（电子科学与技术专业论文）基于labview的远程虚拟实验系统的设计与实现.pdf

中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e e x p e r i m e n ti nm o d e mh i g h e re d u c a t i o ni n s t i t u t i o n si so n eo ft h e i m p l e m e n t a t i o no fs c i e n t i f i cc u l t u r ee d u c a t i o n ，i ti s a l s oa ni m p o r t a n t p r o c e d u r e a n dm e t h o dt oi m p r o v es t u d e n t s s c i e n t i f i ca n dc u l t u r a ll i t e r a c y , c u l t i v a t et h es t u d e n t s p r a c t i c a la b i l i t y , o p e r a t i o na b i l i t y , e n h a n c et h e i r i n d e p e n d e n tt h i n k i n ga b i l i t ya n dq u e s t i o n - s o l v i n ga b i l i t y i nr e c e n ty e a r s ， t h ee n r o l l m e n to fs t u d e n t si nc o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e si n c r e a s e dg r e a t l y , t h e r e f o rt h e r ei sag r e a td e m a n df o re x p e r i m e n te q u i p m e n t ，s i t ea n d h u m a nr e s o u r c e s i tn e e d sal o to ff u n d st os o l v et h i sp r o b l e m ，w h i c h b r i n g sal o to fp r e s s u r et ou n i v e r s i t i e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h e c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h ev i r t u a ll a b o r a t o r ya r i s e sa tt h eh i s t o r i c m o m e n t ，t h u sw eu s et h es o f t w a r et or e p l a c et h et r a d i t i o n a lh a r d w a r e i n s t r u m e n t s s o f t w a r ei si n s t r u m e n t a v o i d sb u y i n gal a r g en u m b e ro f i n s t r u m e n t s ，w h i c hm a k e st h ee x p e r i m e n tr o o m sa r en ol o n g e rn e c e s s a r y c o n d i t i o n s s t u d e n t sc a nn o to n l yd ot h ee x p e r i m e n ti nt h el a b o r a t o r y , b u t a l s of i n i s ht h ec o r r e s p o n d i n go p e r a t i o no nt h en e t w o r ka n y t i m ea n d a n y w h e r e a n dt h eu s eo fv i r t u a ll a b o r a t o r yh a sg r e a t l yr e d u c e dt h e w o r k l o a do fi n s t r u m e n t sm a n a g m e n ta n dm a i n t e n a n c ef o ra b o r a t o r y w o r k e r s t h i sp a p e ra c h i e v e st h ed e v e l o p m e n ta n d 印p l i c a t i o no f r e m o t e e x p e r i m e n ta n dc o n s t r u c t s av i r t u a l l a b o r a t o r ys y s t e mo f r e m o t