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基于网络的虚拟实验室构建 目 录内容摘要 1关键词 1Abstract 1Keywords 11. 引言 22. LABVIEW 22.1 LABVIEW的特点和发展史 22.2. LABVIEW图形编程语言 42.3. LABVIEW中的TCP/IP技术 62.4. LABVIEW中的TCP/IP传输的实现 63. 网络虚拟实验室的构建 103.1. 网络虚拟实验室的分类 103.2. 网络虚拟实验室实现原理 103.3. 网络虚拟实验室的构成 113.3.1.模拟仿真模块 113.3.2.实时测量模块 123.4. 网络虚拟实验室的硬件构建 154. 网络虚拟实验室实例操作 164.1. 虚拟数字示波器 164.1.1.远程测控的实现 184.2. 虚拟正弦波仿真信号发生器的实现 204.2.1.前面板设计 204.2.2.流程图设计 214.2.3.运行检验 214.2.4.开发基于BS模式的远程虚拟信号发生器215. 结论 22参考文献 23内容摘要：随着科技的发展,虚拟仪器技术在科学研究中扮演着越来越重要的角色。本文从LABVIEW虚拟仪器技术的发展前景和网络虚拟实验室的构建原理出发，论述了构建网络虚拟实验室的重要性和可行性，同时构建了虚拟实验室的实例操作。关键词：LABVIEW;网络虚拟实验室;模拟仿真;实时测量;TCP/IP技术Abstract: With the development of science and technology, suppose the instrument technology to be playing the more and more important role in study of science. The main body of a book the prospect and suppositional laboratory of network structure have built principle from development of suppositional LABVIEW instrument technology starting off , have discussed significance and feasibility structuring the suppositional laboratory of network, the example having structured the suppositional laboratory at the same time handles.Keywords:LABVIEW ；The network supposes a laboratory Simulation emulation； real time measurement； TCP/IP technology1引言网络虚拟实验室是一个无墙的中心，通过计算机网络系统，研究人员或师生将不受时空的限制，随时随地与同行协作，共享仪器设备，共享数据和计算资源，得到教师的远程指导以及与同行相互研讨。由于通过网络虚拟实验室能够实现跨时空跨学科的仪器设备远程共享，甚至远程控制，满足科研教学对分布式实验系统的要求，同时解决棘手的教学资源紧张问题，国外的很多科研院所也已经进行了相关的有益尝试。虚拟仪器技术得到了足够的重视，高校也将虚拟仪器实验作为衡量实验开设质量好坏的一个重要指标，虚拟仪器实验室应用越来越广泛。2. LabVIEWLabVIEW是美国NI公司开发的一套基于图形化编程语言(graphics programming language，简称G语言)，专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的开发软件符合国际标准IEEFA882接口驱动程序，适合于用户组建小型的测试系统和较简单的虚拟仪器或者用于大系统中某个分系统的编程它增强了用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力将LabVIEW与一般的数据采集以及仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域，从而摆脱传统的仪器功能的限制2.1 LABVIEW的特点和发展史1LabVIEW 给用户提供了一个理想的程序设计环境和虚拟仪器开发平台，面向的是没有编程经验的用户(尤其是不熟悉C语言或Basic语言的用户)，而不是编程专家，它使得科研和工程技术人员可以摆脱对专业编程人员的依赖。