李趙春，程玉柱

（南京林業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210037）

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及儀器技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器（Virtual Instruments，VI）技術(shù)得到前所未有的迅猛的發(fā)展，鑒于其技術(shù)層面上的多樣性，虛擬儀器技術(shù)也成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外測(cè)試技術(shù)和儀器制造界十分關(guān)注的熱門話題[1－4]。

對(duì)于虛擬儀器測(cè)試實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)，要達(dá)到一定數(shù)量的設(shè)備才能滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，因此要求所有的計(jì)算機(jī)軟硬件、儀器設(shè)備、前端裝置都要購(gòu)置或開(kāi)發(fā)多套[5]。為了節(jié)約成本，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)成為必要手段[6－8]。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)試系統(tǒng)也為遠(yuǎn)程測(cè)試和監(jiān)控提供了方法和技術(shù)途徑。

1 網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器系統(tǒng)通常采用兩種結(jié)構(gòu)模型：客戶機(jī)／服務(wù)器（C／S）模式和瀏覽器／服務(wù)器（B／S）模式。

1.1 C／S模式

C／S模式是網(wǎng)絡(luò)通信中常用的一種模式，通常集散控制系統(tǒng)多采樣這種結(jié)構(gòu)。它一般有多個(gè)客戶端來(lái)采集數(shù)據(jù)，而通常有一個(gè)服務(wù)器充當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)的角色，客戶端通過(guò)通信協(xié)議把測(cè)試數(shù)據(jù)寫入遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。C／S模式需要做兩個(gè)方面的開(kāi)發(fā)，一是服務(wù)器端數(shù)據(jù)采集和處理程序以及遠(yuǎn)程通訊數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴某绦蛟O(shè)計(jì)；二是客戶端數(shù)據(jù)接收程序的設(shè)計(jì)。

1.2 B／S模式

B／S模式是方便用戶在 Web下發(fā)布數(shù)據(jù)。通常用戶端只需安裝一個(gè)瀏覽器，直接訪問(wèn)虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，就可監(jiān)視遠(yuǎn)程測(cè)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化情況。它的主要工作在服務(wù)器端程序開(kāi)發(fā)，不存在客戶端程序的開(kāi)發(fā)和維護(hù)。

鑒于以上兩種模式各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)中采用兩種模式混用的方式，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以達(dá)到最佳的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效果。

2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

作為測(cè)試儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)等資源的共享的平臺(tái)，該教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)該具有如下的一些特點(diǎn)：教師或者學(xué)生可以方便的操作實(shí)驗(yàn)室的各種虛擬儀器設(shè)備，進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)；服務(wù)器和各客戶端可同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，可以互相進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通訊；測(cè)試環(huán)境友好，方便對(duì)被測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)及顯示等等；教師可以根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)各種虛擬儀器；學(xué)生自由選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，制定實(shí)驗(yàn)方案。

2.2 系統(tǒng)硬件配置

在測(cè)試環(huán)境中，各個(gè)獨(dú)立的虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)及虛擬儀器遠(yuǎn)程測(cè)試節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)局域網(wǎng)互聯(lián)，虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)配置相應(yīng)虛擬儀器設(shè)備及測(cè)試主機(jī)，而遠(yuǎn)程測(cè)試節(jié)點(diǎn)僅僅配置測(cè)試主機(jī)，通過(guò)軟件可對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視或測(cè)試，遠(yuǎn)程測(cè)試節(jié)自由接入或退出測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，提高了系統(tǒng)配置的靈活性，同時(shí)也方便了系統(tǒng)的擴(kuò)展，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器測(cè)試教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)中的各虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)是以通用計(jì)算機(jī)為核心，具有虛擬面板，其測(cè)試功能由各節(jié)點(diǎn)測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)的硬件包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊等。綜合考慮各種形式的性價(jià)比和系統(tǒng)的靈活性等因素，選擇PC－DAQ作為虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)的硬件最為合適，測(cè)試節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖2所示。

