基于LabVIEW的虚拟网络实验室的设计.docx

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基于LabVIEW的虚拟网络实验室的设计

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设计题目：

基于LabVIEW的虚拟网络实验室的设计

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基于LabVIEW的虚拟网络实验室的设计

摘要

随着电子技术高速发展，普通实验室的更新速度无法跟上技术的发展。

此外普通实验室涉及到仪器调试、管理、易损坏等问题。

在实验时间和一些损耗性强的实验项目上对学生限制过死。

同样，远程教育学员一般都要在规定的时间到指定的学校集中完成实验项目.技能培养质量无法保证。

教育机构必须考虑如何跟上实验的时代性和先进性，创设实验内容丰富、训练操作扎实、不受时空限制的开放性实验环境。

近年来，由于虚拟仪器、仿真技术和网络技术的飞速发展，构建基于LabVIEW的虚拟网络实验室将会成为一种经济、高效的首选方案。

本文的主要工作就是在LabVIEW环境下，研究基于虚拟仪器的网络教学实验系统的设计问题。

首先，本文对虚拟仪器进行概述，对比了与传统仪器的区别，介绍了虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW的应用，以及在LabVIEW环境下进行几种常用虚拟仪器——虚拟信号发生器、相关分析、滤波器、和虚拟频谱分析仪等的软件设计方法。

接着，本文着重介绍了如何把设计的几种虚拟仪器构成一个虚拟实验室，并利用虚拟仪器技术创建一个网络虚拟实验室，充分运用网络技术构建一个网络虚拟实验系统，并采用虚拟仪器的网络通信技术实现该网络虚拟系统的远程实验目标。

本课题研究可以节省许多基础设施的重复建设和仪器设备重复引进的资金投入，有利于从整体上改善办学条件和提高教学水平。

在很大程度上方便了学生，不仅能够引导学生理解实验的理论知识，而且能够指导学生进行正确的实验操作，从而获得感性上和理性上的认识。

虚拟实验室不仅极大的弥补了远程教育模式的局限和不足，而且还使得远程教育的方式方法更趋完美。

将虚拟实验室与远程教育结合在一起，基于网络技术和虚拟仪器技术的虚拟实验室己成为新型的远程教育模式。

关键词：

虚拟仪器;LabVIEW;网络虚拟实验室;Internet

DESIGNOFVIRTUALNETWORKLABORATORYBASEDONVIRTUALINSTRUMENTATION

Abstract

Asthefastdevelopmentofelectronictechnology,theexchangingspeedofcommonlaboratorycannotkeepupwiththepaceoftechnology.Inadditioncommonlaboratoryhastheproblemofinstrumentationtest，managementandeasydamage.Italsolimitsthestudentsnotonlyintheexperimentingtimebutalsoontheexperimentingprojectsofeasydamage.Similarly,studentsoflongdistanceteachingallwillcometoschool.Equally,thelong-range-educationstudentsgenerallyallwillcometotheappointedschooltheappointedtimeconcentricallytoaccomplishexperimentalprojects.Thequalityoftechnicalabilitydevelopedcan'tbepromised.TheEducatingorganizationhastoconsiderhowtokeepupwiththetimesandtheadvancednature,andconstructanopenexperimentenvironmentwithenrichexperimentcontents,firmtrainingoperationandbeingfreefromtimespacerestriction.Inrecentyears,becauseofthevirtualinstrument,imitatetruetechniqueandnetworktechnologydevelopingsoon,itwillbethefirstprojecteconomicalandefficienttochoosetosetupavirtuallaboratorybasedonWEB.ThemainworkofthispaperistostudythedesignofnetworkteachingexperimentsystembasedonvirtualinstrumentundertheLabVIEWenvironment.

