網絡化虛擬儀器實驗室監控平臺系統的開發

李盾

（河南省索克實業有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

虛擬化儀器是計算機技術在儀器領域應用中所形成的新型種類，是測控儀表儀器、計算機硬件資源和用于數據分析、用戶圖像界面及過程通訊間的有效結合。網絡化虛擬儀器，其特征是將計算機、外部設備以及數據庫等資源加載至網絡，實現資源共享，完成一定的測試任務。將網絡化虛擬儀器應用在實驗室管理中，可以構造網絡化儀器技術虛擬實驗室，并通過網絡實現軟硬件和信息資源的共享。

2 系統總體方案設計

目前，世界上虛擬儀器開發平臺主要有兩類：第一類是基于通用的VB、C++、VC語言等，此類語言有較強的適應性和靈活性；第二類是專業的虛擬儀器開發平臺，如Lab－VIEW、HP-VEE等，借助這些專用的開發工具，可以簡化儀器編程并縮短開發周期。

3 硬件設計

常用的虛擬儀器的總線有VXI和PXI兩種。相比之下，PXI總線速率遠高于VXI總線，同時由于它起源于計算機總線PCI，具有良好的兼容性，開發成本較低。PXI總線體系結構涵蓋了三大方面的內容：機械規范、電氣規范和軟件規范，本文采用PXI總線構建虛擬儀器實驗室監控平臺系統。

3.1 PXI總線測試系統組成架構

構建一個PXI自動測試系統，除了要選擇合適的操作系統和應用開發軟件以外，更重要的是硬件選擇，主要包括：(1)PXI機箱：PXI機箱的選擇與系統的應用有關。(2)系統控制器：根據需要確定選擇外置式PC還是嵌入式控制器。(3)PXI儀器模塊：包括模擬輸入和輸出、圖像采集、數字輸入和輸出、運動控制、模塊化儀器、開關、定時輸入和輸出等。(4)信號調理和其它附件(也可以在選擇機箱或儀器模塊時綜合考慮)。

3.2 數據采集卡

作為NI 4472產品家族的延伸，NI PXI-4472B是振動和低頻交流測量的最優化方案。NI PXI-4472B為高精度頻域測量提供了8通道動態信號采集。輸入通道集成了IC壓電式信號調理功能，可用于加速度傳感器和麥克風的信號采集。PXI-4472B的8路輸入通道可在直流到45 kHz的帶寬范圍內同步對輸入信號進行數字化處理，可在高通道數的應用中實現兩個及兩個以上PXI-4472B模塊之間的同步，或通過PXI星狀觸發總線實現PXI-4472B模塊與其他模塊的同步。PXI-4472B模塊與LabVIEW聲音及振動工具包或其他軟件分析工具共同使用時，可進行各種時間和頻率的準確測量。

4 軟件設計

系統采用LabVIEW做為軟件開發工具，用圖形化編程技術，開發出面向客戶應用的虛擬儀器實驗室監控管理系統，編制相應界面顯示主機的各類型界面信息，在實驗室網絡環境向用戶發布監控主機工作界面信息。

圖1 網絡化實驗室管理功能圖

圖2 客戶端流程圖

4.1 LabVIEW開發平臺

LabVIEW是一個開放式的虛擬儀器開發系統應用軟件，利用該軟件組建儀器測試系統和數據采集系統可很好的簡化程序設計。LabVIEW擁有用于設計數據采集程序和儀器控制程序的開發工具庫和函數庫。該應用軟件的程序設計實質上就是設計多個“虛擬儀器”。在計算機顯示器上利用開發工具庫和函數庫開發一個前面版。前面板界面，可接受用戶鼠標、鍵盤指令，而在后臺利用圖形化編程語言開發用于控制前面板的框圖程序。

LabVIEW的核心是VI。VI的人機對話的用戶界面--前面板和的框圖程序，接收來自框圖程序的指令。在VI的前面板中，控件模擬儀器的輸入裝置并把信號提供給VI的框圖程序；此外，指示器模擬儀器的輸出裝置并顯示由框圖程序捕捉或產生的信號。當把一個控件或指示器置于前面板時，LabVIEW就在框圖程序中產生了一個終端，該從屬于控件或指示器的終端不能隨意被刪除，只有刪除它對應的指示器或控件時它才會一同被刪掉。

