机械测试labview网络虚拟实验平台的构建毕业论文.doc

*毕 业 设 计（论 文）基于LabVIEW的网络测试系统的设计学 院（系）： 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 计算机软件技术与工程学院摘 要实验在普通高等教育中占有非常重要的地位，它是对学生进行素质教育的一个重要环节。随着计算机技术、虚拟仪器技术的发展，虚拟实验室应运而生。虚拟实验作为传统实验的一个必要的有益补充，既能节约大量的教育经费，也使实验在时间和空间上得到有效的延伸。它在教育、科研等领域中具有广阔的应用前景，是实验教学的一个新的发展方向，是当前研究的热点课题之一。因此，虚拟实验室的构建具有重要的现实意义。将虚拟仪器技术推向网络应用，更能发挥其“软件就是仪器”的优势，更有助于形成分布式的网络测试体系，实现数据和仪器的远程共享，从而为实验教学以及远程测控服务。本课题以LabVIEW 8.5为软件开发平台，以虚拟测试系统的数学模型为基础，建立实验室用户登陆系统VI，并嵌入一些虚拟实验仪器的子VI，进而建立相对简单的虚拟实验系统。本文首先介绍课题的研究背景，纵观了该课题在国内外的研究现状，并指出了研究的意义；然后介绍了本课题的研究对象虚拟仪器，阐述了它的定义、组成、功能、特点及发展前景；接着介绍了虚拟仪器的开发环境LabVIEW软件，总结了LabVIEW软件的特点，简单地介绍了它的操作工具，重点针对所设计的实验网络虚拟实验平台，从模块建立、功能介绍、程序说明、实验结果等方面作了详细的阐述；最后是本文的结论，对整个设计进行总结并对将来作了展望。关键词：虚拟仪器；LabVIEW；登陆模块；系统设计；网络测试目 录摘 要I1 绪论11.1 课题背景11.1.1 虚拟仪器在国内高校实验教学应用情况11.1.2 虚拟仪器在国外高校实验教学中的应用现状21.2 研究意义32 虚拟仪器技术42.1 虚拟仪器概述42.1.1 虚拟仪器技术的由来42.1.2 虚拟仪器技术的定义42.2 虚拟仪器的组成52.2.1 虚拟仪器硬件平台52.2.2 虚拟仪器软件系统52.3 虚拟仪器的功能及特点62.3.1 虚拟仪器的功能62.3.2 虚拟仪器的特点62.4 虚拟仪器的应用前景73 LabVIEW软件开发平台83.1 概述83.2 LabVIEW软件的特点83.3 LabVIEW应用程序的构成93.3.1 前面板介绍93.3.2 流程图介绍103.3.3 图标/连接器简介103.4 LabVIEW的操作选板113.4.1 工具选板简介113.4.2 控件选板简介113.4.3 函数选板简介123.5 LabVIEW设计虚拟仪器的方法134 基于LabVIEW的网络虚拟实验室的设计与实现154.1 虚拟实验室的概念及特点154.2 虚拟实验室的设计与实现154.2.1 系统设计的总体方案154.2.2 系统设计的总体目标164.2.3 系统设计的软件结构164.2.4 系统用户认证模块的实现174.2.5 系统虚拟实验仪器简介25结 论27参 考 文 献28致 谢291 绪论1.1 课题背景实验环节在大学理工科教育中占有非常重要的地位，是提高学生动手能力、培养创造能力和综合素质的一个重要的手段，很多学科都是以实验课程为基础，缺少了实验课程的支持，工科学科的教学和科研活动就无法进行。学生只有通过足够的动手验证实验型和综合设计型实验才能加深理解和掌握所学的理论知识和应用技术，也只有通过实验，才能将理论与实践很好地结合起来。传统的实验室是资源高度密集的实验系统，具有实验设备资金投入量大、实验体系的完善和实验教学的实施所需人力物力投入量大的特点。实验室常规设备有的己经老化，有的技术上有些落后，在当前实验经费紧缺的情况下，如果大量购置常规仪器仪表，学校财力难以支付。又由于基础实验室是面向所有的工科专业，任务异常繁重，实验室常常只能应付学生按教学大纲的要求做一些最简单的验证性实验，学生很少有机会去反复熟悉常用仪器仪表的使用，更少有机会去做设计性实验。这对调度学生学习积极性，培养创新精神，加强实践动手能力都十分不利。本课题是针对目前高校中的实验资源紧张这一现实状况，利用虚拟实验室构建技术，构建一个智能化的网络虚拟实验室。本虚拟实验室能实现从辅助教学、实验管理来完成本科实验教学的基本内容，具有开放、安全、经济、更新快等优点，使实验教学方法和手段得到突破与创新。1.1.1 虚拟仪器在国内高校实验教学应用情况目前，随着招生规模的不断扩大，国内普通高等院校实验设备往往比较陈旧，不能及时更新，从而跟不上教育的飞速发展。目前高等工科院校仍沿用传统的实验教学方法，实验内容和实验设备依附与理论课程进行划分，各实验室和实验内容没有形成一个有机的整体，缺乏系统的观念。实验设备重复建设，沉积较多。实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，实验教学处于应试教育。而虚拟实验室系统则主要依赖于软件和较少的配套硬件，使实验室的维护费用和工作量也大大降低。LabVIEW作为虚拟仪器开发系统的杰出代表，可以利用Internet进行虚拟实验室的网络发布，实现了资源共享，避免了仪器重复添置和资源浪费，满足了用户不再受时间、地点限制进行远程的实时合作，提高了用户的学习效果。目前国内已有部分高校的个别实验室装备了虚拟仪器实验平台,但都或多或少地存在着通用性较差，灵活性不强、交互性差的问题。