基于虛擬儀器的遠程實驗臺的改進與實現

汪 鑫, 雷 勇, 涂國強, 張科比, 焦 洋

(四川大學 電氣信息學院，成都 610065)

基于虛擬儀器的遠程實驗臺的改進與實現

汪 鑫, 雷 勇, 涂國強, 張科比, 焦 洋

(四川大學 電氣信息學院，成都 610065)

遠程實驗臺實現了實驗室的資源共享，成為目前高校實驗室建設中的熱點。針對遠程實驗臺應用需求量大而成本較高，結構復雜的特點，提出了一種新型構建方案。該方案主要利用單片機C8051F020代替數據采集卡作為系統的測控核心,通過單機和多機通信相結合的通信方式，可以實現客戶端遠程實時操作多個實驗項目的目標。利用Internet以及LabVIEW實現互聯網通信和平臺交互。最后結合濾波電路、步進電機驅動電路、電平轉換電路等，使用戶可以通過網絡終端遠程采集實驗數據，搭建實驗電路，觀測實驗過程。實驗表明：新的方案不僅大大的降低了成本，也提升了系統性能和穩定性，滿足了目前教學實驗改革的需求。

虛擬儀器； 單片機； 遠程實驗臺； 多機通信

0 引 言

近年來,國內外的高校針對實驗教學資源的匱乏而學生需求不斷增長的現狀，提出了網絡虛擬實驗室的概念，開展了遠程實驗室方面的研究并取得了一定的進展。在國內，已有部分高校初步建立了用于教學和科研的虛擬實驗室。而針對虛擬儀器的遠程控制實驗臺的大多數設計方案是基于數據采集卡來實現數據采集，但由于LabVIEW對數據采集卡的兼容性和穩定性的要求較高，大多數都會采用NI數據采集卡[1-3]。而此類數據采集卡不僅價格昂貴，功能單一，數據采集通道有限，因此必須結合單片機或其他設備進行操作。考慮到本文所涉及的實驗項目較多，實驗操作復雜，測量數據范圍較寬，如果采用數據采集卡進行數據采集，對于批量生產而言對成本的要求非常高。單片機是目前應用非常成熟的高度集成化的芯片，能實現數據采集，串口通信，電路驅動等多種功能。因此使用單片機代替數據采集卡，作為系統控制核心并完成數據采集等功能，再結合自動控制技術，網絡通信技術，視頻監控技術，虛擬儀器技術等，不僅可以降低成本節約經費，也可以完善實驗臺功能簡化結構。

1 遠程實驗臺系統整體結構

本文所設計的遠程實驗臺利用虛擬儀器、單片機、互聯網等平臺，使用戶可通過互聯網終端訪問遠程實驗室，并可自主選擇實驗操作，提交參數設定以及觀察實時反饋的實驗結果。遠程實驗臺整體結構如圖1所示，主要分成客戶端層，服務器層，主機層，從機層。利用Internet網絡用戶可以在客戶層訪問到服務器的數據，服務層作為客戶層與主機層之間通信的橋梁，根據客戶層的要求收集數據并反饋結果。主機層采用多機通信方式控制著從機層中各個從機，實施實驗操作從而獲得測量結果[4-6]。具體實施方案是利用單片機的ADC模塊進行數據采集，通過單片機I/O控制繼電器動作，從而搭建出不同的實驗電路。LabVIEW與單片機通過串口連接，通過可視化的圖形界面進行虛擬操作，而不同操作對應不同指令，由此實現遠程實驗操作。且此系統正在專利申請中。

圖1 遠程實驗臺整體結構

實驗項目包括元件伏安特性實驗、戴維寧定理、疊加定理、日光燈及功率因數提高、三相交流電路、三相異步電動機及繼電接觸器控制等基本電路實驗。 針對不同的實驗項目，電路設計有所不同，但基本都由五大模塊組成，分別是數據檢測模塊，通信模塊，控制模塊，監視模塊，交互模塊。模塊化的設計使實驗臺具有可擴展性強，操作方便的特點[7]。

2 系統硬件結構

系統的硬件結構框圖如圖2所示。主控芯片選擇的是來自Silicon Laboratories公司的C8051F020,是一款完全集成的混合信號系統級MCU芯片。具有高速CIP-51內核，多通道帶PGA的12位ADC，多類型串行接口等主要特性，完全符合實驗項目的功能和精度要求。單片機C8051F020作為控制核心主要應用于通信、數據采集、控制等模塊。通過主機的雙串口將服務器與從機中的各個實驗項目相連，服務器又通過互聯網與遠程客戶端相連，這樣的結構實現了遠程控制，并保證了實驗過程的實時性和實驗數據的有效性。

