基于LabVIEW的高職電子遠程實驗開發(fā)

孫春暉

(常州輕工職業(yè)技術學院電氣工程系，江蘇常州,213164)

基于LabVIEW的高職電子遠程實驗開發(fā)

孫春暉

(常州輕工職業(yè)技術學院電氣工程系，江蘇常州,213164)

本課題應用虛擬儀器技術，采用LabVIEW 9.0作為開發(fā)工具，構建了一個適合高職電子專業(yè)學生遠程使用的實驗平臺。文中重點討論了遠程實驗平臺的總體框架、實驗項目的開發(fā)與集成、實驗平臺網絡通信的實現(xiàn)方法。學生使用瀏覽器或“連接至遠程前面板”方式完成實驗。此種模式突破了傳統(tǒng)實驗的時空限制，對于充分利用教學資源、更大程度地實現(xiàn)資源共享具有重要意義。

虛擬儀器；遠程實驗；LabVIEW

0 引言

近年來，高職教育獲得了快速發(fā)展，但同時，急速擴張也帶來發(fā)展經費的不足，造成實驗設備的規(guī)模和更新無法滿足學生需求。利用網絡技術和虛擬儀器技術構建遠程虛擬實驗室，實現(xiàn)遠程測控、資源共享，是一個較為經濟有效的解決方案。

美國國家儀器公司（NI公司）開發(fā)的LabVIEW，是目前應用最廣、發(fā)展最快、功能最強的一款基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。使用LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器界面美觀，其面板和功能與真實儀器也幾乎一樣。LabVIEW還具有豐富多樣的程序調試工具。采用單步調試、設置斷點、數據探針、高亮執(zhí)行等調試方法，可以更快的找到程序中的錯誤，完成開發(fā)。LabVIEW 被公認為是標準的數據采集和儀器控制軟件，是一種面向最終用戶的更為易用和高效的開發(fā)開具。

本課題將虛擬儀器技術、網絡通信技術相結合，采用LabVIEW 9.0作為開發(fā)工具，設計實現(xiàn)了一個可供學生遠程操控使用的虛擬電子實驗平臺。平臺集成了四個仿真實驗項目，通過LabVIEW提供的遠程前面板技術實現(xiàn)網絡發(fā)布。學生采用瀏覽器方式或者“連接至遠程前面板”方式就可遠程操作實驗項目，使用更加靈活方便。

1 遠程實驗平臺的總體架構

遠程電子實驗平臺的總體設計目標是開發(fā)實現(xiàn)一個基于網絡的虛擬實驗環(huán)境，利用互聯(lián)網技術，將平臺所提供的虛擬儀器、實驗項目放入建立的網站上。遠程用戶通過網絡瀏覽器，登錄到實驗平臺，先選擇所要進行的實驗，然后輸入實驗參數，觀察記錄實驗數據，完成實驗并退出。

1.1 遠程電子實驗平臺的體系結構

主要有兩種模式，一種是客戶端/服務器模式(C/S模式)，另一種是瀏覽器/服務器模式(B/S模式)。B/S模式下的用戶通過瀏覽器，可以向分布在網絡上的多個服務器發(fā)出請求，對數據庫的訪問和應用程序的執(zhí)行都在服務器上完成，服務器承擔更

多的工作，因而客戶機上只需安裝、配置少量的客戶軟件即可，極大地簡化了客戶機的工作。此處開發(fā)的遠程實驗平臺主要提供給用戶一系列模擬仿真實驗，供用戶學習儀器使用、基本理論的驗證等實驗知識。用戶通過軟件模擬實驗過程，所以決定采用B/S模式開發(fā)。這樣用戶只需通過瀏覽器訪問實驗平臺，向服務器申請控制權后完成實驗。

1.2 遠程電子實驗平臺的軟硬件框架

軟件系統(tǒng)框架主要包括Web 服務器子系統(tǒng)、應用程序服務器子系統(tǒng)、客戶端子系統(tǒng)三大部分。系統(tǒng)軟件結構如下圖1所示。

硬件系統(tǒng)框架采用PC-DAQ方式構建，包括傳感器、信號調理設備、數據采集卡、NI-ELVIS實驗儀、應用服務器、Web服務器等。如下圖2所示。

2 實驗平臺的開發(fā)實現(xiàn)