其中比较出色、比较有代表性的是清华大学虚拟仪器电工教学实验平台。清华大学电机系将虚拟仪器用于对传统电工教学实验的改造和更新,已开发出若干个基于虚拟仪器环境的电工实验。在这些新开实验中,被测对象是实际的电路或系统。另外，国内许多大学和研究所都已经开始研制和提供远程仿真实验。例如，北京大学计算机系所设计的基于万维网的网上虚拟实验室3WNVLAB就是一种支持较大计算量和交互式的网上虚拟实验室的通用基本框架。它是一个基于浏览器和Web服务器的虚拟实验室。在该系统中，用户平台采用JAVA编写，用户可通过界面选择实验种类，并将用户的实验设计通过Internet传送到服务器端。服务器端是虚拟实验室的核心，用来完成客户端要求的实验内容，并将可信的实验结果返回客户端。客户收到实验结果后，可评价自己的实验设计，从而对自己的能力进行判断。北京邮电大学远程教育学院的网络课程中就包括了虚拟物理实验、虚拟电子电路实验等。这些实验是用Flash和HTML等技术建设的，因此可以在网络上传播，算是构建真实感很强的、具有良好交互性的虚拟实验室。1.1.2 虚拟仪器在国外高校实验教学中的应用现状国外许多大学己经建立起各种各样的虚拟实验室网站，研究也趋向成熟。新加坡国立大学的远程控制实验室网站就是采用这种结构的典型例子。他们己经开发了六个基于Web的远程实验，如“带祸合的水槽设备控制实验”，不仅能够使学生应用各种控制方法完成实验任务，而且为研究人员测试控制算法提供了一个实验平台。通过使用Microsoft Net meeting，实验室还提供了视频会话系统，使用者可以一边调整参数一边观看实验的真实运行过程。而美国Tennessee at Chattanooga大学的Jim Henry设计的网上工程实验室则提供了一系列远程控制实验，如压力控制、液面控制、温度控制、速度控制实验等。这个远程实验系统是由一台Web服务器和五台客户机构成的。每台客户机上都运行用LabVIEW编写的软件，并与一套实际的实验设备相连。当通过Internet访问Web服务器时，首先用户需要选择控制参数，然后Web服务器把这些参数写入文件传送给相应的客户机。客户机收到这些参数后，通过数据采集卡来控制相连的实验设备完成实验，并把实验数据返回给Web服务器，服务器根据这些数据生成实验结果图反馈给用户。另外，澳大利亚RMIT大学的John Ball和Kate Patrick设计的虚拟实验用于进行热传递过程的教学，可以帮助学生快速地掌握这个抽象的概念。这个虚拟实验采用传统的预测观察解释的教学方法，一方面可以让学生以实验的方式来描述和测试他们自己对热传递的期望，另一方面也可以让老师更清楚地了解到学生面临的困难。这个虚拟实验使用了多种人机交互手段，为学生提供了一个易于使用的实验学习环境。纵观国内国外，虚拟仪器在电机实验教学上的应用还不是很广泛、深入，希望本文能为高校实验教学研究做出些许的贡献。1.2 研究意义传统仪器下的高校实验教学，严重滞后于信息时代和工程实际的需要。其根本原因在于实验教学内容依附于课程设立，基本处于割裂状态，仪器设备不可能实现资源共享。特别需要一些测试速度快、实时性好的人机界面，虚拟仪器正可以实现这些要求。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下优点：(1) 性能高 虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全“继承”了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，使数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。(2) 扩展性强这些软硬件工具使得工程师和科学家们不再受限于当前的技术中。得益于软件的灵活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软件上的升级即可改进整个系统。(3) 开发时间少在驱动和应用两个层面上，NI高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起。设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使用户轻松地配置、创建、发布、维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 (4) 除了以上几点之外，虚拟仪器研制周期较传统仪器大为缩短，且成本低廉；具有开放性和灵活性，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互联等优点。本文就LabVIEW在网络虚拟实验系统方面的应用设计做初步的探讨，希望其中成功的经验、失败的教训对于应用此软件的读者来说能够有所帮助。2 虚拟仪器技术2.1 虚拟仪器概述仪器技术发展至今，经历了模拟仪器、数字化仪器、智能仪器以及单台仪器、层叠式仪器系统阶段，从20世纪80年代进入虚拟仪器系统时代。2.1.1 虚拟仪器技术的由来电子技术的飞速发展及其在各方面的广泛应用，对仪器的“智能”要求越来越高，仪器中微机的任务不断加重，仪器在很多方面逐渐向微计算机靠拢。因此，需要统筹地考虑仪器与计算机之间的系统结构。