、结果分析分布在不同的地理位置1 1 5 。16 1 ，仅用一台计算机并不能胜任测 试任务，需要由分布在不同地理位置的若干计算机共同完成整个测试任务。利用网络技 术将分散在不同地理位置、不同功能的测试设备联系在一起。一台计算机采集到的数据 可以被传输到另一台处理分析机上进行处理分析，所得结果可被执行机构、设计师查询 使用，使数据采集、传输、处理分析成为统一体，容易实现实时采集、实时监测。重要 的数据实行多机备份，提高了系统的可靠性。对于有些危险的、环境恶劣的不适合人员 现场操作的数据采集工作可实行远程采集，将采集的数据放在服务器中供用户使用，使 工作人员的工作环境得到改善。 基于w e b 的虚拟仪器技术结合了虚拟仪器技术与网络技术，不仅使单机测量转为 网络化测量，而且将结构拓展为b s 结构。这一方面使得编写程序代码仅须考虑服务器， 数据接口变成了统一标准；另一方面使实验、分析工作不仅仅拘泥在实验内完成，从而 革新工程师的工作方式。构建基于w e b 虚拟仪器技术是虚拟仪器一个新发展方向【1 7 1 阱， 也是当今虚拟仪器的一个研究热点，随着w e b 技术的引入虚拟仪器技术也将发展到一 个新的高度。 正是基于上述目的，本论文对基于w e b 的虚拟仪器系统进行了较为深入的研究， 所包含内容如下： ( 1 ) 提出一种基于w e b 编程的虚拟仪器远程测控方案； ( 2 ) 组建了基于w e b 虚拟仪器采样程序的远程测控系统。 我国正处于改革开放与科学研究的发展期，社会资源与科研经费相对不足，因此有 必要积极消化和吸收先进的虚拟仪器技术，一方面采用“以软代硬 方法缓解仪器不足 矛盾：另一方通过w e b 的远程测控技术提高仪器利用率，更好的为我国高校教学和科 学研究服务。我国在这方面的研究工作还远远落后于国外先进国家，因此有必要在引进 国外先进虚拟技术的同时，加快基于w e b 虚拟仪器技术和方法研究，借此提高仪器资 源利用率，提高虚拟仪器利用率，尽快缩短与国外的差距。w e b 虚拟仪器有着巨大的优 越性和光明的前景，也必将为我国现代化建设提供更好的服务。 本课题就是在这大的背景下，研究开发基于w e b 虚拟仪器的远程测控系统，具有 以下两方面的积极意义： 1 设计开发l a b v i e w + n e t + j a v a s c r i p t 的三种技术融合的w e b 虚拟仪器远程控制系 统，给基于w e b 虚拟仪器的远程测控系统提供一个新的办法。 2 开发创建了可复用的j a v a s c r i p t 客户端控件，为以后快速开发打下了很好的基础。 2 两北人学硕l ：学位论文 1 2 基于w e b 虚拟仪器远程测控系统设计结构 w e b 虚拟仪器总体设计框架( 如图1 1 所示) ，虚拟仪器的采集数据、存储采样数据、 与n e t 的实时通信和n e t 调用存储采样数据都是在服务器端进行( 如图1 2 所示) 。服务 器端将采样数值通过网络平台传递给客户端【t 9 - 2 0 1 ，再j a v a s c r i p t 把采样值绘制成波形 图，通过浏览器展示给用户，用户通过观察波形图，进一步控制虚拟仪器。 服务器，客户端 客户端 7 3 号机 4 号机 。7 7 7 服务器端 图1 2w e b 虚拟仪器服务器的设计框架 第一章绪论 为使其它外部程序更方便调用采样数据，不仅设计将采样值存储成t d m s ( 一种数 据流文件) 格式文件，而且也设计将其存储在s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库中，这样就能 根据需求读取采样数据，变得更加灵活、贴切实际需求。 1 3 论文的结构安排 本论文的后面章节内容安排如下： 第二章，设计丌发“正弦函数发生程序”，并以此程序为例测试l a b v i e ww e b 服 务远程测控，结合工作原理提出基于w e b 浏览器的l a b v i e w 远程测控改进方案。 第三章，研究l a b v i e w 与外部程序接口，存储f 弦函数发生程序的波形采样值： 研究l a b v i e w 几种实时通讯方式，确定用d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 与n e t 实 现动态数据交换，并设计开发l a b v i e wd d e 服务器端程序。 