基于虛擬儀器的鎖相放大器遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

O 引言
    20世紀(jì)80年代末美國成功研制了虛擬儀器，虛擬儀器的發(fā)展標(biāo)志著自動(dòng)測(cè)試與電子測(cè)量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個(gè)嶄新方向。虛擬儀器是利用PC機(jī)的顯示模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，由PC機(jī)的強(qiáng)大軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，由I／O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。
    基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是遠(yuǎn)程教育的一個(gè)新的發(fā)展方向。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和觀察，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本地得到的完全相同，如同在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備一樣，突破了時(shí)空限制，極大地提高了實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，并結(jié)合電路其他元件的遠(yuǎn)程控制，可實(shí)現(xiàn)基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

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(qiáng)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(chǔ)等。采用旋鈕、開關(guān)、波形圖等構(gòu)造用戶界面。
    LabVIEW提供了強(qiáng)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(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)／服務(wù)器模式下的雙機(jī)通信。

2 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本文開發(fā)了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測(cè)量熱敏電阻溫度特性，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    用戶打開客戶機(jī)，運(yùn)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(shí)間等參數(shù)。同時(shí)，通過虛擬面板可以改變加熱按鈕的狀態(tài)，用戶在客戶機(jī)的虛擬面板上點(diǎn)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(shí)驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)機(jī)將接收到的加熱控制狀態(tài)通過串口送入單片機(jī)，通過單片機(jī)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(cè)得，送往單片機(jī)系統(tǒng)，通過串口將被測(cè)熱敏電阻溫度值讀入到實(shí)驗(yàn)機(jī)中；音頻輸入電纜采集信號(hào)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(shí)驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)機(jī)中的被測(cè)信號(hào)通過服務(wù)器和Internet反饋給客戶機(jī)。用戶通過虛擬鎖相放大器和虛擬溫度計(jì)進(jìn)行觀察和測(cè)量，得到熱敏電阻溫度特性曲線。

3 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用C／S(client／server)模式，其典型運(yùn)作過程為：
    (1)服務(wù)器監(jiān)聽相應(yīng)端口的輸入；
    (2)客戶機(jī)發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求；
    (3)服務(wù)器接收到此請(qǐng)求；
    (4)服務(wù)器處理此請(qǐng)求，并把結(jié)果返回給客戶機(jī)；
    (5)重復(fù)上述過程，直至完成一次會(huì)話過程。
    客戶機(jī)與實(shí)驗(yàn)機(jī)的通信利用TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。TCP協(xié)議是一個(gè)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(jī)和實(shí)驗(yàn)機(jī)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(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制繼電器的狀態(tài)，聲卡采集輸入信號(hào)和參考信號(hào)，串口采集溫度值，并用鎖相放大器測(cè)量熱敏電阻輸出電壓，用虛擬溫度計(jì)測(cè)量熱敏電阻的溫度。在LabVIEW環(huán)境下分別編寫客戶機(jī)和實(shí)驗(yàn)機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)測(cè)量熱敏電阻溫度特性曲線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。
3．1 客戶機(jī)程序
3．1．1 客戶機(jī)程序的用戶界面
    客戶機(jī)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(jì)，波形圖實(shí)時(shí)顯示了鎖相放大器工作過程中各個(gè)中間過程的波形。熱敏電阻的溫度值也實(shí)時(shí)顯示在虛擬溫度計(jì)上。[!--empirenews.page--]

    用戶點(diǎn)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(shí)驗(yàn)機(jī)，從而改變實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)溫電路的繼電器狀態(tài)，加熱電路開始對(duì)熱敏電阻進(jìn)行加熱。實(shí)驗(yàn)電路中橋式電路的輸出信號(hào)和熱敏電阻的溫度值，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)反饋給客戶機(jī)，用戶通過虛擬儀器面板觀察各個(gè)點(diǎn)波形的顯示，同時(shí)讀取溫度值，完成熱敏電阻溫度特性測(cè)量。
    服務(wù)器一欄設(shè)置為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)服務(wù)器的IP地址，剩余時(shí)間一欄顯示用戶可用的時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)控制真實(shí)的實(shí)驗(yàn)元件，每次只能有一位用戶操作。規(guī)定每位用戶的實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min。30 min后，此客戶機(jī)與實(shí)驗(yàn)機(jī)的連接自動(dòng)斷開。
3．1．2 客戶機(jī)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(gè)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(diǎn)擊了“退出”按鈕；用戶連接時(shí)間超過了30 min；實(shí)驗(yàn)過程中TCP連接出錯(cuò)，如實(shí)驗(yàn)機(jī)程序先行中止，或系統(tǒng)錯(cuò)誤引起連接中止。

