虚拟仪器设计基于LabVIEW的网络测试系统的设计.docx
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虚拟仪器设计基于LabVIEW的网络测试系统的设计
基于LabVIEW的网络
测试系统的设计
专业(年级、班)
设计人
指导教师
辅导教师
2009年01月01日(设计结束日)
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。
本课题以美国NI公司的LabVIEW8.2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
NetworkedVirtualInstrumentTestandMeasurementSystem
BasedonLabVIEW
Abstract
Experimentteachinghasbeenplayinganincreasinglyimportantroleinhigheducation.It'sakeymeasuretoimprovethestudents'ability.VirtualLaboratoryappearswiththedevel-opmentofcomputertechniqueandVirtualInstrumenttechnique.Asanessentialandbenefic-ialsupplementtothetraditionalexperiment,virtualexperimentsnotonlysavealotofeducat-ionfunds,butalsoextendtheexperimentsintimeandspaceeffectively.Ithasthevastapplie-dforegroundintheeducationandresearchrealm.VirtualLaboratoryisanewdevelopmentdirectionoftheexperimentteachingaswellasanactiveresearchtopicrecently.Therefore,thedevelopmentofthevirtuallaboratoryofnetworkisverynecessary.VirtualInstrumentTechnologybeingappliedtonetworkconstructioncandevelopitspreponderance-“TheSoftwareistheInstrument”andhelptoformdistributednetworkmeasuringsystemtoaccomplishdataandinstrumentssharingforexperimentteaching&learningordistanttestcontrol.
ThissubjectregardsLabVIEW8.2ofU.S.A.NICompanyastheengineeringworkbenchofsoftware,isbasedonmathematicsmodelofthenetworktestingsystem,tosetupsubVIofvirtuallaboratoryuserloginsystem,andembedsomevirtualinstrumentsSubVI,andthendesignthemotorexperimentthattheseriescanbeappliedtosimpleVirtualLaboratorysystem.Thisthesisintroducestheresearchbackgroundofthesubjectatfirst,makeageneralsurveyofthisresearchcurrentsituationathomeandabroad,andhaspointedoutthesignificanceofresearch;Thenintroducedtheresearchobject――virtualinstrument,hasexplaineditsdefinition,composition,function,characteristicanddevelopmentprospect;Thenhasintroducedthedevelopmentenvironmentofthevirtualinstrument――LabVIEWsoftware,hassummarizedthecharacteristicofLabVIEWsoftware,hasintroduceditsoperationtoolbriefly,Thendirectagainsttheexperimentdesignedespecially――NetworkVirtualLaboratorySystem,havedonedetailedexpositionfromtherespects,suchasmodelsettingup,functionintroduction,procedureproving,experimentalresult,etc.Itisaconclusionofthisthesisfinally,todesigningandsummarizedandlookedforwardtofutureentirely.
Keywords:
VirtualInstrument;LabVIEW;LoadingModule;SystemDesign;NetworkTest
1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MicrosoftNetmeeting,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TennesseeatChattanooga大学的JimHenry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JohnBall和KatePatrick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LabVIEW1.0到目前的LabVIEW8.2,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(VirtualInstrument),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:
①实现虚拟面板功能的前面板的软件程序;
②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LabVIEW8.2。
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。
3LabVIEW软件开发平台
3.1概述
LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench,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(GraphicsLanguage,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
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- 虚拟仪器 设计 基于 LabVIEW 网络 测试 系统