（检测技术与自动化装置专业论文）基于虚拟实验室的机器人远程控制研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 虚拟实验室技术和机器人技术都是当前国内外研究的重点，虚拟实验室致力于构建 一个旌f 网络化的教学实验环境。在这个环境中我们可以有效的利用网络来进行协同实 验和研究功能，这主要得益于近年来虚拟仪器理论和网络技术的飞速发展。通过网络来 构建虚拟实验室已经成为可能，网上实验已成为远程教育研究的重要方面。 机器人技术是多种技术的融合，它的发展体现了当前最先进的技术。随着网络的发 展，人们逐渐将机器人应用技术与网络技术结合起来，利用网络就可以远端控制机器 人。 本文足将虚拟仪器技术与机器人技术结合起来，构建一个开放式的学习环境。本文 要包括以下四个方面： 第一：引入了虚拟仪器技术，介绍了n i 公司推出的l a b v i e w 图形化编辑语言，应 用l a b v i c w 编辑了虚拟示波器程序，研究了数字采集理论；同时介绍了基于 c l i e n t s e r v e r 和b r o w s e r s e r v e r 的网络化虚拟仪器结构。 第二：系统的介绍了基于虚拟仪器技术的虚拟实验室的系统结构，以及w e b 站点的 搭建过程；同时编写动态网页来建立独立站点，在远端的客户即可以通过浏 览器登录网页，对研究室当前进行的研究进行全方面了解，下载必要的实验 所需要的程序，将自主机器人和一台p c 机作为虚拟实验室中的应用服务 器。 第三：对实验室现有小型足球机器人和自主移动机器人平台进行充分理解，研究 如何实现现有资源得到充分利用；将两种机器人的运动原理结合起来作为研 究对象。应用l a b v i c w 编写程序能够在客户端机器人有控制的能力。 第四：自主搭建虚拟实验室框架，结合t c p i p 、d a t a s o c k e = t 原理，利用l a b i c w 编制 虚拟实验室所需的程序；文中详细的介绍了图像采集传输、机器人远程启 动、机器人远程控制等方面内容，实验效果良好。所有程序通过l a b v i c w 的 网络发布功能都通过客户端浏览器登录观测到现场程序运行构建b s 结构， 也可以服务器客户机同时运行程序构建c s 结构。 关键字：虚拟仪器，虚拟实验室，机器人远程控制 北方工业大学硕士学位论文 t h er o b o tr e m o t ec o n t r o lb a s e do nv i r t u a ll a b o r a t o r y a b s t r a c t v i r t u a ll a b o r a t o r yt e c h n o l o g ya n dr o b o t i ct e c h n o l o g ya r ea l le m p h a s e sr e s e a r c hb o t h h o m ea n da b r o a da tc u r r e n t l y , v i r t u a ll a b o r a t o r ya p p l yt oe s t a b l i s hal a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s c i r c m n s t a n c eb a s eo ni n t e m e t ，a tt h i se n v i r o r a n e n tw ec a l lu s en e t w o r ke f f e c t i v e l yt od o e x p e r i m e n tc o o p e r a t ew i t ho t h e r s , t h e s eb e n e t i tf r o mt h ed e v e l o p m e n to f v i r t u ei n s t r u m e n t t h e o r ya n di n t e m e tt e c h n o l o g y a tr e c e n ty e a r s 。 w em a k ee x p e r i m e n ta tn e t w o r kh a sb e c o m ei m p o r t a n ta s p e c to f r e m o t ee d u c a t i o n r o b o t i c st e c h n o l o g y m e r g em a n yk i n d so f t e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n ti n c a r n a t et h e l e a d i n g - e d g et e c h n o l o g ya tc u r r e n t l y f o l l o ww i t ht h ed e v e l o p m e n to f n e t w o r k ，w ec o m b i n er o b o t i c t e c h n o l o g yw i t hn e t w o r kt e c h n o l o g yt or e m o t ec o n t r o lr o b o t t h i sa r t i c l ec o m b i n ev i