e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lb a s e do nl a b v i e wp l a t f o r ma n dt h e c o m b i n a t i o no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r et e c h n o l o g yw i t ht h en e t w o r k t e c h n o l o g y , w h i c hu s e st h em e a s u r e m e n to fu l t r a s o n i cw a v ev e l o c i t ya s t h ee x p e r i m e n te x a m p l e t h e p a p e rb r i e f l ya n a l y z e st h eb a c k g r o u n d ，p u r p o s ea n dm e a n i n go f t h es u b je c t ，a n di n t r o d u c e st h ec u r r e n ts t a t u sa n df u t u r ed e v e l o p m e n t i t d e s i g n s ar e m o t em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l e x p e r i m e n t a ls y s t e m c o m p r e h e n s i v e l y t h i ss y s t e mu s e st h eg r a p h i c sp r o g r a m m i n gs o f t w a r e l a b v i e w 8 6a st h ed e v e l o p m e n tp l a t m e n tt od e s i g nt h er e l a t e dm o d u l e s o fr e m o t ee x p e r i m e n ts y s t e m i tu s e sl a b s q ld a t a b a s et o o l st od e s i g nt h e p e r s o n a lr e g i s t r a t i o na n dl o g i nm o d u l e so fr e m o t ee x p e r i m e n t i td e s i g n s t h ec a m m u n i c a t i o n so ft h ec o m p u t e ra n dp e r i p h e r a le q u i p m e n tb yc a l l i n g 中南大学硕十学位论文 t h en i - v i s af u n c t i o n ，w h i c hr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o no ft h es i n g a l g e n e r a t o ra n do s c i l l o s c o p e o ft h er e m o t e c o n t r 0 1 a n di tu s e st h e n i - i m a qm o d u l et oa c q u i r et h ev i d e oi n f o r m a t i o nb yt h eo r d i n a r yu s b w e b c a m i tu s e st h es e r i a li n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt oa c h i e v e t h ec o m m u n i c a t i o no fc o m p u t e ra n dm c u w h i c hr e a l i z e st h ec o n t r o l f u n c t i o no fu s i n gs t e p - m o t o rt od r i v et h ew o r k i n gp l a t f o r m i tu s e st h e u s bi n t e r f a c et oc o n n e c tp ca n dt h eo s c i l l o s c o p e ，w h i c hr e a l i z e st h e a c q u s i t i o no ft h eo s c i l l o s c o p e s e l e c t r i c a l s i g n a l s i tp r o c e s s e s t h e e x p e r i m e n td a t ab ya p p r o p r i a t em e t h o d sa n ds i m p l i f i e st h ee x p e r i m e n t a l o p e r a t i o