基于LabVIEW 的遠程實驗平臺設計

高艷紅

（臨沂市理工學校 山東 臨沂 277700）

0 引言

大學物理作為一門具有深遠影響的電子類專業(yè)的核心課程，不僅要求學生具有扎實的理論基礎，也要求其掌握熟練的操作技能，即可以通過大學物理實驗，提高大學物理課程的實際應用價值。 然而，由于其復雜的特點，許多學生無法輕松掌握。 因此，有必要采取有效的實驗措施［1］，如設計合適的模型，配備精密的數控設備，開展多種模擬測試等，來提高學生的科研水平，并增加其應變能力。隨著學生數量的日益增加，各大院校對實驗室場地和設備的需求也在不斷增加。 學生往往沒有足夠多的場地和設備進行實驗操作，導致其對知識的理解較慢。 除此之外，如今各大高校的實驗設備大多比較老舊，更新速度慢。 許多設備的功能比較單一，所能承擔的實驗范圍比較窄。 要提高學校的教育質量，培養(yǎng)學生的實踐能力，學校必須投入大量資金引入先進設備，但是面對高昂的成本費用和維修費用，許多高校都望而卻步。 為應對這一挑戰(zhàn)，本文基于實驗虛擬儀器工程平臺（laboratory virtual instrument engineering workbench， LabVIEW）構建了一套虛擬自動化物理實驗系統，學生可以通過操作該系統實現隨時隨地的實驗操作，強化其對所學知識的理解與實踐能力。 該設計方案可有效利用現有資源，解決了實驗器材單一，實驗裝置和場地受限等問題，大大增加了學生的學習積極性［2－3］。

1 系統框架設計

為了解決傳統設計方案中的問題與不足，本文設計了一種新方案。 該虛擬實驗平臺的核心控制模塊為現場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array， FPGA），實現實驗板的切換，可以同時實現多達6 項實驗，有效地擴展了實驗系統，使其可以同時供給多個學生使用。 該系統還嵌入了單片機遠程下載實驗平臺，學生可以利用提前編寫好的程序代碼，運用遠程手段將其燒錄并存儲在單片機上，然后控制其進行相應的操作，完成實驗，實現了實驗板的擴展，滿足自身需求，大大地增加了實驗內容。 同時，服務器端使用模塊化面向對象的動態(tài)學習環(huán)境（modular object-oriented dynamic learning environment，MOODLE）進行實驗預習課程的開發(fā)，以給用戶創(chuàng)造一個良好的線上交流的學習環(huán)境。 所設計的實驗平臺的系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

它主要由以下3 個部分構成：

（1）遠程實驗平臺。 首先，需要使用MOODLE 建立一個供學生查找相關學習資料的網站，按照不同類型的實驗進行分組，并對實驗進行解釋說明以及提供教學視頻。 其次，使用基于MIT 的iLab 構架的服務器系統，以此實現遠程實驗的接入、實驗系統的預約、實驗流程的管理、學生用戶的注冊等服務。

（2）基于FPGA 的可切換實驗接口板的實驗平臺。 根據ELVIS 實驗臺的引腳擴展出原型板，代替ELVIS 原有的原型板。 利用LabVIEW 進行串口通信并傳遞切換地址。 FPGA 根據切換地址利用模擬開關技術和MOS 管開關技術進行接口板的切換。