圖2 虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)組成框圖

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）測(cè)試監(jiān)視主機(jī)軟件模塊

與系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)測(cè)試監(jiān)視主模塊是系統(tǒng)監(jiān)視測(cè)試情況的中樞，連接和控制各虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)模塊，集中監(jiān)視各測(cè)試節(jié)點(diǎn)的測(cè)試狀態(tài)，在必要的情況下，啟動(dòng)測(cè)試節(jié)點(diǎn)投入測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，或者停止測(cè)試節(jié)點(diǎn)以退出測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)視該測(cè)試局域網(wǎng)上所有的虛擬信號(hào)源、虛擬示波器和虛擬萬(wàn)用表等模塊，可以遠(yuǎn)程控制各虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)，給測(cè)試對(duì)象提供激勵(lì)信號(hào)。通過(guò)測(cè)試監(jiān)視主機(jī)，可以將某測(cè)試節(jié)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至多媒體系統(tǒng)，結(jié)合多媒體系統(tǒng)進(jìn)行多媒體教學(xué)。測(cè)試監(jiān)視主機(jī)同時(shí)也可以作為遠(yuǎn)程虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)，其軟件功能模塊組成示意圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試監(jiān)視主機(jī)軟件模塊組成框圖

（2）虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)軟件模塊

虛擬儀器的核心思想是利用計(jì)算機(jī)的硬件和軟件資源，將硬件實(shí)現(xiàn)的功能軟件化（虛擬化），最大限度的降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能，增加系統(tǒng)靈活性。VPP系統(tǒng)聯(lián)盟提出了系統(tǒng)框架、驅(qū)動(dòng)程序、VISA、軟面板、部件知識(shí)庫(kù)等一系列VPP軟件標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了軟件標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。虛擬儀器的軟件框架從底層到頂層包括三部分：VISA庫(kù)、儀器驅(qū)動(dòng)程序、儀器開(kāi)發(fā)軟件（應(yīng)用程序）。

虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)軟件模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)各種模擬量和開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)的采集和處理，網(wǎng)絡(luò)通信模塊承擔(dān)該測(cè)試節(jié)點(diǎn)與測(cè)試監(jiān)視主機(jī)或者遠(yuǎn)程測(cè)試節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸與通信的任務(wù)，每個(gè)虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)模塊內(nèi)部都封裝了對(duì)應(yīng)儀器的控制命令集、數(shù)據(jù)采集命令集、數(shù)據(jù)處理模型以及通信協(xié)議等處理子模塊。虛擬儀器本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)軟件功能模塊組成如圖4所示。

圖4 虛擬儀器本地測(cè)試節(jié)點(diǎn)軟件模塊組成框圖

（3）虛擬儀器遠(yuǎn)程測(cè)試節(jié)點(diǎn)軟件模塊

虛擬儀器遠(yuǎn)程測(cè)試節(jié)點(diǎn)并沒(méi)有配置虛擬儀器設(shè)備，通過(guò)軟件的方法，該節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程控制局域網(wǎng)內(nèi)符合其功能要求的虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)，從而獲得需要的測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 其他關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的重點(diǎn)是軟件設(shè)計(jì)，包括以下兩個(gè)方面：

（1）測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中測(cè)試監(jiān)視節(jié)點(diǎn)、虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)、虛擬儀器遠(yuǎn)程測(cè)試節(jié)點(diǎn)這三種測(cè)試

角色之間的網(wǎng)絡(luò)通信處理模塊的實(shí)現(xiàn)，各測(cè)試節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸形式；

（2）虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，為了節(jié)約整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成本，一般采樣價(jià)格較低的國(guó)產(chǎn)普通板卡，能滿足各種傳感器的測(cè)試要求即可。

在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集卡的驅(qū)動(dòng)，就可以利用軟件對(duì)已獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理和變換顯示最終結(jié)果，從而得到測(cè)試結(jié)果，配合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊，局域網(wǎng)內(nèi)的其他虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)或遠(yuǎn)程虛擬儀器測(cè)試節(jié)點(diǎn)以及測(cè)試監(jiān)視主機(jī)通過(guò)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)便捷地獲取數(shù)據(jù)和其他相關(guān)測(cè)試信息。

4 結(jié) 論

構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器測(cè)試教學(xué)系統(tǒng)，使得電子技術(shù)類相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)配置更靈活，實(shí)驗(yàn)資源得到更大程度的應(yīng)用，便于拓展，節(jié)約資源，

同時(shí)也有利于學(xué)生更感性的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備，更好地理解和學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)中相關(guān)的傳感器的工作原理和特性及電子電路的知識(shí)。有利于綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和創(chuàng)新精神，提高電子實(shí)驗(yàn)課程的效率。

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