n i tp r o g r a m sb yt h es t a t e m e n t st o o l st oa c h i e v et h eg e n e r a t i o n a n dp r i n t i n go fl a br e p o r t f i n a l l y , i tg e n e r a t e sr e m o t ev i r t u a le x p e r i m e n t w e bp a g e st h r o u g ht h en e t w o r kp u b l i s h i n gt o o l so fl a b v l e wt or e a l i z e r e s o u r c es h a r i n g k e y w o r d s ：l a b v i e w , i n s t r u m e n tc o n t r o l ，v i s a ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ， s t e p - m o t o r , r e m o t ec o n t r o l ，v i r t u a ll a b o r a t o r y 中南大学硕士学位论文 第一章虚拟仪器及其发展 对于当今的高等院校来讲，实验早已成为必不可少的教学内容，也是当今高 校的重要科研手段。实验器材配备水平也已经成为评价衡量一所高等院校教育教 学水平、科研能力的重要标志。实验教学可以巩固对所学知识的记忆，提高学习 兴趣，锻炼动手能力。但是由于现代实验室的高端仪器通常都价格不菲，使得许 多高校的资金相对紧缺。在实验设备严重不足的情况下，学生不能直接参与实验 过程操作，不能很好地实现实验教学目标。学生在做实验时基本上不能充分发挥 自己的能力和自由，不能充分熟悉和掌握仪器的特性与使用，不能使学生的能力 和潜力得到充分提升和挖掘。这样对学生科学素质的提高和动手能力的培养十分 不利。严重影响高校的教育教学质量。 在这个计算机网络技术的飞速发展的时代，教育教学的改革也是日新月异。 近几年在教育领域提出了许多新的教学思路和方法，其中之一即构建虚拟实验 室。其中大多数远程实验教学是利用计算机软件技术虚拟实现的【l 】，在这种虚拟 实验中，实验者操纵的都不是实验设备实物，而是一些利用计算机软件技术虚拟出 来的设备器件，所获得的实验结果当然也不是远程设备的实际反映而是通过软件 计算得到的数据。这样并不能客观的反应实际的测试结果【2 捌。针对如此问题，建 立一个远程观测和控制实验设备的网络实验室则是一条有效的解决途径1 4 。它使 实验人员不受时间和地点的限制，从远程计算机上通过计算机网络进行操作实验 室中的实体设备仪器，观察实验结果。所得的实验结果与在实验室现场所得到的 结果完全一致，如同真实操作实验设备一样。 远程实验室是一种基于w e b 技术【5 】、计算机技术、仪器控制技术的开放式的 远程教育教学系统【6 】，是现有各种教学实验室的远程控制。远程实验室为开设各 种虚拟实验课程提供了全新的教学环境，有利于培养学生的操作能力和分析水 平。远程实验室将是未来学校建设的一个发展方向【7 】。 1 1 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 1 1 1 仪器的发展方向 ( 1 ) 仪器仪表网络化 在计算机网络技术快速发展的背景下，仪器、仪表也开始向网络化方向突进。 结合最新的仪器设备，通过广域网和局域网间接控制仪器仪表，对公司的经营、 中南人学硕士学位论文 管理的网络化和分布式测试测量等方面都有很大的作用。仪表厂商可以通过网络 这个平台与客户直接的交流，突破了空间和时间的限制，直接进行网络信息的交 流，也有利于专家对仪器仪表进行远程维护和分析【8 1 。 ( 2 ) 仪器仪表智能化 随着各种微处理器芯片技术的发展，人工智能技术的快速进步，给仪器仪表向 智能化方向发展提供了物质和技术方面的条件，智能化的仪器仪表就是通常说的 智能化机器人仪器仪表【9 1 。这种方向的发展将会随着软硬件发展水平的提高而高 速发展，这将给人们的生活生产带来很大的方便。 ( 3 ) 仪器仪表虚拟化 虚拟仪器的概念是在上世纪8 0 年代由n i 公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 首先提 出，虚拟仪器概念的提出使计算机和仪器结合起来形成与传统意义上截然不同的 测量元件，它利用计算机的软硬件资源来进行专业化的测试测量，使仪器的功能 大幅度完善【l o 】。实际上这是一种基于计算机技术的自动化测试仪器系统，也就 是用计算机体系结构代替传统的测量仪器【u 匕使各种测试数据得以在计算机资源 中进行方便快速的处理、显示和储存。虚拟仪器的最大优点在于使传统仪器能够 和现代的计算机技术相结合，从而开发出更多更开放的功能，具有更快的处理能 力、具有更大的灵活性【1 2 】。同时，人们对虚拟仪器系统中硬件与计算机的连接 通信方式对于测试系统整体性能的影响，表现出了很大的关注【1 3 1 。 