在这种背景下，1982年出现了一种新型的、与PC机配合使用的模块式仪器，自动测试系统结构也从传统的机架层叠式结构发展成为模块式结构。与传统仪器不同的是，模块式仪器本身不带仪器面板，因此必须借助于PC机的强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的“虚拟的”仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。这种与PC机结合构成的，包含实际仪器使用与操作信息软件的仪器，称为“虚拟仪器”。1986年10月，美国NI公司推出了图形化虚拟仪器专用开发平台LabVIEW，它采用独特的图形化编程方式，编程过程简单方便，是目前最受欢迎的虚拟仪器主流开发平台。在软件上，为了兼顾其他高级语言开发者的习惯，NI还推出了LabWindows /CVI等交互式开发平台。经过多年的发展，NI公司从正式发布LabVIEW 1.0到目前的LabVIEW 8.2，几乎不到两年就推出一个新版本，可见虚拟仪器技术进步的迅速。从虚拟仪器概念提出至今，有关虚拟仪器技术的研究方兴未艾。研究人员在虚拟仪器硬件接口、虚拟仪器软件及其设计方法等方面做了许多有意义的研究工作，并已开发了许多实用的虚拟仪器系统。典型的虚拟仪器模式可以理解为，除了信号的输入和输出以外，仪器的其他操作，如测量、控制、变换、分析、显示等功能均由软件来实现，它们依据某种通用或专用总线标准或规约，或以某种接口形式，与计算机进行通信，由计算机统一进行调度和管理的一种数字化仪器。2.1.2 虚拟仪器技术的定义所谓虚拟仪器（Virtual Instrument），是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板，其仪器的大部分测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。仪器的面板由显示在计算机上的软面板来代替，信号的获取和信号的分析、处理、存储及打印等功能完全由软件来实现。其实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I/O接口通信设备完成信号的采集与传输，最终完成各种测试功能。2.2 虚拟仪器的组成虚拟仪器一般由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成。2.2.1 虚拟仪器硬件平台 虚拟仪器的硬件一般包括计算机和外围硬件设备。PC 机可以选择各种类型的通用计算机，它是硬件平台的核心。虚拟仪器使用的个人计算机中，微处理器和总线成为最重要的因素。它主要用来提供实时高效的数据处理和显示功能。而外围硬件设备则主要包括各种计算机内置仪器插卡和外置测试仪器设备。通过友好的图形界面操作，自己定义、自己设计，从而完成对被测试量的采集、分析和显示等功能。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB 仪器控制系统、VXI 仪器系统以及这三者之间的任意组合。主要完成被测信号的采集、放大、模/数转换及数/模转换和信号输出控制等。可根据不同的总线情况采用不同的I/O接口硬件设备，如数据采集卡(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器模块、串口仪器等，虚拟仪器构成方式有五种类型， 无论上述哪种VI系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。其中，PC-DAQ测量系统是构成VI的最基本的方式，也是最廉价的方式。2.2.2 虚拟仪器软件系统虚拟仪器软件由两大部分构成，即应用程序和I/O接口仪器驱动程序。(1) 应用程序： 实现虚拟面板功能的前面板的软件程序； 定义仪器测试功能的流程图软件程序。(2) I/O接口仪器驱动程序：这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。输入/输出(I/O)接口软件存在于仪器(即I/O接口设备)与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据操作，对VXI背板总线与器件作测试和控制，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件层，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。仪器驱动程序是连接上层应用软件与底层输入/输出(I/O)软件的纽带和桥梁。这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了更多方便条件与良好的开发环境。本文采用的是NI公司的图形化虚拟仪器开发平台LabVIEW 8.2。 2.3 虚拟仪器的功能及特点2.3.1 虚拟仪器的功能虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示。目前虚拟仪器广泛应用于电子测量、电力工程、矿质勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等诸多领域。虚拟仪器的基本功能有以下三点：(1) 信号调理与采集功能此项功能主要是由虚拟仪器的硬件平台完成的。