第四章，设计开发“w e b 虚拟仪器远程测控系统”框架，并通过d d e 实现服务端 与客户端数据实时通信，并设计开发n e td d e 客户端程序。 第五章， 编写j a v a s c r i p t 客户端程序，将获取的采样值绘制成波形图，并展示在 i e 浏览器上；开发客户端控件，实时远程控制正弦发生程序。 最后，对整体工作进行总结与展望，指出其中的不足与今后研究的展望。 4 两北大学硕士学位论文 第二章l a b v i e w 的w e b 服务 仪器设备的计算机化和网络化是现代仪器技术发展的必然趋势，l a b v i e ww e b 服 务器实现基于w e b 的网络化虚拟仪器远程测控，使仪器资源在计算机网络平台上实现共 享【2 1 2 2 l 。但是受l a b v i e ww e b 服务器的功能和带宽的限制，在现场应用时出现控制页面 的延迟和图像停顿问题。通过分析l a b v i e w 提供的w e b 服务器工作原理，提出了基于 w e b 虚拟仪器远程改进方案。 2 1l a bv i e w 平台简介 1 9 8 6 年n l 推出的l a b v i e w 编程语言，它致力于简化工程师在构建自动化系统 过程中的各个环节，大大降低了开发远程测控系统的难度，提高了工程师的效率。 工程师可以在一台普通p c 上搭建远程测控系统，在前面板中设计自定义的操作界 面，在程序框图中定制采集与分析功能。软件在整个系统中占有了举足轻重的地位，成 为虚拟仪器的核心。 从l a b v i e w 6 1 版本以后，网络功能的加入，使网络化的测量成为了现实，不但能 为用户带来广泛的灵活性和可扩展性，而且还可以实现成本上的节约。 2 1 1l a b e w 语言特点 l a b v i e w 是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。与其他基于 文本的程序设计语言相比，l a b v i e w 具有如下特点： ( 1 ) 直观、易学易用 l a b v i e w 也叫g 语言，与v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等文本编程语言相比，g 语 言编程环境更适合硬件工程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习、理解和 使用。因为其代码表示形式如同电路中的元件一样，数据的流动就像电路中的电流一样 流动，效果非常直观。 ( 2 ) 通用编程系统 l a b v i e w 的功能并没有因图形化编程而受到限制，依然具有通用编程系统的特点。 l a b v i e w 有一个可完成任何编程任务的庞大的函数库。该函数库包括数据采集、g p i b 、 串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等。还可以加载比如机器视觉、小波分析模 块以扩充l a b v i e w 的功能。 5 第= 章l 丑b v l e w 的w e b 服务 l a b v i e w 也有传统的程序调试工具如设置断点、单步执行、还可以动画方式显 示数据及其通过程序的结果，便于程序的调试。l a b v i e w 的动态连续跟踪方式，可以 连续、动态地观察程序中的数据及其变化情况，比其他语言的开发环境更方便、更有效。 ( 3 ) 模块化 l a b v i e w 还有一个特点是模块化，体现在两个方面。首先，l a b v i e w 中使用的基 本节点和函数等就是一个小的模块，可以直接使用；另外，由l a b v l e w 编写的程序一 即虚拟仪器模块( v i r t r u a li n s t r u m e n t ，v i ) ，除了作为独立程序运行外，还可作为另一个 虚拟仪器模块的子模块( 即子v i ) 供其他模块程序使用。 ( 4 ) 并行特性 现代多棱处理器技术使得l a b v i e w 成为一种更适合的编程工具，因为它有着并行 化表达和执行任务的能力。l a b v i e w 的数据流特性使得连线中存在着分支，或者是框 图中存在并行序列，l a b v i e w 会并行的执行程序。 从单核到双核计算机，理论上讲，获得的性能应该是原来的两倍。但是，与这个极 限接近的程度取决于用户应用程序运行的并行化程度。