O 引言
20世紀(jì)80年代末美國成功研制了虛擬儀器，虛擬儀器的發(fā)展標(biāo)志著自動測試與電子測量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個嶄新方向,。虛擬儀器是利用PC機(jī)的顯示模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板,，以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果，由PC機(jī)的強(qiáng)大軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算,、分析,、處理，由I／O接口設(shè)備完成信號的采集,、測量與調(diào)理,，從而完成各種測試功能的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。
基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實驗是遠(yuǎn)程教育的一個新的發(fā)展方向,。遠(yuǎn)程實驗從遠(yuǎn)程計算機(jī)上進(jìn)行實驗操作和觀察,，所得到的實驗結(jié)果與本地得到的完全相同，如同在實驗室真實操作實驗設(shè)備一樣,，突破了時空限制,，極大地提高了實驗教育的靈活性。將虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器,，并結(jié)合電路其他元件的遠(yuǎn)程控制，可實現(xiàn)基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程實驗。
1 LabVIEW簡介
LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是美國NI公司推出的一種基于G語言(graphics language)的虛擬儀器軟件開發(fā)工具,，具有各種功能強(qiáng)大的函數(shù)庫,，包括數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信,、串口控制,、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。采用旋鈕,、開關(guān),、波形圖等構(gòu)造用戶界面。
LabVIEW提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能,，TCP／IP(transmission control protocol／internet protocol)協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議,。函數(shù)庫的Communication子模板中提供了TCP節(jié)點(diǎn)，可以實現(xiàn)客戶機(jī)／服務(wù)器模式下的雙機(jī)通信,。
2 遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)總體設(shè)計
本文開發(fā)了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng),，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程測量熱敏電阻溫度特性，遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
用戶打開客戶機(jī),，運(yùn)行程序，在虛擬面板上可以設(shè)置鎖相放大器的相位調(diào)節(jié),、積分時間等參數(shù),。同時，通過虛擬面板可以改變加熱按鈕的狀態(tài),，用戶在客戶機(jī)的虛擬面板上點(diǎn)擊加熱按鈕,，接通加熱電源，控制繼電器閉合,，加熱電路開始給熱敏電阻加熱,，該狀態(tài)值通過Intern-et和服務(wù)器送往實驗機(jī)。實驗機(jī)將接收到的加熱控制狀態(tài)通過串口送入單片機(jī),，通過單片機(jī)調(diào)節(jié)繼電器的狀態(tài),，從而控制熱敏電阻的加熱狀態(tài)。熱敏電阻的溫度由DSl8B20數(shù)字式溫度傳感器測得,，送往單片機(jī)系統(tǒng),，通過串口將被測熱敏電阻溫度值讀入到實驗機(jī)中；音頻輸入電纜采集信號發(fā)生器輸出的參考方波和橋式電路輸出的電壓值,，經(jīng)聲卡模／數(shù)轉(zhuǎn)換器送入實驗機(jī),。實驗機(jī)中的被測信號通過服務(wù)器和Internet反饋給客戶機(jī)。用戶通過虛擬鎖相放大器和虛擬溫度計進(jìn)行觀察和測量,，得到熱敏電阻溫度特性曲線,。
3 遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)的軟件設(shè)計
遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)采用C／S(client／server)模式,，其典型運(yùn)作過程為：
(1)服務(wù)器監(jiān)聽相應(yīng)端口的輸入；
(2)客戶機(jī)發(fā)出一個請求,；
(3)服務(wù)器接收到此請求,；
