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labview通信实现

摘要

此课题以STC89C52单片机实验板为测控研究对象，对有关远程测控系统开关量控制的网络模式、通信方式、虚拟仪器软件系统开发与视频监控、即使消息与会话等方面进行了深入研究，并在此基础上开发了基于B/S模式与C/S模式远程测控实验室系统。

系统基于LabVIEW2010平台，设计了服务器端的应用程序和客户端程序，客户端只需安装通用的浏览器即可远程操作实现B/S模式的通信，也可以通过TCP/IP或DataSocket实现C/S模式的通信。

服务器端通过串口与单片机实验板连接，由软件实现了数据的采集、传输和硬件设备的控制等功能，通过LabVIEWWeb服务器发布网页，实现远程实验功能；或通过TCP/IP网络数据通道实现远程数据传输。

系统综合应用TCP/IP技术、DataSocket技术、远程面板Web技术、虚拟仪器技术、视频监控技术、音频即时传输技术等，实现了实验设备的远程控制、实验现场的实时监测。

课题的实施，可使大学的实验教学方式更加灵活方便，远程教育的实验教学也变为可能，提高了实验设备的利用率；学生也可获得真实的实验感受。

关键词：

虚拟实验室远程测控Web服务器TCP/IPLabVIEW

ABSTRACT

ThisMCUBoardsubjecttoSTC89C52studyforthemonitoringandcontrol,remotemonitoringandcontrolsystemsrelatedtothenetworkmodeswitchingcontrol,communication,virtualinstrumentsoftwaredevelopmentandvideosurveillance,evenifthenewsandin-depthsessionsandotheraspectsofresearch,andinthisdevelopedonthebasisbasedonB/SmodelandC/Smoderemotemonitoringandcontrollaboratorysystem.

SystemisbasedonLabVIEW2010platform,designedtheapplicationserverandclient,theclientonlyneedtoinstalluniversalremoteoperationofthebrowsertoachieveB/Smodeofcommunication,orbyTCP/IPorDataSocketachieveC/Smodecommunication.ServerthroughtheserialportconnectionwiththeMCUBoard,bythesoftwareimplementationofdatacollection,transmissionandcontrolofhardwaredevicesandotherfunctions,publishwebpagesthroughtheLabVIEWWebserver,remotetestfunction;orthroughTCP/IPnetworkdataaccessremotedatatransmission.IntegratedapplicationsystemTCP/IPtechnology,DataSockettechnology,remotepanelWebtechnology,virtualinstrumenttechnology,videosurveillancetechnology,real-timeaudiotransmissiontechnologytoachieveremotecontroloflaboratoryequipment,laboratoryon-sitereal-timemonitoring.

Theimplementationprojectwillenabletheuniversitiesmoreflexibleandconvenientexperimentalteachingmethods,distanceeducation,experimentalteachinghasbecomepossibletoimprovetheutilizationoflaboratoryequipment;studentsgetrealexperimentalfeel.

KEYWORDS：

WebServerVirtualLabRemoteMonitoring&ControllingLabVIEWTCP/IP

第一章绪论

1.1虚拟仪器的基本结构

传统测量仪器是一个能实现特定功能的独立硬件盒子，其功能在制造时就确定（如示波器、信号发生器等），而基于相关技术的虚拟仪器，其物理硬件不必限定在同一盒子中，可以分布在现场各处。

无论哪种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站等计算机平台上并附上应用软件而构成的。

虚拟仪器的基本结构由计算机硬件平台、模块化的I/O接口硬件和虚拟仪器软件3部分构成，如图1.1所示。

图1.1虚拟仪器的组成框图

（1）.计算机平台

计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、工作站与嵌入式计算机等。

计算机管理着虚拟仪器的软/硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。

计算机技术在显示、存储能力、处理速度、网络、总线标准等方面的发展，促进了虚拟仪器系统的快速发展。

（2）.模块化的I/O接口硬件

I/O接口硬件根据不同的标准接口总线转换输入或输出信号供其他系统使用，在此基础上组成虚拟仪器测试系统。

I/O硬件部分可由数据采集卡、GPIB接口、串/并行接口、VXI接口、LAN接口与现场总线接口等构成，它们的主要功能是完成对被测信号的采集、传输和显示测量的结果。

面对日益复杂的测试、测量应用，NI提供了全方位的软、硬件解决方案。

无论是使用PCI、PXI、PCMCIA、USB，还是IEEE1394总线，NI都能提供相应的模块化的硬件产品，其种类从数据采集、信号处理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、分布式I/O到CAN接口等工业通信领域应有尽有。