（3）基于AVR 單片機的遠程下載實驗平臺。 利用IAP 技術對AVR 單片機BOOT 區(qū)進行編程，實現在應用編程，進而實現用戶編寫程序自動更新的功能。

2 遠程實驗平臺系統的實現

2.1 信號采集模塊

（1）數字信號

DAQmx 可以創(chuàng)建一個或多個虛擬通道視覺識別（visual identity， VI）設計，以便與采集卡的物理通道相結合，從而實現通道的構建，并且可以將這些虛擬通道添加到采集或輸出任務中，以提高系統的效率和性能。 在時鐘配置階段，本設計利用DAQmx 定時VI 來完成操作，實現VI 的任務／通道輸入和虛擬輸出通道之間的對接。 此外，設計使用采樣時鐘來實現選取任務定時類型。 當不需要外部時鐘時，可以直接將板載時鐘進行相應的設置，令其充當采樣時鐘源；需要采用外部時鐘時，可利用系統的外部接口進行連接，并將時鐘的相關配置信息標注在輸入端口上。 至于采集模式的選擇，它決定了采集任務是采取連續(xù)或固定數目的采樣，而在輸出任務方面則是產生連續(xù)或限定的采樣量，具體的運用取決于實際情況的需求［4］。

（2）模擬信號

無論是模擬信號，還是數字信號，其數據采集流程基本是相同的，只不過在部分程序控制上有所差別。 模擬信號同樣通過DAQmx 構建虛擬通道VI，選取對應的物理通道端口。 由于需要采集的是模擬信號，所以選擇模擬輸入任務。 采集數據之前，通過DAQmx 對虛擬通道VI 進行設置，設置其觸發(fā)條件為數字邊沿觸發(fā)式，設置其觸發(fā)源為數字觸發(fā)源。 最后，點擊開始任務，進行數據采樣運行。數據采樣結束后，設置DAQmx 選擇為數字波形1 通道N，讀取采樣到的模擬信號。

2.2 信號輸出模塊

實際上，信號輸出模塊由數據采集卡產生并經過電腦計算后傳遞出去，通常會發(fā)送至外部硬件裝置進行檢測或進一步處理。 如果沒有任何外部硬件裝置存在，則可以通過數據采集卡來生成信號，以便于在實驗過程中對真實信號進行操作與解析。

在構造過程中，利用DAQmx 來構造一個虛擬的VI。它可以根據需要提供不同的輸出電壓，包括最大值、最小值以及差分模式或偽差分模式，以便在不同的情況下進行輸入或輸出。 在時間調整過程中，通過DAQmx 的時間VI來確保系統的穩(wěn)定性。 根據系統的需求，調整時間的種類，并將其調整成連續(xù)時間。 因為在處理復雜的系統時，需要保證系統的穩(wěn)定性。 在進行系統調整時，需要考慮時鐘源、采樣率以及采樣數等多種因素，以確保系統的性能。在寫入過程中，可以利用DAQmx 將VI 轉換為模擬N 采樣模式，以便獲取最終的信號波形。 在開始輸出階段，本設計主要通過DAQmx 來啟動VI 的輸出任務，然后在此基礎上運行一個while 循環(huán)，保證任務的連續(xù)工作狀態(tài)，實現信號的穩(wěn)定輸出。

相比于模擬信號輸出而言，數字信號輸出主要在通道建立和寫入數據環(huán)節(jié)產生了差異。 當建立了虛擬通道后選擇數字輸出任務，將數字傳輸線的端口號和端口范圍以字符串的形式，通過數字單通道采樣寫入輸入控件中。

2.3 實驗保存模塊

虛擬平臺產生的數據中，需要保存的主要有實驗波形圖、實驗參數和相關數據等方面內容。

對于保存實驗波形圖而言，主要利用選擇、獲取顯示控件調用節(jié)點來實現。 首先，點擊彈出來的保存對話框；然后，選擇合適的存儲路徑并為文件進行命名，點擊確認后即可將相應的實驗波形保存。 該模塊的內部設計為：通過設計一個布爾按鍵，以按鍵鍵值為觸發(fā)條件，指定按鍵的鍵值對應不同的事件結構，并結合對話框Express VI 來顯示不同鍵值對應的觸發(fā)事件運行狀態(tài)，以滿足設計要求。 本設計的圖像數據通過波形圖控件來獲取，程序文件可以存放在不同的文件夾里，最后再合并到同一路徑下即可，并可將這一路徑設置為初始路徑，保存時選擇文件形式為位圖圖像（bitmap， BMP）文件VI，便可將實驗結果存儲為BMP 格式。