l a b v i e w 程序员们可以很方便 的以并行方式来表示他们的解决方案。对于普通的l a b v i e w 应用程序而占，如果不考 虑多桉心编程技术，在不改写代码的情况下，与最初的程序相比，可以获得2 5 n3 5 的性能提升，这都是l a b v e w 程序所具有的并行特性。 2 1 2 l a b v i e w 设计开发“正弦函数发牛程序” 首先，在单机上设计一个“_ 下弦函数发生程序”( 如图21 所示) ，它可以将正弦函 数波形显示到前面板上，并通过“频率”、“l 隔度”控件控制正弦函数发生程序。 “# 一。一* j频率值 蛔率 谊形国& i 。回一一_ j ； _! ! 幅度值i 瞳兰里里凰 幽2 1 j e 值甬数发，上程序 在该程序中有一个正弦函数发生函数( 如图2 2 所示) ，两个数值输入控件“频率” 和“幅度”，两个数值显示控件“频率值”和“幅度值”，一个图形显示控件“波形图表”， n 北 半顾 学位论女 一个毫秒倍数输入端用于指定程序运行的时间间隔，最后在外部加w h i l e 循环，重复执 行内部的子程序。 俯学星 重置信号 颤辜 幅值 相位 错误辅 ( 无堵误) 来样信且 信号输出 错误输出 圈2 2 正弦发生函数 正弦发生幽数： 如y 序列表示正弦波，则该程序根据下列等式生成波形。 y i 】- a m pxs i n ( p h a s e i ) ，卜0 ，1 ，2 ，h 一1 ， 其中，a m p = 幅值，h = 采样数( # s ) 相位 i 为 初始相位+ 频率x3 6 0 0 x i f s 如重置信号为t r u e ，相位将设置输入信号的初始相位。如重胃信号为f a l s e ，则 v i 将忽略相位。 频率是波形频率，以赫兹为单位。默认值为1 0 。 幅值是波形的幅值。幅值也是峰值电压。默认值为10 。 信号输出是生成的波形。 其次，运行程序，在前面版中观测到正弦函数波形( 如图2 3 所示) ，图中纵坐标显 示幅度横坐标显示时f b j ，时间刻度为秒。 正弦西披发生理序 q $ * # w 目 c 唧d 日【3 1 三| 13自0i 曼旦一 * 鼻- _ 烹施 o2601 0 一 圈2 3 运行中的“正弦甬数发生程序”前面板 第一二章l a b v i e w 的w e b 服务 2 2l a b v i e w 的w e b 服务 l a b v i e ww e b 服务可以将i a b v i e w 前面板发布到网页上，这样操作人员通过w e b 浏览器在网络上实时测控l a b v i e w 前面板。l a b v i e w 的w e b 服务提供给操作人员一 个新的工作方式，并且把虚拟仪器应用推广整个i n t e m e t 网络【2 3 】，使虚拟仪器的应用不 在拘泥在单台计算机上。 2 2 1l a h v i e ww e b 服务器设置 使用前要配置l a b v i e ww e b 服务器，按照下列步骤，启用并配置w e b 服务器： ( 1 ) 选择工具选项，打开选项对话框。 ( 2 ) 从选项对话框的类别列表中选择w e b 服务器：配置。 ( 3 ) 勾选启用w e b 服务器复选框。 ( 4 ) 如需控制浏览器访问前面板，或控制哪些v i 在w e b 上可见，则应配置w e b 服务器为浏览器访问和可见v i 选项。 ( 5 ) 单击确定按钮，关闭选项对话框并保存改动。 也可在创建的应用程序中启用和配置w e b 服务器，也可使用w e b 服务器属性，通 过编程方式启用和配置w e b 服务器。 2 2 2l a b v i e w 的w e b 发布的三种方式 l a b v i e ww e b 服务可生成h t m l 文档并嵌入前面板静态或动态图像，以便客户端 计算机远程查看和控制前面板。还可将前面板的静态图像嵌入现有h t m l 文档。在 l a b v i e w 程序与生成h t m l 文件实现动态数据交换，从而实现虚拟仪器的远程测控。 l a b v i e w 的w e b 服务器可按一下三种方式【1 4 】之一发布l a b v i e w 程序： “s n a p s h o t ”：快照方式，v i 前面板的静态图形。 “m o n i t o r ”：监视器方式，可以配置为每n 秒钟自动刷新v i 前面板图像。 “e n b e d d e d ”：嵌入方式，该选项使用嵌入式i e 浏览器实时显示v i 并允许用户控 制v i 。 