因此LabVIEW适合于从事科研、开发的科学家和工程技术人员，被誉为工程师和科学家的语言。作为一种高水平的程序设计语言，同传统的编程语言相比，可以节省大约80的程序开发时间，而其运行速度却几乎不受影响，体现了极高的效率。LabVIEW 以其直观简便的编程方式、众多源码级的设备驱动程序、多种多样的分析与表达功能支持，满足用户的不同需求。其特点主要体现在以下几个方面：（1）LabVIEW 不同于基于文本的编程语言(如VB和VC)，它是一种完全图形化编程语言通常称为G编程语言(Graphical Programming Language)，用图标代替文本代码创建应用程序，简明直观、易学易用。（2）LabVIEW 的前面板是模拟真实仪表的前面板，但是它的功能却是真实的，能够代替实际的仪器发挥作用。（3）LabVIEW使用数据流程序模式，可同时执行多个LabVIEW子程序。（4）LabVlEW中的VI具有模块化结构和层次化结构，每一个VI可以单独执行，或者被其他程序当作子VI来调用。（5）LabVlEW 提供了各种各样的、功能强大的虚拟仪器集成函数库和专用程序，以便用户能够快速组建自己的应用系统。（6）LabVIEW 提供DLL接口、CIN(C Interface Node)节点，使得其成为一个开放的开发平台；还直接支持动态数据交换(DDE)、结构化查询语言(SQL)、TCP和UDP网络协议等。（7）LabVIEW采用编译方式运行32位应用程序，解决了用解释方式运行程序的其它图形化编程平台运行速度慢的缺陷。（8） 支持多种操作系统平台，如Macintosh、Power Macintosh、HPUX、Sun SPARC、Windows 3X98200 T等。在以上任何一个平台开发的LabVIEW应用程序都可以直接移植到其它平台上。进入20世纪8O年代，计算机在测试与控制领域应用越来越多，NI的工程师们意识到：需要一种强大的软件平台，让用户通过他们的计算机获得更简单有效的测试与控制。苹果公司的Macintosh为这种即将诞生的图形化软件语言提供了一个最好的环境：G语言。1983年6月，NI为基于计算机的测量和自动化开发出的一个软件包LABVIEW 问世。它的目标是简化程序的开发工作，让工程师和科学家能充分利用PC机的功能，快速简便地完成自己的工作圆。1986年1O月推出的LabVIEW 10 For Macintosh引发了仪器工业的革命。1990年1月，Macintosh机的第二版推出，它提供了图形编译功能，使得LabVIEW 中的VI可以与编译C语言一样的速度运行。1992年，LABVIEW的多平台版本问世，使其可以在Macintosh MicrosoftWindows环境以及Sun Solaries等平台上运行。1993年1O月，LABVIEW 30版本开发完成，同时提供给用户的是一个应用系统生成器(Application Builder)，它使得LabVIEW 的VI变成一个可以独立运行的程序。为了支持更多的操作系统平台，1994年4月，LABVIEW for WinDows 32推出，紧接着在同年1O月又推出了LabVIEW for power Macintosh。1995年1O月，LabVlEW for Windows 95开发成功。1997年5月，LabVIEW 40版本问世。1998年2月，版本升级到LABVIEW 50。1999年2月，LABVIEW for Linux问世，同年NI公司推出了基于Windows 95Windows r40的LabVIEW51，它特别增加了网络功能， 借着它的新NIDataSocket技术，用户可与其Intenet启动应用程序共用数据，不用担心网络协议或数据格式，从而提高了开发网络应用程序的能力。 2000 年 8 月LABVIEW 6.0问世，不仅适用于更多的操作系统平台，而且将智能化测量与控制技术进一步扩展到了Intemet网。2OO1年12月，版本升级到LabVIEW 61。2003年5月，NI公司推出了LabVIEW 7 Express版本，这是该公司LABVIEW 图形化编程语言全系列产品的一次重要升级。它极大地简化了测量和自动化应用任务的开发，同时还将LABVIEW使用范围进行了扩充。