网络化虚拟仪器实验室用户平台开发.docx
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网络化虚拟仪器实验室用户平台开发
2010届毕业生
毕业论文
题目:
网络化虚拟仪器实验室用户平台开发
院系名称：
电气工程学院专业班级：
自动F0606
学生姓名：
学号：
指导教师：
教师职称：
副教授
2010年06月01日
摘要
实验教学在高校工科教育中起着相当重要的作用，但是长期以来实验设备和实验教学方法的落后在很大程度上制约了实验教学质量的提高。
随着微型计算机和软件技术的发展，虚拟仪器在智能化程序、处理能力、性能价格比、可操作性等方面与传统仪器相比都具有明显的技术优势，将虚拟仪器引入高校的实验教学不但可以提高测试效率和教学质量，而且为降低实验仪器成本提供了有效的途径和方法。
本文的目的就是开发一个网络化的虚拟仪器实验教学系统，服务于工科实验教学，以提高实验教学水平和教学质量。
本论文以虚拟仪器和网络技术为研究基础，以完成网络化的虚拟实验系统为目的展开了研究。
首先，阐述了国内外相关课题的现状，然后介绍虚拟仪器开发平台LabVIEW，接着由于PC-DAQ测量仪器系统非常廉价这一优点，确定采用PCI6221数据采集卡完成本实验系统的数据采集。
充分利用PC的机箱、总线、电源及软件资源，设计实现了基于PCI6221的虚拟仪器实验系统。
并且详述了在LabVIEW中使用DataSocket，Web服务器技术实现网络通信的方法。
关键词：
LabVIEW；虚拟仪器；数据采集；DataSocket
TitleDesignofNetworkedVirtualInstrumentsLabUserPlatform
Abstract
Itisveryimportantforexperimentteachingintheentireteachingofhighengineeringinstitutions,butinalongperiodoftime,thebackwardteachinginstrumentandteachingmethodhaverestrictedtheimprovementofteachingqualityinlargedegree.Alongwiththedevelopmentofthemicrocomputer,comparewithtraditionalinstrument,thevirtualinstrumenthaveobvioustechnicaladvantageinknowledgeware,processingcapability,theratiobetweenfunctionandpriceandmaneuverability.Theintroductionofthevirtualinstrumenttotheuniversitycannotonlyincreasetheefficiencyandqualityoftestingteaching,butalsoprovidetheeffectivemethodtoreducethecostoftheexperimentinstrument.Thepurposeofthisthesisistobuildateachingtestingsystemofvirtualinstruments,whichcanbeseveredtoexperimentteachingofhighengineeringinstitutions,andupgradeitsteachinglevelandimproveitsteachingquality.
Thisthesistakesthevirtualinstrumentandthenetworktechniqueasstudyfoundationandtheaccomplishmentofexperimentsystemintheinternetwastakenasresearchpurposeinthispaper.Firstofall,describedthestatusofdomesticandforeignissues,andthenintroducethevirtualinstrumentdevelopmentplatformLabVIEW,thenbecausePC-DAQmeasuringinstrumentssystemtakesadvantageofprice,determinedtousePCI6221dataacquisitioncardtofinishdataacquisitionintheexperimentalsystem.BefullofthePCchasis,bus,powersupplyandsoftwareresources,designandimplementthevirtualinstrumentexperimentalsystembasedonPCI6221.ThisthesisdetailsthemeansofrealizingcommunicationthroughnetworkbyDataSocket,WebServertechnologyinLabVIEW.