在这三种方式中“快照方式”能获取l a b v i e w 前面板一张静态图形。“监视器方式” 和“嵌入方式 都可连续获取l a b v i e w 前面板图形，不同的是“监视器方式 在客户 端通过l a b v i e w 前面板显示服务器端前面板图形，而“嵌入方式 在客户端是通过w e b 浏览器显示服务器端前面板图形。 8 啊北 # q l | 论空 2 2 3l a b v i e ww e b 服务的“正弦函数发生程序”发布 在“正弦函数发生程序”前面板中选择“工具”“w e b 发布工具”，在弹卅的 w e b 发布工具对话框中选择“嵌入”，在v 1 名称中选择“证弦函数发生程序”，点击“下 步”，设置“文档标题”、“页眉”和“页脚”，点击“下步”，设置h t m 立件名，并 设置保存位置，之后点击“保存至磁盘”。这时就完成l a b v i e w w e b 发布。 蟹堑塑塑* ! 艘! w 唑! 燮型! l 三旦! ! 塑 o 咖l 1 【叫删j 脚x “， h t _ o 啦目螂n 啊- q 精f m0 吲- o * _ 。磬” 。“e i 目e # q ，自o ，i t 。 ：基于w e b 虚拟仪器远程监控 。e e 自# # 4 # b 图2 4l a b v i e w w e b 服务发布“正弦函数发生嚣前面板” 地址栏吧：1 9 21 6 817 6 ：8 l f e i h u 0 0 7 l a b v i e w ( i e ) s i n eh t m l 1 9 2 1 6 8 17 6服务器i p 地址 引labvieww e b 服务器的通信端口 f e i h u 0 0 7 l a b v i e w ( i e ) s i n eh t m l “j 下弦函数波形采样程序”的网页存放地址 启动l a b v i e w w e b 服务器，在局域网内任意台f u 腑中扣丌i e 浏览器，并在地址 栏输入：1 9 2 1 6 8 17 6 ：8 1 f e i h u 0 0 7 la b v l e w ( i e ) s i n eh t m i 打外测拧贝【f 【( 如图2 4 所不) 。 本文设计的v i 使h jl a b v i e w 85 版本允许w e b 用户在浏览器 通过右击网兜上 v i 罔几在弹出的菜单中选择“请求v i 控制权”来获得控制服务器端的v i 但此时 第二章l a b v i e w 的w e b 服务 l a b v i e w 环境的v i 前面板失去控制能力，即同一时刻浏览器端和服务器端只允许其中 一端控制前面板。同样在浏览器中右击v i 图片选择“释放v i 控制权释放控制功能， 也可在l a b v i e w 环境的v i 前面板中右击，选择“重新控制”重新获得控制权。另外，要 使异地浏览器不能控制前面板，则可以先在l a b v i e w 前面板中右击，弹出菜单，选中“锁 定控制”来锁住前面板控制权，从而使得浏览器无法获得控制权。选择“解锁控制”可释 放控制权。在使用l a b v i e ww e b 时要考虑被发布的v i 前面板大小。“w e b 服务器 创 建大的图像可能需要较长时间，会使v i 的执行速度变慢。将大的图像传输到浏览器还 会占用大量的时间，在用较慢的调制解调器连接时尤为明显。因此，发布前应考虑前面 板的大小是否适合发布。 2 3l a b v i e ww e b 发布的不足及解决方案 l a b v i e ww e b 服务将虚拟仪器技术推广到i n t e m e t 网上，使虚拟仪器技术拥有更 大应用范围，同时也提高虚拟仪器使用效率。但是在现场应用时实时性不好。 2 3 1 实验测试l a b v i e ww e b 服务 在上节建立远程发布“正弦函数波形采样程序”的基础上，在实验室搭建局域网实 时测试l a b v i e ww e b 服务远程控制，表l 。1 、表1 2 、表l - 3 为实验所用设备。 实验办法：通过交换机连接服务器端电脑和客户端电脑，测试l a b v i e ww e b 服务 远程测控效果和数据传输量。 测试工具：e t h e r e a l 是当前较为流行的一种计算机网络调试和数据包嗅探软件。通 过e t h e r e a l ，可以查看到网络中发送的所有通信流量。