(4)服務(wù)器處理此請求，并把結(jié)果返回給客戶機(jī),；
(5)重復(fù)上述過程,，直至完成一次會話過程。
客戶機(jī)與實驗機(jī)的通信利用TCP／IP協(xié)議實現(xiàn),。TCP協(xié)議是一個可靠的,、基于連接的協(xié)議，能保證網(wǎng)絡(luò)間的可靠傳輸,。C／S模式要分別編寫客戶機(jī)和實驗機(jī)程序,，采用TCP協(xié)議可正確傳送控制命令和數(shù)據(jù)。
鎖相放大器遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)需要實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制繼電器的狀態(tài),，聲卡采集輸入信號和參考信號,，串口采集溫度值,，并用鎖相放大器測量熱敏電阻輸出電壓,，用虛擬溫度計測量熱敏電阻的溫度。在LabVIEW環(huán)境下分別編寫客戶機(jī)和實驗機(jī)程序,，實現(xiàn)測量熱敏電阻溫度特性曲線遠(yuǎn)程實驗,。
3．1 客戶機(jī)程序
3．1．1 客戶機(jī)程序的用戶界面
客戶機(jī)程序的用戶界面如圖2所示，集成了鎖相放大器的全部功能以及虛擬溫度計,，波形圖實時顯示了鎖相放大器工作過程中各個中間過程的波形,。熱敏電阻的溫度值也實時顯示在虛擬溫度計上。
用戶點(diǎn)擊加熱按鈕,，接通加熱電源,，其狀態(tài)值經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)送往實驗機(jī)，從而改變實驗室內(nèi)測溫電路的繼電器狀態(tài),，加熱電路開始對熱敏電阻進(jìn)行加熱,。實驗電路中橋式電路的輸出信號和熱敏電阻的溫度值，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)反饋給客戶機(jī),，用戶通過虛擬儀器面板觀察各個點(diǎn)波形的顯示,，同時讀取溫度值，完成熱敏電阻溫度特性測量,。
服務(wù)器一欄設(shè)置為實驗室內(nèi)服務(wù)器的IP地址,，剩余時間一欄顯示用戶可用的時間。本實驗控制真實的實驗元件,，每次只能有一位用戶操作,。規(guī)定每位用戶的實驗時間為30 min,。30 min后，此客戶機(jī)與實驗機(jī)的連接自動斷開,。
3．1．2 客戶機(jī)軟件框圖程序
軟件框圖程序如圖3所示,。程序分別設(shè)置了3個While循環(huán)結(jié)構(gòu)，分別完成讀取溫度值,、讀取電壓值以及發(fā)送控制繼電器狀態(tài)的功能,。循環(huán)中止的條件為下列三者之一：用戶點(diǎn)擊了“退出”按鈕；用戶連接時間超過了30 min,；實驗過程中TCP連接出錯,，如實驗機(jī)程序先行中止，或系統(tǒng)錯誤引起連接中止,。
客戶端程序的軟件部分采用3個獨(dú)立的While循環(huán),，每個端口分別設(shè)置了獨(dú)立的服務(wù)器端口，依次是2322,，2323和2324,。
(1)讀取反饋的實驗數(shù)據(jù)。對于數(shù)據(jù)接收,，用2個TCP Read節(jié)點(diǎn)讀取實驗機(jī)發(fā)送的聲卡采集的數(shù)據(jù)長度和字符串?dāng)?shù)據(jù),。
2322端口接收串口讀取的溫度值，因為溫度值采集時已經(jīng)轉(zhuǎn)換為4位BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù),，因此接收時讀取的字長設(shè)置為4,，讀取的溫度值送入虛擬溫度計并實時顯示出來。
2323端口對應(yīng)接收聲卡讀取的電壓值,，因為是左,、右聲道各采集一路信號，因此設(shè)置了2個Sequence結(jié)構(gòu),，其中Sequence0接收左聲道讀取的橋式電路輸出信號,，送入鎖相放大器的信號輸入端；Sequence1接收右聲道讀取參考方波,，送入鎖相放大器的參考信號輸入端,。同時將讀取的波形實時顯示在用戶界面上。
(2)發(fā)送繼電器控制信號,。2324端口發(fā)送加熱控制電路的繼電器狀態(tài)值,，用戶可以在虛擬面板生改變加熱按鈕的狀態(tài)，并通過服務(wù)器反饋回實驗機(jī),，從而控制加熱電路中繼電器的狀態(tài),。加熱按鈕其處于不同的位置時，向網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)送不同的命令字,。將命令字放在一個CASE結(jié)構(gòu)中,，這樣便于實現(xiàn)用戶將加熱按鈕置于不同的位置時,，發(fā)送不同的命令字。為有效傳送數(shù)據(jù),，采用2個TCP Write節(jié)點(diǎn),，第1個節(jié)點(diǎn)發(fā)送字符長
度，第2個節(jié)點(diǎn)發(fā)送字符數(shù)據(jù),。
3．2 端口映射