Keywords：
LabVIEW；VisualInstruments；Dateacquisition；DataSocket
目次
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1课题背景1
1.2高校实验教学现状1
1.3课题研究的意义2
1.4虚拟仪器技术4
1.5本论文所做的工作7
2虚拟仪器实验室用户平台开发方案的研究与确定8
2.1实验室用户平台开发硬件选择8
2.2实验室用户平台开发软件选择9
2.3设计方案确定11
2.4本章小结13
3数据采集技术14
3.1数据采集的基本原理14
3.2通过NI-DAQmx进行数据采集14
3.3数据采集卡的选择15
3.4本章小结18
4虚拟仪器实验室用户平台的设计与实现19
4.1虚拟仪器设计步骤19
4.2虚拟信号发生器20
4.3信号的时域分析22
4.4信号的频域分析23
4.5本章小结24
5虚拟仪器实验系统的发布25
5.1概述25
5.2TCP/IP或UDP协议通信25
5.3DataSocket技术25
5.4在Web上发布程序27
5.5本章小结31
结论32
致谢33
参考文献34
1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。
最近几年里，快速可靠的计算机通信网络获得了惊人的发展，局域网或广域网上的计算机可以进行信息和命令交换，这样的网络服务拓展了虚拟仪器的使用范围，给虚拟仪器技术注入了强大的活力，进一步增强了数字化仪器的优势，从而成功地进入了网络化虚拟仪器阶段。
通过将网络技术与虚拟仪器技术相结合，远程虚拟实验室为远程教育的实验课程提供了解决方案。
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。
本文正是在这种背景下进行研究的，希望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
高校实验教学中，由于对设计性实验、学生创新科研项目的开设，以及近年来学生数量的迅速增加、教学设备种类少和更新相对缓慢等原因，使得高校实验平台存在一定的困难和问题。
主要有以下几个方面。
1.2.1 实验设备陈旧
在高校实验室中，对于实验设备的需求和消耗是很大的，尤其是电子设备。
同时，由于电子技术的迅速发展，电子设备的更新、淘汰的速度非常快。
对于高校实验室来说，由于受资金限制，不可能引进大量不同功能的实验设备，同时对现有实验设备也不能进行及时更新。
因此，目前在高校实验室中所使用的教学实验仪器，大多仍为落后的传统仪器，且种类有限。
这对高校实验教学工作的发展是一个阻碍，教师无法在实验课堂上很好地向学生教授当前主流电子设备的发展方向和使用方法，无法开阔学生的视野。
1.2.2 实验教学效果不佳
近年来高校学生数量的增加，给高校的教学工作带来了不小的压力，对于实验室的教学尤为明显。
实验教学属于实践操作教学，不同于普通的理论课教学，在教授学生实验理论的同时，还要教授学生仪器的操作使用方法。
在高校理论课教学中，针对学生多的情况，为提高教学效果，教师多采用多媒体教学，利用多媒体技术制作课件，实现大班教学，以提高授课效率，但这一方法在实验教学中并不适用。
由于实验教学需对学生进行实际仪器操作教学，因此必须采取现场授课的方式，即教师在讲台上通过操作实际仪器教授学生使用仪器的方法，但这种教学方式受实验设备和数量的影响，一方面使得学生缺少参与实验的机会，学习效果不佳，另一方面对授课学生人数有一定的限制，不可能采取大班授课的方式，也使教师的教学量增加。
1.2.3 实验仪器使用生疏
学生对传统的实验仪器的学习、使用仅限于课堂时间，在上课结束后，一般不可能再接触到仪器设备。
因此，使得学生在仪器使用上不能很好地进行复习，在下一次的实验课中，对于仪器的使用依旧显得生疏，不少学生仍需要教师在实验仪器的使用上进行辅导，这对实验课的学习效果和实践效率产生了较大的影响。
1.3课题研究的意义
虚拟仪器技术以其设计灵活、更新换代简便、可扩展性强、测试精度高等优点，可以有效地解决当今高校实验室中存在的困难与问题。
1.3.1 实验设备的改进
