李盾

（河南省索克實業(yè)有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

虛擬化儀器是計算機技術(shù)在儀器領(lǐng)域應(yīng)用中所形成的新型種類，是測控儀表儀器、計算機硬件資源和用于數(shù)據(jù)分析、用戶圖像界面及過程通訊間的有效結(jié)合。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，其特征是將計算機、外部設(shè)備以及數(shù)據(jù)庫等資源加載至網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)資源共享，完成一定的測試任務(wù)。將網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器應(yīng)用在實驗室管理中，可以構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)化儀器技術(shù)虛擬實驗室，并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)軟硬件和信息資源的共享。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

目前，世界上虛擬儀器開發(fā)平臺主要有兩類：第一類是基于通用的VB、C++、VC語言等，此類語言有較強的適應(yīng)性和靈活性；第二類是專業(yè)的虛擬儀器開發(fā)平臺，如Lab－VIEW、HP-VEE等，借助這些專用的開發(fā)工具，可以簡化儀器編程并縮短開發(fā)周期。

3 硬件設(shè)計

常用的虛擬儀器的總線有VXI和PXI兩種。相比之下，PXI總線速率遠高于VXI總線，同時由于它起源于計算機總線PCI，具有良好的兼容性，開發(fā)成本較低。PXI總線體系結(jié)構(gòu)涵蓋了三大方面的內(nèi)容：機械規(guī)范、電氣規(guī)范和軟件規(guī)范，本文采用PXI總線構(gòu)建虛擬儀器實驗室監(jiān)控平臺系統(tǒng)。

3.1 PXI總線測試系統(tǒng)組成架構(gòu)

構(gòu)建一個PXI自動測試系統(tǒng)，除了要選擇合適的操作系統(tǒng)和應(yīng)用開發(fā)軟件以外，更重要的是硬件選擇，主要包括：(1)PXI機箱：PXI機箱的選擇與系統(tǒng)的應(yīng)用有關(guān)。(2)系統(tǒng)控制器：根據(jù)需要確定選擇外置式PC還是嵌入式控制器。(3)PXI儀器模塊：包括模擬輸入和輸出、圖像采集、數(shù)字輸入和輸出、運動控制、模塊化儀器、開關(guān)、定時輸入和輸出等。(4)信號調(diào)理和其它附件(也可以在選擇機箱或儀器模塊時綜合考慮)。

3.2 數(shù)據(jù)采集卡

作為NI 4472產(chǎn)品家族的延伸，NI PXI-4472B是振動和低頻交流測量的最優(yōu)化方案。NI PXI-4472B為高精度頻域測量提供了8通道動態(tài)信號采集。輸入通道集成了IC壓電式信號調(diào)理功能，可用于加速度傳感器和麥克風(fēng)的信號采集。PXI-4472B的8路輸入通道可在直流到45 kHz的帶寬范圍內(nèi)同步對輸入信號進行數(shù)字化處理，可在高通道數(shù)的應(yīng)用中實現(xiàn)兩個及兩個以上PXI-4472B模塊之間的同步，或通過PXI星狀觸發(fā)總線實現(xiàn)PXI-4472B模塊與其他模塊的同步。PXI-4472B模塊與LabVIEW聲音及振動工具包或其他軟件分析工具共同使用時，可進行各種時間和頻率的準(zhǔn)確測量。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用LabVIEW做為軟件開發(fā)工具，用圖形化編程技術(shù)，開發(fā)出面向客戶應(yīng)用的虛擬儀器實驗室監(jiān)控管理系統(tǒng)，編制相應(yīng)界面顯示主機的各類型界面信息，在實驗室網(wǎng)絡(luò)環(huán)境向用戶發(fā)布監(jiān)控主機工作界面信息。

圖1 網(wǎng)絡(luò)化實驗室管理功能圖

圖2 客戶端流程圖

4.1 LabVIEW開發(fā)平臺

LabVIEW是一個開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，利用該軟件組建儀器測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可很好的簡化程序設(shè)計。LabVIEW擁有用于設(shè)計數(shù)據(jù)采集程序和儀器控制程序的開發(fā)工具庫和函數(shù)庫。該應(yīng)用軟件的程序設(shè)計實質(zhì)上就是設(shè)計多個“虛擬儀器”。在計算機顯示器上利用開發(fā)工具庫和函數(shù)庫開發(fā)一個前面版。前面板界面，可接受用戶鼠標(biāo)、鍵盤指令，而在后臺利用圖形化編程語言開發(fā)用于控制前面板的框圖程序。

LabVIEW的核心是VI。VI的人機對話的用戶界面--前面板和的框圖程序，接收來自框圖程序的指令。在VI的前面板中，控件模擬儀器的輸入裝置并把信號提供給VI的框圖程序；此外，指示器模擬儀器的輸出裝置并顯示由框圖程序捕捉或產(chǎn)生的信號。當(dāng)把一個控件或指示器置于前面板時，LabVIEW就在框圖程序中產(chǎn)生了一個終端，該從屬于控件或指示器的終端不能隨意被刪除，只有刪除它對應(yīng)的指示器或控件時它才會一同被刪掉。

