【文章內(nèi)容簡介】 助于現(xiàn)在流行的 DAQ(數(shù)據(jù)采集 )卡、 GPIB(通用接口總線 )卡、 VXI(系統(tǒng)控制接口卡 )等，可以插入計算機(jī)插槽和計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。軟件方面，可以方便地與 C、 MatLab 等接口進(jìn)行調(diào)用，也可以與數(shù)據(jù)庫連接，方便地支持網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)。 （ 6） 測量誤差小 。 傳統(tǒng)儀器受系統(tǒng)誤差的影響，不同儀器之間個體差異較大，加之觀察者自身因素等往往會影響測量結(jié)果，而虛擬儀器在 PC 機(jī)上運行，不同的 PC 機(jī)上 運行具有相同的效果，測量誤差很小。由于虛擬儀器有著諸多的優(yōu)點，采用虛擬儀器技術(shù)來改進(jìn)實驗教學(xué)具有極大的可行性。 （ 7） 無縫集成虛擬儀器技術(shù)從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復(fù)雜，通常需要集成多個測量設(shè)備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設(shè)備總是要耗費大量的時間。虛擬儀器軟件平臺為所有的海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 9 頁 共 31 頁 I/O 設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，可以輕松地將多個測量設(shè)備集成到單個系統(tǒng)， 減少了任務(wù)的復(fù)雜性。 表 虛擬實驗室和傳統(tǒng)實驗室的比較 指標(biāo) 虛擬實驗室 傳統(tǒng)實驗室 發(fā)展性 開放性、靈活，可與計算機(jī)技術(shù) 保 持同步發(fā)展 封閉性、儀器 間 相互配合較差 。 升級 關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級方便， 通過網(wǎng)絡(luò)下載升級程序即可。 關(guān)鍵 是 硬件， 升級成本較高， 且升級必須上門服務(wù) 。 價格 價格低廉，儀器間資源可重復(fù)率高。 價格昂貴，儀器間一般無法相 互利用 功能 用戶可自行定義。 只有廠家能定義功能。 聯(lián)網(wǎng)能力 可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接。 功能單一，只能連接有限的獨立 設(shè)備 開發(fā)費用 開發(fā)與維護(hù)費用降到最低。 開發(fā)與維護(hù)費用高。 技術(shù)更新 技術(shù)更新周期短。 技術(shù)更新周期長。 只有在自己動手的實驗過程中，學(xué)生才能 夠?qū)W(xué)到的理論 知識 真正掌握和應(yīng)用，這就使得電子測量儀器變得至關(guān)重要。而傳統(tǒng)儀器下的院校實驗教學(xué)，己嚴(yán)重滯后于信息時代和工程實際的需要。虛擬 實驗室 正是解決這一矛盾的最佳方案。如前所述，基于 PC 平臺的虛擬 實驗室 ，可以充分利用學(xué)校的微機(jī)資源，完成多種儀器功能，可以組合成功能強(qiáng)人的專用測試系統(tǒng)。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和虛擬儀器軟件的 日 趨完善，虛擬儀器會越來越受到人們的重視，隨著教學(xué)儀器的發(fā)展和高職院校實驗教學(xué)所面臨的新要求，將虛擬儀器引入實驗教學(xué)將成為學(xué)校未來教學(xué)科研的重要方法和手段。 軟件 LabVIEW 簡介 LabVIEW 是 Laboratory Virtual Instrument Engi neering Workbench 的縮寫，即實驗室虛擬儀器工程平臺，是一種圖形化編程語言 ，又稱 G 語言。其編寫的程序稱為虛擬 儀器 VI(Virtual Instrument)， 是 以 VI 為后綴的文件。 LabVIEW 不但在程序界面設(shè)計時采用了與其他高級語言類似的圖形化方式，更重要的是在編寫程序代碼、實現(xiàn)程序功能的同時，使用的也是圖形化的操作方式。打開 LabVIEW 的程序，看到的不是一行行的文本，而是由一條條彩色線段連接起來的、各式各 樣的小圖形塊。這是一種全新的編程方式。由于圖形比文字更為直觀，因而 LabVIEW海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 10 頁 共 31 頁 比其他編程語言更適合初學(xué)者進(jìn)行學(xué)習(xí)。