（3）.虚拟仪器软件

软件是虚拟仪器技术中最重要的部分。

使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，工程师们可以高效地创建自己的应用软件，以与友好的人机交互界面。

有了功能强大的软件，用户就可以在仪器中创建智能和决策功能，发挥虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。

虚拟仪器的软件是核心和关键部分，用于实现对仪器硬件通信和控制，对信号进行分析处理，对结果表达和输出。

虚拟仪器实质上是"软硬结合"、"虚实结合"的产物，它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。

它强调软件的作用，提出"软件就是仪器"的概念，在虚拟仪器中，硬件仅仅解决信号的输入、输出，软件才是整个仪器系统的关键。

用户可以根据自己的需要通过编写不同的测试软件来构成各种功能的测试系统，其中许多硬件功能可直接由软件实现，系统具有极强的通用性和多功能性。

1.2虚拟仪器的网络与通信

测控方式的网络化，是未来测控技术的发展的必然趋势。

网络测控技术适应于当代科学研究的迅速发展和不断深化所提出的高新测量需求，在工农业生产、国防军工、教育科研、航天航空、能源交通、通信信息、电子工程、医疗与生物工程等领域都将有好的应用前景。

利用网络技术，进行网络化测控将成为虚拟仪器技术的发展重点。

随着计算机和计算机网络的迅速发展，网络速度不断提高，利用现成的Internet网络组建网络测控系统是今后虚拟仪器技术的发展方向。

将虚拟仪器与网络技术结合起来，使虚拟仪器拓展到网络测控应用环境中去，对于丰富测控手段，提高测控效率、充分合理地利用有限资源都有着很好的作用。

网络化测控仪器概述如下：

（1）.网络化测控仪器的产生

自20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展并逐步渗透到了测试技术和仪器仪表技术领域，推动了测试技术与仪器仪表技术的不断进步，从而出现了以计算机为核心的自动测控系统，测试仪器也从早期简单的模拟式、数字式仪表，发展到现在的智能化仪表、虚拟仪器等先进的微机化仪器。

卡式仪器、总线式仪器、虚拟仪器等微机化仪器技术的应用，使组建集中和分布式测控系统变得更为容易。

但集中测控越来越满足不了复杂、远程（异地）和围较大的测控任务的需求，为此，组建网络化的测控系统就显得非常必要。

计算机技术、传感器技术、网络技术与测量测控技术的结合，使网络化、分布式测控系统的组建变得方便。

以Internet为代表的计算机网络技术的迅猛发展与相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更大、应用更广。

将网络技术与虚拟仪器技术相结合，就出现了网络化虚拟仪器。

网络化虚拟仪器是继虚拟仪器之后仪器仪表领域出现的又一个新的发展方向，继承并发展了虚拟仪器的概念，延伸和扩大了虚拟仪器的资源。

网络化虚拟仪器充分利用网络资源，将虚拟仪器的各个功能分布到网络上的不同位置，非常灵活地完成各种测试任务。

通过网络技术，可以将测试现场与监测控制现场分开，避免了传统虚拟仪器的地域限制，可以使用远程数据库的强大功能和海量存储，对数据进行存取、共享，可以利用网络的分布式特性，使用网络上其他计算机的计算能力、资源，打破了单机功能上的局限性。

此外，通网络可以共享各种资源，利于同行之间的交流和沟通。

网络化虚拟仪器的这些特性使得它广泛应用于远程测试、远程数据采集、远程故障检测、远程报警、远程控制和远程教学等领域。

在网络化仪器环境条件下，被测对象可通过测试现场的智能仪器设备，将测得的数据（信息）通过网络传输给异地的精密测量设备或高档次的微机化仪器和微机服务器进行分析、处理和管理，以此能实现测量信息的共享，并掌握网络节点处信息的实时变化趋势。

此外，也可通过具有网络传输功能的仪器将数据传至原端，即现场。

所有这些信息的传输、分析、处理都离不开软、硬件。

网络化测控仪器的实用意义至少有以下3点:

有利于降低测试系统的成本，有利于实现远距离测控和资源共享，有利于实现测试设备的远距离诊断与维护。

网络化仪器的使用，使人们从任何地点、在任意时间获取到测试信息（或数据）的愿望成为现实。

与传统的仪器、测量、测试相比，这的确是一个质的飞跃。

在带来上诸多好处的同时，采用网络测控技术、使用网络化仪器，无疑能显著提高测量功效，有效降低监测、测控工作的人力和财力投入，缩短完成一些计量测试类型工作的周期，并增强客户对测量需求的满意程度。