服務(wù)器平臺上安裝Linux操作系統(tǒng),。利用其IPtables防火墻技術(shù)進(jìn)行端口映射，使得互聯(lián)網(wǎng)上的計算機(jī)可以通過訪問服務(wù)器,，間接訪問實驗機(jī),，進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗。端口號的選擇要避開系統(tǒng)保留端口,，即O～1023,。假設(shè)實驗機(jī)程序的監(jiān)聽端口為2322。在IPtahies中,，將服務(wù)器的2322端口映射到實驗機(jī),。外界計算機(jī)訪問服務(wù)器的2322端口時，若實驗機(jī)程序正在2322端口監(jiān)聽,，與客戶機(jī)的TCP連接就會建立,，客戶機(jī)與實驗機(jī)通信，傳送控制命令與實驗數(shù)據(jù),。
3．3 實驗機(jī)程序
3．3．1 實驗機(jī)程序的用戶界面
實驗機(jī)程序的用戶界面如圖4所示,。波形顯示圖實時監(jiān)測聲卡采集的信號；日志文件用于記錄與實驗機(jī)建立連接的客戶數(shù)目,、客戶地址和連接時間。Inputformat設(shè)置了聲卡采樣的數(shù)字聲音格式,；數(shù)據(jù)采集為立體聲格式,，樣本位數(shù)為16 b；為了防止數(shù)據(jù)溢出,，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送時A ／D轉(zhuǎn)換率采用11 025 Hz,。Constant為聲卡采集數(shù)據(jù)的縮小倍數(shù)。溫度顯示為串口采集到的熱敏電阻的溫度,。
實驗機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)如下功能：
實驗機(jī)接收用戶發(fā)送來的加熱信號,，通過串口送往單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的指令驅(qū)動繼電器,，從而控制熱敏電阻的加熱狀態(tài),。熱敏電阻的溫度值由串口采集，送入實驗機(jī),；音頻輸入電纜左聲道采集熱敏電阻阻值改變后橋式電路的輸出電壓,，右聲道采集信號發(fā)生器輸出的參考方波,，通過聲卡送入實驗機(jī)。實驗機(jī)將采集到的所有信號經(jīng)由服務(wù)器和Internet反饋給客戶,。
3．3．2 實驗機(jī)軟件框圖程序
實驗機(jī)框圖程序如圖5所示,。實驗機(jī)程序的軟件部分整體采用一個While循環(huán)，其l中又包含2個While循環(huán),。其中一個While循環(huán)中設(shè)置了一個順序結(jié)構(gòu),，Sequence 0中包含了2322監(jiān)聽端口，用于監(jiān)聽串口讀取溫度值,；Sequence 1中包含了2323端口,，用于監(jiān)聽聲卡讀取電壓值。
另外一個While循環(huán)中包含了一個2324監(jiān)聽端口,，用于接收客戶機(jī)發(fā)送來的當(dāng)前繼電器狀態(tài)值,。當(dāng)接收到閉合繼電器控制指令時，發(fā)送“30 H”到單片機(jī),，控制繼電器閉合,；當(dāng)接收到斷開繼電器控制指令時；發(fā)送“31H”到單片機(jī),，控制繼電器斷開,。單片機(jī)與實驗機(jī)通過串行口通信，接收計算機(jī)發(fā)送的控制指令,。
(1)實驗機(jī)與單片機(jī)的串行通信,。實驗機(jī)與單片機(jī)的通信利用LabVIEW中的VISA庫(virtua|instrument software architecture)實現(xiàn)。V-ISA作為新一代程控儀器I／O軟件規(guī)范,，在接口無關(guān)性,、平臺獨(dú)立性、可擴(kuò)展性和功能上都有很大提高,。本文單片機(jī)帶有RS 232接口,，計算機(jī)通過串口與之通信。單片機(jī)通過串口與實驗機(jī)相連,，VISA Configure Serial Port節(jié)點(diǎn)中VISA Resouce Name設(shè)為ASRL4：INSTR,。參數(shù)與單片機(jī)的設(shè)置一致：傳輸速率4 800 b／s，起始位1位,，數(shù)據(jù)位8位,，停止位1位，無校驗位,。
(2)聲卡采集電路信號,。用SI Read節(jié)點(diǎn)讀取聲卡采集的電路信號，Stereo 16 b端口顯示讀取的數(shù)據(jù),。Index Array函數(shù)分別提取0列(左聲道)和1列(右聲道)的信號,，縮小一定倍數(shù)后,，經(jīng)Type Cast函數(shù)轉(zhuǎn)為字符串?dāng)?shù)據(jù)：Sequence 0發(fā)送音頻電纜左聲道采集的數(shù)據(jù)，即熱敏電阻兩端的電壓,；Sequence 1發(fā)送音頻電纜右聲道采集的數(shù)據(jù),，即信號發(fā)生器輸出的參考方波。信號波形同時顯示在前面板波形顯示器中顯示,。
4 結(jié)語
本文開發(fā)了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng),。用LabVIEW軟件編寫了客戶機(jī)與實驗機(jī)程序，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程測量熱敏電阻溫度特性曲線,。與傳統(tǒng)實驗相比,，只需要一臺計算機(jī)、一臺信號發(fā)生器以及必要的硬件實驗電路即可進(jìn)行實驗,。在此基礎(chǔ)上結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和儀器控制技術(shù),，實現(xiàn)遠(yuǎn)程實驗。