1 1 2 虚拟仪器的概念 仪器技术发展至今，经历了机械式仪器、模拟式电子仪器、数字化仪器和智 能机器人仪器等阶段，从上个世纪世纪八十年代仪器仪表技术有了更大的发展开 始进入虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 系统时代【1 4 】。 虚拟仪器提出以来，得到普遍重视，并迅速发展，在一些领域也得到了很大 的应用【1 5 】，如嫦娥登陆月球的航空中就运用了虚拟仪器技术进行模拟仿真，实 现直接的测量和实时的控制，为我国的航天事业助上一臂之力。 计算机技术的飞速发展，网络覆盖率的大幅度提升，仪器仪表在生产生活中 的需求和不足导致了虚拟仪器的产生【惦】。所谓虚拟仪器就是以计算机为基础、 测试仪器为功能单元、软件技术为方法、三着彼此结创1 7 】，协调工作完成信号 的调理，数据的获取、处理、存储及输出显示或作出一定的响应，具有一定的智 能性的现代化测试系统【1 8 】。它利用具有高速高性能的硬件，结合灵活、易于扩 中南大学硕士学位论文 展、稳定性强的软件来完成传统仪器的功能并进行各方面的完善。使其具有更强 大的功能和稳定的性能。现在很多国家的科学工作者都在使用、研究虚拟仪器并 推动着虚拟仪器的前进。虚拟仪器提供的各种工具能够在很大程度上满足我们各 种项目的需求。 虚拟仪器具有以下特点 1 9 】： l 、虚拟仪器开放、灵活，可与计算机相互促进，高速发展； 2 、软件可以模拟硬件的功能。甚至可以彻底使一些硬件消失，在很大程度 上降低了硬件成本。减少系统硬件的偶然性同时增强系统的稳定性； 3 、大大缩短了仪器的研制周期。提前产品的提交时间，缩小开发成本； 4 、由硬件( 主要是计算机和各种接口、仪器) 提供平台，由软件实现其功 能，便于管理、易于操作。 1 1 3 虚拟仪器的软硬件结构 虚拟仪器主要由软件硬件两部分组成【2 0 1 。硬件部分包括计算机、f o 接口总 线、数据采集卡和各种仪器设备。而软件部分则主要由专业化软件开发环境开发 的系统软件、底层的设备驱动软件等。由硬件完成信号的采集、滤波、传输，由 软件完成界面编程、仪器控制、数据处理变换等。高性能的硬件，灵活的软件可 以开发出功能强大，性能稳定，操作方便的虚拟仪器。 ( 1 ) 软件部分 虚拟仪器中软件起到关键性作用，它是功能的核- t ) , t 2 1 1 ，具有比较大的灵活 性，它驱动着硬件的运行。一方面，通过软件实现虚拟仪器的前面板，为用户提 供一个检查仪器通信、设置仪器属性参数、控制仪器，完成信号测量的友好界面。 另一方面它担负着数据的计算与分析、仪器的控制与检测。同样的硬件结合不同 的软件可以形成不同的功能。在虚拟仪器系统中软件完善、扩展、甚至部分地取 代硬件的功能，使仪器中的一部分硬件甚至整个仪器从系统中消失。形成“软件 就是仪器”的新形势虚拟仪器系统。 i o 输入输出软件 i o 输入输出软件在虚拟仪器系统中用于主机和外设之间的连接，主要用于 总线控制、数据传输瞄】。l a b v i e w 中的提供的i o 通常具有一定的通用性。如 v i s a 模块，是很多生产厂家生产仪器都遵循的一种协议，v i s a 软件具有开放 性，它可以运用于不同的总线接口。可以用v i s a 模块直接连接u s b 、串口、 中南大学硕士学位论文 g p i b 等不同总线。这种通用f o 输入输出软件大大提高了软件的可重用性。 数据分析和处理软件 计算机的软硬件资源要比普通仪器的软硬件资源丰富的多。利用计算机强大 的软硬件资源可以极大提高虚拟仪器系统的数据分析处理能力，提高其运算速度 有利于实时性仪器的开发，同时节省仪器开发时间，缩短仪器的开发周期。 外围设备的驱动 没有硬件的软件是空中楼阁，没有驱动的硬件则是没用的废铁。仪器的驱动 软件的运行，在硬件上转换为各种高低电平，读写硬件中的寄存器。起到初始化 硬件环境，检测硬件状态、驱动硬件运行的功能。各种外围设备都在驱动软件的 指挥下在计算机的操作系统协调下运行完成仪器的测量工作。 传输协议 计算机和各种硬件之间按一定的数据传输协议实现数据的传输，信号的控 制。 ，一 ( 2 ) 硬件部分 一 硬件是软件运行的物质基础，虚拟仪器的硬件包括计算机系统的硬件资源， i 0 总线设备以及用于完成各种测试功能的可控仪器【2 3 1 。其中包括各种数据、图 像采集卡，数据连接线、滤波、信号转换电路等。 一 根据不同的总线结构，可以组成不同的虚拟仪器系统。如串口仪器系统、 d a q 仪器系统等。各种不同的系统具有各自的优点和不足。 虚拟仪器系统通常由计算机向测控仪器发出控制信号，然后由外围设备进行 数据采集，所采集的数据传回计算机处理分析，它们在软件的协调下工作。 测 苔 控制信号 试 c = = 今 接 计 对 口 算 象 设 数据信号 机 备 图1 - 1 计算机与外设在软件协调下工作 中南人学硕十学位论文 1 2 远程虚拟实验室的发展状况 1 2 1 远程虚拟仪器实验室的发展 在计算机科学、微电子和网络技术发展的大环境下，为虚拟仪器的出现和发 展提供了前提条件。虚拟仪器的发展和社会科研机构、高校的需求也促使了远程 虚拟实验室的产生和发展。远程教育系统利用i n t e r n e t 实现教育资源共享，从而 达到节省资金，优化资源的目的。近年来我国计算机网络化速度非常快，人们对 网络知识的学习也几乎达到了普及的程度。这些都促进了实验室网络化 2 4 - 2 6 。 