其新特性包括Express VI(虚拟仪器程序)和交互式仪器控制与数据采集，并新增RT(实时)、FPGA和PDA模块。一年后，LabVIEW 71迅速推出，它将Express技术扩展到自动化测量技术和RT应用系统中。现在LABVIEW8。0纪念版已经面世了。2.2 LABVIEW图形编程语言LabVIEW一种基于图形的开发、调试和运行程序的集成化环境是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。它把复杂、繁锁、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法来选择功能(图形) ，再用线条把各种功能(图形)连接起来。LabVIEW中编写的源程序，很接近程序流程图。所以，只要把程序流程框图画好了，程序也就差不多编好了。LabVIEW 图形编程语言中的基本编程单元 2是VI(Virtual Instrument，虚拟仪器)，VI包括三个部分：前面板(Front Pane1)，框图程序(Block Diagram) 以及图标(Icon)连接(Connector)。前面板(Front Pane1)如图2.2.1所示：2.2.1随机信号发生器的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、图形以及其他控制（control）和显示对象（indicator）。图（2.2.1）所示是一个随机信号发生和显示的简单VI是它的前面板，上面有一个显示对象，以曲线的方式显示了所产生的一系列随机数。还有一个控制对象开关，可以启动和停止工作。显然，并非简单地画两个控件就可以运行，在前面板后还有一个与之配套的流程图。框图程序(Block Diagram)。如图2.2.2：2.2.2随机信号发生器流程图流程图提供VI的图形化源程序。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。图2.2.2是与图2.2.1对应的流程图。我们可以看到流程图中包括了前面板上的开关和随机数显示器的连线端子，还有一个随机数发生器的函数及程序的循环结构。随机数发生器通过连线将产生的随机信号送到显示控件，为了使它持续工作下去，设置了一个While Loop循环，由开关控制这一循环的结束。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。每一个VI程序的前面板都对应着一段框图程序。框图程序用LabVIEW 图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。所有VI源程序的框图都是由节点(Nodes)、端子、图框和连线(Wires)四种元素构成。其中，端子被用来同程序前面板的控件和指示器传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。编制框图程序时，从功能模板中选择需要的节点图标或图框，将之置于窗体面板上适当的位置，然后用连线连接它们及框图中的端子即可。在彩色监视器上，每种数据类型以不同的颜色和线形强调显示。图标连接器是子VI被其它VI调用的接口。图标是子VI在其他程序框图中被调用的节点表现形式，而连接器则表示节点数据的输入输出口，就象函数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控件和指示器一一对应。2.3 LABVIEW中的TCP/IP技术3：TCP/IP协议体系是目前最成功、使用最频繁的Intranet/Internet协议。作为一个流行的工业标准，TCP/IP技术有着良好的实用性和开放性。它定义了网络层的网际互连协议IP，传输层的传输控制协议TCP、用户数据协议UDP等等。基于TCP/IP技术可以架构各种Web服务，如邮件传输SMTP、文件传输FTP，以及利用超文本传输协议HTTP实现动态网页发布和网络浏览。在数据传输中，TCP/IP网络通过提供通用网络服务，使得具体网络技术对用户或应用程序透明，从而将具体通信问题从网络细节中解放出来，使网络应用更加灵活方便。体现到Labview应用中，我们可以直接调用TCP模块完成流程编写，而无需过多考虑网络的底层实现。协议结构上，TCP/IP体系利用基于无连接传输的IP协议，具体表现为IP地址，来区分网络中不同的数据站点。