圖2 系統硬件結構框圖

2.1 通信模塊

UART串行總線通信是一種廣泛應用于遠距離，低頻率，低成本的串行傳輸接口。常用的接口標準包括RS232、RS485、RS422等。采用RS232接口標準在實際應用過程中受到的干擾較大，不利于數據傳輸，而RS485采用差分方式可以使傳輸更為穩定有效。由于實驗臺通信結構復雜，控制項目眾多，故主要采用RS485接口標準并結合多機通信方式進行通信[8]。實驗臺通信過程包括服務器與主機通信，主機與從機通信。服務器與主機采用串行通信方式，并利用芯片MAX3232進行電平轉換，主機與從機以及從機之間的通信主要利用MAX485將單片機的RS232接口轉換成RS485接口。如此，一個主機可以同時訪問多個從機，使通信更加靈活[9-10]。C8051F020共有兩個UART(UART0和UART1),它們的功能用法完全相同，因此以UART0為例，UART0是一個具有幀錯誤檢測和地址識別硬件的增強型串行口，并支持多處理器通信。由于MAX485工作在半雙工方式，而UART工作在全雙工形式，故與單片機的UART相連的時候需用單片機的一個引腳P71來控制數據傳送方向[11]。

2.2 控制模塊

遠程控制實驗臺涉及到的控制電路較多，主要有繼電器控制電路切換，步進電動機帶動滑動變阻器。

2.2.1 繼電器控制電路切換

繼電器是具有隔離功能的自動開關元件，可以實現控制電路和實驗電路的電氣隔離，從而降低干擾。同時C8051F020的P0～P3端口(共32個I/O引腳)都可以按位尋址，那么利用單片機的I/O引腳以及相應的驅動電路最多可以控制32個繼電器開關。 繼電器驅動電路由兩個電平轉換器ULN2803和一個鎖存器74HC573組成，主要為了增強I/O接口驅動能力并提高輸出電壓以便于控制繼電器的開關。

2.2.2 步進電動機帶動滑動變阻器

實驗項目需要遠程改變負載的阻值。要實現此功能可以采用數字電位器，但由于數字電位器的工作電流最多只能達到幾mA，而實際電路的工作電流可能達到幾百mA，所以決定采用傳統的機械電位器，即將步進電動機和滑動變阻器的轉軸連接在一起，通過單片機的I/O發出指定數量的方波信號以及輸出電平高低來控制步進電動機轉動角度和方向從而改變電阻值。

2.3 數據采集模塊

數據采集模塊主要由數據預處理部分以及單片機內部ADC組成。C8051F020內置的ADC0子系統包括一個12位分辨率、10萬次/s、8通道的逐次逼近寄存器型ADC,一個可編程增益放大器(PGA0)和一個9通道的可編程模擬多路選擇器(AMUX0)。PGA對信號的放大倍數由軟件編程決定，根據不同實驗項目的需求可以將增益設定為0.5、1、2、4、8或16。ADC0的基準電壓采用外部電壓源，從而達到可測的電壓范圍0～3.0 V。數據預處理部分主要由高精度的運算放大器，變壓器，電流互感器等器件組成。直流實驗主要采用差動比例放大電路和濾波電路采集數據，而在測量交流實驗數據時(如日光燈實驗，三相電動機)需要利用變壓器和互感器起到降壓變流和電氣隔離的作用，使之達到ADC有效測量范圍。在實際操作中，數據采集精度可以達到1 mV，完全符合實驗項目要求。

3 系統軟件設計

3.1 單片機程序編寫

單片機程序主要分成主機程序和從機程序。主機主要實現的功能是搭建服務器與從機之間數據交換的橋梁。而從機程序不僅僅需要識別主機發出的指令，更要將數據采集的結果反饋給主機，同時根據需要實現電路切換，數碼管顯示等功能。單片機程序主要由三大模塊構成，初始化模塊包括時鐘設置，端口設置，以及外設的初始化設置等。功能性模塊包括串口通信，AD及DA轉換，步進電動機驅動，數碼管顯示，指示燈顯示等。附加模塊包括延時模塊，數制轉換模塊等。以串口通信和AD轉換程序為例介紹。

3.1.1 基于UART的多機通信

遠程控制實驗臺的數據交換主要分為4層結構，分別為遠程客戶端，服務器，一個主機，多個從機。遠程客戶端通過網絡發出控制指令，服務器接收命令之后，呼叫從機響應，從機判斷是否被呼叫，一旦呼叫成功指定從機返回確認收到，從而由多機通信轉變成單機通信。

C8051F020的UART提供4種工作方式，在多機通信中，通常選擇方式3，通過第9位數據位和單片機串口地址識別硬件支持一個主機與多個從機之間的多機通信。通過串口遠程控制多個實驗項目，并完成多項實驗操作步驟，因此需要對每一個實驗從機進行地址編碼，也要對操作步驟編碼，便于主機識別。同時，不同的實驗項目采集的數據長度不一致，那么在數據兩端需要設定開始標志和結束標志[12]。最終形成的通信協議以及通信過程如圖3所示。

圖3 通信過程

3.1.2 12位數據采集模塊ADC

ADC0的最高轉換速度為10萬次/s，啟動轉換方式共4種，為了實現定時的連續轉換選擇方式4，即定時器的溢出啟動轉換。AD數據處理程序采用中斷方式可以減少CPU的負擔，在中斷程序中將轉換的數據進行濾波處理并存儲在指定數組中。只要中斷開啟，數組中的數據就可以不斷刷新，從而實現實時數據采集。