如今高校学生数目在进一步增加，使普通高等院校大多面临实验教学资源紧 缺的困境。如果采用虚拟实验室的方式进行实验教学可以解决教师资源、场地、 经费等不足的现状。同时还可以提高实验室的装备水平、实现许多学校仪器共享、 教师资源共享、提高教学水平和教学质量。资源的共享可以最大限度的满足各个 单位各个用户的不同需要。 网络实验室就以计算机网络为核心，将仿真实验【2 刀、真实实验设备或虚拟 仪器等通过广域网或局域网连接起来，以实现异地信号采集、实时分析和仪器远 程控制操作的多功能系统，通常也称为虚拟实验室 2 妣9 1 。 在虚拟实验室方面，麻省理工学院首先组建成功【3 0 1 ；其后，美国也在这一 领域开始了研究与开发，并取得了巨大的成果【3 1 。3 2 1 。中国在这一领域的研究稍晚 一些，但也取得了很大的进步，如航天航空领域的模拟仿真测试，三维立体合成 等。 在国内外有许多高校开展了虚拟实验室的研究并开设虚拟仪器的课程。如斯 坦福大学的远程光学实验室，学生可以远程登陆该实验室做实验进行各种各样的 研究工作。实验室向学生提供监听和控制功能，分析工具以及参考资料。加拿大 达尔豪西大学的远程激光实验室、德国r u h r 大学的虚拟自动化实验室【3 习；华中 科技建立的工程测试网络实验室：此外还有中国科技大学的我国第一套网络虚拟 现实教学软件“几何光学实验设计平台”等。 1 2 2 远程实验室框架 根据实验室实现方式的不同，通常可以分为软件共享、仪器共享和远程控制 三类远程虚拟实验室1 3 4 1 。但其结构组成大都由服务器、客户机、程控仪器和 i n t e m e t 这几部分组成。其框架结构如图1 2 所示。 中南人学硕士学位论文 1 2 3 远程实验室技术 图1 - 2 远程实验室的整体框架图 远程实验室技术通常指软件、硬件、网络技术等，这些构成了实验室技术的 关键【3 5 1 。 ( 1 ) 虚拟仪器技术 虚拟仪器技术主要包括软硬件技术两部分，它是利用高性能的模块化硬件， 结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用当。今时代虚拟仪器 已经有了很大的发展和应用，发展迅速的软硬件协同设计技术越来越受到人们的 重视。它是在系统目标要求的指导下，通过综合分析系统软硬件功能及现有资源， 最大限度地挖掘系统软硬件之间的并发性【3 6 1 ，协调设计软硬件体系结构，以使 系统工作在最佳工作状态，满足各种具体应用场合的需要。 ( 2 ) 数据库技术 数据库技术是信息系统的一个核心技术。它主要是研究数据的组织和 数据的存储，以及如何高效地获取数据和方便地处理数据。数据库技术是 现代信息科学与技术的重要组成部分，是计算机数据处理与信息管理系统的 核心【3 7 】。 数据库技术的研究对象是数据的管理，所以数据库技术主要包括：通 过对数据的组织和管理，按照指定的数据结构组建相应的数据库集合；利 中南大学硕十学位论文 用数据库管理系统( d b m s - d a t a b a s em a n a g es y s t e m ) 实现对数据库中的数 据添加、修改、删除、处理、分析、报表等多种功能。 ( 3 ) 网络技术 虚拟实验室是一种基于网络技术、虚拟仿真技术而构建的开放式网络化的虚 拟实验教学系统。是一种将网络与虚拟仪器技术的结合，通过各种传输协议 在计算机网络平台上，实现软硬件的共享【3 引，使各种仪器设备得到更大的 利用率。 1 3 本文所做的工作 本文分别从理论研究、可行性分析、系统设计三个方面全面论述了对基于 l a b v i e w 的远程虚拟实验系统的设计与实现。本文共分为八章，内容简介如下。 一、介绍了基于远程网络的虚拟实验室的发展状况与所面临的问题。 二、从总体结构对系统进行设计，包括硬件总体结构和软件总体结构。并 通过模块化的设计思想，将系统分为三大部分共五个模块，分别为：人员注册与 登陆模块、仪器控制模块、实验系统运动模块、视频采集与数据处理模块、网络 发布模块。 三、系统的数据库设计。包括登陆和注册界面设计，应用数据库技术实现 登陆注册时的人员信息查询，人员信息的添加等。 一 四、比较了各种现有的仪器控制的常见解决方法并确定了本系统的仪器控 制方案。介绍了如何利用l a b v i e w 调用v i s a 节点的方式对u s b 接口仪器进行 连接与控制。 五、通过串口实现计算机与单片机的串口通信，从而控制电动机运动，以 实现超声波接收器的移动。 六、介绍了v f w ( v i s i o nf o rw i n d o w s ) a p i ，a c t i v e 控件，n iv i s i o n 等。 并实现了n i v i s i o n 现场视频信息的采集。介绍了利用示波器的采集功能进行数 据采集，并实现了数据处理、报表生成等功能。 七、网络发布设计，通过网络发布完成远程实验系统的网络实现，实现通 过网络对远程仪器测控系统的运行进行展示。 八、总结与展望。 中南大学硕士学位论文 第二章远程实验室测控系统的整体设计方案 本文以一个具体的实验“声速的测量”为基础，构建了一个基于虚拟仪器的 远程实验系统，目标是建立一个基于互联网的虚拟实验室，即利用网络技术，将 所提供的实验项目、实验仪器及实验通过网页的形式，让所有的互联网用户共享。 