一個對計算機(jī)軟件完全不了解的初學(xué)者，通常只需學(xué)習(xí)兩三天的時間就可以隨心所欲地編寫一些簡單的程序了。這是其他編程語言學(xué)習(xí)者無法想象的。 [8] LabVIEWe 的編程效率之高是文本編程語言所無法比擬的。 LabVIEW 擁有豐富的工具包，尤其是針對測控、仿真等領(lǐng)域，這些工具包往往可以為編程者提供其所需大部分功能。因此，在 LabVIEW 程序中，有時幾個簡單的圖形和連線就能夠完成文本語言中幾十行甚至上百行 代碼才能完成的功能。 LabVIEW 的第一個版本是在 Macintosh機(jī)（蘋果個人計算機(jī)）上實現(xiàn)的，后來才移植到 PC機(jī)上。此后， LabVIEW 從未放棄過對跨平臺的支持。至今， LabVIEW仍然是支持不同平臺和操作系統(tǒng)數(shù)目最多的編程語言之一。 LabVIEW 編程語言有很多優(yōu)點，在某些特定的領(lǐng)域， 它的優(yōu)勢更加明顯。尤其在測試測量，控制與測試，仿真等領(lǐng)域的應(yīng)用。 虛擬實驗系統(tǒng)的基本構(gòu)成 虛擬實驗 系統(tǒng)主要用于教學(xué)實驗的仿真模擬 ， 完全擺脫了硬件的限制。根據(jù)實驗的內(nèi)容和要求 ， 首先 在 LabVIEW 環(huán)境下 ，分別模擬出各種實 驗儀器，其中包括虛擬信號發(fā)生器，虛擬數(shù)字示波器，虛擬頻譜分析儀，虛擬數(shù)字濾波器等實驗教學(xué)儀器，在此基礎(chǔ)上又 構(gòu)建了 三 個相應(yīng) 實驗 模塊 ， 分別分類為基礎(chǔ)性實驗，綜合性實驗和創(chuàng)新性實驗。 每一個模塊為一個獨立的實驗子系統(tǒng) ， 以完成特定的實驗內(nèi)容。所有這些子系統(tǒng)模塊由一個主程序模塊來控制 ， 主模塊則以主程序界面的形式來體現(xiàn)。此外還設(shè)置了程序的啟動模塊用以此外還設(shè)置了程序的啟動模塊用以啟動主程序。實 驗系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 所示 海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 11 頁 共 31 頁 圖 虛擬實驗系統(tǒng)構(gòu)成 考慮到該系統(tǒng)主要是用于教學(xué) 實驗的仿真 ， 因此和硬件相關(guān)的部分都需要采用軟件來進(jìn)行模擬。 LabVIEW 中包含了大量的函數(shù)模塊 ， 如信號仿真模塊、信號調(diào)理模塊及信號分析處理模塊等 ， 利用這些功能強(qiáng)大的函數(shù)模塊以及不同類型的輸入控件和顯示控件 ， 可以方便地實現(xiàn)測試過程的模擬、實驗數(shù)據(jù)的分析及結(jié)果的顯示等。 在系統(tǒng)功能的操控上 ， 一般是通過菜單或按鈕來實現(xiàn)。采用按鈕方式更接近于真實的儀器 ， 并且在程序的實現(xiàn)上較為容易。為了使程序框圖更加簡潔 ， 可采用層疊式順序結(jié)構(gòu) （ Stacked Sequence Structure） 來控制查詢的順序。本系統(tǒng)采用了多面板結(jié)構(gòu)按鈕操控。 虛擬實驗 系統(tǒng)主 界面如圖 所示。 每個界面按鈕 下又分別有三個平行的分界面。分界面分別對應(yīng)著各個相對的實驗?zāi)K， 如圖 和 所示。 啟動模塊 主程序模塊 基礎(chǔ)性實驗 綜合性實驗 創(chuàng)新性實驗 海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 12 頁 共 31 頁 圖 虛擬實驗系統(tǒng)的主界面 圖 虛擬實驗系統(tǒng)基礎(chǔ) 性 實驗分界面 海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 13 頁 共 31 頁 圖 虛擬實驗系統(tǒng)綜合 性 實驗分界面 圖 虛擬實驗系統(tǒng)創(chuàng)新性實驗分界面 海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 14 頁 共 31 頁 利用 LabVIEW 內(nèi)置 Web 服務(wù)器 還 可以 實現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬實驗室 。