（2）.网络化测控仪器的功能

网络技术已经成为现代测控技术中不可缺少的部分，利用网络可以使测控仪器实现以下功能。

<1>.数据采取与处理

测控系统把通过网络进行的数据采集看作本身的一个测控仪器通过其他高速总线连接至计算机进行的操作，并通过网络实现完备、可靠与高效的数据处理功能。

<2>.数据共享

在一个基于计算机的网络化测控系统中，有时需要把采集到的数据分布到其他地方以便进行分析处理和显示，这可以通过网络的数据共享来实现。

例如，利用过程控制对象和嵌入软件技术，可以在大型应用过网络进行通信。

如果测控系统只需把采集到的数据分布到特定用户，那么可利用DataSocket技术方便地实现网络信息分布。

<3>.分布式测控

把基于计算机的测控系统分布到各测控仪器模块中是网络提供的又一功能。

例如，有时某测控模块需要非常高的实时要求而需要特定的处理芯片，通过软件和网络技术，就可以把对实时要求比较高的模块分布到网络中的特定测控仪器上进行处理。

网络化仪器的应用可有效地降低测控系统的成本，实现远程测控和资源共享，实现测试设备的远程诊断与维护。

（3）.网络化测控仪器的特点

<1>.灵活性。

测控系统规模大小组织灵活、扩容方便。

<2>.可靠性。

测控系统的模块出现故障后很容易被隔离，不会影响全系统的工作。

各模块间自治地进行工作，不受其他模块的影响。

<3>.广域性。

测控系统管理领域灵活、宽广，几乎不受地域的限制。

多种的通信网络系统，消除了测控盲点的存在。

<4>.兼容性。

通过网关将异种网络融合进测控系统，强大的兼容能力将"信息孤岛"纳入到测控系统之中。

因测控设备与通信网络相互独立，所以测控系统还具有很好的设备兼容性和网络兼容性。

<5>.安全性。

因网络化测控系统是一个开放的系统，它借助于公用网络进行信息的传输，故其安全性将受到一定影响。

（4）.网络化测控系统方案

<1>.远程测控系统

在实际测控应用中，经常需要在远离计算机主机的若干不同地点同时进行测控。

在这种情况下，主要目标是从一个或多个远端测控节点采集数据，并把测控结果通过网络发送到本地计算机节点。

<2>.测控发布系统

测控发布系统是把从一个测控节点采集的数据发布到一个或多个远程计算机节点，使多个用户可以在远端第一时间获取和处理测控节点的数据与图形化测试结果。

<3>.企业测控系统

企业测试系统相当于前面两种系统的结合，其目标是实现从任一测控节点获取测控数据并传递到网络上的任一计算机节点。

以上3种测控方案兼顾了智能设备、非智能设备、各种总线和接口，但由于使用以太网实现的分布式测控系统的围有限，还远不能满足一些测控的需要。

网络技术的飞速发展对测控系统产生了深刻的影响，推动了测控领域的全方位技术创新，分布式测控网络成为分布式测控系统的主导技术。

（5）.远程数据采集系统的组成

要实现远程数据采集，可以通过网络使多台计算机（客户计）共享一台计算机（服务器）上的DAQ设备，这样就不必在每台客户机上都安装DAQ设备，只需要在服务器上配置DAQ设备即可，整个远程数据采集系统的组成如图1.2所示。

通过这种方式，可以节省成本，提高设备的利用率。

（6）.建立远程测控实验室的可行性与意义

校园网的快速发展和计算机的普与为远程实验室的使用提供了可靠的硬件保障。

学校的网络速度已达到百兆比特/秒，网络带宽和传送速度不再成为制约网络实验的因素，为大量实验数据的传输创造了条件。

目前，校实验室、学生宿舍和网络中心等已经形成一个可以自由通信的局域网，校同网又与互联网相连，它们之间可通过互联网来互相访问，为教学资源的共享创造了条件。

虚拟仪器技术已渗入到虚拟实验教学中。

在当今日新月异的信息时代，学习的社会化和终身化成为人们的迫切需要，远程教育成为教育改革的发展热点。

当前的网络实验教学不应仅停留于多媒体课件的制作与再现，而应该发展成一种具有传统真实感且运行于客观环境的远程实验教学模式。

基于虚拟仪器技术的虚拟实验室则是一种比较容易构建、可以推广的模式，另外，通过虚拟仪器提供的手段可以迸一步实现实验室中设备的远程控制，利用网络视频技术，还可以得到实验室的实际场景，使学生获得真实的实验感受。