First,thepaperconcludesthevirtualinstrument，contrastswithtraditionalinstrument,introducestheapplicationofthedevelopingplatformofLabVIEWinvirtualinstrument,andthesoftwaredesignmethodsofseveralkindsofcommonvirtualinstrumentundertheLabVIEWenvironment,suchasvirtualsignalgenerator，relativeanalysis，filterandvirtualspectrumanalyst.

Followingthat,thisarticleemphaticallyintroduceshowtoassemblethefourkindsofdesignedvirtualinstrumentstoconstructavirtuallaboratory,thenhowtomakeuseofthevirtualinstrumenttechnologytoestablishaweb-basedvirtuallabhomepage,fullyutilizethenetworktechnologytoconstructaweb-basedvirtualexperimentalsystem,andlastusesthenetworkcommunicationtechnologyofvirtualinstrumenttoachievethelong-distanceexperimentalgoaloftheweb-basedvirtualexperimentalsystem.

Thissubjectcanavoidincreasingsomebasisrepeatedinstrumentandsavemorefundsandthissubjectisgoodtoimprovethelevelofteachingasawhole.Itisconvenientforstudentstomakethetheoryeasytounderstandinthiscaseandguidethemtodotheexperimentcorrectly.Sothestudentscanmakethegreatprogressinsensibilityandtheoretic.Thevirtuallaboratorycanbenotonlymakinguptheshortageofremoteteachingpattern,butalsomaketheremoteeducationbetter.Combiningthevirtuallaboratorywithremoteeducation,thevirtuallaboratoryhasbecominganewstyleeducationpatternbasedonnetworktechnologyandvirtualinstrumenttechnology.

Keywords:

virtualinstrumentation;LabVIEW;virtualnetworklaboratory;Internet

第一章绪论

1.1课题背景

在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI）作为当前自动化仪表领域研究的热点，正越来越受到人们的广泛关注。

高等院校，肩负着为国家培养创新型人才的重任，但是目前，在中国许多高校中使用的教学实验仪器，大多数仍然是相当落后的传统仪器。

随着科学技术的不断发展以及相应学科高等教育课程教学内容的更新，传统仪器日益暴露出一些缺陷和不足。

为了改善实验条件、改革实验教学方法、降低实验成本、更新实验教学内容、提高实验教学课程的开设水平，把虚拟仪器引入实验教学已成为一种必然趋势。

对十虚拟仪器应用十高校实验教学，目前仍处十起步阶段，但其显著的经济性和实用性已显示出其巨大的优势和潜力。

近年来，由十虚拟仪器和网络技术的飞速发展，通过网络来构建虚拟实验室已成为可能，远程教育的学习者通过网络进行远程实验也为时不远。

随着虚拟仪器的产生和发展，将带来新型实验方式的产生，推动教育方式的重大转变。

在科技迅猛发展的今天，以教育有限的投入无法满足实验设备价格昂贵、更新速度快的要求，这就要求从事实验教学研究的工作者，开发能够满足现代实验教学要求、物美价廉的实验教学仪器，以提高实验教学水平，培养高素质的适应时代要求的合格人才。

本论文正是在这种背景下进行研究的，在此背景下作者想到开发一个网络化的虚拟仪器实验教学系统，以解决陈旧的教学方式和实验仪器与教学现代化、多元化之间的矛盾。

1.2高校实验教学现状

系统开发前我曾在网上对国内一些高校的实验教学内容和实验设备进行了考查和调研，调研中发现目前高校理工科实验教学仍然沿用着传统的实验教学方法，主要表现在以下几个方面：

（1）实验内容和实验设备依附于理论课程进行划分，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。

（2）实验设备重复建设，沉积较多。

（3）实验设备层次不齐，大部分设备落后于课程建设的需要。

（4）实验的内容侧重于理论的验证和模仿训练，每个学生的实验内容千篇一律，将学生的思维限定在一个狭窄的范围内，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。

（5）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。

目前大多数高校在测试和测量中所使用的传统仪器主要由二部分构成:

即对被测信号的采集与控制、分析与处理、测量结果的表达与存储。

传统电子仪器的这些功能模块大多是以硬件或者固化的软件的形式存在的，因此也具有以下几个方面的弱点:

（1）成本高，技术更新慢。

传统电子仪器价格比较昂贵，动辄几十万人民币。

研发周期长，技术更新慢，使用当中存在元器件老化等问题从而导致工作状态不稳定，日常维护费用较高，技术难度大，使用寿命短。

（2）数据显示、分析和存储功能不够强大。

传统电子仪器的图形显示界面比较小，依靠人工读取数据，误差因观察者的实验方法而不同，并且从中获得的信息量小。

另外由于硬件设备的限制，往往无法实现更灵活、更特殊、更准确的数据分析功能，也难以实现实验数据编辑、存储和打印等功能。

（3）灵活性和可扩展性差。

传统电子仪器具有固定的用户界面、组成模块和数据处理功能。

独立仪器只有一块仪器面板，例如，示波器只有示波器面板，频谱仪也只有频谱仪的面板（但是，虚拟仪器的“面板”显示在PC的屏幕上，仪器的操作是通过鼠标选中不同的按键和旋钮来完成的。

根据实际生产的需要，采用不同的软硬件组合，用户就能在屏幕上定义自己的仪器，生成各种不同的“仪器面板”）。

又如，用户有时只需要用到仪器中的一小部分功能，而在用到其他功能时却达不到所需指标，如信号的频率受制于实际元器件的限制。

用户无法改动厂家固定好的仪器模块，灵活性和可扩展性差。

这些在很大程度上制约了实验教学的发展和人才培养质量的提高。

1.3虚拟仪器

测试仪器一般都可以分为三部分:

数据采集、数据分析处理、测试结果显示和记录。

传统的仪器设备通常是以某一特定的测量对象为目标，把以上三个过程组合在一起，实现性能、范围相对固定，功能、对象相对单一的测试目标。

而虚拟仪器则是通过各种与测量技术相关的软件和硬件，与计算机相结合，用以替代传统概念的仪器设备，或者利用软件和硬件与传统仪器设备相连接，通过通信方式采集、分析、显示数据，监视和控制测试过程、生产过程等，操作人员在计算机的屏幕上利用鼠标等指点设备操作虚拟的仪器，就像操作真实的仪器一样。

这种硬件功能的软件化，是虚拟仪器的一大特征。

1.3.1虚拟仪器的定义

所谓虚拟仪器，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。

1.3.2虚拟仪器的组成

虚拟仪器是计算机化的仪器，由计算机、模块化功能硬件和应用软件二大部分组成，虚拟仪器根据其模块化功能硬件的不同，而有多种构成方式。

虚拟仪器系统构成的基本框图见图1。

图1-1虚拟仪器系统构成的基本框图

1、PC-DAQ测试系统:

是以数据采集卡、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的测试系统。

2、GPIB系统:

是以GPIB标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

3、VXI系统:

是以VXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

4、串口系统:

是以RS-232标准串行总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

5、现场总线系统:

是以FieldBus标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

6、PXI系统:

是以PXI标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的测试系统。

目前，为不同的应用目的和环境，已设计了多种性能和用途的数据采集板卡，从低速采集板卡到高速同步采集板卡，直至图像采集卡都有成熟的产品，因此，在使用时完全可以根据需要直接购买现成的产品。

1.3.3虚拟仪器的特点

虚拟仪器的最大特点是它的灵活性，它可以很方便地通过选择不同的硬件配置和改变软件来实现各种测控功能，使得硬件资源具备了再用性。

由于采用了通用的硬件和计算机，使得系统的成本下降，开发周期缩短，维护的成本降低。

虚拟仪器与传统仪器的比较表如表1所示。

与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下几个特点:

（1）开放性在一定通用硬件模块和软件环境的支持下，用户可以根据实际情况设计出自己的测试方案，以完成不同的测试任务。

（2）模块化各种测量数据可以由不同的处理模块进行处理，也就相当十把各种测试能力集于一体，从而提高测试速度和测试效率。

（3）可重复性传统仪器有使用寿、使用次数的限制。

而用软件创建的虚拟仪器，可重复使用完全不受时间、地点、使用次数的制约，这是传统仪器所不能比拟的。

（4）自定义性虚拟仪器使得用户能够根据自己的需要定义仪器功能，而不像传统仪器那样，受到仪器厂商的限制。

通过对其软件模块的扩充，相当于购买一台新仪器。

（5）低价位现代计算机性能/价格比的不断提高，使得越来越多的用户认可并接受虚拟仪器系统。

应用虚拟仪器系统技术，用户可以用较少的资金、时间、系统开发和维护费用，开发出功能更强、质量更可靠的产品和系统。

表1-1虚拟仪器与传统仪器的比较

虚拟仪器

传统仪器

功能由用户自己定义，方便修改

可用网络联络周边仪器

功能由厂商定义，不方便修改

只可连有限的仪器

自动化、功能化、远距离传输

开发和维护费用低

功能单一，操作不方便

开发和维护费用高

软件是关键，价格低廉

硬件是关键，价格昂贵

数据可存储编辑，技术更新周期短

数据无法存储编辑，技术更新周期长

开放、灵活，可重复利用和重新配置

不灵活、系统封闭、功能固定、拓展性低

1.3.4基于虚拟仪器的网络实验系统建立问题的提出

21世纪是世界各国之间的科技、经济和综合国力竞争更加激烈的世纪。

各国之间的竞争，归根结底是人才的竞争、教育的竞争。

在新的历史条件下，要求高等学校培养的人才，具有创新精神和很强的工作适应能力。

这其中，最重要的一个环节就是学生实践能力的培养。

“实践教学对于提高学生综合素质，培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用”。

而测试技术教学实验一直以来都是大学工科实践教学中的重要内容之一。

为保证完成必要的教学实验内容，并且跟上当今测试工程的发展趋势，传统的测试技术教学实验室一般需购置先进而且昂贵的基础测量仪器，如示波器、万用表、信号源等。

随着测试技术的发展，仪器更新换代的步伐越来越快，功能越来越复杂。

投资大、技术更新快、维护困难，而且面临着增加实验教学课时的压力，使得相关教学实验室更新与改造已成为测试技术教学实验领域改革的重要课题。

虚拟仪器技术的出现和发展，为解决上述问题提供一个新的思路。

利用虚拟仪器技术，可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作方面完全一样的全软件虚拟仪器。

利用这些虚拟仪器，学生在计算机上就可以学习和掌握仪器原理、功能与操作，并通过仪器与仪器，仪器与电路的相互配合，完成实际测试过程，达到与实际仪器教学的相同目的。

此外，我们还可采用虚拟仪器技术设计虚拟仪器实验室，根据实际的实验任务和实验要求，将分布在学校不同实验室的各种测量仪表和实验设备连接为一个网络系统，通过计算机实施集中控制和管理，从根本上改变传统实验教学方法，降低实验室建设与管理成本，彻底改变采用传统单元仪表分散工作时成本高、维护困难、资源配置重复等缺点。

通过这样的实验方式，可以培养学生的求知兴趣和创新能力。

另外，利用网络技术将虚拟实验室网络化，不但可以大大提高虚拟实验室的资源利用率，而且可以进行网上远程教学实验。

此外，实验课程的远程教学一直是一个很大的难题，它不像理论课的远程教学，可以通过下载教学课件、教学资料、在线点播、收看电视教学节目等形式进行。

目前，解决这一问题的途径主要有两种。

第一种是目前国内普遍采取的方法，就是让参与远程教学的学生在一个集中的时间到学校参与实验课教学。

由于时间紧、课程过于集中等原因，这种方法存在的弊端是显而易见的;第二种方法是让学生邮购专为教育制造的廉价实验仪器，学生自己在家中做实验，目前国外一些远程教育机构采用的就是这种方法。

