基于虛擬儀器的檢測技術實驗系統設計

曾貴苓　王蘋　段爭光

摘要：結合實際教學過程和實訓條件，提出將虛擬儀器應用于檢測技術教學實驗，提出了虛擬儀器在檢測技術教學中的實施方案，并分別對系統涉及到的各個子模塊方案進行探討，簡要列舉了實驗系統基于LabVIEW軟件的實施過程，設計了實驗管理系統，完成了系統的組網與遠程發布。

關鍵詞：虛擬儀器;LabVIEW;教學實驗;二次開發

中圖分類號：TP273+.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0136-03

0 引言

傳統的實驗方式給實驗者以真實的操作體驗，但是這種單一的方式已不能滿足日益更新的教學要求。而虛擬儀器[1]具有很多突出的優點，比如：開發容易、靈活高效、功能強大易擴展、可操作性好等，是一款性價比非常高的新型設備，有著廣闊的應用前景。但目前從國內外現有的虛擬實驗系統[2-3]來看，技術手段先進模塊固化但成本高，對側重教學且經費短缺的普通職業院校來說專業性過強，不具有普遍適用性。本文針對檢測技術類常規教學環節中的實訓，進行了虛擬實驗系的設計，系統還增加了實驗管理模塊和聯網遠程發布模塊，提高實訓管理的效率和共享的便捷。構建虛擬儀器實驗室，利用軟件實現了實驗設備的二次開發[4]，大大挖掘了實驗設備的潛能，充分調動利用實驗資源，大大解決了當今實驗面臨的各種重大難題。

1 實驗系統的功能設計

整個實驗系統在功能上劃分為4個模塊[5]（如圖1所示）：一是仿真信號實驗模塊，二是真實信號實驗模塊，三是實驗管理模塊;四是聯網及遠程發布模塊。

2 實驗系統的組成

實驗系統由系統服務器、各類實驗儀器平臺、數據采集卡和遠程實驗客戶端組成[6]。系統服務器負責數據的存儲、實驗資源的管理、共享以及控制等功能，是系統的核心;實驗平臺主機和各類實驗儀器平臺以及數據采集卡組成實際信號實驗操作平臺;遠程實驗客戶端安裝LabVIEW[7]軟件系統，聯網使用系統資源，單機可以開展仿真信號實驗，也可以遠程控制、讀取“實際信號實驗平臺”，開展遠程實際信號實驗。系統通過局域網、城域網、互聯網等方式進行聯網。

3 實驗系統子模塊方案

3.1 仿真信號實驗系統設計

仿真信號實驗系統主要內容是由一個信號發生模塊生成仿真信號，來實現信號描述及分析技術方面的8個典型實驗平臺功能。其系統架構如圖2所示。實驗系統的框圖程序以典型的“生產者/消費者結構”[8-9]為基礎，在“生產者”部分添加仿真信號的產生、分析以及處理等VI，在“消費者”部分添加數據的記錄、存儲和顯示等VI。使用這樣的方式便于模塊化開發，也有利于提高系統運行效率。

3.2 真實信號實驗系統設計

真實信號實驗系統，根據教學實驗的內容，其流程架構與仿真信號實驗系統基本類似，其軟件程序框圖不再詳細敘述。

4 實驗管理系統

4.1 實驗管理系統設計

在教學工作中，實驗室的管理和實驗的管理是一項十分重要的工作，特別是對實驗的管理顯得尤為重要，廣大教師耗費大量時間精力，來進行實驗的環境的搭建、實驗跟蹤指導、審閱實驗報告、統計學生實驗成績等等，學生在實驗過程中也要花費相當時間來登記實驗數據、繪制相關曲線圖、填寫實驗報告。因此本文重點設計了的實驗管理功能，如圖3所示。