实验教学是高等学校教学的重要组成部分和人才培养的重要环节。

传统的实验方式从空间、利用率、成本、数量等都不尽能满足人数的要求，可能导致实验不能进行，这不利于培养学生的创新精神和实践动手能力。

利用虚拟仪器技术和Internet技术建立远程虚拟实验室系统可以很好地解决这个问题。

建立远程测控实验系统有着重要的现实意义，它的优点主要表现在以下几个方面：

教学方式灵活、方便；获得真实的实验感受；实现资源共享，充分利用现有的资源。

另外，基于Internet的远程测控技术已经被广泛应用在远程监控、远程诊断、远程教育等领域，本课题可以为今后的远程测控系统和远程虚拟实验室的研究提供借鉴。

图1.2远程数据采集系统的组成框图

经过查阅大量文献发现，远程测控系统的共同点有：

整个系统由客户端、服务器、控制对象组成，部分系统还有视频和音频监控部分；服务器和控制对象之间通过串口，数据采集卡或专用总线进行通信；客户机和服务器之间通过基于TCP协议、HT'ITP协议的应用程序进行通信；采用的网络模式为C/S模式或B/S模式。

随着网络技术的发展，当前计算机应用已经进入网络时代，"网络就是计算机"已成为某种意义上的事实。

同样，以计算机为核心的虚拟仪器也不可回避的朝这网络化的方向发展。

如何在虚拟仪器中添加网络通信功能成为虚拟仪器发展的新课题。

1.3论文主要研究的容

〈1〉.选择合适的网络模式（C/S或B/S模式），建立远程测控系统总体设计方案。

〈2〉.研究单片机实验板和外部可控硅控制的电路，并利用单片机I/O口输出控制交流220V负载的工作状态。

〈3〉.研究LabVIEW中VISA串口通信功能功能并利用其实现GSM通信功能。

〈4〉.研究LabVIEW中TCP/IP信息通道并用其实现局域网聊天室功能。

〈5〉.研究LabVIEW中Web功能并用其完成和Web设置。

〈6〉.研究LabVIEW中视频模块的应用，并用其实现远程实时视频监控功能。

〈7〉.用户通过网络对本地的实验设备进行数据采样和实时控制，并对采集的数据进行适当的处理获得相应的结果。

第二章系统总体设计方案的选择与建立

2.1虚拟仪器的I/O接口设备概述与选择

虚拟仪器的硬件平台由计算机和其I/O接口设备两部分组成。

I/O接口设备主要执行信号的输入、数据采集、放大与模/数转换等任务。

根据I/O接口设备总线类型的不同，虚拟仪器的构成方式主要有:

插卡式DAQ、GPIB、VXI、PXI、串口总线、现场总线等6种标准硬件体系结构，如图2.1所示。

图2.1虚拟仪器的构成方式

（1）.基于PC的插卡式（PC-DAQ）虚拟仪器

通过在PC直接插入一块插式多功能数据采集卡，将前端仪器（如传感器等）送来的模拟信号采集到计算机，直接经过PCI总线，由CPU进行分析、处理，再通过显示器显示，外接打印机打印等。

微处理器可以立即仿问这些数据。

数据由微处理器和数据采集板共享。

他更加充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。

在性能上，随着A/D转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展，DAQ的采样速率已达到1Gbit/s，精度高达24位，通道数高达64个，并能任意结合数字I/O、模拟I/O与计数器/定时器等通道。

许多仪器厂家生产了大量的DAQ功能模块以供选择，如示波器、数字万用表、动态信号分析仪、任意波形发生器等。

在PC上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有多种功能的PC仪器。

一块DAQ卡可以完成A/D转换、D/A转换、数字输入/输出与计数器/定时器等多种功能，再配以相应的信号调理电路组件，即可构成各种虚拟仪器硬件平台。

这种仪器功能灵活、通用性强、可考性高、性价比高，是一种非常实用的虚拟仪器结构方案，应用非常广泛。

（2）.基于GPIB总线的虚拟仪器

GPIB（IEEE488）是计算机和仪器间的标准通信协议，也是最早的仪器总线。

一个典型的GPIB测试系统包括1台计算机、1块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器，每台GPIB仪器有单独的地址，由计算机控制操作。