設計的實驗平臺集成四個模擬仿真實驗項目，分別為調幅與解調實驗、調頻與解調實驗、混頻實驗、信號的分解與合成實驗。在完成各個實驗項目的設計之后，采用LabVIEW 9.0提供的子面板插入技術實現(xiàn)各個實驗的動態(tài)載入，實現(xiàn)實驗平臺的主界面集成。

2.1 實驗項目的設計實現(xiàn)

下面以調幅與解調實驗為例，介紹其開發(fā)實現(xiàn)過程。

根據調幅與解調原理，使用LabVIEW軟件設計的實驗前面板如下圖3所示。實驗參數由學生通過前面板的旋鈕、數值輸入控件等設置，點擊“啟動”運行程序后，調制波與載波、調幅波及解調后波形均直接顯示在面板上，非常直觀。點擊“停止”按鈕則關閉程序的運行。通過這個實驗，學生可以直觀地看到普通單頻調幅波、雙邊帶單頻調幅波波形，并通過設置相干解調信號參數，進一步理解相干解調原理。

此實驗功能對應的程序框圖的設計包括初始化、主程序設計及退出三個環(huán)節(jié)，用順序結構實現(xiàn)。初始化主要是對前面板控件設初使值，包括清空波形、“啟動”“停止”按鍵均設為“彈起”狀態(tài)等，并對啟動按鍵注冊動態(tài)事件。主程序則讀取前面板設置的參數，調用LabVIEW極具特色的正弦波函數節(jié)點，成生相應的調制信號、載波信號，通過乘法運算得到調幅波，并顯示在前面板上。產生與載波同頻同相的正弦波，與調幅波相乘后調用Butterworth濾波器濾去高頻，再稍作處理就得到了解調后的波形。采用兩層While循環(huán)結構實現(xiàn)，內層用于實現(xiàn)功能，外層用于查詢注冊事件有無發(fā)生。此種結構的好處是，當注冊事件未發(fā)生時程序會暫停工作，處于等待狀態(tài)，因而可以大大節(jié)省系統(tǒng)開銷。退出部分主要是注銷事件，按鍵復位，為下次程序運行作準備。圖4為主程序框圖。

采用類似的方法，可以開發(fā)實現(xiàn)調頻與解調實驗、混頻實驗以及信號的分解與合成實驗。

圖3 調幅與解調實驗前面板

圖4 調幅與解調實驗主程序框圖

2.2 實驗項目的集成

采用插入子面板的方法，將此四個實驗項目集成于仿真電子實驗平臺中。采用四個按鍵用來選擇所要進行的實現(xiàn)項目，選擇“退出實驗”則結束程序并退出。下圖5為在平臺上運行“信號頻率調制與解調實驗”的效果圖。

實現(xiàn)實驗項目集成的程序框圖如圖6所示，主要使用一個While循環(huán)和一個事件結構來監(jiān)測前面板的五個按鍵是否按下。若按下某個實驗選項，則進入條件結構的真分支，通過索引數組的方法確定需要打開相應實驗程序的路徑，調用“打開VI引用函數”，再調用節(jié)點函數運行該程序，并通過“插入VI”的調用方法將其顯示到前面板上，供用戶使用。若用戶選擇退出，則進入條件結構的假分支，通過移位寄存器保存的引用調用“中止VI”節(jié)點函數，后關閉引用，退出循環(huán)，最后結束程序。

圖6 仿真實驗平臺程序框圖

3 實驗平臺網絡通信的實現(xiàn)

LabVIEW具有強大的通信功能，提供多種通信方式，因而基于LabVIEW設計的虛擬系統(tǒng)可以方便地實現(xiàn)遠程訪問。“遠程前面板方式”是其中的一種，又叫瀏覽器方式。用戶使用此種方式無需編程，只需設好網絡通信參數，就可直觀、方便地使用瀏覽器看到遠程服務器上的VI前面板，并且在服務器允許的情況下遠程操控前面板。采用此種方式，用戶不需掌握具體的LabVIEW編程知識，也不需特別設置，只需使用瀏覽器就可方便地實現(xiàn)對遠程VI的訪問，服務器也無需特別的編程，只需簡單設置即可，因此此處，采用遠程前面板方式實現(xiàn)實驗平臺的遠程操作。