研究人员只需通过网络登录，进入网络虚拟实验系统，设定各种实验条件，就可 以完成实验，并通过视频实时观察现场实验过程。 2 1 实验的内容 ( 1 ) 实验装置 本实验用如图2 1 所示的实验原理进行声速的测量。 图2 1 实验装置示意图 图中的s l ，s 2 是压电陶瓷换能器( 压电效应) ，其中s l 固定，接信号发生器； s 2 可移动，收声波信号，并转换为电信号连接示波器。 ( 2 ) 实验原理 驻波共振法 物理过程是振动产生超声波，然后产生声压信号，最后接收并反射，入射信 号和反射信号频率相等，方向相反，在同一直线上，若反射为全反射，即入射信 号和反射信号振幅相等，则在s l ，s 2 之间将发生干涉形成驻波场。 驻波特点是相邻波节或波腹间距离为半个波长。l = n 入2 ( n = l ，2 ，) ，位于波 节时驻波共振，振幅最大。位于波节处，振动位移极小，声压最大，转换成的电信 号最强，移动s 2 ，当再次找到最强位置时，则移动的距离为l 入2 ，测量出移动 的距离，即可测出波长，连续测量多个点进行计算。 ( 3 ) 实验步骤 中南人学硕+ 学位论文 匹配频率：保持s l ，s 2 间距不变，通过远程控制调节信号源“发射强度” 及“信号频率”，同时控制示波器从s 2 采集信号，通过比较自动找到换能器s l ， s 2 的匹配频率点。 寻找驻波点t 控制信号源以匹配频率把信号输入到s l ，同时通过单片机 控制步进电机使s 2 匀速向同一方向移动( 消除回程误差) ，通过信号采集，记录 任一位置的波形输出动态的“波形图 和静态的“振幅位置”图，从而找到多 个最大振幅对应的位置坐标。 数据处理及报表生成：通过观察前面板上的数据和图形，求出对应的数 值，然后由实验人员计算出声波的速度，之后由系统报表打印上交。 2 2 系统的各功能模块概述 本系统主要从以下几个部分设计与实现：系统的数据库设计，信号源和示波 器控制、串口通信控制步进电机模块、视频采集模块、实验数据采集与处理模块、 实验报告生成模块和网络实现模块，系统的整体框架图如图2 2 所示。 ( 1 ) 系统的数据库设计 该模块主要完成实验人员注册、登陆和实验选择。采用数据库技术完成对人 员登录注册时的数据库管理。对于第一次登录的人员允许其进行注册。实验人员 通过学号和密码进行登陆，三次输入错误将会自动退出系统。与数据库中人员信 息吻合的登陆操作将被允许。登陆成功后根据具体情况选择所要进行的实验。 人员登陆模块是进入整个远程实验系统的入口，只有先通过相应信息的验 证，才能进入实验系统进行试验，在这里使用数据库技术来保证其安全性和可靠 性。 ( 2 ) 信号源与示波器控制模块 信号源与示波器控制模块是本系统的重点部分，这里我利用n i 公司的图形 化开发语言l a b v i e w 为平台从实用的角度设计了r i g o l 公司的信号源与示波器的 操作界面，利用v i s a 模块实现了与程控仪器一信号源、示波器的通信与控制。 经过精心调试实现了控制这两台仪器的目的。 ( 3 ) 串口通信与步进电机控制模块 在驻波法测量声速过程中需要移动换能器s 2 来改变两个换能器间的问距使 之达到半波长的整数倍。此模块的目的就是为实现换能器的移动。本文通过计算 机和单片机间的串口通信实现对步进电机的控制从而达到移动换能器s 2 的目的。 中南大学硕士学位论文 图2 2 系统整体框架图 ( 4 ) 视频采集模块 此模块主要通过对n i i m a q 节点的使用实现对u s b 摄像头的控制，完成对 现场状况的视频采集，以便于实验人员了解实验现场的具体情况。方便远程用户 和现场用户进行交流和沟通。 ( 5 ) 数据采集和处理模块 本系统采用示波器的采集功能进行波形数据采集，并根据本系统的具体实现 目标进行了相应的数据处理，构造波形信号的振幅与换能器位移之间的函数关系 图像，简化了波速的计算。 ( 6 ) 报表生成模块 报表模块利用l a b v i e w 平台提供的报表函数自动生成实验报告。 中南大学硕士学位论文 ( 7 ) 网络实现模块 利用l a b v i e w 开发平台提供的的网络发布工具，实现将系统前面板嵌入到 网页上进行发布，实验人员可以通过网络在网页上对仪器的控制和数据的测量。 通常网络的发布有两种，一种是远程面板方式，一种为w e b 发布。本文分别介 绍了这两种工具的使用。 远程实验的操作步骤如图2 3 所示。 册人 测 测 网、员 量 幅量 页实登 谐 的位 链验录 振 关移 接选、 频 系与 择注 室 振 2 3 软件开发平台的选择 图2 3 远程实验操作步骤 实 验 退 报 出 口 生 出 成 一个虚拟仪器系统功能主要由软件来决定，由此可知，软件设计是最重要的 部分，硬件仅仅是软件实现的平台。当然软件的选择也必须与相关硬件设备的选 择相适应，以提高现代化测控系统的性能。 2 3 1 软件开发平台的多样性 当前的一些可视化软件开发工具在硬件技术的发展而飞跃发展，其功能也日 益强大且新的开发工具不断涌现。 目前软件开发平台主要有v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 、c + + b u i l d e r 以及n i 公司的图像化编程环境l a b v i e w 和文本编程环境l a b w i n d o w s c v i 等。 