e t h e r e a l 主要特征，在实时时间 内，从现在网络连接处捕获数据，或者从被捕获文件处读取数据，并统计数据传输量。 实验报告：在2 0 次实验每次1 分钟罩，得出实验平均数据。 ( 1 ) 启动服务器端“j 下弦函数发生程序”，客户端i e 浏览器打开实时测控前面板， 网页中前面板显示会延迟1 9 秒左右： ( 2 ) 在实验过程中，调整i e 浏览器罩的“调幅”、“调频”值，客户端波形图会静 止1 至3 秒，之后又继续显示； ( 3 ) 在1 分钟的实验过程中服务器端向客户端共发送9 7 1 9 4 0b y t e s ( e t h e r e a l 监测结 果) ，服务器端接收客户端数据6 2 4b y t e s ( e t h e r e a l 监测结果) 。 ( 4 ) 在实验过程中服务器端波形显示与控制都正常。 1 0 西北人学硕j ：学位论文 表2 1。正弦函数发生程序”远程控制实验设备表 表2 2 服务器配置表 实验结论：客户端与服务器端数据量传输量大，l a b v i e ww e b 服务远程测控实时 效果不好，有待于改进。 进一步研究l a b v i e ww e b 网络发布原理，发现工作原理是l a b v i e ww e b 服务器 端产生的波形已“快照”的形式拍下，然后发往客户端。由于这种方式在网络传输的是 一系列相关“波形图片”，所以导致传输数据冗余，增大网络传输量，是造成客户端延 迟的主要因素。 当然在实验中还有其它一些影响，如服务器速度、客户机的速度、交换机的速度等 问题，要在现有网络资源罩构建“虚拟仪器远程测控系统 ，就只有设法降低网络中数 据传输量，从而改善远程测控效果。 2 3 2 基于。n e t 编程的w e b 虚拟仪器方案 对服务器产生波形进行拍照会产生大量的数据冗余，而在客户端真正需要“正弦函 数波形展示程序的采样值和采样频率。如果在服务器端与客户端只传输当前窗口变化 部分的采样值和采样频率，就会有效的减小网络数据传输量。 第一二章l a b v i e w 的w e b 服务 遗憾的是l a b v i e ww e b 服务目前并不支持此项功能，但是l a b v i e w 具有良好的 外部接口，利用外部接口就能和其他高级语言进行通信，因此就可以将l a b v i e w 的采 样值通过其外部接口传递给客户端，再用w e b 编程语言在页面上绘制出采样波形图， 从而实现远程测控构想。 基于w e b 编程常用的开发语言有j a v a 、n e t 、p y t h o n 、j a v a s c r i p t 等，对其进行比 较2 4 - 2 5 1 ( 见表2 4 ) 。 在上述w 曲编程语言中j a v a s c r i p t 多用于客户端丌发，j a v a s c r i p t 可以使多种任务仅 在客户端就可以完成而不需要网络和服务器的参与，因此把j a v a s c r i p t 技术应用于w 曲 开发，可以大大减轻了网络传输和服务器的负担。 本文选取l a b v i e w + n e t + j a v a s c r i p t 实现虚拟仪器远程测控系统，该方案与 l a b v i e w + j a v a 方案比较各有特点，因为国外、国内已经有很多采用j a v a 实现l a b v i e w 的w e b 编程，所以本文选取该方案是为了给l a b v i e w 的w e b 编程提供一种实现办法。 表2 4 常用w e b 开发语言对比表 在下面的章节里设计开发基于l a b v i e w + n e t + j a v a s c r i p t 结构的虚拟仪器远程测 控系统。 1 2 西北人学硕士学位论文 第三章l a b v i e w 的外部接口 构建基于w e b 虚拟仪器远程测控系统，其中重要的一步是实现l a b v i e w 与外部程 序通信。在本章里重点分析l a b v i e w 的外部接口，分析对比l a b v i e w 常用外部接口 的优缺点，并设计l a b v i e w 程序与文件i 0 、数据库和d d e 之间的数据通信【2 睨7 1 。 3 1l a b v i e w 的文件i o 在l a b v i e w 程序设计中，常常需要调用外部文件数据，同时也需要将程序产生的 数据保存至外部文件中，通过外部文件可以实现与其它程序通信，这些都离不开文件i o 操作。