虚拟仪器系统是利用软件与硬件相结合实现信息采集、信息分析、信息处理的综合系统。
利用普通计算机和数据采集卡即可实现对信息的采集工作，信息分析、信息处理则完全依靠软件设计实现。
相比传统的实验设备，虚拟仪器存在以下4个优点：
（1）通过软件设计，可以使实验设备具有一机多能的能力，由此可以很好地解决实验室设备种类单一的问题；
（2）仪器的功能升级完全可以通过更换仪器软件完成，由此可以很好地解决实验室设备更新淘汰的问题；
（3）采用数字信号处理方式，相比传统的模拟式电子实验设备，大大提高了实验测量的抗干扰性；
（4）在实验数据处理方面，虚拟仪器设备拥有传统实验设备无法比拟的能力。
因此，使用虚拟仪器技术可以使实验设备得到改进，同时其成本较普通设备的更新换代也要低得多。
1.3.2 实验教学的改进
由于引入了计算机和软件技术，虚拟仪器技术必然使实验教学得到改进和提高。
（1）使得实验教学的多媒体化成为可能。
在虚拟仪器中，利用软件可以逼真地反映实际电子仪器设备的操作面板。
因此，利用虚拟仪器技术，教师可以通过计算机，将要讲授的电子仪器投影在大屏幕上，通过在大屏幕上的操作向学生讲授仪器的使用，从而大大提高了仪器使用的教学效果。
（2）使得远程网络实验教学成为可能。
将虚拟仪器技术与Internet技术相结合，使得实验教学也可以像普通理论课教学一样进入网络教学课堂。
可以在网络上建设虚拟实验室，学生可以通过网络访问虚拟实验室，了解仪器的使用，并对虚拟仪器进行实际操作，完成实验的教学要求和设计。
（3）可以完成对实验的自动化评判。
由于虚拟仪器设备的功能完全由软件实现，与传统的仪器设备相比较，虚拟仪器设备具有强大的数据储存、数据处理功能，这一特点也为实现实验结果的自动化评判提供了可能。
利用虚拟仪器技术，教师可以在实验中设置几处实验数据评分点，学生在完成实验时，将实验数据进行存储，计算机软件将学生存储的实验数据与标准数据进行比对后给学生进行评分，每个学生所有评分点的得分总和，即可作为该学生本实验的操作得分。
此系统可以提高教师对学生实验成绩的评判效率，尤其在每学期期末的实验考核中使用效果更佳。
1.3.3 提高学生使用仪器的作用
通过虚拟仪器技术可以使学生在每次课程结束后，进一步在个人计算机上熟悉仪器的操作使用，同时开放仪器软件开发功能，还可以进一步鼓励学生对仪器功能进行二次开发，有助于提高学生对仪器使用的熟练程度，培养学生对实验课程的学习兴趣。
1.4虚拟仪器技术
所谓虚拟仪器（VirtualInstrument，简称VI），就是用户在通用计算机平台上，根据要求定义和设计仪器的测试功能，使得用户在操作这台计算机时，就像是在操作自己设计的测试仪器一样来完成对被测参数的采集、运算与处理、显示、数据存储、输出等任务。
1.4.1虚拟仪器的组成
一般的虚拟仪器系统主要由计算机、应用设计软件和数据采集硬件3部分组成。
计算机与数据采集硬件又称为虚拟仪器的通用仪器硬件平台。
根据不同硬件，虚拟仪器系统可分为PC-DAQ测量系统、GPIB系统、VXI系统、串口系统、现场总线系统、PXI系统等。
所有系统都需通过专门设计编制的应用软件将仪器硬件与各类计算机相结合。
可以说，虚拟仪器是基于“信息的数据采集（ADC）信号的分析与处理（DSP）输出（DAC）及显示”的结构模式建立起来的通用仪器硬件平台。
在这个平台基础上，设计不同功能的应用软件，最终构成了不同功能的测试仪器。
虚拟仪器系统的基本系统结构如图1-1所示。
图1-1 虚拟仪器系统基本结构示意图
1.4.2虚拟仪器的特点
与传统仪器相比，虚拟仪器的特点在于：
（1）以特定的软件支持取代相应功能的电子线路。
在虚拟仪器系统中，软件占主导地位，VI将信号采集、分析与处理等多种功能集成为一体，体现出“软件即仪器”的现代仪表新概念。
（2）将信号的分析、显示、存储、打印和其它管理集中交由计算机来处理。
由于充分利用了计算机技术，完善了数据的传输、交换等性能，使得组建系统变得更加灵活、简单。
（3）仪器由用户自己定义，系统的功能、规模等均可通过软件修改、增减，可方便地同外设、网络及其它应用连接。
虚拟仪器通过提供给用户组建自己仪器的可重用源代码库，处理模块间通讯、定时、触发等功能，强调在通用计算机平台的基础上，通过软件和软面板，把由厂家定义的传统仪器转变为由用户自己定义、由计算机软件和几种模块组成的专用仪器。