仪器硬件可以是插入式数据采集卡及必要的外围电路，或者是带标准总线接口的仪器，如GPIB,VXI,PXI,STD,PCI总线仪器和网络化仪器等。(2) 数据分析与处理功能虚拟仪器充分利用了计算机的高速存储功能、运算功能，并通过软件实现对输入信号的分析处理，如数字滤波、统计处理、数值计算、信号分析、数据压缩、模式识别等数字信号处理。(3) 参数设置和结果表达功能虚拟仪器充分利用计算机的人机对话功能，完成仪器的各种工作参数的设置，如功能、频段、量程等参数的设置，对测量结果的表达与输出有多种方式，如屏幕显示，电、磁、光存储，绘图打印，网络传输等。2.3.2 虚拟仪器的特点虚拟仪器技术就是基于PC技术的、用户自定义的测试和测量解决方案，其四大优势在于：性能强性价比高、扩展性强、开发时间短，以及出色的集成功能。(1) 性能强性价比高以软件为主的测量系统，充分利用了常用台式计算机及工作平台的计算、显示和互联网等的强大功能。由于传送的信号大多是数字信号，数据的处理几乎是软件实现的，从而大大降低了环境干扰和系统误差的影响。(2) 扩展性强虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。为提高测试系统的性能，可以方便地加入一个通用仪器模块或更换一个仪器模块，而不必购买一个全新的系统，大大有利于测试系统的功能扩展。(3) 开发时间短在驱动和应用两个层面上，优秀虚拟仪器开发平台已经将其高效的软件构架与计算机、仪器仪表和通讯方面的最新技术结合在一起，给用户提供最方便的、最灵活的操作以及强大的功能，让用户轻松地配置、创建、部署和维护高性能、低成本的测量和控制解决方案。(4) 出色的集成随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，虚拟仪器软件平台为大部分I/O设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。2.4 虚拟仪器的应用前景近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台组建自己的虚拟仪器或测试系统。最早和最具影响的开发软件，是NI公司的LabVIEW软件和LabWindows/CVI， LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的、在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。虚拟仪器正在继续迅速发展。虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用PC机组建灵活的虚拟仪器，取代测量技术传统领域的各类仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。它可以与不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。3 LabVIEW软件开发平台3.1 概述LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台）是美国NI公司推出的一种基于G语言（Graphics Language,图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。LabVIEW是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，它为设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，利用它设计者可以轻松组建一个测量系统或数据采集系统，并任意构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机程序代码的编写，从而可以大大简化程序的设计。LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开发工具库。LabVIEW的程序设计实质上就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VI”。在计算机显示屏幕上利用功能库和开发工具库而产生一个前面板；在后台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序。程序的前面板具有与传统仪器类似的界面，可接受用户的鼠标指令。一般来说，每一个VI都可以作为其它VI的调用对象，其功能类似于文本语言的子程序。LabVIEW程序是数据流驱动的。数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的。这样，LabVIEW中被连接的方框图之间的数据流控制程序的执行次序，而不像文本程序受到行顺序执行的约束。用LabVIEW编制方框图程序时，不必受常规程序设计语法细节的限制。首先，从功能菜单中选择需要的功能方框，将之置于面板上适当的位置；然后用导线连接各功能方框在方框图中的端口，用来在功能方框之间传输数据。这些方框包括了简单的算术功能，高级的采集和分析VI以及用来存储和检索数据的文件输入输出功能和网络功能。LabVIEW的核心是VI。