r t u ei n s t r u m e n tw i t hr o b o t i ct e c h n o l o g yi nt h i sp a p e rt oe s t a b l i s ha o p e ns t u d ye n v i r o n m e n t t h e r e a l e f o u r p r i m a r y a s p e c t s a b o u t t h i s a r t i e l e 8 s b e l o w ： f i r s t l y ，w e i n l r o d u c e v i r t u e i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y ，a n d g i v e n ic o m p a n y p u s h - o u t f i g u r e l a n g u a g e - - - - - - - - m a b v i e w , u s i n gl a b v i e wt oc o m p i l ev i r t u a lo s c i l l o g r a p h ；a tt h e 鬟n et i m ew e i n t r o d u c et h en e t w o r kv i r t u a lf r a m e w o r kb a s eo nc l i e n t s e r v e ra n db r o w s e r s e r v e r s e c o n d l y , t h i s a r t i c l ei n t r o d u c et h ef i m n e w o r ko f v i r t u a li n s t n m a e n ta n dv i r t u a li a b o r a t o r y c o m p r e h e n s i v e l y , a n dh o wt oe s t a b l i s hw e b s i t e a tt h es a l l l et i m e , w ec o m p i l e w e b p a g ew i t h d r e a m w e a v e r t h er e m o t el l s e l 啪l o g i ni nw e d g e i t l lw e bb r o w s e r y o uc a t ll e a r na b o u ta l l r e s e a r c h a b o u t o u r r o b o t i c l a b o r a t o r y a n d d o w n l o a d t h e p r o g r a m t h a t y o u w i l l u s e t h i r d l y , l e a n i n ga l la b o u tm i n it y p em b e ta n da u t o n o m o u sm o b i l er o b o ts t u d yp l a t f o r m , a n dh o wt om a k et h eb e s to f t h e s er 器o u l c e h o wt oc o m b i n et h et h e o r yo f t b e s ct w ok i n do f r o b o t s u s i n g t h e mw ec a nr e m o t ec o n 打o lt h e s et w ok i n do f r o b o t s f o u r t h l y , t h ea u t h o re s t a b l i s ht h ef r a m e w o r ko f v i r t u a ll a b o r a t o r y , w ec o m b i n e 谢m t c p i p 、d a t a s o e k e t c o n c e p t , u s i n g l a b v i e w t o c o m p i l e s o m e p r o g r a m s t h a t t h e v i r t u a l l a b o r a t o r yw i l lu s e ；t h ep a p e rd e s c r i b et h e s ep r o g r a m ss u c ha si m a g et r a n s m i s s i o n 、r o b o t r e m o t es t a r t - u p 、r o b o tr e m o t ee n n t r o la n d8 0o n , t h e s ea r ea l lb e t t a a te x p e r i m e n t k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i r t u a ll a b o r a t o r y ，r e m o t ec o n t r o lr o b o t 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，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 笪友王些盘堂或其他教育机构 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意。 