虚拟仪器的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式，给了用户一个充分发挥自己能力和想象力的空间。
（4）用户可以将仪器的设计、使用和管理统一到虚拟仪器标准，使资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展，管理规范，软/硬件生产、维护和开发的费用降低。
虚拟仪器既可以作为单台数字式测试仪器使用，又可以构成较为复杂的测试系统，甚至通过高速计算机网络构成分布式测试系统，进行远程监控及故障诊断。
此外，利用基于软件体系结构的虚拟仪器系统代替基于硬件体系结构的传统仪器，还可以大大节省仪器购买、维护费用。
（5）通过软、硬件的升级，可以方便地提升测试系统的能力和水平，用户还可以用通用的计算机语言和软件，诸如C、C++、VisualBasic、LabVIEW、LabWindows/CVI等，扩充、编写软件，从而使虚拟仪器技术更适合、更贴近用户自己测试工作的特殊需求。
1.4.3虚拟仪器引入实验教学的优势
采用虚拟仪器技术进行实验教学的优势在于：
它使许多不具备或不具备完善的实验条件院校能够开设这些实验。
由于人力、实验设备的套数和时间的限制等方面的原因，也不可能使每个学生都能完成若干次实验。
虚拟仪器的出现，无疑在省时、有效和解决实验设备短缺三方面，具有突出的优点。
（1）在虚拟的实验平台上，能够集中方便地进行各种参数的设置和操作，提供相关的重要信息，例如实验指导书的内容，实验规则及待填写的实验报告。
（2）对于虚拟仪器，它不受实验环境、条件及设备精度的影响，测量数据稳定、可靠、重复性好；输出可视性好，绘制的曲线和图形精确，可生动直观地展示被考察对象各相关物理量之间的关系。
（3）具有良好的经济性、适应性和灵活性。
对于多环节组成的测量或控制实验，不仅可以多组同时进行互不干扰，而且用于进行仪器之间的连线、调试和设置的时间也相应减少。
（4）将对探索、发展现代教育思想、提高教育技术水平、改善实验环境、优化教学过程，培养具有创新意识和创新能力的人才产生深远的影响。
此外，计算机网络技术与虚拟仪器技术的发展与结合，可以进一步拓展虚拟仪器的应用，将其应用到测试自动化、远程教学等领域。
如今广泛使用的虚拟仪器开发软件LabVIEW集成了强大的网络编程功能，在基于虚拟仪器的实验室中，核心平台是计算机，而各种应用程序都有通用的数据库接口，这使得开发网络化虚拟仪器实验教学系统变得可行。
在适当的网络体系结构和服务管理模式下，学生可以进行远程实验、异地合作等。
建立网络化的虚拟仪器实验教学系统将会是一种非常先进和值得开发的现代化教学方法。
1.4.4国内外高校虚拟仪器运用情况
目前，网络化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。
国内已有部分院校实验室引入了虚拟仪器系统，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数据采集卡（DAQ）硬件，在这14所大学建立230个工作站。
国内已有几家企业在研制PC虚拟仪器，哈工大仪器电子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。
其主要产品有数字存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列。
国内专家预测：
未来的几年内，我国将有50％的仪器为虚拟仪器。
国内将有大批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。
随着微型计算机的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。
1.5本论文所做的工作
本文主要对虚拟仪器技术及其在高校实验教学方面的应用进行了研究，通过采用相关的硬件设备，结合目前流行的图形化编程语言、数据采集与接口技术、微机通信技术及网络技术等来完成网络化的虚拟仪器实验室用户平台的开发。
开发了一个可以接收硬件采集的信号并对信号进行显示和处理的实验系统，还可以发布在服务器上供远程的客户访问控制。