同时提供了两种传输方式：传输控制协议（TCP）为典型的传输大量数据或需要接收数据许可的应用程序提供面向连接和可靠的通信；用户数据协议（UDP）提供无连接的通信，典型的即时传输少量数据的应用程序使用UDP。根据IP协议内容和TCP的报文格式（如下图），数据传输需确定各主机的IP地址及通信的源端口号、目标端口号，也即通常所称套接字Socket，从而实现端口对端口基础上的面向连接的数据通信。相对于其他网络协议，TCP/IP这种端对端的传输具有两大优点。第一， TCP/IP跟其它协议相比，显得简洁清晰。利用通用接口，实现方便。第二，TCP/IP的效率相当高。TCP/IP的IP协议是“尽力传递”方式，只有TCP层为保证传输可靠性而做必要的工作，这样的工作模式在物理网络可靠的环境下传输效率相当高，同时TCP实现的端对端连接也有效的保证了传输的正确率。2.4 Labview中TCP/IP传输的实现在Labview中可以利用已发布的TCP VI及相关子例程设计实现TCP通信。此前需要在通信的计算机正确安装TCP/IP协议簇。在已接入Internet/Intranet的Windows/Unix系统中，TCP/IP协议是内置的；若是新接入的计算机系统，须确保TCP/IP正确的安装和设置，同时保证通信所需的源端口/目标端口开放。由于实现的是把各数据点的数据汇总到处理主机，设计上采用服务器/客户端通信模式，VI程序分成两部分：处理主机工作在Server模式，完成数据接受，并提供接口用于数据的相关后续处理；数据点计算机工作于Client模式，实现数据传送。设计其工作模式：（1） Server主机处于工作状态，并监听通信端口，等待Client发送的连接请求；（2） Client计算机开启TCP连接；（3） Server主机响应并建立数据传输通道；（4） 连接过程判断网络错误，若有则中断连接；（5） 数据传输，利用VI模块TCP read/write完成；（6） 传输完毕中断连接。设计过程调用到LabView提供基于TCP连接的VI函数模块如图2.4.1所示，可以在blockdiagram中直接应用。 图2.4.1 TCP连接的VI函数模块以下为根据此工作模式设计的数据传输实例。为通用起见，Client端所用数据为正弦波发生器产生。通信过程引入错误检测机制，可以对传输过程的错误进行判断，方便管理，也可以针对不同应用屏蔽相关网络错误。图2.4.2 Server 端流程图图2.4.3 Client端流程图从工作情况看，Server端能够正确接收Client端的数据并能实时输出，工作延时只受网络条件影响，说明本方法成功实现数据TCP传送，完全可以应用到分布式的现场监控中。图2.4.4 Client工作过程面板显示图2.4.5 Server工作过程面板显示3网络虚拟实验室的构建经过二十多年的发展，现在的LabVIEW 已经成为一个功能强大而又灵活的虚拟仪器和分析软件应用开发工具。基于LabVIEW 的虚拟仪器技术的研究是虚拟仪器适应形势发展的必然要求。随着近年来互联网技术的发展，虚拟仪器网络化已经成为研究的热点之一。虚拟仪器不再局限于一台独立的PC机，仪器使用联接功能来分配工作任务变得越来越普遍，最典型的例子就是超级计算机、分布式监控设备及数据结果远程可视化。另外，商业计算机(PC机)技术开始逐渐与嵌入式系统融合，虚拟仪器的功能也在进一步扩展，包括了更多嵌入式和实时功能。随着消费者对智能型汽车、电器和住宅等消费品需求的增加，嵌入式系统仍然会保持迅猛的发展势头。它的发展促进虚拟仪器实用性的开发，使其能应用到更多不同的领域中。下一代虚拟仪器将能够快速方便地与蓝牙(Bluetooth)、无线以太网和其他标准的网络技术融合。此外虚拟仪器软件还要能更好的描述与设计分布式系统之间的定时和同步关系，以便帮助用户更快速地开发和控制这些常见的嵌入式系统。3.1 网络虚拟实验室的分类5网络虚拟实验室大多使用的是CS（客户端服务端）结构，按其实现功能基本可分为三类：（1）软件共享网络虚拟实验室。其特点为，服务端共享本地的虚拟实验室模拟软件平台，接受客户端发送的实验请求，分析和处理实验参数，经过计算模拟最终将结果返回客户端。整个系统不涉及具体的实验仪器硬件设备，只是利用软件模拟实验的过程；（2）仪器共享网络虚拟实验室。服务端同样接受客户端的实验请求和实验参数，使用实验参数配置与之连接的实验仪器硬件设备，由实验仪器硬件设备进行实验，并将实验结果返回服务端，最后返回到用户端，实现实验仪器的共享，实验数据的共享。（3）远程控制网络虚拟实验室。