学位论文作者签名：擘彩签字日期跏俨5 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解韭友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权j 友王些太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：缗，谚 签字日期：加件6 月侈日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师虢荔j ，哆 签字日穆矿月r 日 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 虚拟技术概述 随着计算机技术和网络技术的不断发展与应用，现代教育正在进行重大的变革。传 统的敦商将不再是唯一的教学模式，教学不再局限与固定的教室中。当前普及的网络教 育恢式一远程教育已经发展成为高等教育和基础教育的一种重要的教学模式，并且取得 了：张常”】显的教学效果。远程教育内容包括很多，其中包括教学内容信息、教学课件的 制作和j r 发、虚拟实验室的建立等。 虚拟实验是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境，由实验 所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成，实验者可以像在真实的环境中一 秤j 亡战备种预定的实验项目，所取得的学习或训练效果等值于甚至优于在真实环境中所 取得的效果。 而壤于网络的虚拟实验室是通过网络实现资源共享，利用虚拟仪器技术和网络技术 年| f 结合，为教学、科研提供实验用的仪器设备，并可开展网上仪器教学，使学生可通过 刖络学爿和使用仪器，解决实验仪器数量不足的问题，并且可培养学生运用先进虚拟仪 器技术的实践能力和创新能力。学生可通过i n t c m e t 网去遥控实验室中的实验装置，完 成i 仿真式的虚拟仪器设计实验；在校外通过i n t e m e t 可进行实验；教师和实验室管理 人员通过网络管理实验，与学生交流和讨论问题。利用网络虚拟现实技术构建虚拟实 验室的敦学平台解决了网络环境下实验操作交互性问题，可以弥补当今教学尤其是远程 州络教学中对实验的认知和实践难题。 构建懂拟实验室需要p a - f n 个主要方面 ( 1 ) 网络虚拟实验室仪器设备的实删2 j f i 前常用的虚拟仪器软件有i a b 删，l a b w i n d o w s c v i ，v i s u a lb a s i c 。v i s u a c + + 等。v b ，v c 阡通用性强，速度快，适合于具有编程经验的人员，l a b w i n d o w s c v i 在c 环境下编程实现，提供了虚拟仪器所需的控件和数据处理函数，而l a b v i e w 是n i 公司p 推出的功能十分强大的虚拟仪器图形化编程平台，具有面板控件，有数据采集、分析、 显示的功能，因而容易实现虚拟仪器的软件功能，还可以实现虚拟仪器的发布，通过 w e b 浏览器中可打开和运行虚拟仪器 4 】，直接控制服务器端程序的运行，获得运行果。 ( 2 ) 附络虚拟实验室管理平台的实现四 北方工业大学硕士学位论文 基于网络的虚拟试验室教学平台，包括远程数据采集和控制，实验管理，实验人员 管理，教师管理，学生管理，网络管理，虚拟仪器设备管理等内容。因此构建平台必须 具备服务器操作系统如w j n d o w s2 0 0 0s e r v e r ，支持a s p 的w e b 服务器，应用程序服务器 h s 5 0 ，数据库s q ls g l - v e l - 2 0 0 0 ，应用a c t i v e x 和d c o m 技术实现网络通讯，共同构 建一个网络虚拟实验室的管理平台。 虚拟实验室以先进的计算机技术为基础，使锝前沿科学知识走进实验教学课堂成为 可能；虚拟实验室采用软硬件结合、功能模块重组配置的方式是增加教学平台适用性和 实验技术可扩展性的有效手段，有助于培养学生的动手能力和创新精神；虚拟实验室强 大的网络功能有助于革新传统的教学模式，推动实验教程远程教育的发展。 1 2 机器人学概述 机器人技术的迅速发展，已经对许多国家的工业、国民经济和人民生活产生了重大 影响。对机器人的需求和机器人工业的迅速发展。是机器人技术形成了一个综合性学科 - 机器人学。它研究的目标是以智能计算机为基础的机器人的基本组织和操作。 机器人学科是一门迅速发展的综合习惯内前沿学科。它涉及机械工程学、运动学、 数学、电气、计算机、电子工程学、自动控制工程学、人工智能、传感器、机械视觉、 模式识别与导航、仿生学和多智能模拟技术等众多现代化学科。一些发达国家都在讲授 和研究机器入及其应用，我国也把机器入学科列入国家“8 6 3 ”高科技计划中。 在机器人发展的今天，机器人已经被应用到了各个领域，其中包括工业机器人、 水下机器人、服务机器人、空间机器人和微机器人。由于应用环境的变化，使得机器人 技术也跟随着发展。现在机器入就是应用功能在作为一个系统的环境之中，计算机网络 的发展，使得机器人所在的系统更加扩大【6 】。