VI有一个人机对话的用户界面前面板和类似于源代码功能的方框图。前面板用于接受来自方框图的指令。在VI的前面板中，控件模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的方框图；而指示器则模拟了仪器的输出装置并显示由方框图获得或产生的数据。当把一个控件或指示器放置到前面板上时，LabVIEW在方框图中相应地放置了一个端口，这个从属于控件或指示器的端口不能随意删除，只有删除它对应的控件或指示器时它才随之一起被删除。3.2 LabVIEW软件的特点归纳起来LabVIEW软件开发平台具有以下优点：(1) 图形化的编程方式，设计者不用写任何文本格式的代码，是真正的工程师语言。(2) 提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数。(3) 采用数据流编程模式，是能够同时运行多个程序的多任务系统。(4) 既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独到的高亮执行和探针工具，使程序动画式运行，利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。(5) 32bit的编译器编译生成32bit的编译程序，保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。(6) 囊括了DAQ，GPIB，PXI，VXI，RS-232/485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，使得不懂总线标准的用户也能够驱动不同总线标准接口设备与仪器。(7) 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制，诸如DLLs(动态连接库)、DDE(共享库)、ActiveX、MATLAB等。(8) 强大的Internet功能，内置了便于应用TCP/IP，DDE，ActiveX等软件标准的库函数。支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。 图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。随着虚拟仪器技术的不断发展，图形化的编程语言必将成为测试和控制领域内最流行的发展趋势。3.3 LabVIEW应用程序的构成所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI )，都包括前面板、流程图以及图标/连结器三部分。3.3.1 前面板介绍前面板的开发窗口如图3.1所示。窗口中包含主选菜单栏和快捷工具栏。用户制作虚拟仪器前面板是用工具选板中相应的工具去选取控件选板上的相关控件，并拖入到窗口中的适当位置。图3.1 前面板的开发窗口前面板是图形用户界面，也就是VI的虚拟仪器面板，这一界面上有用户输入和显示输出两类对象，具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控件和显示对象。3.3.2 流程图介绍流程图是图形化程序的源代码，是VI测试功能软件的图形化表述。虚拟仪器通过软件编程来实现测试功能。图3.2所示为流程图编辑窗口。选用工具选板中相应的工具去控件功能选板上的有关图标来设计制作虚拟仪器流程图，以完成虚拟仪器的设计工作。图3.2 流程图编辑窗口在流程图中对VI编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。3.3.3 图标/连接器简介VI具有层次化和结构化的特征。一个VI可以作为子程序，这里称为子VI (Sub VI)，被其他VI调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。构造子VI主要的工作就是定义它的图标和联接器。每个VI在前面板和流程图窗口的右上角都显示了一个默认的图标。可以用窗口左边的各种工具设计像素编辑区中的图标形状。编辑区右侧的一个方框中显示了一个实际大小的图标。联接器是 VI 数据的输入输出接口。如果用面板控制对象或者显示对象从子 VI 中输出或者输入数据，那么这些对象都需要在联接器面板中有一个连线端子。用户可以通过选择 VI的端子数并为每个端子指定对应的前面板的对象以定义联器。3.4 LabVIEW的操作选板在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它的操作模板，包括工具选板、控件选板和函数选板。这些选板集中反映了该软件的功能与特征。3.4.1 工具选板简介该选板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具，如图3. 3所示。如果该选板没有出现，则可以在查看菜单下选择工具选板命令以显示该选板。图3.3 工具选板3.4.2 控件选板简介该选板用来给前面板的设置各种所需的输出显示对象和输入控件对象。控件选板如下图3. 4所示，它包括如下所示的一些子选板。每个图标代表一类子选板。如果控件选板不显示，可以用查看菜单的控件选板功能打开它，也可以在前面板的空白处，点击鼠标右键，以弹出控件选板。 图3.4 控件选板3.4.3 函数选板简介函数选板是创建流程图程序的工具。