与仪器共享网络虚拟实验室最大的区别在于除了实验仪器实验数据的共享之外，其还要实现客户端对实验仪器设备的远程控制3.2 网络虚拟实验室实现原理网络虚拟实验室的构建多使用BSDA(Browser/Server/Database Application) 结构，即客户端服务器数据库应用程序结构，其原理如图3.2.1 所示，图3.2.1 网络虚拟实验室构成原理图典型的网络虚拟实验室由客户端、网页服务器端、应用服务器端以及实验仪器设备四部分组成。网页服务器主要作用是提供Web接入服务、用户认证管理、开放式交互实验环境以及动态网页的生成；应用服务器主要作用是控制和管理实验仪器、采集和处理实验数据；数据库的主要作用则是配合用户帐户的管理、动态网页的生成以及实验数据的存储和管理。3.3 网络虚拟实验室的构成本网络虚拟实验室，主要由模拟仿真和实时测量两个部分组成，如图3.3.1 所示。 图3.3.1 网络虚拟实验室的组成原理图3.3.1 模拟仿真部分主要完成验证型、原理演示型实验，使用LabVIEW 自带的网页发布功能，直接在Web 服务器端生成嵌入实验平台的WWW网页，用户只需使用网页浏览器即可通过Internet 访问网络虚拟实验室，进行实验。我们以LabVIEW 内置的网页发布功能为基础，通过HTML设计网页，并使用Microsoft IIS 5.0发布功能，直接在服务器端生成嵌入实验平台的WWW 网页，用户只需使用网页浏览器进入我们的站点，即可通过Internet 进行实验，其原理如图 所示。图 模拟仿真实验原理图LabVIEW 内置的Remote Panel Connection Manager 用来对用户的使用情况进行监控与调度，NI Web Server 按照远端实验操作者制定的实验数据，分析、计算数据最后显示实验曲线以及实验结果，并将实验结果嵌入生成的HTML 网页中用户只需使用浏览器即可实时显示实验数据以及实验曲线，以及完成报告生成等后续工作。3.3.2 实时测量部分主要完成仪器共享型、远程控制型实验，有一个多媒体辅助模块，是对实际实验平台界面的虚拟呈现，让学生在进入实时测量模块之前来操作，用来检验学生的预习程度，让学生预先了解实验内容，熟悉具体的实验步骤；另一个是实时测量模块，它是实时测量部分的核心，负责本地实验数据的采集，并按远程用户的操作要求进行分析、存储以及显示，可使用LabVIEW 的网页发布功能来实现，也可使用基于LabVIEW 编程的Application Server模块与客户端API 模块来实现网络互连，数据通信，完成远程实验。我们使用了两种实现方案，用来满足不同情况下用户对远程实验的要求：一种是Browser & NI Web Server 结构，另一种是Application Server & API 结构。使用PXI-1000B机箱以及嵌入的PXI 板卡来作为NIWeb Server 与Application Server。Browser & NI Web Server结构是在模拟仿真实现的基础上，在NI Web Server 上连接相应的DAQ、SCXI 硬件，其再与实际的实验仪器连接，用来实现远程客户端与实验仪器的数据通信，完成实验仪器的远程共享，其原理如图所示。图 实时测量部分Browser & NI Web Server 结构原理图该结构适用于瘦客户体系，客户端无需计算分析数据，只需安装因特网浏览器接收服务端传输的数据流，即可进行实验，方便简单，效率高，但是对服务器的运算能力、带宽以及多线程状态下的稳定性等指标要求比较高；同时由于每一时刻只允许一位用户掌握控制权，所以比较适用于远程控制型实验。Application Server & API结构使用LabVIEW 编程，以其内置TCP/IP 模块为基础，构造一个Application Server应用服务器端和一个API 用户终端，由TCP/IP 模块完成网络互连，数据通信以及容错处理。Application Server 用来采集传输实验数据， 管理用户，记录用户使用情况；而API 用户终端则提供操作者GUI界面，实现数据的获取、分析运算以及显示存储等，其原理如图 所示图 实时测量部分Application Server & API 结构原理图该结构要求API 用户终端将Application Server 应用服务器端板卡采集的实验数据下载到本地终端来分析、计算、显示以及存储，除了对网络带宽、稳定性有很高的要求之外，对API 用户终端的计算机性能也有很高的要求，适用于远程软件共享和仪器共享型实验，可以实现多用户广播式共享实验数据。