基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實驗系統(tǒng)設(shè)計

O 引言
    20世紀80年代末美國成功研制了虛擬儀器，虛擬儀器的發(fā)展標志著自動測試與電子測量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個嶄新方向。虛擬儀器是利用PC機的顯示模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結(jié)果，由PC機的強大軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析、處理，由I／O接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。
    基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程實驗是遠程教育的一個新的發(fā)展方向。遠程實驗從遠程計算機上進行實驗操作和觀察，所得到的實驗結(jié)果與本地得到的完全相同，如同在實驗室真實操作實驗設(shè)備一樣，突破了時空限制，極大地提高了實驗教育的靈活性。將虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，并結(jié)合電路其他元件的遠程控制，可實現(xiàn)基于虛擬儀器的遠程實驗。

1 LabVIEW簡介
    LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是美國NI公司推出的一種基于G語言(graphics language)的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，具有各種功能強大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信、串口控制、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。采用旋鈕、開關(guān)、波形圖等構(gòu)造用戶界面。
    LabVIEW提供了強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，TCP／IP(transmission control protocol／internet protocol)協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議。函數(shù)庫的Communication子模板中提供了TCP節(jié)點，可以實現(xiàn)客戶機／服務(wù)器模式下的雙機通信。

2 遠程實驗系統(tǒng)總體設(shè)計
    本文開發(fā)了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程測量熱敏電阻溫度特性，遠程實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    用戶打開客戶機，運行程序，在虛擬面板上可以設(shè)置鎖相放大器的相位調(diào)節(jié)、積分時間等參數(shù)。同時，通過虛擬面板可以改變加熱按鈕的狀態(tài)，用戶在客戶機的虛擬面板上點擊加熱按鈕，接通加熱電源，控制繼電器閉合，加熱電路開始給熱敏電阻加熱，該狀態(tài)值通過Intern-et和服務(wù)器送往實驗機。實驗機將接收到的加熱控制狀態(tài)通過串口送入單片機，通過單片機調(diào)節(jié)繼電器的狀態(tài)，從而控制熱敏電阻的加熱狀態(tài)。熱敏電阻的溫度由DSl8B20數(shù)字式溫度傳感器測得，送往單片機系統(tǒng)，通過串口將被測熱敏電阻溫度值讀入到實驗機中；音頻輸入電纜采集信號發(fā)生器輸出的參考方波和橋式電路輸出的電壓值，經(jīng)聲卡模／數(shù)轉(zhuǎn)換器送入實驗機。實驗機中的被測信號通過服務(wù)器和Internet反饋給客戶機。用戶通過虛擬鎖相放大器和虛擬溫度計進行觀察和測量，得到熱敏電阻溫度特性曲線。

3 遠程實驗系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    遠程實驗系統(tǒng)采用C／S(client／server)模式，其典型運作過程為：
    (1)服務(wù)器監(jiān)聽相應(yīng)端口的輸入；
    (2)客戶機發(fā)出一個請求；
    (3)服務(wù)器接收到此請求；
    (4)服務(wù)器處理此請求，并把結(jié)果返回給客戶機；
    (5)重復(fù)上述過程，直至完成一次會話過程。
    客戶機與實驗機的通信利用TCP／IP協(xié)議實現(xiàn)。TCP協(xié)議是一個可靠的、基于連接的協(xié)議，能保證網(wǎng)絡(luò)間的可靠傳輸。C／S模式要分別編寫客戶機和實驗機程序，采用TCP協(xié)議可正確傳送控制命令和數(shù)據(jù)。
    鎖相放大器遠程實驗系統(tǒng)需要實現(xiàn)遠程控制繼電器的狀態(tài)，聲卡采集輸入信號和參考信號，串口采集溫度值，并用鎖相放大器測量熱敏電阻輸出電壓，用虛擬溫度計測量熱敏電阻的溫度。在LabVIEW環(huán)境下分別編寫客戶機和實驗機程序，實現(xiàn)測量熱敏電阻溫度特性曲線遠程實驗。
3．1 客戶機程序
3．1．1 客戶機程序的用戶界面
    客戶機程序的用戶界面如圖2所示，集成了鎖相放大器的全部功能以及虛擬溫度計，波形圖實時顯示了鎖相放大器工作過程中各個中間過程的波形。熱敏電阻的溫度值也實時顯示在虛擬溫度計上。