该选板上的每一个顶层图标都表示1个子选板。若函数选板不出现，则可以用查看菜单下的函数选板功能打开它，也可以在流程图程序窗口的空白处点击鼠标右键以弹出函数选板，函数选板如下图3. 5所示。 图3.5 函数选板3.5 LabVIEW设计虚拟仪器的方法LabVIEW的图形化程序设计是基于现代软件的面向对象技术和数据流技术而发展起来的。下面按步骤说明进行图形化的程序设计：(1) 建立方案：选用LabVIEW软件，可以构建虚拟仪器，而不是编写程序。有了交互式控制的软件系统，用户可以很方便地建立其前面板接口。为了实现具体的功能，用户利用向导把流程图组合在一起。(2) 建立前面板：用户从控件选板上选择需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。控件选板上的对象包括数字显示、表头、压力计、热敏计外壳、表、图片等。当虚拟仪器完成以后，就能在虚拟仪器工作时利用前面板中去控制整个系统。(3) 构建图形化的流程图：对虚拟仪器进行程序设计，用户不必担心很多传统程序设计所需的语法细节，而可自己构建流程图。从函数选板上选择对象，并用线将它们连接起来以便数据进行传递。函数选板上的对象包括简单的数学运算、高级数据采集和分析方法、以及网络和文件输入输出操作。(4) 数据流程序设计：LabVIEW用一种精巧的数据流程序设计模式把用户从文本式语言的线形化方式构建程序的办法中解放出来。LabVIEW软件是一个多任务系统，具有多线程功能并运行多个虚拟仪器。(5) 模块化和层次：LabVIEW虚拟仪器实行模块化设计，因而任何虚拟仪器既能独立运行，又能被用作其他虚拟仪器的一部分。甚至可以创建自己的虚拟仪器图标，因而可以设计由虚拟仪器构成的多层系统。(6) 图形编辑器：在许多场合、程序运行速度都非常关键。LabVIEW软件是唯一的带有编辑器的图形化编程环境、可以产生最优化的代码。利用内置的绘图器，甚至能够对与时间非常关键的代码部分进行分析和优化。图形化程序设计编程简单、直观、开发效率高。4 基于LabVIEW的网络虚拟实验室的设计与实现4.1 虚拟实验室的概念及特点虚拟实验室是指利用虚拟仪器建立起来的实验室。与传统实验室相比，本虚拟实验室的开发基于以下几个特点进行：(1) 开放性：主要是指资源开放。虚拟实验室提供了大量的实验项目，任何用户需输入正确登陆信息才能使用本系统的资源；用户无论在何时何地都可以自由地使用虚拟实室，即在时间和空间上对使用者没有限制。 (2) 共享性：虚拟实验拓宽了教学实验的时空观，传统的教学实验一般因实验室的空间、实验仪器的数量、实验指导教师人数等的限制，实验只能分组进行，因而学生实际用于实验的时间是有限的，接触实验设备和仪器的机会是很少的，从而使得实验仪器的使用效率不高，但虚拟实验室将仪器、元器件软件化，并通过网络将其得到最大限度地共享。因此，在不同终端上可同时进行相同科目的虚拟实验，拓展了实验室的空间，提高了实验效率。(3) 高效性：经过了虚拟实验的先期训练，学生的实验目的性更强，操作的熟练程度等有了很大的提高，再进入传统实验室可以高效率地完成实验。 (4) 易于维护性：虚拟实验室管理者可以不断添加新的实验项目和增强原有实验的性能，并对其进行维护和管理，保证使用者每次使用的都是最新的系统，使扩展后的虚拟实验室对使用者没有增加不方便之处。这些优点在实践教学中产生了不可忽视的作用，能够弥补传统实验室的不足。LabVIEW是构建虚拟实验室的最理想的软件平台。 4.2 虚拟实验室的设计与实现4.2.1 系统设计的总体方案本系统考虑到虚拟实验室系统的复杂性，同时为了适应今后功能及结构上的扩展，通过采用模块化设计，可以将虚拟实验室系统分解为多个层次的模块进行设计，以降低系统设计复杂度。设计时先完成底层模块的设计与验证，再进行高层次模块的设计与验证。每个模块是功能相对独立的子系统。虚拟实验室可以划分为用户登陆界面模块、用户管理模块、虚拟实验仪器仿真模块、数据库管理模块。虚拟实验室系统的模块组成如图4. 1所示。虚拟实验室用户登陆界面用户管理模块虚拟仪器仿真数据管理模块图4.1 虚拟实验室系统模块4.2.2 系统设计的总体目标本系统的总体目标是设计并实现一个基于局域网的虚拟实验室平台，该虚拟实验平台主要完成虚拟示波器、滤波器等虚拟实验仪器的仿真和数据采集等实验的研究与发，使学生可以通过网络完成大学相关课程的规定实验，突破地域和时间上的限制，达到网络实验教学的目的。学生是虚拟实验室的最终用户，每个用户以自己的学号和密码作为出入虚拟实验室的通行证，登录虚拟实验室系后，可以在客户端进行相关的实验操作。在虚拟实验室中，用户可以选择实验，选择实验仪器，进行实验仿真、数据分析。实验指导教师是虚拟实验室的特殊用户，实验指导教师以教工号和密码作为通行证，可以进行创建实验模板、添加新仪器、加入新实验、制订实验步骤等操作。系统管理员是虚拟实验室的高级用户，负责对教师、学生信息及各种实验教学资源和实验数据的管理。为达到系统的总体目标，该系统要完成的主要工作可描述如下： (1) 用户在客户端登录，应用服务器从数据库中获取该用户有关信息，验证该用户是否为合法用户。如果是合法用户，批准请求，用户进入实验室系统；否则，拒绝用户使用。 (2) 用户进入实验室系统后，从实验列表中选择实验。系统显示该实验的实验说明和用户操作界面。