下面以半导体晶体管直流特性测试实验为例， 介绍Application Server & API 结构LabVIEW 编程的实现方法。用户首先进入的是一个多媒体仿真界面，用来检验预习状况，并熟悉实际的仪器操作。如图 所示，图 晶体管直流特性测试多媒体仿真界面借助一套实际仪器的图形面板， 我们使用LabVIEW 模拟了晶体管直流特性测试曲线，用户使用旋钮以及各种开关，可以像操作实际仪器一般，了解实验的具体内容和步骤。完成模拟之后，可以按下进入测量按钮，进入实时测量面板，如图 所示：图 晶体管直流特性测试实验实时测量面板面板上方的工具栏是相关的模式选择、参数设置以及数据存储等操作，中央的是实验曲线的显示界面。主程序框图结构如图所示，图 远程实时测量程序框图客户端API 模块先向服务端发送用户信息和实验请求，经服务端验证通过，建立TCP 连接；服务端然后接受客户端实验参数并在进行实验仪器初始化；服务端采集实验数据并通过TCP/IP 协议发送数据包，客户端接受实验采样数据，并按一定数据格式插入测量数组，同步显示波形；采集完全部实验数据，服务器发结束信息，然后断开网络联接，完成实验。图8显示的是客户端在远端实测的CCMS 实验室本地晶体管的IcVce 曲线图，如图：图 晶体管直流特性测试实验Ib 曲线显示晶体管放大倍数的计算值，并实时显示Ib曲线，用户可以选择保存按钮，将实验数据以需要的格式保存，进行相应的运算，使用HIQ 生成实验报告，最终完成实验。3.4 网络虚拟实验室的硬件结构9我们使用的是以NI-PXI构架为核心的硬件体系，并以一台Dell PowerEdge4600 为Web服务器，如图3.4.1 所示。 图3.4.1 网络虚拟实验室的硬件结构Dell PowerEdge4600 为Web 服务器配备了2 个Intel Xeon 2.8GHz 处理器，2GBECC DDR RAM，336GBSCSI RAID（冗余磁盘阵列），以及Broadcom Gigabit NIC 千兆网卡，充分满足多线程、大流量、高带宽的使用要求。Application Server使用的是一台PXI-1000B机箱，嵌入了PXI-8176 控制器， 以PXI-6070E 、PXI-6071E 多功能数据采集卡，用来实现高速的数模转换、数模输入输出以及数据采集；PXI-5102 高性能示波器卡来完成信号的发生，提供稳定可靠的信号源；PXI-2501 矩阵模块用来实现不同测量元器件之间的自动切换，以满足远程用户不同的测量要求，实现测量的多样性；PXI-1422 图像采集卡用来完成PCB 板、IC芯片的图像提取，满足电路检查、IC设计的需要；PXI-7344 运动控制卡用来实现电机伺服系统的参数提取，状态跟踪等。一台SCXI-1000 机箱，嵌入了SCXI-1320 和SCXI-1125信号调理模块，用来对微电子系统，微电流电压信号的放大、降噪、滤波，保持整个体系的高精确度。一台最新的NI-ELVIS用于实验模型的建立，搭建实验电路，构建小型的电子电路系统，实现电子电路实验的远程共享。4 网络虚拟实验室实例操作 通过以上的了解和学习我们来进行相应的实验实例操作4.1 虚拟数字示波器数字示波器是科研和实验室中经常使用的一种通用台式仪器，目前这类仪器加工复杂、价格昂贵。用虚拟仪器技术只需配置必要的通用数据采集硬件，应用美国NI 公司提供的基于图形化编程语言LabVIEW 的虚拟仪器编程环境，结合计算机的模块化设计方法，可以实现虚拟示波器，并对其功能进行扩展，实现传统台式仪器所没有的频谱分析和功率谱分析，最重要的是，还可利用网络实现仪器共享和远程控制。我们以HP 公司的HP54501A 型的数字示波器为原型，并扩展了仪器分析和处理功能。同时利用计算机提供的网络接口，通过TCP/IP 协议实现网络仪器和远程控制。本虚拟数字示波器主要由一块PCIMIO-16E-1 数采卡、PC 机和相应的软件组成，与网络相连后，即可构成一个多功能的可存储和可远程测控的数字示波器。如图4.1.1 图4.1.1 虚拟示波器面板图4.1.1 所示为远程示波器面板，可进行远程测试。本地有一个和图4.1.1 类似的面板，通过选择可作为本地示波器使用。虚拟示波器及其远程控制的系统结构如图4.1.2 所示。4.1.2远程虚拟示波器系统构成框图虚拟示波器的软件实现采用了基于G 语言的编程工具LabVIEW。LabVIEW采用图形化的仪器编程环境，具有内置的程序编译器，程序调试手段灵活，函数库功能强大，支持网络功能。