具体包括以下几个方面的内容：
（1）绪论
介绍了课题研究的背景，目前的发展状况，对虚拟仪器的概念、组成、优点及虚拟仪器引入实验教学的优势进行了简单的概述。
（2）基于虚拟仪器技术的实验用户平台开发设计方案的研究
主要论述了虚拟仪器实验系统的硬件平台的组成和软件平台的组成及其工作原理，最终确定本论文所采用的硬件平台为基于PCI6221数据采集卡的PC-DAQ系统，上位机应用软件开发平台为虚拟仪器开发工具LabVIEW。
（3）数据采集技术
主要介绍了数据采集的基本原理，数据采集卡选择的原则，最后介绍了本设计所使用的PCI6221采集卡的主要性能。
（4）虚拟仪器实验室用户平台的设计与实现
介绍了虚拟仪器的设计步骤，设计实现了虚拟信号发生器、信号的时域分析和频域分析的软件界面。
（5）虚拟仪器实验系统的网络发布
介绍了DataSocket技术，利用Web发布虚拟仪器实验教学系统，实现了可以通过网络进行访问的实验教学系统。
2虚拟仪器实验室用户平台开发方案的研究与确定
2.1实验室用户平台开发硬件选择
根据1.4节可知，虚拟仪器根据其模块化功能硬件的不同，有PC-DAQ测试系统、GPIB系统、VXI系统、串口系统、现场总线系统、PXI系统等几种比较典型的系统结构。
每一个测试系统都需要根据环境、温度、距离、待测信号的特性等实际情况选择合适的硬件平台。
以下分别对上述几种总线系统作简要的分析比较，以选择合适的硬件平台。
（1）PC-DAQ测量仪器系统
PC-DAQ测量仪器系统是利用计算机标准总线（如ISA、PCI等）的插卡功能，将数据采集卡直接插在计算机的扩展插槽内组成的测量仪器系统。
它充分利用了PC的机箱、总线、电源及软件资源，因而也受PC机箱环境和计算机总线的限制，存在诸多的不足。
但是它非常廉价，而且完全可以满足实验室测量的精度要求，是组建虚拟仪器实验室的首选方案。
（2）GPIB仪器系统
GPIB是计算机和仪器间的标准通信协议，它的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准IEEE488.1和IEEE488.2。
典型的GPIB系统由一台PC、一块GPIB接口卡和若干台GPIB接口的仪器通过GPIB电缆连接而成。
它实质上是通过计算机实现对传统仪器功能的扩展和延伸。
用GPIB通用仪器总线，可替代传统的人工操作方式，在计算机的控制下完成复杂的测量。
我国几百家厂商的数以万计的仪器都配置了GPIB总线，应用遍及科学研究、工程开发、医药卫生、自动测试设备、射频、微波等各个领域。
（3）VXI仪器系统
VXI仪器系统主要由VXI机箱、插于VXI插槽的嵌入式计算机模块、若干VXI仪器模块以及VXI软件开发平台组成。
VXI总线是一种高速计算机总线——VME总线在仪器领域的扩展，由于VXI仪器系统的标准化、通用化、系列化、模块化、开放式的体系结构，以及定时和同步精确，模块可重复利用等特点，它适合于组建大中规模的自动测试系统以及对速度和精度要求较高的场合。
但VXI仪器系统价格较高。
（4）PXI仪器系统
PXI总线是一种近年来推出的全新的开放性、模块化仪器总线规范，是PCI总线在仪器领域的扩展，它将台式PC的性价比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种未来主流的虚拟仪器测试平台。
与VXI系统相比，PXI系统具有更高的性价比，其坚固紧凑的系统特征保证了恶劣工业环境中应用时的可靠性，还通过增加更多的仪器模块扩展槽以及高级触发、定时和高速边带通讯性能更好地满足了仪器用户的需要。
（5）串口仪器系统
串口仪器系统是基于串口通信的虚拟仪器系统，串行通信是一种常用的数据传输，用计算机与外设或另外一台计算机进行的通信。
串行通信中，发送方通过一条通信线，一次一位，把数据传送到接收方。
由于大多数电脑都有一两个串行通信接口，因此串行通信非常普遍。
许多GPIB仪器也都有串行接口，所以很容易构成基于串口的虚拟仪器系统。
但串口通信的缺陷是一个串行口只能与一个设备进行通信
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