1块GPIB接口卡最多可连接15台GPIB仪器。

GPIB接口板卡插入计算机的插槽中，建立起计算机与具有GPIB接口的仪器设备之间的通信桥梁。

利用GPIB技术，可以用计算机实现对仪器的操作和控制，由此替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测量误差。

同时，由于可以预先编制好测试程序，实现自动测试，提高了测试的可靠性和效率。

利用GPIB技术，可以方便地将多台仪器组合起来，形成较大的自动测试系统。

系统中的仪器可以增加、减少或更换，只要对计算机的控制软件作相应改动，就可高效、灵活地完成各种不同规模的测试任务。

利用GPIB技术，还可以方便地扩展传统仪器的功能。

例如，把示波器的信号送到计算机后，增加分析算法，就可以把示波器扩展为频谱分析仪。

在价格上，GPIB仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器。

但是GPIB的数据传输速度一般低于500kbit/s，不适用于有实时性要求与高速测试的系统。

目前，多数测试仪器配有GPIB接口。

（3）.基于VXI总线的虚拟仪器

VXI总线是一种高速计算机总线在仪器领域的扩展。

VXI总线是在VME总线、IEEE488等基础上形成的一种开放型仪器总线标准。

VXI系统由VXI标准机箱、零槽控制器、具有多种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。

它最多可包含256个模块，系统中各功能模块可随意更换、即插即用组成新的系统。

VXI总线标准具有标准开放、即插即用、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时与同步精确、模块可重复利用与众多仪器生产商支持等优点，其应用围越来越广。

VXI规使得用户在组建VXI系统时可不必局限于一家厂商的产品，可以根据自己的要求自由选购各仪器厂商的仪器模块，从而使系统达到最优。

在组建大规模自动测量控制系统，以与对速度、精度要求非常高的场合，VXI总线的虚拟仪器有其他仪器无法比拟的优点。

此外，VXI总线的组建方案功能十分强大，组建的系统也比较稳定，但要实现其强大的功能，价格也十分昂贵。

（4）.基于PXI总线的虚拟仪器

NI公司于1997年推出PXI控制方案，它是基于PCI总线的虚拟仪器系统框架。

PXI将主流PCI计算技术和控制器采用流行的奔腾MMX处理器，带有标准GPIB接口、并/串口、以太网接口与显示器接口，为用户组建速度高、成本低、结构紧凑的测试系统提供了可行性。

PXI是一种新的基于工业标准PCI总线的开放式、模块化仪器总线规，其核心是CompactPCI结构和MicrosoftWindows软件。

PXI是在PCI总线核技术基础上增加了成熟的技术规和要求形成的，例如，增加了多板卡同步的触发总线和参考时钟，用于精确定时的星形触发总线以与用于相邻模块间高速通信的局部总线等。

PXI兼容CompactPCI机械规，并增加了主动冷却、环境测试（振动、冲击、温度、湿度试验）等要求，这样确保了多供应商产品的互操作性和系统的集成性。

PXI总线系统成本低、运行速度快、体积紧凑，并且PXI的传输速度可达100Mbit/s。

因此，PXI总线目前已成为搭建虚拟仪器的首选硬件平台。

（5）.基与串口总线的虚拟仪器

通过串行口可实现仪器与计算机、仪器与仪器之间的相互通信，从而组成由多台仪器构成的自动测试系统。

RS-232总线是早期采用的PC通用串行总线，适合于单台仪器与计算机的连接，但控制性能较差。

当今PC已更多地采用USB和IEEE1394总线，基于USB和IEEE1394总线的虚拟仪器开发已受到重视。

但是，USB总线目前只用于较简单的测试系统。

在用虚拟仪器组建自动测试系统时，目前最有发展前景的是采用IEEE1394高速串行总线，因为，当前虚拟仪器所用的IEEE1394总线的传输速度最高已达100Mbit/s。

（6）.基于现场总线的虚拟仪器

现场总线系统以现场总线（FieldBus）为纽带，把多个分散的智能仪表、控制设备（包括智能传感器）连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络与控制系统。

用于现场总线系统的智能传感器、变送器、仪表等统称为现场总线仪表。

各种现场总线仪表采用标准化的开放式通信协议，这样不同厂商的产品可以方便地挂接在现场总线上，使系统具有可操作性。

现场总线是一种全数字化、串行、双向、多站的通信网络，采用一对简单的双绞线电缆进行数据传输与信息交换。

影响广泛的现场总线有FF总线、LON总线、LonWorks总线、CAN总线、ProfiBus总