在LabVIEW編制框圖程序時，自函數(shù)面板中選擇所需的函數(shù)節(jié)點，將其置于框圖上；接著用連線將各函數(shù)節(jié)點在框圖程序中的端口連接起來，用以傳輸信號。這些函數(shù)節(jié)點包含著眾多的計算函數(shù)、分析VI和采集、存儲和檢索數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)和輸入輸出函數(shù)。

用LabVIEW編制出的圖形化VI擁有分層次和模塊化的特點，可以將之應(yīng)用至頂層程序，也可用作子程序和其它程序。subVI在調(diào)用它的程序時，同樣是以一個圖標(biāo)的形式出現(xiàn)；為了區(qū)分不同的subVI，它們的圖標(biāo)是可以分別編輯的，所以LabVIEW依附并發(fā)展了模塊化程序設(shè)計的特點。用戶可以把一個較為復(fù)雜的問題分解成為數(shù)個子任務(wù)，每個子任務(wù)還可以分解成眾多更低一級的子任務(wù)，直至到把這個復(fù)雜的應(yīng)用任務(wù)分解成為許多更低級子任務(wù)的集合，將之逐步組合成為能夠解決最終問題的VI。

4.2 網(wǎng)絡(luò)實驗管理實現(xiàn)的功能

網(wǎng)絡(luò)實驗管理包含三個功能模塊:用戶管理、實驗管理及資源和數(shù)據(jù)的管理。其中，用戶管理包含對用戶和管理員兩種用戶的管理，如添加、刪除和修改操作，以及對用戶的身份進行驗證的功能；實驗管理保證了用戶對虛擬實驗室的正常訪問，可以進入實驗室進行虛器實驗操作；資源和數(shù)據(jù)管理中包含實驗資源的管理，網(wǎng)絡(luò)實驗管理模塊要能夠完成一些實驗資源的發(fā)布和更新操作，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器實驗室管理的功能圖如圖1所示。

4.3 圖形化程序設(shè)計

軟件結(jié)構(gòu)由遠程客戶機、Web服務(wù)器和設(shè)備服務(wù)器(虛擬儀器客戶端)組成.Web服務(wù)器是核心，通過Web服務(wù)器，用戶可以訪問站點，控制實驗過程、處理實驗數(shù)據(jù)并獲得實驗結(jié)果。設(shè)備服務(wù)器主要完成數(shù)據(jù)采集并傳送到Web服務(wù)器端處理。

網(wǎng)絡(luò)控制部分主要利用LabVIEW 開發(fā)平臺以及網(wǎng)頁制作技術(shù)進行仿真實驗、測量實驗等部分的設(shè)計開發(fā)，完成數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和儀器的控制等功能。LabVIEW作為一個優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)平臺，在DataSocket技術(shù)、Web服務(wù)器和 TCP、UDP協(xié)議基礎(chǔ)上，為構(gòu)建基于計算機網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器系統(tǒng)提供了各種豐富工具，可以開發(fā)出功能強大的基于網(wǎng)絡(luò)的分布式測量系統(tǒng)。開發(fā)仿真實驗，主要完成各種理論中涉及的原理驗證和演示型實驗.仿真實驗在LabVIEW平臺上開發(fā)完成后生成實驗程序的子VI，再利用labVIEW 自帶的網(wǎng)頁發(fā)布功能，直接在Web服務(wù)器端生成嵌入實驗平臺的Web網(wǎng)頁，客戶端只需使用網(wǎng)頁瀏覽器即可通過網(wǎng)絡(luò)訪問電路遠程虛擬實驗室，繼而進行仿真實驗。

客戶端流程圖如圖2，客戶端主要從服務(wù)器上獲得想要的信息資源，測量數(shù)據(jù)、測量進程和從服務(wù)器上調(diào)用測量程序模塊，并向服務(wù)器反饋客戶端的接受情況。

結(jié)語

本文以PXI計算機作為硬件平臺結(jié)構(gòu)，應(yīng)用圖形化編程技術(shù)，設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器實驗室監(jiān)控平臺。網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)，有助于實現(xiàn)信息網(wǎng)和設(shè)備網(wǎng)的一體化。在研究現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并開發(fā)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器實驗室監(jiān)控平臺的軟硬件結(jié)構(gòu)和基本功能。在研究對比世界現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對目前流行的網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器測試實驗室，給出了適合本平臺系統(tǒng)的實施方案；本方案采用三層結(jié)構(gòu)進行了功能劃分：利用LabVIEW平臺對客戶端應(yīng)用程序進行開發(fā)，編程并實現(xiàn)了VI服務(wù)器應(yīng)用程序，對實驗室多用戶進行合理有效管理及資源配置。

[1]劉君華.基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]雷振山.LabVIEW 7 Express實用技術(shù)教程[M].北京：中國鐵道出版社，2005.