    用戶點擊加熱按鈕，接通加熱電源，其狀態(tài)值經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)送往實驗機，從而改變實驗室內(nèi)測溫電路的繼電器狀態(tài)，加熱電路開始對熱敏電阻進行加熱。實驗電路中橋式電路的輸出信號和熱敏電阻的溫度值，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)反饋給客戶機，用戶通過虛擬儀器面板觀察各個點波形的顯示，同時讀取溫度值，完成熱敏電阻溫度特性測量。
    服務(wù)器一欄設(shè)置為實驗室內(nèi)服務(wù)器的IP地址，剩余時間一欄顯示用戶可用的時間。本實驗控制真實的實驗元件，每次只能有一位用戶操作。規(guī)定每位用戶的實驗時間為30 min。30 min后，此客戶機與實驗機的連接自動斷開。
3．1．2 客戶機軟件框圖程序
    軟件框圖程序如圖3所示。程序分別設(shè)置了3個While循環(huán)結(jié)構(gòu)，分別完成讀取溫度值、讀取電壓值以及發(fā)送控制繼電器狀態(tài)的功能。循環(huán)中止的條件為下列三者之一：用戶點擊了“退出”按鈕；用戶連接時間超過了30 min；實驗過程中TCP連接出錯，如實驗機程序先行中止，或系統(tǒng)錯誤引起連接中止。

    客戶端程序的軟件部分采用3個獨立的While循環(huán)，每個端口分別設(shè)置了獨立的服務(wù)器端口，依次是2322，2323和2324。
    (1)讀取反饋的實驗數(shù)據(jù)。對于數(shù)據(jù)接收，用2個TCP Read節(jié)點讀取實驗機發(fā)送的聲卡采集的數(shù)據(jù)長度和字符串數(shù)據(jù)。
    2322端口接收串口讀取的溫度值，因為溫度值采集時已經(jīng)轉(zhuǎn)換為4位BCD碼表示的十進制數(shù)，因此接收時讀取的字長設(shè)置為4，讀取的溫度值送入虛擬溫度計并實時顯示出來。
    2323端口對應(yīng)接收聲卡讀取的電壓值，因為是左、右聲道各采集一路信號，因此設(shè)置了2個Sequence結(jié)構(gòu)，其中Sequence0接收左聲道讀取的橋式電路輸出信號，送入鎖相放大器的信號輸入端；Sequence1接收右聲道讀取參考方波，送入鎖相放大器的參考信號輸入端。同時將讀取的波形實時顯示在用戶界面上。
    (2)發(fā)送繼電器控制信號。2324端口發(fā)送加熱控制電路的繼電器狀態(tài)值，用戶可以在虛擬面板生改變加熱按鈕的狀態(tài)，并通過服務(wù)器反饋回實驗機，從而控制加熱電路中繼電器的狀態(tài)。加熱按鈕其處于不同的位置時，向網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)送不同的命令字。將命令字放在一個CASE結(jié)構(gòu)中，這樣便于實現(xiàn)用戶將加熱按鈕置于不同的位置時，發(fā)送不同的命令字。為有效傳送數(shù)據(jù)，采用2個TCP Write節(jié)點，第1個節(jié)點發(fā)送字符長
度，第2個節(jié)點發(fā)送字符數(shù)據(jù)。
3．2 端口映射
    服務(wù)器平臺上安裝Linux操作系統(tǒng)。利用其IPtables防火墻技術(shù)進行端口映射，使得互聯(lián)網(wǎng)上的計算機可以通過訪問服務(wù)器，間接訪問實驗機，進行遠程實驗。端口號的選擇要避開系統(tǒng)保留端口，即O～1023。假設(shè)實驗機程序的監(jiān)聽端口為2322。在IPtahies中，將服務(wù)器的2322端口映射到實驗機。外界計算機訪問服務(wù)器的2322端口時，若實驗機程序正在2322端口監(jiān)聽，與客戶機的TCP連接就會建立，客戶機與實驗機通信，傳送控制命令與實驗數(shù)據(jù)。
3．3 實驗機程序
3．3．1 實驗機程序的用戶界面
    實驗機程序的用戶界面如圖4所示。波形顯示圖實時監(jiān)測聲卡采集的信號；日志文件用于記錄與實驗機建立連接的客戶數(shù)目、客戶地址和連接時間。Inputformat設(shè)置了聲卡采樣的數(shù)字聲音格式；數(shù)據(jù)采集為立體聲格式，樣本位數(shù)為16 b；為了防止數(shù)據(jù)溢出，遠程數(shù)據(jù)傳送時A ／D轉(zhuǎn)換率采用11 025 Hz。Constant為聲卡采集數(shù)據(jù)的縮小倍數(shù)。溫度顯示為串口采集到的熱敏電阻的溫度。