虽然采用这种方法能够让学生自由操作仪器，培养学生自主学习的能力和创新能力，但是由于缺少教师的有效指导，很难保证达到如期的教学目的。

另外，人手一套实验教学仪器将耗费大量的资金，对于发展与推广远程教育不是行之有效的方法。

利用虚拟仪器，学生可以在个人电脑上安装虚拟仪器软件，即可以实现本地甚至是基于网络的远程操作和实验仪器控制，以及实时真实的数据传输，如同实地操作实验仪器一样方便灵活，同时由于教师或设计者事先定义了虚拟仪器的功能和实验步骤，可以有效地帮助学生完成预定的教学目标。

从这个意义上说，虚拟仪器技术在实验教学上的应用是实验课程远程教育发展的突破点和转折点。

1.3.5基于虚拟仪器的网络实验系统的建立的可行性分析

1、从资金的角度讲，由于虚拟仪器技术的新特性，决定了建立虚拟仪器技术实验室只需要较少的资金，并且虚拟仪器的更新换代、维护所需的资金与传统的仪器实验室相比都是很少的。

2、从技术的角度讲，虚拟仪器技术已经基本发展成熟，在测试领域已经得到了广泛应用，并且也是未来的测试技术的发展方向。

而网络技术的迅猛发展更为虚拟仪器教学试验系统的实现提供有力的技术保证。

3、从硬件的角度讲，计算机是虚拟仪器的硬件基础，一般的实验室都拥有相当数量的计算机，只需要购买一些相关的虚拟仪器硬件，就可以构建虚拟仪器系统。

而购买这些硬件的花销远远低于购买传统的仪器设备。

综上所述，利用虚拟仪器技术建立网络化的教学实验系统是完全可行且很有意义的。

1.4基于虚拟仪器的网络实验系统的研究现状

目前，网络虚拟实验室在发达国家已十分普及。

一些发达国家的高等院校已将虚拟仪器作为常规的实验仪器在学生实验中应用。

在最早提出虚拟实验室概念并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国，虚拟仪器系统及其图形化编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程，从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，并在该领域处于领先地位。

为了继续保持其在科学技术领域内的领先地位，他们尤其重视信息技术方面的研究，并将虚拟实验室的建设列入其科研发展的战略规划之中。

美国斯坦福大学的机械工程系要求三四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。

国内已有部分院校实验室引入了虚拟仪器系统，2003年7月，美国国家仪器有限公司宣布:

在已有20所高等院校建立了虚拟仪器实验室的基础上，中国又有14所重点院校，包括北京大学，复旦大学和浙江大学将采纳虚拟仪器作为理工科学生的实验课程。

利用世界银行的高等教育开发项目基金，中国教育部从NI公司购买了LabVIEW图形化开发软件和NI数据采集（DAQ）硬件，在这14所大学建立了230个工作站。

实验室引入虚拟仪器系统的部分国内院校名单如下:

清华大学电机工程及应用电子技术系，复旦大学电子工程系，上海交通大学仪器工程系，吉林大学通信学院测控技术与仪器系，武汉华中科技大学电子科学与技术系，西安交通大学电气工程学院，西安工业大学，南京工程学院自动化系，江南大学机械系，杭州电子工业学院测控技术与仪器系，淮阴工学院动力系等。

其中，华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。

四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将8台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。

清华大学汽车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验，主要检测发动机的功率特性、负荷特性等，一台发动机检测完后，就可打印出完整的检测报告。

此外，一些高校和企业也利用虚拟仪器技术进行项目开发，吉林大学进行的“精密仪器软件平台研究与开发”，武汉理工大学信息工程学院的学生开发了“基于USB和LabVIEW技术