3.2 LabVIEW程序編寫

LabVIEW的主要有兩方面的功能。①利用串口通信實現服務器與主機之間的數據交換，并對采集的數據進行截取、轉換、判斷、顯示、存儲，生成報告等。②利用LabVIEW的Web發布工具實現遠程網頁訪問，并使用基于TCP/IP的數據傳輸協議DSTP的DataSocket技術實現網絡通信[13-15]。由此，用戶不僅僅可以在遠程客戶端的網頁瀏覽器實現與主機的通信，也可以實時控制電路獲得數據，給用戶呈現實際操作電路的的真實感。

為了避免控制命令的發送和使用錯誤，將控制參數的指令和數據捆綁在一起，即在服務器收到數據時通過預先設定的規則對數據進行截取，避免通信過程中出現不可預知的錯誤[16]。

4 實驗效果

遠程實驗臺一共設計了6個電路實驗項目，改進之后的實驗臺外觀更加簡潔直觀。圖4為部分電路實驗操作界面，包括一階RC電路、疊加原理、三相異步電動機及繼電接觸控制、三相交流電路。

本文以實驗1為例展示項目改進之后的效果。實驗1包括電阻伏安特性曲線測量、二極管正反向特性曲線測量、電壓源伏安特性曲線測量3個實驗內容。首先使用賬號登錄系統，進入實驗界面如圖5所示，選擇元件伏安特性實驗。用戶可以自主選擇界面上的按鈕操作。首先點擊‘開始實驗’，在‘程控電源輸出調節’輸入電壓值，然后點擊‘改變參數’，即可在LabVIEW界面上就可以看到實際測得的電流和電壓值。圖6為實驗的實物界面圖，同時從實際電路中可以看到開啟實驗后對應電路的指示燈亮起，實際測量實驗臺數據與界面顯示數據完全一致，用戶完成實驗數據的測量之后即可點擊生成excel表格并保存。完成實驗之后點擊結束實驗即可進行下一步操作。可以觀察到改進之后的系統在用戶體驗上不會受到任何影響，實驗數據測量的精度也滿足基本要求，并且保證了實驗能夠穩定有效地進行。

圖5 元件伏安特性實驗labview界面

5 結 語

以虛擬儀器和因特網為基礎建立的遠程虛擬實驗臺實現了校內儀器設備及實驗教學的共享，開放式課程和開放式實驗相結合為用戶提供更好的學習平臺。為了改善虛擬實驗臺目前發展現狀，提出了一種成本低，可擴展性強的改進方案，即在LabVIEW和Internet的物理基礎上，利用高度集成的單片機代替昂貴的數據采集卡，將數據采集、繼電器控制、多機通信等功能結合成一體，有效節省了成本，也提高了系統穩定性。用戶僅用聯網終端即可訪問遠程虛擬實驗室，并可自主選擇實驗操作，提交參數設定及實時觀察反饋實驗結果。通過實驗證明改進之后的系統在通信和測控等方面都能達到實驗要求。同時可通過此平臺采集實驗教學過程中的各項數據指標，依據對數據處理分析從而改進和完善實驗教學考核方法、內容及標準。

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The Improvement and Implementation of Remote Experimental Platform Based on LabVIEW

WANG Xin, LEI Yong, TU Guoqiang, ZHANG Kebi, JIAO Yang

(School of Electrical Engineering and Information， Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Remote experimental platform implements the resource sharing of laboratory, and becomes the focus of research in the laboratory construction of colleges and universities. The remote experimental platform has great application demands, but high cost and complex structure. A new system construction program is proposed in the paper, it is highly scalable, easy to operate. Single chip microcontroller (SCM) C8051F020 (DAQ) is used to substitute the data acquisition card, and served as detection and control core of the system. Based on SCM communication of single-computer communication and multi-computer is realized, and various experimental projects of client goals are completed by remote real-time operation. It can achieve communications and interaction online by the Internet and LabVIEW. Then combining with the filter circuit, stepper motor drive circuit, level conversion circuit, etc., users can collect remotely experiment data through any network terminal, set up the circuit, and observe the experiment process. Finally, experiments show that the new scheme not only greatly reduces the cost, but also improves the system performance and stability, it can meet the demands of the reform in experiment teaching at present.

virtual instrument; single chip microcomputer; remote experimental platform; multi-computer communication;

2016-11-15

四川大學新世紀教改工程項目(五期)(2011010811)

汪 鑫(1993-)，女，重慶人，碩士生，主要從事虛擬儀器實驗、信號檢測等方面的研究。

Tel.：18200280053;E-mail: 458657109@qq.com

雷 勇(1966-)，男，四川內江人，教授，主要從事電工理論與新技術、智能測試及控制、機器人等方面的教學與研究。

E-mail: yong.lei@163.com

TP 391.9

A

1006-7167(2017)08-0125-04