基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實驗系統(tǒng)設計

摘 要:設計了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實驗的軟件系統(tǒng)，用LabVIEW軟件編寫了客戶機與實驗機程序，實現(xiàn)了串口與單片機系統(tǒng)的通信、聲卡采集信號、TCP/IP網(wǎng)絡通信等功能。用Linux中的IPtables防火墻技術實現(xiàn)實驗機與服務器間的端口映射，使得互聯(lián)網(wǎng)上的所有用戶可以通過服務器訪問實驗機，進行遠程實驗。

關鍵詞:虛擬儀器; 鎖相放大器; 遠程實驗; 端口映射

中圖分類號:TN911.23; TP337 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)14-0148-04

Design of Lock-in-Amplifier Remote Experiment System Based on Virtual Instrument

DAI Zhi-chao1， XIANG YING1， WU Xian-qiu2

(1.Guangdong Polytechnic Normal University， Guangzhou 510665， China;

2 South China Normal University， Guangzhou 510631， China)

Abstract: The lock-in-amplifier (LIA) remote experiment system based on the virtual instrument was designed. The programs for the client computers and the experiment computer were written with virtual instrument software LabVIEW. And various functions were realized， including communication with the signal chip microcomputer (SCM) through the serial port， real-time acquisition of the voltage by the LIA via the sound card and Internet communication by using TCP/IP technology. The port mapping between the experiment computer and the server was realized with Iptables Netfilter technology in Linux system. So all the users in Internet can accomplish the remote experiment via visiting the experiment computer through server.

Keywords:virtual instrument; lock-in-amplifier; remote experiment; port mapping

0 引 言

20世紀80年代末美國成功研制了虛擬儀器，虛擬儀器的發(fā)展標志著自動測試與電子測量儀器領域技術發(fā)展的一個嶄新方向[1]。虛擬儀器是利用PC機的顯示模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結果，由PC機的強大軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析、處理，由I/O接口設備完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)[2]。

基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程實驗是遠程教育的一個新的發(fā)展方向。遠程實驗從遠程計算機上進行實驗操作和觀察，所得到的實驗結果與本地得到的完全相同，如同在實驗室真實操作實驗設備一樣，突破了時空限制，極大地提高了實驗教育的靈活性。將虛擬儀器技術和網(wǎng)絡技術相結合，實現(xiàn)網(wǎng)絡化虛擬儀器，并結合電路其他元件的遠程控制，可實現(xiàn)基于虛擬儀器的遠程實驗[3]。

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，具有各種功能強大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡通信、串口控制、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等[4]。采用旋鈕、開關、波形圖等構造用戶界面。

LabVIEW 提供了強大的網(wǎng)絡通信功能，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，可以實現(xiàn)客戶機/服務器模式下的雙機通信[4]。

2 遠程實驗系統(tǒng)總體設計

本文開發(fā)了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程測量熱敏電阻溫度特性，遠程實驗系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

用戶打開客戶機，運行程序，在虛擬面板上可以設置鎖相放大器的相位調(diào)節(jié)、積分時間等參數(shù)[5]。同時，通過虛擬面板可以改變加熱按鈕的狀態(tài)，用戶在客戶機的虛擬面板上點擊加熱按鈕，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Internet和服務器送往實驗機。實驗機將接收到的加熱控制狀態(tài)通過串口送入單片機，通過單片機調(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DS18B20數(shù)字式溫度傳感器測得，送往單片機系統(tǒng)，通過串口將被測熱敏電阻溫度值讀入到實驗機中;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)轉換器送入實驗機[6]。實驗機中的被測信號通過服務器和Internet反饋給客戶機。用戶通過虛擬鎖相放大器和虛擬溫度計進行觀察和測量，得到熱敏電阻溫度特性曲線。

圖1 遠程實驗系統(tǒng)結構框圖

3 遠程實驗系統(tǒng)的軟件設計

遠程實驗系統(tǒng)采用C/S(client/server)模式，其典型運作過程為:

(1) 服務器監(jiān)聽相應端口的輸入;

(2) 客戶機發(fā)出一個請求;

(3) 服務器接收到此請求;

(4) 服務器處理此請求，并把結果返回給客戶機;

(5) 重復上述過程，直至完成一次會話過程。

客戶機與實驗機的通信利用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)絡間的可靠傳輸。C/S模式要分別編寫客戶機和實驗機程序，采用TCP協(xié)議可正確傳送控制命令和數(shù)據(jù)[7]。

鎖相放大器遠程實驗系統(tǒng)需要實現(xiàn)遠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和實驗機程序，實現(xiàn)測量熱敏電阻溫度特性曲線遠程實驗。