文件i o 操作是l a b v i e w 和外部交换数据的重要方式。 在文件f o 中会用到一些相关的概念和术语，其中包括文件引用句柄、文件格式、 流程控件、流盘等。 3 1 1 文件路径 文件路径分为绝对路径和相对路径。l a b v i e w 可以通过绝对路径访问磁盘中的文 件。如果使用相对路径，l a bv i e w 将相对路径转化成绝对路径后再访问磁盘中的文件。 l a b v i e w 中，路径可以是有效的路径名、空值或非路径。非路径是l a b v i e w 提供的一 种特殊的路径，是在路径操作失败时的返回值。 3 1 2 文件引用旬柄 文件引用句柄是l a b v i e w 对文件进行区分的一种标识符，用于对文件进行操作。 当打开一个文件时，l a b v i e w 会生成一个指向该文件的引用句柄，对打开的文件进行 的所有操作均使用引用句柄来识别每个对象。引用句柄控件用于将一个引用句柄传进或 传出v i 。l a b v i e w 通过文件路径访问到文件后，为该文件设置一个文件引用句柄，通 过此句柄可对文件进行操作。文件引用句柄包含文件的位置、大小、读写权限等信息。 3 1 3 文件i o 格式 文件加格式取决于所读写的文件存储格式。l a b v i e w 可读写的文件格式有文本文 件、二进制文件和数据记录文件3 种。使用何种格式的文件取决于采集和创建的数据及 访问这些数据的应用程序需要。 ( 1 ) 文本文件 1 3 第三章l a b v i e w 的外部接u 文本文件是最便于使用和共享的文件格式，几乎适用于任何计算机。许多基于文本 的程序可读取文本文件。多数仪器控制应用程序都使用文本字符串。 如果磁盘空间、文件i o 操作速度和数字精度不是主要考虑因素，或无需进行随机 读写，可以使用文本文件存储数据，以方便其他用户和应用程序读取文件。 若要通过其他应用程序访问数据，如文字处理或电子表格应用程序，也可将数据存 储在文本文件中。 如需将数据存储在文本文件中，使用字符串函数可将所有的数据转换为文本字符 串。文本文件可包含不同数据类型的信息。 如果数据本身不是文本格式( 如图形或图表数据) ，如扫描数据的a s c i i 码表示通 常要比数据本身大，因此这种情况下文本文件要l t - 进制和数据记录文件占用更多磁盘 空问。 ( 2 ) 二进制文件 二进制文件可以用来保存数值数据并访问文件中的指定数字，或随机访问文件中的 数字。与人可识别的文本文件不同，二进制文件只能通过机器读取。 二进制文件是存储数据最为紧凑和快速的格式。文件占用较少的磁盘空间，且存储 和读取数据时无需在文本表示与数据之间进行转换，因此二进制文件效率更高。 二进制文件可在1 字节磁盘空间上表示2 5 6 个值。除扩展精度和复数外，二进制文 件中含有数据在内存中存储格式的映像。因为二进制文件的存储格式与数据在内存中的 格式一致，无需转换，所以读取文件的速度更快。 文本文件和二迸制文件均为字节流文件。 ( 3 ) 数据记录文件 数据记录文件以相同的结构化记录序列存储数据( 类似于电子表格) ，每行均表示 一个记录。数据记录文件中每条记录都必须是相同的数据类型。l a b v i e w 会将每个记 录作为含有待保存数据的簇写入该文件。 每个数据记录可由任何数据类型组成，并可在创建该文件时确定数据类型。数据记 录文件只需进行少量处理，因而其读写速度更快；数据记录文件将原始数据块作为一个 记录来重新读取，无需读取该记录之前的所有记录，因此简化了数据查询的过程：仅需 记录号就可访问记录，因此可更快、更方便的随机访问数据记录文件。 1 4 西北大学硕- j j 学位论文 创建数据记录文件时，l a b v i e w 按顺序给每个记录分配一个记录号。每次运行相 关的v l 时，l a b v i e w 会将记录写入数据记录文件将记录写入数据记录文件后，将无法 覆盖该记录。读取数据记录文件时，可一次读取一个或多个记录。 ( 4 ) 测量文件格式 l a b v i e w 还提供了独特的测量文件格式。测量文件包括基于文本的测量文件( 1 v m 文件) 和二进制测量文件( t d m 文件、t d m s 文件) 。 基于文本的测量文件( 1 v m 文件) 包括由写入测量文件e x p r e s sv i 生成的数据。该 文件是用制表符分隔的文本文件，可在电子表格应用程序或文本编辑应用程序中打 开。