2 3 2l a b v i e w 简介 类似于v i s u a lc + + 和v i s u a lb a s i c 开发环境，l a b v i e w 是一种图形化软件 开发环境，由美国国家仪器( n i ) 公司开发的。但是l a b v i e w 与其它计算机编 ，程语言相比较而言与众不同的特点是：其它计算机语言都是采用基于文本的语言 产生代码，而l a b v i e w 使用的是图形化编辑语g 编写程序，产生的程序代码是 框图的形式【3 9 1 。它采用数据流的方式，支持多线程。它被广泛地应用于工业生 产，现在已经被广大工程师和研究人员应用于各种领域。 中南大学硕士学位论文 在n i 公司提供的虚拟仪器开发软件l a b v i e w 内部包含了大量的功能模块， 还提供直接调用w i n d o w sa p i 函数、a c t i v e x 、系统命令以及简单c 语言代码的 接口，可以实现程序的网络化，是一个功能强大且简单易用的的开发软件。其图 形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣，即使没用很多的编程经验和专业知 识，利用l a b v i e w 也可以方便地搭建起自己的虚拟仪器。l a b v i e w 开发的v i 主要包括两部分：前面板和框图程序( 相当于c 语言开发环境中的c 语言代码) 。 仪器的前面板通过编程实现，是人机界面，决定着一个软件是否便于操作；背面 板程序用于传送前面板输入的命令参数到仪器以执行相应的操作，用于数据分析 处理存储及输出等。 l a b v i e w 的优点在于它的便捷、轻松的设计环境，使得程序员完成某个虚 拟仪器程序可以像堆积木似的一样有趣。l a b v i e w 采用流程图的形式编写代码， 思路清晰，操作容易。 l a b v i e w 软件开发环境具有以下特点： ( 1 ) l a b v i e w 是基于数据流图式的软件开发平台，其程序代码也是图形化 的代码，使编程过程更加接近人的思维，简单易用，流程清晰。是用于测控领域 的专业性软件开发工具。 ( 2 ) 属于可视化编程语言即“所见即所得 。 ( 3 ) 采用数据流编程模式，很容易实现并行编程。 一 ( 4 ) 提供了丰富的用于数据采集、分析、总线连接、仪器驱动等的函数库。 ( 5 ) 具有丰富的的外部接口能力，可以实现l a b v i e w 与外部的应用软件之 间的通信。l a b v i e w 为我们提供了直接调用d l l ( 动态链接库) 、a c t i v e x 控件、 m a t l a b 功能等的外部接口，使l a b v i e w 具有开放式编程环境。 在这里我们选择l a b v i e w 8 6 开发超声波远程实验系统。 2 4 硬件仪器设备的组建 由计算机和i o 输入输出设备两部分组成的系统硬件平台主要实现数据的功 能包括数据的采集、输出、显示及分析处理等。计算机是虚拟仪器硬件平台的重 要组成，它具有丰富的软硬件资源，承担着处理、分析、存储数据的角色。 目前虚拟仪器系统中硬件与计算机的连接方式主要有串、并行口总线、p c i 总线、g p i b 总线( i e e e - - 4 8 8 标准) 、v x i 总线、p x i 总线、现场总线( c a n 总 线) 、u s b 总线( 通用串行总线) 等，它们在现代的总线结构中各具特色。 本系统在仪器控制方面，采用的是具有u s b 总线形式的信号源与示波器。 中南大学硕士学位论文 在和单片机通信方面本系统采用了串口通信实现指令的传输。在视频采集中使用 u s b 接口的普通摄像头。 2 5 本章小结 在本章中介绍了超声波实验装置及超声波波速测量原理。然后在此原理的基 础上分析了所要实现的功能，设计了超声波远程实验室系统的整体框架，并讨论 了系统中所涉及到的各个功能模块及其相互间的协调关系。最后介绍了l a b v i e w 软件开发平台的特点并采用l a b v i e w 作为开发工具进行软件设计。简单介绍了 硬件的几种常用总线，并介绍了本系统硬件的选择方案。 中南大学硕士学位论文 第三章系统的数据库技术及其管理 本模块主要完成远程实验室的人员信息注册、登录及实验选择等功能。每个 参加实验的实验人员必须经过本界面进行注册、登陆等操作。通过数据库技术， 管理实验人员的数据信息，验证登录信息的正确性。通过数据信息验证以后，用 户可以直接进入实验选择界面，选择相应的实验进行相应的测量与控制。 实验室系统登陆代码编写流程如图3 1 所示。 图3 1 实验室系统登陆代码编写流程图 中南大学硕+ 学位论文 本文中利用a c c e s s 保存登录人员的信息。在登陆过程中通过检索a c c e s s 数 据库来验证登录人员的信息。 3 1 数据库操作的实现 在登陆及注册功能模块中，数据库的作用在于保存注册信息及验证登录人员 身份。 3 1 1 数据库技术简介 数据库系统d b s ( d a t ab a s es y s t e m ) 是一个可运行的组织、管理、存储和 维护数据的软件系统。我们经常使用的有s q ls e r v e r 、m i c r o s o f ta c c e s s 、o r a c l e 等数据库【删，本文所涉及到的a c c e s s 数据库是非常方便使用的，并且支持s q l 语言，它是功能比较强大的数据库软件。 