网络技术的发展，包括工业网络技术的发 展，必将使得机器人在控制系统中产生很大的变化。机器人的控制系统与网上其他成员 的交互与协作能力，信息与数据获取和共享，机器人与人交互界面等都会随之变化。 利用网络的方便，机器人作为网上的一员，人可以在很远的地方来控制它1 7 j 同，它 可以在人的指挥下代替人在遥远的地方工作。从机器入学的角度来看，机器人也和我们 人一样进入了网络时代。 由于涉及的先进的技术较多，在当前的各大科研院所和赢校中，机器人是作为一个 教学研究平台提供给学生，比较常见的就数足球机器人，通过机器人踢足球比赛来推进 各项先进技术在机器人中的应用，体验机器人技术给人们带来的惊喜和快乐是不分种族 和性别的。那么如何让更多的人来体验这种快乐，将实验室的先进平台让外界更多人接 触到，我们当然首选日益发达的网络技术。 2 北方工业大学硕士学位论文 奉论文就是在现有机器人实验平台的基础上，将机器人作为一个网络节点，来尝试 通过州络在远程控制机器人，将现在比较流行的虚拟仪器技术，虚拟实验室技术结合起 来，将一个封闭的实验平台做成一个开放的实验平台，这就是本文的目的所在。 接f 来的几章我们将分别针对各种技术与理论做细致的阐述。 3 北方一e 业大学硕七学位论文 第二章虚拟仪器 仪器在科学研究、教育，工业生产、国防实验和人们的日常生活中起到了十分重要 的作用。近年来随着计算机及其相关技术的飞速发展而产生的虚拟仪器技术显示出来迅 速发展的势头和广泛的发展前景。 2 1 虚拟仪器相关知识介绍 2 1 1 虚拟仪器定义： 虚拟仪器是虚拟技术的一个重要组成部分。所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用计 算机平台上，根据测试任务的需要来定义和设计仪器的测试功能，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相应的功能，然后利用鼠标和键盘操作的仪 器。借助一块通用的数据采集板，用户就可以通过软件构件几乎任意功能的仪器，可以 是示波器、分析仪或其他仪器，软件成了构建仪器的核心，其实质是充分利用计算机来 实现和扩展传统仪器功能。2 0 世纪8 0 年代中期出现的虚拟仪器( v i r t u a li n s t n n n e n t , 简 称v i ) 是虚拟技术在仪器仪表领域中的一个重要应用，是日益发展的计算机硬件、软 件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合， 共同孕育的一个新的成果。2 0 世纪8 0 年代中期美国的国家仪器公司 ( n a f i o n a l c o r p o r a t i o n , 简称n i ) 首先提出了“软件就是仪器”这一虚拟仪器概念。认为 虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户 界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机作为统一硬件平台，并由计算机操纵的模 块化、软件化的仪器。 2 1 2 虚拟仪器的发展 1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n i 公司) 设计的l a b v i e w 是一种图形化编程环境， 实现了虚拟仪器的概念。1 9 8 7 年第一台虚拟仪器由n i 公司开发问世，后世界多家厂商 ( 美国l i p 、t e k t r o n i x 公司等) 都加入了研制虚拟仪器的行列。n i 公司不仅提供虚拟仪 器系统所需的各种硬件产品，还为不同用户提供简单方便的虚拟仪器开发平台，计算机 技术的发展也为虚拟仪器系统技术带来了新的活力和好处。 美国n i 公司的l a b v i e w 可视化图形编程系统和中国的v m i d s 虚拟仪器开发系统 已经开发组建成功了数十种通用和专用的虚拟式测控仪器，并在生产、科研和教学中 获得广泛使用，虚拟仪器做一种新的仪器模式已经显示了它巨大的优势和旺盛的生命 力。有关专家估计，随着计算机硬、软件技术的快速进步，虚拟仪器会随之在本世纪 的前1 0 年内获得迅猛发展，到2 0 1 0 年前后电测电控仪器中的5 0 以上将会是虚拟仪 器，虚拟仪器不容置疑的将成为2 1 世纪测控仪器的重要发展方向。 4 - 北方工业大学硕士学位论文 l a b v i e w 像c 或c * 等其他计算机高级语言一样，是一种通用编程系统，具有各 种各样，功能强大的函数库，包括数据采集、g p m 、串行仪器控制、数据分析、数据 娃1 、数据存储以及网络功能。l a b v i e w 也有完善的仿真、调试工具、如设置断点、单 步等。l a b v i e w 采用图形化编程语言g 语言，产生块状的程序。这对熟悉仪器结构 年地什电路的硬件工程师、现场工程技术人员及测试人员来说，编程就像设计电路图一 样。吲此，l a b v i e w 比其他语言的开发环境更方便、更有效，即使是新手，也能在几天 之内热约：应用l a b v i e w 。 2 1 3 虚拟仪器与传统仪器比较 0 统的电子测量仪器是由专业厂家生产的具有特定功能和仪器外观的测试备，其共 刖特点足仪器由厂家生产制造，具有固定不变的操作面板，采用了固化的系统软件，采 川定不变的硬件电子线路和专用的接口器件，并且功能固定，因此，其系统封闭、扩 艟m 悲差，用户只能用单台仪器完成单一固定的测试。 