    客戶端程序的軟件部分采用3個(gè)獨(dú)立的While循環(huán)，每個(gè)端口分別設(shè)置了獨(dú)立的服務(wù)器端口，依次是2322，2323和2324。
    (1)讀取反饋的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)據(jù)接收，用2個(gè)TCP Read節(jié)點(diǎn)讀取實(shí)驗(yàn)機(jī)發(fā)送的聲卡采集的數(shù)據(jù)長度和字符串?dāng)?shù)據(jù)。
    2322端口接收串口讀取的溫度值，因?yàn)闇囟戎挡杉瘯r(shí)已經(jīng)轉(zhuǎn)換為4位BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)，因此接收時(shí)讀取的字長設(shè)置為4，讀取的溫度值送入虛擬溫度計(jì)并實(shí)時(shí)顯示出來。
    2323端口對(duì)應(yīng)接收聲卡讀取的電壓值，因?yàn)槭亲?、右聲道各采集一路信?hào)，因此設(shè)置了2個(gè)Sequence結(jié)構(gòu)，其中Sequence0接收左聲道讀取的橋式電路輸出信號(hào)，送入鎖相放大器的信號(hào)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(hào)輸入端。同時(shí)將讀取的波形實(shí)時(shí)顯示在用戶界面上。
    (2)發(fā)送繼電器控制信號(hào)。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(shí)驗(yàn)機(jī)，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(shí)，向網(wǎng)絡(luò)連接發(fā)送不同的命令字。將命令字放在一個(gè)CASE結(jié)構(gòu)中，這樣便于實(shí)現(xiàn)用戶將加熱按鈕置于不同的位置時(shí)，發(fā)送不同的命令字。為有效傳送數(shù)據(jù)，采用2個(gè)TCP Write節(jié)點(diǎn)，第1個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送字符長
度，第2個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送字符數(shù)據(jù)。
3．2 端口映射
    服務(wù)器平臺(tái)上安裝Linux操作系統(tǒng)。利用其IPtables防火墻技術(shù)進(jìn)行端口映射，使得互聯(lián)網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)可以通過訪問服務(wù)器，間接訪問實(shí)驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。端口號(hào)的選擇要避開系統(tǒng)保留端口，即O～1023。假設(shè)實(shí)驗(yàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)機(jī)。外界計(jì)算機(jī)訪問服務(wù)器的2322端口時(shí)，若實(shí)驗(yàn)機(jī)程序正在2322端口監(jiān)聽，與客戶機(jī)的TCP連接就會(huì)建立，客戶機(jī)與實(shí)驗(yàn)機(jī)通信，傳送控制命令與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。[!--empirenews.page--]
3．3 實(shí)驗(yàn)機(jī)程序
3．3．1 實(shí)驗(yàn)機(jī)程序的用戶界面
    實(shí)驗(yàn)機(jī)程序的用戶界面如圖4所示。波形顯示圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聲卡采集的信號(hào)；日志文件用于記錄與實(shí)驗(yàn)機(jī)建立連接的客戶數(shù)目、客戶地址和連接時(shí)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送時(shí)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(shí)驗(yàn)機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)如下功能：
    實(shí)驗(yàn)機(jī)接收用戶發(fā)送來的加熱信號(hào)，通過串口送往單片機(jī)系統(tǒng)，由單片機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的指令驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)機(jī)；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(hào)發(fā)生器輸出的參考方波，通過聲卡送入實(shí)驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)機(jī)將采集到的所有信號(hào)經(jīng)由服務(wù)器和Internet反饋給客戶。
3．3．2 實(shí)驗(yàn)機(jī)軟件框圖程序
    實(shí)驗(yàn)機(jī)框圖程序如圖5所示。實(shí)驗(yàn)機(jī)程序的軟件部分整體采用一個(gè)While循環(huán)，其l中又包含2個(gè)While循環(huán)。其中一個(gè)While循環(huán)中設(shè)置了一個(gè)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(gè)While循環(huán)中包含了一個(gè)2324監(jiān)聽端口，用于接收客戶機(jī)發(fā)送來的當(dāng)前繼電器狀態(tài)值。當(dāng)接收到閉合繼電器控制指令時(shí)，發(fā)送“30 H”到單片機(jī)，控制繼電器閉合；當(dāng)接收到斷開繼電器控制指令時(shí)；發(fā)送“31H”到單片機(jī)，控制繼電器斷開。單片機(jī)與實(shí)驗(yàn)機(jī)通過串行口通信，接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令。

    (1)實(shí)驗(yàn)機(jī)與單片機(jī)的串行通信。實(shí)驗(yàn)機(jī)與單片機(jī)的通信利用LabVIEW中的VISA庫(virtua|instrument software architecture)實(shí)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(tái)獨(dú)立性、可擴(kuò)展性和功能上都有很大提高。本文單片機(jī)帶有RS 232接口，計(jì)算機(jī)通過串口與之通信。單片機(jī)通過串口與實(shí)驗(yàn)機(jī)相連，VISA Configure Serial Port節(jié)點(diǎn)中VISA Resouce Name設(shè)為ASRL4：INSTR。參數(shù)與單片機(jī)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(yàn)位。
    (2)聲卡采集電路信號(hào)。用SI Read節(jié)點(diǎn)讀取聲卡采集的電路信號(hào)，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(hào)，縮小一定倍數(shù)后，經(jīng)Type Cast函數(shù)轉(zhuǎn)為字符串?dāng)?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(hào)發(fā)生器輸出的參考方波。信號(hào)波形同時(shí)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(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。用LabVIEW軟件編寫了客戶機(jī)與實(shí)驗(yàn)機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測(cè)量熱敏電阻溫度特性曲線。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，只需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器以及必要的硬件實(shí)驗(yàn)電路即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。