實驗管理系統系統具有實驗指導功能、實驗報告功能、實驗管理功能及資源管理功能，對實驗中等各類資源進行信息化管理，并確保實驗數據資料的安全管控。

4.2 系統數據庫構設方案

前述4個子系統特別是管理子系統的正常運行，需要頻繁的存儲和訪問大量的數據。在虛擬儀器系統的開發過程中，一般的做法是利用LabVIEW本身提供的數據存儲功能。然而，LabVIEW本身提供的存儲方法雖然不少，但其存儲容量比較有限，高職院校在校學生都在幾千以上，實驗系統會生成大量的數據，這時就需要用到專業的數據庫來進行數據的管理，這也是基于模塊化設計的思想。利用LabSQL[10]，這是一款第三方開發數據庫工具包，是免費的。也是一種基于ADO（ActiveX Data Object）技術的數據庫訪問方式，通過已經封裝好的子Vl就可以方便的訪問數據庫，使用起來非常方便，效率也比較高。

5 聯網與遠程發布

5.1 網絡通信功能設計

LabVIEW軟件在網絡通信[10]方面，提供了十分豐富的網絡通信組件，它集成了TCP、UDP等各種常用的以及特殊的通信協議。本文主要采用TCP和DataSocket兩種技術。

（1）TCP通信。TCP協議通信一般采用Server（服務器）/Client（客戶機）的模式。圖4、圖5就是采用該模式進行通信的。其工作流程是，數據客戶端先打開TCP連接，從指定的地址進行數據讀取操作;數據服務器端也打開TCP連接，并通過指定的端口（Port）向指定的地址發送指定的波形數據。

（2）DataSocket通信。DataSocket是LabVIEW專門提供的一種通信技術，為測量與控制提供通信支撐。DataSocket技術提供的工具包括：DataSocket Server、DataSocket ServerManager以及DataSocket函數庫等，為了進一步規范數據傳輸操作、統一操作流程，還提供了如下技術規范：以DSTP開頭的，統一資源的定位符URL（DSTP）以及文件格式。如圖6所示。

5.2 遠程網絡發布

LabVIEW提供了一個已經部署好的網頁服務器（即通常稱的WEB服務器，Web Server），且已連接好。該網頁服務器除了與常見的普通網頁服務器一樣可以發布WebPage（網頁文檔）外，一項特殊的功能就是可以方便地發布VI程序的前面板。客戶端即使沒有安裝LabVIEW軟件或者LabVIEW運行環境，也沒有連接任何的儀器設備，但是通過網絡連接運行VI的主機上的WEB服務器，可以遠程動態地加載和運行遠程實驗服務器主機上的VI程序[11]。

6 結語

將虛擬儀器引入實驗教學系統解決了實訓設備短缺，維護困難等基本問題，同時可對現有設備進行二次開發，能實現設備功能的擴展、設備資源的共享等諸多優勢。本文提出的實驗管理系統，解決了傳統管理的落后問題，在技術和流程上確保了實驗報告數據的準確性、提交的及時性和管理的信息化，并完成了系統的組網與遠程發布，無疑是對教學實訓管理的一次革命。據文獻表明目前在中等初等教育的實驗系統中關于虛擬儀器的研究寥寥無幾，本研究可進一步開發延伸到該領域。

參考文獻

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[3] 吳玉峰，范洪輝.理工科高校電子設計與工程應用創新實踐基地建設[J].實驗技術與管理，2018，35（04）：223-226.

[4] 范珩.基于LabVIEW語言的模擬調制系統的設計[J].吉林工程技術師范學院學報，2018（12）：85-87.

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[9] 田彬.試析基于LabSQL的LabVIEW數據庫訪問技術[J].電子科學技術，2017，04（02）：42-44+68.

[10] 張民.遠程虛擬實驗平臺及LabVIEW實驗研究[D].太原理工大學，2010.

[11] 王雅楠.遠程網絡虛擬電子實驗平臺的設計與實現[D].西北師范大學，2013.

Design of detection technology based on virtual instrument

ZENG Gui-ling，WANG Ping，DUAN Zheng-guang

（Department of Electrical Engineering，Wuhu Institute of Technology，Anhui Wuhu? 241006）

Abstract：Combined with the actual teaching process and the actual training conditions， this paper puts forward the application of virtual instrument to the teaching experiment of detection technology， puts forward the implementation plan of virtual instrument in the teaching of detection technology， and probes into each sub-module scheme involved in the system. This paper briefly lists the implementation process of the experimental system based on LabVIEW software， designs the experimental management system， and completes the system network and remote distribution.

Key words：virtual instrument;LabVIEW;experimental teaching;remote publishing