一。 传统仪器信号有效值测量 矿。= 争r 2 出 矿，= 虚拟仪器信号有效值测量算法 图2 1 传统仪器与虚拟仪器测量差别 虚拟仪器是一个全新的仪器概念，它通过选取基本的测试硬件模块、利用软件构造 i f 针对具体测试对象的仪器。它可以是示波器、也可以是信号发生器、或者同时是具有 两种功能的仪器。人们通过鼠标或键盘操作虚拟仪器面板上的组件，设置各种参数，启 动或停止一台仪器的工作。虚拟仪器实现了测量仪器的智能化、多样化、模块化，既在 s 北方= i ：业大学硕七学位论文 相同的硬件平台下，虚拟仪器完全由用户自己定义，通过不同的软件就可以实现功能完 全不同的测试仪器。 从传统仪器向虚拟仪器的转变，用户可以用较少的资金，较少的系统开发和维护费 用，用比过去更少的时间开发出功能更强，质量更可靠的产品和系统，。 2 1 4 虚拟仪器的构建技术 同传统仪器一样，虚拟仪器也是按照“信号的调理与采集数据的分析与处理一结 果的输出及显示”的结构模式来建立的。 在这个同用仪器硬件平台上，调用不同的测试软件就构成了不同功能的仪器。虚拟 仪器通常由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟面板组成。其中，硬件设备与接口可 以是以各种p c 为基础的内置功能插卡、通用接口总线( g p i b ) 卡、串行口、v x i ( p x i ) 总线接口等设备，或者是其他各种可编程的外置测试设备；设备驱动软件是直 接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实仪器面板操作 元素对应，通过鼠标或键盘就可以操作虚拟仪器的面板，和真实的仪器一样真实，方 便。 虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和钡i 控功能硬件。计算机硬件平台可 以是各种类型的计算机，如p c 机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机等。计算机 管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件支撑。按照测控功能硬件的不同，虚 拟仪器可以分为g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四种标准体系结构。 ( 1 ) g p i b 通用接口总线 这种接口总线是计算机和仪器间的标准通讯协议。它是最早的仪器总线，当前多数 仪器都配置了遵循i e e e - 4 8 8 的g p i b 接1 3 。典型的g p i b 测试系统包括一台计算机、一 块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器。 ( 2 ) v x i 总线系统 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 f a 8 8 标准等的基础上，由主要仪器制造商共同制定的开放 性仪器总线标准。 ( 3 ) p x i 总线系统 p x i 总线系统是p c i 在仪器领域的扩展。它是n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的开 放性、模块化仪器总线规范。p x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形 6 北方工业大学硕士学位论文 f 戊的。p x i 兼容了c o m p a c tp c i 机械规范，并增加了主动冷却、环境测试( 温度、湿 度、振动和冲击实验) 等要求。 ( 4 ) d a q 数据采集系统 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 - | i i ：累檠功能模块。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。 利川d a q 可方便快速地组建基于计算机的仪器，各种性能和功能的d a q 功能模块可 u i 选抒使用。在计算机上挂接d a q 功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有 0 ：f ：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 幽仪器测试品质，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j f j 广泛，且具有很高的性能价格比，是一种特别适合的虚拟仪器方案。 2 1 5 虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器的核心是利用计算机的硬件和软件资源，使本来由硬件实现的功能软件 化，以最大限度地降低系统成本，增强系统的功能和灵活性。虚拟仪器的软件框架从底 足：到顶层包括三部分：v i s a 库、仪器驱动程序、仪器开发软件。 ( 1 ) v i s a 虚拟仪器软件体系结构 v i s a 体系结构是标准的f o 函数及其相关规范的总称。一般称这个f o 函数库为 v i s a 库。它在计算机体系中，执行仪器总线的特殊功能，对于仪器驱动程序开发 嚣足一些可调用的操作函数集。 ( 2 ) 驱动程序 缚个仪器模块都有自己的仪器驱动程序。 ( 3 ) 门：发软件 丌发软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供友好的测控操 f 1 界【眈来完成自动测控任务。目前较为流行的虚拟仪器软件开发环境有两类：一类是 蚓形化编程语言，具代表的有l a b v i e w , h p v e e 系统；另一类是文本式编程语言，例如 c 语。i ，v i s u a la 斗、l a b w i n d o w 北等。图形化编程简单，文本式编程语言具有编 程灵活等特点。 2 2 虚拟示波器 进行电子测量，我们通常是希望直观看到电信号随时间的变化的图形，直接观测信 号的幅度、频率、周期等参数。示波器测试技术实现了人们的愿望，示波器是科研和实 验窒f f j 经常使用的一种通用台式仪器，只要把两个有关系的变量转化为电参数，分别加 到，j ；波器的x 、y 通道，就可以在屏幕上显示出这两个变量之间的关系。 7 北方工业大学硕十学位论文 但目前这类仪器加工复杂、价格昂贵。用虚拟仪器技术只需要配置必要的通用数据 采集硬件，应用l a b f i e w 的虚拟仪器编程环境，结合计算机的模块化设计方法，就可以 实现虚拟示波器，并对其功能进行扩展，实现传统仪器没有的频谱分析和功率分析，结 合l a b f i e w 的网络发布功能就可以利用网络实现仪器共享和远程控制。 2 2 1 虚拟示波器编程过程 本论文中虚拟数字示波器主要由一块p c i 数据采集卡、p c 机和相应的l a b f i e w7 1 编程软件组成，构成了一个多功能的可存储和回放的示波器。 图2 2 虚拟示波器前面板 虚拟示波器的前面板是按照台式示波器的原理制作的，它增加了专用示波器没有的 存储回放功能，虚拟示波器必须符合数字示波器规范和主要功能指标。 ( 1 ) 采样 在选择好通道后进行信号采集，要求a d 量化后的数据和真实信号高度一致。可 以从采样频率和频率分辨率两个方面保证。虚拟示波器利用所采集的离散样点来恢 复重现的波形越接近实际的波形。一般说来，在快速采样情况下，丢失采样点之间 信息的可能性小。 ( 2 ) 存储及输出功能 这是数字示波器的重要特征，它保证了示波器具有记忆功能，能够在计算机硬盘中 存储波形数据来实现。 8 北方工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 触发功能 触发功能决定何时和如何进行采样。有的信号按一定规律重复出现，有的杂乱无章 变动，这样示波器不能总采样，必须采用不同的触发方式，捕捉到宝贵的实用信号。 ( 4 ) 信号测量 虚拟示波器可以分别对电压信号进行电压量测量、相位测量、频率测量。 图2 3 虚拟示波器程序框图 在对虚拟示波器程序编程中采用的是l a b v i e w 特有的g 语言( 图形化语言) ，其 中每一个功能都单独编制了s u bv i ( 子v o ，来简化程序可读性，在编程中大大节省了编 程的时间。 总结来看和其他大多数虚拟仪器一样，虚拟示波器由计算机、数据采集卡和分析处 理软件构成。软件功能结构如图： 9 北方工业大学硕士学位论文 l 触段 1 ，；川卜 - 1 波形显示ili l 迎，t j j ：捌i - - 电压参数测量 i 刖“ _ 数据存储 - d 时间参数测鼍 图2 a 虚拟示波器的软件功能框图 三1 ：蛭功能分为以f ? 儿部分 数据乐m 埂仆部分，由数据采集板和相应的驱动程序； 数妣泛奠j ? ，【 | 驱动程序实现对数据采集硬件的设定，包括量程、信号通道、触 发拧制、时j ，f _ i ：i 对采样数据的读取和存储。在m ，v i e w 的g 语言编程中每一部分 都j 到了s u bv i ( rv i ) ，每一块都单独编程，然后在总程序中进行调用； 数据预处肚对采集的数据进行数字滤波等处理； l j ；科彤i a _ ：，【： 动态曲线、方图、数字等形式显示； 数抛轮将娩示数据或采集数据以磁盘文件形式存储或打印输出； 数j 坝? 在采集波 f 三；h 哉们以正弦波为例说明数字频率的概念拂。 已知i i i 弦泼r 芍的连续时间表达式为： u ( t ) = a s i n ( t + 0 ) 公式( 1 1 ) 式中，0 为f j j 始相位；( 角频率) = 2 n f = 2 1 - i t a 为幅值。 按翁m ma 1 伍信号的一个周期t 内进行n 次取样，得到n 个离散值u ( i x i = 0 1 2 p 1 ) ， 其序列函皱值u ( i ) 与离散时间t = i a t 的关系如图所示。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 仆 一 1 m 一t 一 图2 5哟与离散时间t = i a t 的关系 a t 为采样间隔，t 为信号周期，设一个周期内的采样点数为n ，则 陌1 6 t 设泵f 、f | 1 | j 隔的倒数为采样频率则 f = l 矾 于足，卵汪0 表示信号频率f ，采样间隔a t ，采样频率z 三者关系 f = - l t , = l a t = f n 公式( 1 2 ) 郑f 、n ut 去离散值时，将t = i a t 与t - - n a t 代入( 1 1 ) 得 u ( i t ) = a s i n ( 2 n i n + 0 ) 式l i ，i 为离散时间序号 将2 ij j3 6 0 表示，并省略a t ，得到 u ( i a d = a s i n ( 3 6 0 。