系統(tǒng)采用 GPIB （ general purpose interface bus） 儀器控制技術(shù) ， 可程控儀器連接到 LabVIEW 儀器控制服務(wù)器 上 ， 現(xiàn)儀器的本地控制 ， 并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ， 把所提供的實驗題目及內(nèi)容放入建立的網(wǎng)站上 ， 遠(yuǎn)程用戶只需利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器 ， 就可以登錄到遠(yuǎn)程實驗室的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上 ， 進(jìn)行實驗操作 ， 遠(yuǎn)程控制實驗儀器。整個遠(yuǎn)程虛擬實驗室系統(tǒng)的軟件構(gòu)成可分為以下幾個子系統(tǒng) ： Web 服務(wù)器子系統(tǒng)、 本地儀器控制子系統(tǒng)和客戶端子系統(tǒng)。 其結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： 圖 遠(yuǎn)程虛擬實驗室的軟件構(gòu)成 Web 服務(wù)器是整個系統(tǒng)的核心部分。通過 Web 服務(wù)器 ， 用戶可以訪問 Web站點、控制儀器 ， 并獲得實驗結(jié)果。公共 網(wǎng)關(guān)接口 （ CGI） 和傳輸控制協(xié)議 （ TCP）是客戶端與 Web 服務(wù)器以及 Web 服務(wù)器與實驗室服務(wù)器之間的主要通信方法。在本地控制子系統(tǒng)中 ， 作為控制儀器的 PC 機(jī)上裝有通用接口總線 ( GPIB) 接口和一塊網(wǎng)卡。儀器控制服務(wù)器通過已建立起的 TCP/IP 通道獲得來自 Web 服務(wù)器控制儀器的命令字符串。進(jìn)而啟動儀器工作 ， 完成測試任務(wù)?？蛻舳俗酉到y(tǒng)是嵌入在 Web 服務(wù)器中。當(dāng)用戶登錄到 Web 服務(wù)器上后 ， 用戶可以瀏覽虛擬實驗室站點 ， 獲得所提供實驗的概括介紹以及詳細(xì)說明。 開始實驗操作時 ， 遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器進(jìn)入遠(yuǎn)程虛擬實驗室系統(tǒng) 網(wǎng)站的登錄頁面 ， 如圖 所示。 遠(yuǎn)程虛擬實驗室 服務(wù)器子系統(tǒng) 儀器控制子系統(tǒng) 客戶端子系統(tǒng) 海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 15 頁 共 31 頁 圖 虛擬實驗室的登陸界面 當(dāng) Web 服務(wù)器接收到來自客戶端的有效 CGI（ mon gateway interface） 請求后 ， 從表單中獲取相應(yīng)的實驗參數(shù) ,進(jìn)而向儀器控制服務(wù)器提交調(diào)用 VI 的請求。運行于儀器控制服務(wù)器上的 G Web Server 接收到請求后 ， 建立起與客戶端 TCP/ IP 連接 ， 調(diào)用相應(yīng)的 VI 程序 ： 首先調(diào)用串口通信程序 ,即通過串口向硬件實驗平臺發(fā)送控制指令 ， 然后啟動儀器控制 VI 模塊 ， 使其通過 GPIB 接口卡調(diào)用相關(guān)儀器設(shè)備 ， 對實驗電路進(jìn)行測試 ； 最后將 實驗測試結(jié)果以 CGI 響應(yīng)的方式回傳到 Web服務(wù)器 ， 由 Web 服務(wù)器端的 CGI 程序刷新客戶端顯示 ， 完成了整個實驗的操作過程。 海軍航空工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 16 頁 共 31 頁 第 3章 軟件設(shè)計 虛擬儀器模塊 虛擬實驗室設(shè)計的關(guān)鍵是軟件設(shè)計。虛擬儀器實驗室設(shè)計的關(guān)鍵是軟件設(shè)計。 運用圖形化編程語言 LabVIEW 設(shè)計了四大功能模塊 ， 即虛擬信號發(fā)生器模塊、虛擬數(shù)字示波器模塊、虛擬頻譜分析儀模塊、虛擬數(shù)字濾波器模塊。以下是對各功能模塊的設(shè)計。 虛擬信號發(fā)生器模塊 信號發(fā)生器模塊的信號生成是利用系統(tǒng)函數(shù)生成包括方波、三角波、正弦波、鋸齒波、脈沖波等各種規(guī)則波形以及頻率或者幅值變 化的復(fù)雜波形，從而為信號的分析與處理提供條件和基礎(chǔ) ， 這些信號經(jīng)過多功能數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為模擬信號(D /A 轉(zhuǎn)換 )，其實現(xiàn)過程是 ： 首先通過檢查面板上用戶選擇的波形類型、頻率及幅值，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程