3.1 服務器的設置

服務器端的設置主要是完成服務器配置及VI程序的發(fā)布。具體方法如下：

1)配置Web Server。完成對Web Server配置選項、可見VI選項、瀏覽器訪問選項的設置。方法為：打開要發(fā)布VI的前面板，選擇工具菜單/選項，從類別列表中選擇相應選項頁，完成設置。

2)使用“Web發(fā)布工具”發(fā)布VI。選擇菜單“工具/Web發(fā)布工具”，打開發(fā)布頁面，選擇要發(fā)布的VI及查看模式，鍵入生成HTML文檔的標題、頁眉、頁腳等內容，選擇網頁保存目錄及文件名，在瀏覽器中預覽沒有問題后保存至磁盤，完成VI的發(fā)布。

3.2 客戶機端的設置

在完成對服務器端的設置后，客戶機通過簡單設置就可很方便地實現(xiàn)對服務器內存中VI的查看和控制。如果客戶機安裝有LabVIEW，可通過LabVIEW作為客戶端查看和控制遠程前面板。只需新建一個VI，并選擇“操作/連接遠程前機板”，就可打開連接遠程前面板對話框，如圖7所示。通過此對話框可指定服務器的Internet地址、需要查看的VI名稱，勾選“請求控制”選項，則可實現(xiàn)對遠程前面板所有控件的操作控制，如同操作本地VI一樣。如果此時有其它客戶在控制VI，則服務器會把當前客戶的請求放入隊列，直到其它客戶放棄控制或控制超時。

圖7 連接遠程前面板設置

沒有安裝LabVIEW的客戶機需安裝一個免費的LabVIEW Run-Time引擎，然后使用Web瀏覽器，輸入服務器發(fā)布VI時生成的URL，就可看到VI的遠程前面板，通過鼠標右擊前面板任何地方，在彈出快捷菜單中可選擇對遠程VI的控制權，之后，用戶亦可象操作本地VI一樣，設置前面板參數，運行VI，觀察效果。其它用戶則通過瀏覽器可觀看操作效果，原用戶釋放控制權后新用戶可繼續(xù)申請控制權。

3.3 實驗平臺遠程操作效果

在完成服務器和客戶機的配置之后，客戶就可采用瀏覽器方式或“連接至遠程前面板”方式遠程操控實驗平臺。圖8為客戶機

遠程操作實驗平臺效果圖。

圖8 采用瀏覽器遠程訪問實驗平臺主頁面

4 結束語

本文依據高職電子實驗教學要求，采用圖形化編程語言LabVIEW作為開發(fā)工具，構建了一個基于虛擬儀器的遠程電子實驗平臺，為學生提供了一種既經濟又方便的現(xiàn)代化教學手段。該平臺界面友好，性能穩(wěn)定，易于擴展，使用方便；更為重要的是，可以遠程操作和訪問，不僅能滿足遠程教學和遠程實驗對時間和空間的要求，更有利于充分利用教學資源、使某一學科的先進教學方法和實驗儀器得到最廣泛的利用。

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表2 啟動時間對比

4 小結

本章將多粒度存儲器散列運算機制(MMH)應用到了嵌入式處理器的安全啟動的過程中。利用MMH初始化時延低的特點，對不同的外部設備和程序進行初始化操作構建完整樹，從而提高了嵌入式系統(tǒng)的整體啟動速度。

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Development of Electronic Laboratory Platform for Remote High Vocational and Technical Education based on LabVIEW

Sun Chunhui
(Department of electronic engineering,ChangZhou institute of light industry,Changzhou,213164,China)

In this thesis,a virtual electronic laboratory platform for remote use in high vocational and technical education is built with virtual instrument technology，adopted LabVIEW 9.0 as a tool.The paper focused on the overall framework of remote experiment system,development and integration of experiments and the implementation of network communication for the system.the students remotely run the pilot projects by a browser or by means of connecting to remote front panel.With this platform,it is very important to make full use of and share the teaching resources,breaking through the constraints of time and space in traditional experiments.

Virtual Instrument；Remote Experiment；LabVIEW

孫春暉(1975-)，女，江蘇常州，碩士、講師，研究方向：虛擬儀器、智能測試