3 1 2l a b v i e w 中访问数据库的方法 现代的测试系统大多要对被测控对象进行多方位检测，这将导致数据量的大 幅度增长。采用数据库技术处理大量的数据信息，能够有效地管理和组织数据， 反应数据之间的关系【4 。可惜的是l a b v i e w 本身并不包含具备数据库访问的功 能模块，通常我们通过其他方法来实现对数据的访问和保存1 4 2 - 4 3 】。 ( 1 ) 在l a b v i e w 平台中实现访问数据库的操作 我们可以利用l a b v i e ws q l t o o l k i t 软件包来操作数据库的，因为其简 单易用的特点和该软件封装了大多数数据库操作和一些高级访问功能删。用户 在不了解s q l 语法的情况下也可以编写出高效的数据库管理软件【4 5 1 。但价格令 人望而却步。 在l a b v i e w 中通过a c t i v e x 容器实现a e t i v e x 控件的调用，调用w i n d o w s a d o 控件来实现数据库的访问。 通过第三方开发的免费工具包l a b s q l 访问数据库。l a b s q l 专门为 l a b v i e w 软件量身定做。用户只要将这些子直接调用即可实现对数据库的访 问和维护【4 6 。7 】。 ( 2 ) 利用l a b s q l 访问数据库 在上面介绍的几种数据库访问方法中最简单且免费的方案是l a b s q l ，现在 对其作进一步的介绍。 l a b s q l 简介 中南人学硕士学位论文 l a b s q l 是一个免费的，在l a b v i e w 平台上使用的数据库访问工具包，由 p r e m k cd e v e l o p m e n t 公司的c h r i sr o t h 和j e f f r e yt r a v i s 开发。l a b s q l 支持w i n d o w s 操作系统中任何基于o b d c 的数据库，包括a c c e s s ，s q ls e r v e r ，o r a c l e ，等。l a b s q l 在底层上是利用m i c r o s o f ta d o 对象和s q l 语言相结合来完成 对数据库的访问，将复杂的一系列底层a d o 及s q l 操作封装成一个个简单易用 的l a b s q lv i s 。按照功能可以将l a b s q lv i s 分为四类：c o m m a n dv i s ，c o r m e c t i o nv i s ，r e c o r d s e tv i s 和t o pl e v e lv i s 。c o m m a n dv i s 是完成一系列的基 本a d o 操作。c o n n e c t i o nv l s 用于完成l a b v i e w 与数据库之间的连接与断开 操作即取得或断开数据库资源。r e c o r d s e tv i s 用于对数据库中的记录进行各种 操作，比如，创建或删除一条记录等。t o pl e v e lv i s 属于顶层的l a b s q l 应用， 是对前三类l a b s q lv i s 的某些功能的封装。 在l a b v i e w 中操作l a b s q l 的步骤和方法 具体步骤如下： 第一步：建立与数据库的连接。首先通过a d oc o n n e c t i o nc r e a t e v i 创建一 个c o n n e c t i o n 对象，然后利用a d oc o n n e c t i o no p e n v i 建立与数据库的连接。数 据库名由a d oc o n n e c t i o no p e n v i 的c o n n e c t i o n s t r i n g 指定。 第二步：执行s q l 命令。将文本命令与a d oc o n n e c t i o ne x e c u t e v i 的输入 端口相连即可执行。 第三步：断开与数据库之间的连接。处理完数据以后要释放资源。利用a d o c o n n e c t i o nc l o s e v i 关闭c o n n e c t i o n 对象，并使用a d oc o n n e c t i o nd e s t r o y v i 删 除c o n n e c t i o n 对象。使用例子如图3 2 所示 图3 - 2 使用l a b s q l 的一般程序框图 3 1 3 数据库与开发环境的连接 i a b s q l 必须在l a b v i e w 平台下实现和数据库的连接，才能实现对数据库的 维护。本文采用a c c e s s 数据库。以下描述其连接方式。 中南大学硕士学位论文 l a b v i e w 与a c c e s s 连接通常有d s n 、u d l 和直接编程三种方式。 ( 1 ) d s n 方式连接 通过打开在控制面板中的管理工具中的数据源，创建d s n ( d a t as o u r c e n a m e ) ，然后在数据库中新建a c c e s s 文件，便可