對于文本類數據的保存，本系統支持將各種數據、參數轉換成Word 文檔進行保存，并設計了Word 文檔模板，具體內容包括相關的實驗原理、目的和操作步驟、實驗現場圖等，從而形成了一份實驗報告。 該系統的功能主要依靠LabVIEW 軟件中的VI 選板子程序來實現。 具體保存步驟為：首先，定義保存報表類型。 點擊選擇Word 文本形式，在VI 中輸入相應的報表信息，主要包括數值顯示、圖像顯示、文本輸入等相關控件，生成相關的報表、表格、列表、前面板圖像。 然后，將實驗的主要內容、相關數據和參數、實驗結果等內容輸入到Word 文檔中，利用VI 進行保存和處置報表，最后將Word 文檔存儲在相應的文件夾中。

3 Web 發(fā)布設置和測試

本文設計的虛擬實驗平臺的遠程開發(fā)采用Web 發(fā)布技術進行解決，通過瀏覽器／服務器（browser／server， B／S）進行搭建，用戶可以以此平臺實現遠程訪問。 在使用Web進行遠程發(fā)布前，首先應該對LabVIEW Web 服務器的配置進行選擇，具體步驟為：打開LabVIEW 軟件，點擊菜單欄中的工具一，然后選擇選項一以及Web 服務器，依次進行Web 服務本地調試、遠程控制服務的開啟、根目錄、超文本傳輸協議端口、保存文件、可見VI、瀏覽器訪問等部分的設置，最終開啟Web 服務器［5］。

本設計可以對VI 的發(fā)布進行設置，以超文本標記語言（hypertext markup language， HTML）網頁形式通過瀏覽器訪問。 在菜單欄中，選擇工具→Web 發(fā)布工具。 它提供3 種不同的功能：第一種是查看VI 名稱，它可以在瀏覽器內嵌VI 前面板，客戶端可以遠程查看并控制它；第二種是快照模式，它可以顯示前面板的靜態(tài)圖像；第三種是顯示器模式，它可以持續(xù)刷新前面板的圖像。 為了能夠達到遠程實驗效果，需要選擇此內嵌的查看模式。

完成以上配置操作后，右鍵點擊下一步，進行Web 發(fā)布工具的第二步設置。 在此處可以對系統的標題、頁眉和頁腳進行編輯。 同時，還可以添加實驗內容、注意事項以及操作流程指導等相關信息，以便于用戶能夠全面了解實驗的相關內容，提高實驗效率和正確率。

在設置Web 發(fā)布工具的第三步中，可以對網頁保存的文件夾、文件名進行相應的選擇和更改，保存后會自動生成相應的網絡地址，并存儲在Web 服務器的根目錄中，以便后續(xù)使用。

遠程連接成功后，打開測試系統，首先進入登錄界面，如圖2 所示。 輸入用戶名和密碼，并且選擇相應的身份類型，點擊登錄即可成功進入系統平臺。

圖2 實驗平臺網絡登錄界面

用戶登錄系統成功后，系統將彈出實驗項目選擇界面，如圖3 所示。 用戶根據自身需求點擊相應的實驗項目，并進行相應操作。

圖3 實驗選擇界面

以數字濾波器調用為例，遠程數字濾波器的相應操作界面如圖4 所示。

圖4 遠程數字濾波器實驗操作界面

經過上面測試可以看出，本文設計的虛擬實驗平臺具有良好的遠程發(fā)布功能，相應實驗功能滿足設計要求［6］。

4 結語

本文利用LabVIEW 軟件進行數據開發(fā)與輸出的應用，并根據當前學校實驗課教育背景，研發(fā)了一套智能化的虛擬網絡實驗平臺。 該平臺的研發(fā)可以有效地解決當前國內各高校實驗資源短缺的問題，大大增加了學生學習的效率與興趣。