用户在操作界面上对元器件进行选择、连接，然后确认仿真开始，进行参数设置。 (3) 用户可以自主选择实验仪器和元件，搭建实验电路，服务器对仪器连接和实验操作进行检查，提供必要的帮助。如果正确，进行仿真计算并输出结果。 (4) 特殊用户能够创建新实验、制订实验步骤并保存为实验模板，创建新实验仪器并加入仪器库中供用户以后使用。 (5) 系统管理员负责教师信息、学生信息及实验教学资源和实验数据的管理。4.2.3 系统设计的软件结构根据系统体系结构，可把要完成的主要功能分别划分到客户端和服务器端： (1) 客户端主要功能 用户登录 每个参加实验的用户必须先进行登录，客户端将相关信息送往服务器，由服务器进行验证，验证通过后，用户才能由客户端进入系统。 仪器选择 用户选择实验以及实验仪器，用户可以对器件的一些特定参数在其允许范围内进行改变，系统以可视化的形式提供用户的选择和设置操作。 实验操作 用户连接已选用的器件，将其操作传送给服务器，进行规则验证，若正确则触发仿真，进入参数设置界面。用户的操作过程以可视化的形式进行表现。 结果可视化接收服务器端传回的仿真结果，将实验结果在波形显示区可视化地显示出来。 (2) 服务器端的主要功能 用户管理 管理员为每个用户建立用户名、密码、使用权限，并记录用户的登录信息。同时，服务器为该用户创建输入、输出通信线程，并通知该用户，服务器己为该用户建立了必要的连接，登录过程结束。 仪器管理 服务器端对所有的实验仪器进行管理，包括仪器的增加、修改等操作。 规则审查 当客户端将实验操作传给服务器端后，服务器端的规则审查模块对数据文件进行解析，根据实验规则判断实验操作是否正确。如果所有的操作都正确，进入仿真计算模块，得出实验结果；否则，向用户返回错误信息。 仿真计算 仿真计算模块根据数据文件中包含的信息，通过软件模拟各种实验操作，在服务器端进行仿真计算，最后将计算结果传送给客户端。 文件及数据库管理用户在登录到虚拟实验室时的登录信息以及以后的一些实验数据等都需要保存、载入和查询，因此在服务器中专门为此建立了文件数据库管理。4.2.4 系统用户认证模块的实现一个完善的网络虚拟实验室系统应具有完备的安全验证体系，使实验系统资源的维护和管理更加安全。进入实验室系统之前，学生初始用户名和密码分别是姓名和学号，密码系统主要是防止非授权用户的非法进行，只有合法的用户在验证后才能进行测试和其它操作，比如查看数据等，增加系统和测试数据的安全性。用户登陆界面如4.2图，图4.2 登录界面用户登录界面的实现是利用LabVIEW形象的用户控件设置的，其实现的程序框图如图4.3所示。 图4.3 用户登陆框图主程序在登录模块中验证用户是否合法是关键，通过一个不断循环的While结构来对比用户输入的与数据库中的用户名和密码是否匹配。输入用户名后，可以按回车键，光标会跳到密码输入栏，输入密码后，可以按回车键进行密码确认，也可以点击“用户登录”，单击“用户登录”或按下回车键进行验证，如果用户信息不正确的话，会提示“用户名或密码错误，请重新输入”，如果用户输入三次错误的用户名和密码时，会提示“输入错误的用户名或密码次数超出限制，请联系系统管理员确认您的用户名和密码！”，此时请联系管理员确认正确的用户名和密码。如果用户信息正确，则允许登录。表1是本实验系统拟订的用户名、密码、使用权限的数据库生成表。表 1 密码系统里面记录了当前用户的用户名、用户密码、用户权限。使用时系统默认的用户名“admin”，其密码为“123”，用户权限是管理员。图4.4是管理员第一次登录后的界面：图4.4 管理员登录后的界面成功登录系统后，将出现用户选择界面，如果用户权限是管理员的话，则多了一个“用户管理”的功能，用于对当前所有用户的密码等信息进行管理，如图4.5所示：图4.5 用户管理界面管理员可以进行的管理包括：(1) 增加用户弹出对话框提示输入新用户的用户名、密码、权限，确认后完用户增加，如图4.6所示，图4.6 增加用户界面(2) 删除用户选择左边的任意一个用户，点删除用户，确认后删除该用户，如图4.7所示，图4.7 删除用户界面(3) 编辑用户双击其中某一行时，可以对该用户的密码和权限进行修改，但用户名、不能改变。用户权限如果只是普通测试员的话，则只有“进入系统”、“退出系统”这几个按键可用。如图4.8所示，图4.8 测试员登录后的界面退回用户登录界面，单击“进入系统”开始进入系统。如图4.9所示，图4.9 进入系统后的实验平台界面用户可继续进入系统仿真平台，选择进入系统平台后，用户选择想要进行的虚拟实验仪器单击进入，本实验系统设计的虚拟实验仪器板块如图4.10所示图4.10 虚拟实验版块界面然后根据虚拟实验环境提供的元器件，进行电路连接，参数设置，完成仿真。4.2.5 系统虚拟实验仪器简介本文以虚拟示波器界面4.11为例。虚拟示波器主要是对信号发生器模块产生的测试信号进行分析与处理。它可以完成以下功能：测试信号经滤波、加窗处理后，进行时域分析、频域分析以及谐波分析。可以进行各种参数设置，包括采样设置、滤波器类型选择及其参数设置、窗函数类型选择等。该程序可对输入信号进行FFT、自相关谱、功率谱、相位谱、互相关谱等的分析。通过这些频谱的分析,我们可以非常详细的了解所分析信号的多方面的详细的信息。图4.11 虚拟示波器界面而示波器中的数学处理模块的界面如图4.12。