在LabVIEW編制框圖程序時，自函數面板中選擇所需的函數節點，將其置于框圖上；接著用連線將各函數節點在框圖程序中的端口連接起來，用以傳輸信號。這些函數節點包含著眾多的計算函數、分析VI和采集、存儲和檢索數據的網絡函數和輸入輸出函數。

用LabVIEW編制出的圖形化VI擁有分層次和模塊化的特點，可以將之應用至頂層程序，也可用作子程序和其它程序。subVI在調用它的程序時，同樣是以一個圖標的形式出現；為了區分不同的subVI，它們的圖標是可以分別編輯的，所以LabVIEW依附并發展了模塊化程序設計的特點。用戶可以把一個較為復雜的問題分解成為數個子任務，每個子任務還可以分解成眾多更低一級的子任務，直至到把這個復雜的應用任務分解成為許多更低級子任務的集合，將之逐步組合成為能夠解決最終問題的VI。

4.2 網絡實驗管理實現的功能

網絡實驗管理包含三個功能模塊:用戶管理、實驗管理及資源和數據的管理。其中，用戶管理包含對用戶和管理員兩種用戶的管理，如添加、刪除和修改操作，以及對用戶的身份進行驗證的功能；實驗管理保證了用戶對虛擬實驗室的正常訪問，可以進入實驗室進行虛器實驗操作；資源和數據管理中包含實驗資源的管理，網絡實驗管理模塊要能夠完成一些實驗資源的發布和更新操作，網絡化虛擬儀器實驗室管理的功能圖如圖1所示。

4.3 圖形化程序設計

軟件結構由遠程客戶機、Web服務器和設備服務器(虛擬儀器客戶端)組成.Web服務器是核心，通過Web服務器，用戶可以訪問站點，控制實驗過程、處理實驗數據并獲得實驗結果。設備服務器主要完成數據采集并傳送到Web服務器端處理。

網絡控制部分主要利用LabVIEW 開發平臺以及網頁制作技術進行仿真實驗、測量實驗等部分的設計開發，完成數據的采集、分析、顯示和儀器的控制等功能。LabVIEW作為一個優秀的虛擬儀器開發平臺，在DataSocket技術、Web服務器和 TCP、UDP協議基礎上，為構建基于計算機網絡的虛擬儀器系統提供了各種豐富工具，可以開發出功能強大的基于網絡的分布式測量系統。開發仿真實驗，主要完成各種理論中涉及的原理驗證和演示型實驗.仿真實驗在LabVIEW平臺上開發完成后生成實驗程序的子VI，再利用labVIEW 自帶的網頁發布功能，直接在Web服務器端生成嵌入實驗平臺的Web網頁，客戶端只需使用網頁瀏覽器即可通過網絡訪問電路遠程虛擬實驗室，繼而進行仿真實驗。

客戶端流程圖如圖2，客戶端主要從服務器上獲得想要的信息資源，測量數據、測量進程和從服務器上調用測量程序模塊，并向服務器反饋客戶端的接受情況。

結語

本文以PXI計算機作為硬件平臺結構，應用圖形化編程技術，設計了網絡化虛擬儀器實驗室監控平臺。網絡化虛擬儀器技術，有助于實現信息網和設備網的一體化。在研究現有網絡化虛擬儀器技術的基礎上，設計并開發實現了網絡化虛擬儀器實驗室監控平臺的軟硬件結構和基本功能。在研究對比世界現行網絡化虛擬儀器技術的基礎上，針對目前流行的網絡虛擬儀器測試實驗室，給出了適合本平臺系統的實施方案；本方案采用三層結構進行了功能劃分：利用LabVIEW平臺對客戶端應用程序進行開發，編程并實現了VI服務器應用程序，對實驗室多用戶進行合理有效管理及資源配置。

[1]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設計[M].北京：電子工業出版社，2003.

[2]雷振山.LabVIEW 7 Express實用技術教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.