+ i n + 0 ) 式中，n = 正f = - l n 刚u ( i ) 又可表示为 u ( i ) = a s i n ( 3 6 0 + f i + e 、 式中，f 称为数字化频率，即 数字频率= 模拟频率采样频率 北方工业大学硕七学位论文 在模拟系统中，信号频率f 定义为单位时间内周期现象重复的次数，单位为h z ，在数 字系统中系统通常使用数字频率单位，数字频率定义为模拟频率f 与采样频率f 的比值， 单位为周期点数，即为一个信号周期内采样点n 倒数( 1 ，n ) 2 3 网络化虚拟仪器【l o l l l 】【1 2 】 网络技术已开始逐渐成为仪器控制与测量的主要工具。传统的仪器仪表与网络连 接，就成为网络化仪器。具备网络功能的虚拟仪器，就称为网络化虚拟仪器。 网络化虚拟仪器将虚拟仪器的功能分解，通过网络再将这些功能连接起来组成一个 网络化的虚拟仪器系统。它不仅继承了虚拟仪器的优点，而且充分利用了网络的强大优 势，使得系统更加灵活、更加有效的利用资源、更加开放。 网络化虚拟仪器包括基于c | i e n t s c r v e r 模式的虚拟仪器和基于w e b 的网络化虚拟仪 器。两者都是在虚拟仪器的基础上增加网络通讯能力，具有测量仪器和网络服务器的双 重功能。能够从网络接收命令，提供远程测量服务。 2 3 1 基于c l i e n t s e r v e r 模式的网络化虚拟仪器 c s 模式是网络应用的成熟模型。它是一部分应用进程( 客户机) 获得另一组应 用进程( 服务器) 提供的服务。在网络测控环境下，一台计算机采集外部数据。并将数 据数据传递给其它计算机，此时它就是一台服务器；同时，作为一个客户，这台计算机 又接受其他计算机传来的指令和数据。 基于c s 模式的分布式的远程虚拟仪器测量系统将系统的不同功能模块分解到不同 的计算机上，数据通过网络来传递，客户端首先打开个服务器的连接，然后发送命令 到服务器，并得到反馈信息，连接后，则接收服务器的数据。如图所示： 1 2 北方工业大学硕士学位论文 服务器端网络客户机端 l 陌磊赢订l 一 ：l 服务器应用程序k ：i j ： 图2 6c 撂模式网络化虚拟仪器 这干巾方式实现的远程测控系统对于不同的要求只需改变相应服务器或客户机功即 可。聚f f 】这种方法具有地理分散性、数据完整性、安全性高、维护处理速度更卡等优 点，缺点就是维护升级困难、开放性差、网络传输中迟延性大。 2 3 2 基于b r o w s e r s e r v e r 模式的网络化虚拟仪器 随符i n t e m e t 的发展，网络用户端逐渐变成了单一的浏览器，基于w e b 的虚拟器就 是把虚拟仪器技术和面向i n t e m e t 的w e b 技术两者有机的结合所产生的新的虚拟仪器技 术。就是把虚拟仪器的前面板移植到w e b 页面上，通过w e b 服务器处理相关的测试需 求。在数据传输时，也是遵循了c s 模式，我们把它叫做b s 系统；客户端只需要浏览 环境，便可依需要从服务器下载应用程序到客户端，并嵌入到浏览器中执行。客户端仅 包含仪器控制面板和显示面板，信号的采集、信号处理分析都在服务器端实现。 在本论文虚拟实验室中我们提到的c g i 、a s p 、a s p n e t 、j a v a 等，都是实现基于 w e b 的网络化技术。 一1 3 一 北方工业大学硕士学位论文 服务器端浏览器端 ? 。j ；浏览器； 图2 7 基于w e b 的网络化虚拟仪器 基于w e b 的网络化虚拟仪器，客户端浏览器通过网络向服务器发出请求，w e b 服 务器收到后发送到w e b 浏览器，这时用户就可以在浏览器中使用虚拟仪器了。 2 4 本章小结 虚拟仪器的优点 虚拟仪器( v i )传统仪器 核心是软件核心是硬件 软件使得开发与维护费用低开发与维护费用高 价格低，可重复使用与配置价格昂贵 用户可自定义仪器功能设备生产商定义仪器功能 技术更新周期短( 1 - 2 年) 技术更新周期长( 5 - 1 0 年) 开放，灵活封闭固定 方便与网络及其他周边设备互联功能单一，互联有限的独立设备 从以上功能可以清楚看出虚拟仪器与传统仪器比较中的诸多优点，未来的发展是网 络化的时代，发展到一定程度时我们需要什么样的仪器从网络上下载下来就可以使用， 这样就极大的节约了成本与时间，虚拟仪器的发展是一个时代的进步。 1 4 x 窖 北方工业大学硕士学位论文 第三章虚拟实验室 隧符通信技术的不断进步，现代远程教育技术得到了迅猛发展，特别是基于网络 的脱代远程教育更是具有良好的发展势头。通过网络进行远程理论教学目前在技术上和 力i j ：j t $ l 三较为成熟，其发展态势更是迅猛，但远程实验手段的研究则相对滞后，成为 远挂敦f f 研究中的热点课题之一。基于网络的虚拟实验室不但能够为实验类课程的教学 改坼及远程教育提供条件和技术支持，还可以及时地为学生提供更多、更新、更好的仪 器。 3 1 虚拟实验室相关知识介绍： 虚拟实验室( v i r t u a lia b i 啪岫) 也叫做合作实验室( c o lia b 删) ，最早在 1 9 8 9 天国u n i v e l s i t y o f v i r g i n i a 的w i l l i a n w u l f 教授提出，用来描述一个计算机网络 化的脏拟实验室环境，它致力于构筑一个综合不同工具和技术的电子化，网络化的科学 研究雏成环境，在这个环境中我们可以非常有效地利用地理上的分布的各种资源来从事 科研活动。