LabVIEW提供了丰富的函数及子程序库,从基本的数学函数到高级分析库(包括信号处理、函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合、傅立叶变换、小波分析等),通过这些函数及子程序库,可以实现各种仿真波形的处理。其主要处理方法包括时域分析、频域分析。图4.12 虚拟示波器数据处理界面结 论本文以网络技术、计算机技术、虚拟仪器技术为依据，提出了一套较为合理的构建虚拟实验室的总体方案。期间主要完成了以下工作： 1 从理论层面讨论了虚拟实验室的基本概念及其分类，对仿真虚拟实验室的本质、架构及架构过程进行了分析。 2 从技术和方法层面，讨论了虚拟实验室进行了功能定位，对其构建的基本原则和实现的用户操作流程进行了详细的描述。在对应用系统常用的网络结构进行对比的基础上，提出了本虚拟实验室的网络构建体系结构，并对虚拟实验室的软件结构进行了设计。3 从应用层面上，本文利用是LabVIEW软件设计的网络虚拟实验平台，通过用户登陆界面，嵌入一些虚拟实验仪器设备，可以应用于实验室的辅助教学，具有开放、安全、经济、更新快等优点，使实验教学方法和手段得到突破与创新。实现了资源共享，避免了仪器重复添置和资源浪费，满足了学生不再受时间、地点限制进行远程的实时合作，提高了学生的学习效果。 本文所做的工作只是一个初步的探索和实验。由于时间有限，本课题只研究了关于虚拟示波器等方面的虚拟实验，后面的开发和实现可以在一下几个方面进行研究和改进： 1 增加虚拟现实部分。基本上电子元器件对实验者来说都是框图形式，对真实的元器件并不是很熟悉，因此需要对具体的元器件进行Flash动画仿真，使实验者对真实元器件和它的内部电路构成都有所了解。现在的虚拟现实技术己经成熟，可以实现。 2 开发更多的虚拟仪器和元器件。扩充虚拟仪器库，进一步丰富和完善实验内容，满足教学和科研的要求。3 增强虚拟实验的协同性。科学实验常常是一种协作性的活动，与同伴合作是实验过程中一个至关重要的环节，因此，要充分利用现代网络技术，增强对虚拟实验的协同操作，进一步体现网上实验的优势。本文是在导师的指导下大胆的尝试，希望其中成功的经验能给您以启发，失败的教训能给您以警戒，使您在最短的时间内走出我曾经走过的路，并且一直朝前走下去，让你我共同铺垫出一条通向虚拟仪器的科技之路，为祖国高等教育实验教学能够跟上时代的步伐，培养出高质量、高素质的人才献上我们的所有。参 考 文 献1 刘君华.虚拟仪器图形化编程语言 LabVIEW 教程M,西安:西安电子科技大学,2002,7480.2 刘君华,郭会军.基于LabVIEW的虚拟仪器设计M,北京:电子工业出版社,2003.3 王英霞.基于LabVIEW的虚拟实验室的研究与实现D,天津理工大学,2007.4 张爱平.LabVIEW入门与虚拟仪器M,北京:电子工业出版社,2004,15.5 张健.基于LabVIEW 虚拟仪器实验教学系统的设计与实现D,河北:河北工业大学,2003.6 江建军,周毅.基于虚拟仪器的网络虚拟实验室构建J,仪表技术,2003(5):1112.7 刘灿涛,赵伟,侯国屏.基于虚拟仪器的电工教学实验J,实验室研究与探索,2001,20,2627.8 邵鹏.网络虚拟实验室体系结构研究D.武汉:华中师范大学,2003,48.9 张佳佳,黄辉先,颜长春.虚拟实验平台的设计J,现代电子技术,2004(11):4044.10 杨乐平,李海涛,肖相生.LabVIEW程序设计与应用M,北京:电子工业出版社,2001.11 秦学华,刘亚斌,孙涣鹏.基于LabVIEW的虚拟仪器网络化实现J,测控技术,2004:7173.12 王洪波,王枫，张彦斌.LabVIEW与Access数据库访问接口研究J,微计算机信息,2004：5657.13 杨乐平,吕英军.虚拟数字示波器的设计与实现J,电子技术与应用,2000(7):2830.14 侯国屏,奎丽荣.一个虚拟仪器实验室的建设方案J.实验技术与管理,2001,18(6):2426.15 程虎. 虚拟仪器的现状和发展趋势J.现代科学仪器,1999,4.16 李凤保,彭安金,古天祥.基于Web的网络化虚拟教学实验室J.仪器仪表学报,2002,23(5).17 王鸿钰.网络化测量和控制J.仪表技术,2001,(1).18 Understanding Client2Server App location EB /OL.2003.19 National Instruments Corp LabVIEW User Manual M.1998:27- 444.致 谢历时三个多月的毕业设计工作已经接近了尾声，自己投入了满腔热忱和极大精力的毕业论文也基本完成。在这段难忘的日子里，有过欢呼，也有过沮丧；有过期盼，也有过迷茫，但更多的是点点滴滴所积累起来的收获。通过对学过知识的回顾，不但巩固了自己的基础，更深化了我对专业知识的理解和认识；通过对新知识的学习，不但培养了我的自学能力，更锻炼了我求索创新的意志。付出就有回报，几个月的辛勤努力最终换来了丰硕的果实，真的希望这果实能成为校园实验教学做出些许的贡献。成绩并不属于我自己，在我身后，有许多人在支持我，鼓励我，关心我，在此我要一一表示感谢。首先，我衷心地感谢我的导师陈老师，感谢他在我毕业设计期间给予我莫大的关怀和鼓励。本论文是在陈老师的悉心指导下完成的。导师治学严谨、博文广识、务实求精，以及他对新知识孜孜以求的探索精神和对学术前沿动态敏锐的洞察力使我受益匪浅。整个毕业设计期间，导师在论文的