    實驗機程序?qū)崿F(xiàn)如下功能：
    實驗機接收用戶發(fā)送來的加熱信號，通過串口送往單片機系統(tǒng)，由單片機根據(jù)預(yù)先設(shè)置的指令驅(qū)動繼電器，從而控制熱敏電阻的加熱狀態(tài)。熱敏電阻的溫度值由串口采集，送入實驗機；音頻輸入電纜左聲道采集熱敏電阻阻值改變后橋式電路的輸出電壓，右聲道采集信號發(fā)生器輸出的參考方波，通過聲卡送入實驗機。實驗機將采集到的所有信號經(jīng)由服務(wù)器和Internet反饋給客戶。
3．3．2 實驗機軟件框圖程序
    實驗機框圖程序如圖5所示。實驗機程序的軟件部分整體采用一個While循環(huán)，其l中又包含2個While循環(huán)。其中一個While循環(huán)中設(shè)置了一個順序結(jié)構(gòu)，Sequence 0中包含了2322監(jiān)聽端口，用于監(jiān)聽串口讀取溫度值；Sequence 1中包含了2323端口，用于監(jiān)聽聲卡讀取電壓值。
另外一個While循環(huán)中包含了一個2324監(jiān)聽端口，用于接收客戶機發(fā)送來的當前繼電器狀態(tài)值。當接收到閉合繼電器控制指令時，發(fā)送“30 H”到單片機，控制繼電器閉合；當接收到斷開繼電器控制指令時；發(fā)送“31H”到單片機，控制繼電器斷開。單片機與實驗機通過串行口通信，接收計算機發(fā)送的控制指令。

    (1)實驗機與單片機的串行通信。實驗機與單片機的通信利用LabVIEW中的VISA庫(virtua|instrument software architecture)實現(xiàn)。V-ISA作為新一代程控儀器I／O軟件規(guī)范，在接口無關(guān)性、平臺獨立性、可擴展性和功能上都有很大提高。本文單片機帶有RS 232接口，計算機通過串口與之通信。單片機通過串口與實驗機相連，VISA Configure Serial Port節(jié)點中VISA Resouce Name設(shè)為ASRL4：INSTR。參數(shù)與單片機的設(shè)置一致：傳輸速率4 800 b／s，起始位1位，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無校驗位。
    (2)聲卡采集電路信號。用SI Read節(jié)點讀取聲卡采集的電路信號，Stereo 16 b端口顯示讀取的數(shù)據(jù)。Index Array函數(shù)分別提取0列(左聲道)和1列(右聲道)的信號，縮小一定倍數(shù)后，經(jīng)Type Cast函數(shù)轉(zhuǎn)為字符串數(shù)據(jù)：Sequence 0發(fā)送音頻電纜左聲道采集的數(shù)據(jù)，即熱敏電阻兩端的電壓；Sequence 1發(fā)送音頻電纜右聲道采集的數(shù)據(jù)，即信號發(fā)生器輸出的參考方波。信號波形同時顯示在前面板波形顯示器中顯示。

4 結(jié)語
    本文開發(fā)了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實驗系統(tǒng)。用LabVIEW軟件編寫了客戶機與實驗機程序，實現(xiàn)了遠程測量熱敏電阻溫度特性曲線。與傳統(tǒng)實驗相比，只需要一臺計算機、一臺信號發(fā)生器以及必要的硬件實驗電路即可進行實驗。在此基礎(chǔ)上結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和儀器控制技術(shù)，實現(xiàn)遠程實驗。