1 v m 文件不但包括由e x p r e s sv i 生成的数据，而且还包括该数据的相关信息，如生 成数据的日期和时间等。在1 v m 文件中，l a b v i e w 保存的数据精度可高达6 位数。l v m 文件用逗号作为数字的分隔符。如需将1 v m 文件中的数据从字符串转化为数值，可用本 地化代码格式说明符将句点指定为小数点分隔符。 、二进制测量文件( t d m s 文件和t d m 文件) 包括由写入测量文件e x p r e s sv i 或存储 v i 生成的数据。t d m 文件通过基于x m l 的格式保存波形属性，及包含该波形数据的二 进制文件的链接。二进制格式的t d m 文件在浮点数字上更为精确、占用磁盘空间更小， 同时运行速度也比l a b v i e w 测量数据文件( 1 v m ) 更快。 3 1 4 文件i o 流程控制 文件i o 流程控制保证文件操作按顺序依次执行。文件i o 操作过程中，一般有一 对保持不变的输入、输出参数，用来控制程序流程。文件标识号就是其中之一，除了区 分文件外，还可以进行流程控制。将输入、输出端口依次连接起来，可保证操作按顺序 依次执行，实现对程序流程的控制。 3 1 5 文件i o 出错管理 文件f o 出错管理反映文件操作过程中出现的错误。l a b v i e w 对文件进行i o 操作 时，一般提供一个错误输入端和一个错误输出端用来保留和传递错误信息。错误数据类 型为一个簇，包含一个布尔量( 判断是否出错) 、一个整型量( 错误代码) 和一个字符 串( 错误和警告) 。在程序中，将所有错误输入端和错误输出端依次连接起来，任何一 点的出错信息就可以保留下来，并依次传递下去。在程序末端连接错误处理程序，可实 现对程序中所有错误信息的管理。 第三章l a b v i e w 的外部接口 3 1 6 流盘 流盘是一项在进行多次写操作时保持文件打开的技术，如在循环中使用流盘。流盘 操作可以减少函数因打开和关闭文件与操作系统交互的次数，从而节省内存资源；流盘 操作避免对同一文件进行频繁的打开和关闭，可提高v i 效率。 如果将路径控件或常量连接至写入文本文件、写入二进制文件或写入电子表格文件 函数，则函数将在每次函数或v i 运行时打开、关闭文件，增加了系统占用。对于速度 要求高，时问持续长的数据采集，流盘是二种理想的方案，因其在数据采集的同时将数 据连续写入文件中。 为获取更好的效果，在采集结束前应避免运行其他v i 和函数( 如分析v i 和函数等) 。 在循环之前放置打开创建替换文件函数，在循环内部放置读或写函数，在循环之后放 置关闭文件函数，即可创建一个典型的流盘操作。此时只有写操作在循环内部进行，从 而避免了重复打开、关闭文件的系统资源占用。 本文分析、研究l a b v i e w 的文件i o ，根据程序需要选取二进制测量文件t d m s 作 为l a b v i e w 程序采样值存储文件。 3 2 设计l a b v i e wt d m s 采样存储程序 l a b v l e wt d m s 采样存储程序就是将正弦发生程序的波形的采样值存储到t d m s 格式文件罩。t d m s 是高级数据管理和高速文件输入输出，l a b w i n d o w s c 中，引 入了一种新的数据存储格式，称为技术数据管理流。这种格式是为高速数据流而最优设 计的；并且，二进制数据和元数据的组合实现了高效文件存储和自我描述文件的双重优 点。该种格式的关键优点是t d m s 文件中的描述性信息。它提供了一种简单的方法来记 录数据，而无需设计自己的文件头。尽管文档需求增加，但你无需去重新设计应用程序； 你只需要扩展这种t d m s 数据模型来解决你的特定需求。你可以在l a b w i n d o w s c v i 和n id i a d e m ( 一种强大的数据管理工具，可以在单一文件中处理1 千亿多的数据点) 中使用这种t d m s 文件格式。在采集了大量数据后，你可以使用d i a d e m 来交互式管理、 检查、分析、报告和自动操作这些数据。 3 2 1 基于l a b v i e w 环境的t d m s 格式采样存储程序 给上一章设计的“正弦函数发生程序”添加t d m s 写入采样值功能( 如图3 1 所示) ， 就可以将正弦函数波形采样值保存在t d m s 格式文件中，将