在计算机专业的教学过程中，虚拟实验室的主要作用是为弥补远程教学条件 的1 i 足、真实再现实验过程、避免真实实验或操作所带的各种危险并能彻底打破空间、 时州的限制。在远程教学中，往往会因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原 ，而使一些应该开展的实验无法进行，利用虚拟实验室可以弥补这些不足，学生可以 足不出户的进行实验，获得和真实实验一样的感受，从而丰富感性认识，加深对教学内 容的坤解。 虚拟实验室是是除理论与实物实验之外的第三种研究设计手段和形式。在实际的应 用i f l ，人们根据不同的角度和不同的应用范畴给出了相应的定义。 从实际应用角度来看，1 9 9 9 年5 月，美国爱荷华州立大学举行的虚拟实验室专家会 议采用的定义是：“虚拟实验室是利用分布式信息通信技术，为研究和创新活动提供远 程协作和实验的一个电子平台”。 从技术角度上来看，虚拟实验室是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种 虚拟实验环境，实验者可以像在真实的实验环境中一样完成各种预定的实验项目。从 功能角度来看，虚拟实验室是一个创造和引导模拟实验的交互环境，它由实验所依赖的 梭拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。 从教学应用角度来看，虚拟实验室是教师和相关设计者借助日益发展的计算机技术 与传统的仪器仪表技术结合起来，使得学生可以通过操作计算机来操作自定义的仪器， 对被测试量进行采集、分析、判断、显示、数据存储等，充分利用了最新的计算机技术 1 5 北方： 业大学硕士学位论文 来实现模块重组配置，异地实时操作，扩展传统实验仪器的功能，促进教学平台的适用 性和实验内容的丰富性。 虚拟实验室主要具有下述主要功能： 1 ) 教育功能：让学生通过使用虚拟或真实仪器、装置或系统的模拟装置来熟悉实验 过程，掌握相关技术；能满足不同知识背景学生的要求，根据其能力、实验经验等调整资源 模块( 如设备、组件、仪器、生成器、数据采集板等) ，保证学生在单独使用模拟环境时能 进行各种实验操作。 2 ) 辅助设计功能：例如现代电子系统的设计与分析，是运用e a d ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) , 在分布式网络环境下，在e d a 平台上进行设计、下载、综合、仿真然后在 实际条件下进行测试。e d a 模拟软件将仪器、仪表、模拟器件、数字器件等直观地反 映在计算机屏幕上，可灵活地改变电路结构和参数反复观察实验的结果，并动态显示电路 的波形。 3 ) 协同实验和研究功能：虚拟实验室利用当前网络技术和设施，使参与试验的人员 在远程相互合作，进行试验研究，为分布在世界各地的研究人员提供共同从事一个项目的 分布式问题解决环境。虚拟实验室的研究可以用于许多方面，例如世界范围的大的科学 研究课题( 如宇宙起源、和平利用核能等) ，大型和复杂产品的设计和制造，结合卫星数据、 大量传感器输入和模拟短期和长期天气预报的天气预测系统等都需要虚拟实验室研究。 虚拟实验室特点： 1 ) 成本低：虚拟实验室基于虚拟原型技术，即利用vr 在可视化方面的强大优势以 及可交互地探索虚拟物体的功能，对对象进行几何、功能、制造等方面交互的建模与分 析。 2 ) 效率高：虚拟实验室省去了大量的基于物理原型实验的简单劳动，使用者集中精 力研究实验对象本身的特性和规律还可充分利用计算机优势，使虚拟实验室具有良好的 在线帮助和学习功能，从而可帮助使用者迅速掌握实验研究本身和达到实验研究的具体 目标和要求，大大提高了学习和研究效率 3 ) 功能全：虚拟实验室的数据库可做到规格品种齐全 并易于升级换代和增加新品 种，从根本上解决了因实验元器件和仪器仪表不全而影响实验的问题。 网络的虚拟实验室概念的提出至今仅有十余年的时间，目前国内的研究还处于萌芽 阶段，国外已经有很多大学进行了这方面的研究。其发展一般经历以下三个阶段： 虚拟实验室最初是以某一学科( 专业) 的仿真计算软件为基础进行的，一般 1 6 北方工业大学硕士学位论文 1 j ji 仃网络交互功能，只是单机版本，如基于w o r k b e n c h 的电子技术实验等； 后来发展到具备网络交互功能，如现在网络比较流行的虚拟设计等，但是不具备 交际测试设备接口； 牡于w e b 的浏览器朋艮务器的虚拟实验室模式，在这种模式下，服务器通过软件技 术埘再种实验环境进行仿真，完成用户的实验需求。 l | 前，网络虚拟实验室在发达国家已十分普及。作为首先提出虚拟实验室概念，并 j l 仃雄脬的科研实力和强大财力的美国从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发， 柚：该拐i 域的研究己处于领先地位。美国为继续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其 匝观能想技术的研究，并已将虚拟实验室列入其科研发展的战略规划。 幽内外研究现状及趋势1 3 】： ：1 1 i 讨在世界范围内网络化时代信息化社会正推动着高校教育的改革，传统教学方式 l l i 受剑挑战，远程教学作为一种新型的教育模式已经成为今年来各国教育界的重要研究 i 忑题，h 前国内外许多组织