由于数据采集卡采样速率的限制，对于高频信号而言，还不能满足带宽的要求，可采用高速的数据采集卡，示波器实现原理基本一致。虚拟数字示波器的基本功能如图4.1.3 所示：图4.1.3 虚拟示波器的功能模块数据的接收包括数据采集和通信部分。数据采集部分主要完成数据采集卡的配置，包括设备号、通道选择控制、缓冲区大小、采样速率、采样点数等的控制。通信部分包括数据的发送和接收，利用TCP/IP 协议实现网络通信。波形显示包括触发控制、时基控制、幅度控制、波形的清除。参数测量模块完成包括电压参数、频率和周期等参数的测量功能，具体为：上升时间（Risetime）、下降时间（Falltime）、频率（Frequency）、周期（Period）、正脉宽（width）、负脉宽（width）、占空比（Duty cy）、延迟（Delay）、峰峰值（V P-P） 、最小值（V-MIN）、最大值(V -MAX)、均方值(V- RMS)、幅度(V-AMP)、平均值（V-AVG）。多波形显示与运算模块提供了AB、AB、A、B、A、B、XY 以及A 和B 同时显示等显示模式。4.1.1 远程测控的实现所实现的虚拟示波器是基于客户机服务器（ClientsServer）模式的，如图4.1.1 所示。数据采集卡安装在服务器上，客户机通过Internet 网络连接到服务器上，服务器和客户端分别开发了 Server 和 Client 两个软件，都有虚拟示波器面板，并且都需要安装TCPIP 协议，以便进行网络通信。由于服务器端软件通过选择“本地控制”还是“远程控制”，执行相应的操作。如果选择的是“远程控制（Remote）”，则和客户端软件相连，借助于TCPIP 协议从客户端获取SCPI 指令，并返回测量数据给客户端。如果选择的是“本地控制（Local）”，可在本地作为一台数字示波器使用，进行信号的处理和显示。客户端软件首先要建立与服务器端的TCPIP 连接，并对用户的仪器操作产生相应的SCPI 指令，然后发往服务器端，并从服务器端读取数据，然后在相应的面板上显示出来。现在对测量数据进行共享有TCPIP、DataSocket 和VI Server 等技术。TCPIP 协议是计算机网络协议的的事实工业标准，LabVIEW 开发软件中提供了TCPIP 的开发工具包来实现在Internet 中的通信功能；DataSocket 是NationalInstrument 提供的一种编程技术，为底层通讯协议提供了一致的API，借助它无需进行底层TCP 编程就可以在不同的应用程序和数据源之间共享数据；VI Serve通过Internet 调用远程机上的VI，就像调用本地SubVI 一样完成参数传递，控制它的运行。本系统的远程测控采用LabVIEW 开发软件中提供的TCPIP 的开发工具包，服务器和客户机实现通信功能的子VI 的流程图如图 和 所示。图 服务器子VI 流程图图 中，先指定用于通信的端口号Port (必须和客户端所连的端口相同)，用TCP Listen VI 等待连接，一旦与客户机建立连接，则进入循环，用TCP Write 将采集数据传给客户机。当收到远程的停止命令后，用Close Connection 关闭连接。图 客户机子VI 流程图图 中，端口号Port 与服务器一致，地址Address 是服务器的IP 地址，用TCP Open Connection 与服务器建立网络连接，然后用TCP Read 接收服务器传来的数据。在数据传输期间，若有错误或用户按下停止键，则跳出循环，关闭连接。4.2 虚拟正弦波仿真信号发生器的实现以下以虚拟正弦波仿真信号发生器为例，具体阐述基于LabVIEW的信号发生器实现方法。4.2.1 前面板设计(1)5个输入型数字控件，供使用者键人生成正弦波的频率、初始相位、幅度、总采样点数N、采样频率（）(2)一个输出显示型图形控件，用来显示所产生的正弦波波形。如上设计的前面板如图所示。 图 虚拟正弦波发生器前面板4.2.2 流程图设计连线形成的虚拟正弦波发生器的流程图，如图所示。图 虚拟正弦波发生器流程图所需的数字频率厂由除法器的输出提供，该除法器完成信号频率与采样频率之比的运算，同时将采样频率取倒数转换为采样间隔，给出正弦波形的采样间隔，便于显示。4.2.3运行检验设置 =5.0Hz, 初始相位=90.00，幅度=20 V，= 100 Hz，复位相位(veset phase)选为TRUE，采样点数N=200，生