3.1 客戶機程序

3.1.1 客戶機程序的用戶界面

客戶機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。

用戶點擊加熱按鈕，接通加熱電源，其狀態(tài)值經(jīng)由網(wǎng)絡送往實驗機，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)絡反饋給客戶機，用戶通過虛擬儀器面板觀察各個點波形的顯示，同時讀取溫度值，完成熱敏電阻溫度特性測量。

服務器一欄設置為實驗室內(nèi)服務器的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，此客戶機與實驗機的連接自動斷開。

圖2 客戶機程序的用戶界面

3.1.2 客戶機軟件框圖程序

軟件框圖程序如圖3所示。程序分別設置了3個While循環(huán)結構，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，如實驗機程序先行中止，或系統(tǒng)錯誤引起連接中止。

圖3 遠程實驗客戶端程序

客戶端程序的軟件部分采用3個獨立的While循環(huán)，每個端口分別設置了獨立的服務器端口，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)點讀取實驗機發(fā)送的聲卡采集的數(shù)據(jù)長度和字符串數(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)轉換為4位BCD碼表示的十進制數(shù)，因此接收時讀取的字長設置為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，因此設置了2個Sequence結構，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;Sequence 1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上改變加熱按鈕的狀態(tài)，并通過服務器反饋回實驗機，從而控制加熱電路中繼電器的狀態(tài)[8]。加熱按鈕其處于不同的位置時，向網(wǎng)絡連接發(fā)送不同的命令字。將命令字放在一個CASE結構中，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，第1個節(jié)點發(fā)送字符長度，第2個節(jié)點發(fā)送字符數(shù)據(jù)。

3.2 端口映射

服務器平臺上安裝Linux操作系統(tǒng)。利用其IPtables防火墻技術進行端口映射，使得互聯(lián)網(wǎng)上的計算機可以通過訪問服務器，間接訪問實驗機，進行遠程實驗[9]。端口號的選擇要避開系統(tǒng)保留端口，即0~1023。假設實驗機程序的監(jiān)聽端口為2322。在IPtables中，將服務器的2322端口映射到實驗機。外界計算機訪問服務器的2322端口時，若實驗機程序正在2322端口監(jiān)聽，與客戶機的TCP連接就會建立，客戶機與實驗機通信，傳送控制命令與實驗數(shù)據(jù)。

3.3 實驗機程序

3.3.1 實驗機程序的用戶界面

實驗機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建立連接的客戶數(shù)目、客戶地址和連接時間。Input format 設置了聲卡采樣的數(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，遠程數(shù)據(jù)傳送時A/D轉換率采用11 025 Hz[10]。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。

圖4 遠程實驗的實驗機用戶界面

實驗機程序?qū)崿F(xiàn)如下功能:

實驗機接收用戶發(fā)送來的加熱信號，通過串口送往單片機系統(tǒng)，由單片機根據(jù)預先設置的指令驅(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;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。實驗機將采集到的所有信號經(jīng)由服務器和Internet反饋給客戶。

3.3.2 實驗機軟件框圖程序

實驗機框圖程序如圖5所示。實驗機程序的軟件部分整體采用一個While循環(huán)，其中又包含2個While循環(huán)。其中一個While循環(huán)中設置了一個順序結構，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。

圖5 遠程試驗實驗機框圖程序

另外一個While循環(huán)中包含了一個2324 監(jiān)聽端口，用于接收客戶機發(fā)送來的當前繼電器狀態(tài)值。當接收到閉合繼電器控制指令時，發(fā)送“30H”到單片機，控制繼電器閉合;當接收到斷開繼電器控制指令時，發(fā)送“31H”到單片機，控制繼電器斷開。單片機與實驗機通過串行口通信，接收計算機發(fā)送的控制指令。

(1) 實驗機與單片機的串行通信。

實驗機與單片機的通信利用LabVIEW中的VISA庫(virtual instrument software architecture)實現(xiàn)。VISA作為新一代程控儀器I/O軟件規(guī)范，在接口無關性、平臺獨立性、可擴展性和功能上都有很大提高。本文單片機帶有RS 232接口，計算機通過串口與之通信。

單片機通過串口與實驗機相連，VISA Configure Serial Port節(jié)點中VISA Resouce Name 設為ASRL4:INSTR。參數(shù)與單片機的設置一致: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)轉為字符串數(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 語

本文開發(fā)了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實驗系統(tǒng)。用LabVIEW軟件編寫了客戶機與實驗機程序，實現(xiàn)了遠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、一臺信號發(fā)生器以及必要的硬件實驗電路即可進行實驗。在此基礎上結合網(wǎng)絡技術和儀器控制技術，實現(xiàn)遠程實驗。

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