基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實(shí)驗系統設計

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(zhù)自動(dòng)測試與電子測量?jì)x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機的顯示模擬傳統儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結果，由PC機的強大軟件功能實(shí)現信號數據的運算、分析、處理，由I／O接口設備完成信號的采集、測量與調理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統。
基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程實(shí)驗是遠程教育的一個(gè)新的發(fā)展方向。遠程實(shí)驗從遠程計算機上進(jìn)行實(shí)驗操作和觀(guān)察，所得到的實(shí)驗結果與本地得到的完全相同，如同在實(shí)驗室真實(shí)操作實(shí)驗設備一樣，突破了時(shí)空限制，極大地提高了實(shí)驗教育的靈活性。將虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)相結合，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化虛擬儀器，并結合電路其他元件的遠程控制，可實(shí)現基于虛擬儀器的遠程實(shí)驗。

1 LabVIEW簡(jiǎn)介
LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是美國NI公司推出的一種基于G語(yǔ)言(graphics language)的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具，具有各種功能強大的函數庫，包括數據采集、網(wǎng)絡(luò )通信、串口控制、數據顯示及數據存儲等。采用旋鈕、開(kāi)關(guān)、波形圖等構造用戶(hù)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。函數庫的Communication子模板中提供了TCP節點(diǎn)，可以實(shí)現客戶(hù)機／服務(wù)器模式下的雙機通信。

2 遠程實(shí)驗系統總體設計
本文開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實(shí)驗系統，實(shí)現了遠程測量熱敏電阻溫度特性，遠程實(shí)驗系統結構框圖如圖1所示。

用戶(hù)打開(kāi)客戶(hù)機，運行程序，在虛擬面板上可以設置鎖相放大器的相位調節、積分時(shí)間等參數。同時(shí)，通過(guò)虛擬面板可以改變加熱按鈕的狀態(tài)，用戶(hù)在客戶(hù)機的虛擬面板上點(diǎn)擊加熱按鈕，接通加熱電源，控制繼電器閉合，加熱電路開(kāi)始給熱敏電阻加熱，該狀態(tài)值通過(guò)Intern-et和服務(wù)器送往實(shí)驗機。實(shí)驗機將接收到的加熱控制狀態(tài)通過(guò)串口送入單片機，通過(guò)單片機調節繼電器的狀態(tài)，從而控制熱敏電阻的加熱狀態(tài)。熱敏電阻的溫度由DSl8B20數字式溫度傳感器測得，送往單片機系統，通過(guò)串口將被測熱敏電阻溫度值讀入到實(shí)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／數轉換器送入實(shí)驗機。實(shí)驗機中的被測信號通過(guò)服務(wù)器和Internet反饋給客戶(hù)機。用戶(hù)通過(guò)虛擬鎖相放大器和虛擬溫度計進(jìn)行觀(guān)察和測量，得到熱敏電阻溫度特性曲線(xiàn)。

3 遠程實(shí)驗系統的軟件設計
遠程實(shí)驗系統采用C／S(client／server)模式，其典型運作過(guò)程為：
(1)服務(wù)器監聽(tīng)相應端口的輸入；
(2)客戶(hù)機發(fā)出一個(gè)請求；
(3)服務(wù)器接收到此請求；
(4)服務(wù)器處理此請求，并把結果返回給客戶(hù)機；
(5)重復上述過(guò)程，直至完成一次會(huì )話(huà)過(guò)程。
客戶(hù)機與實(shí)驗機的通信利用TCP／IP協(xié)議實(shí)現。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(xiě)客戶(hù)機和實(shí)驗機程序，采用TCP協(xié)議可正確傳送控制命令和數據。
鎖相放大器遠程實(shí)驗系統需要實(shí)現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(xiě)客戶(hù)機和實(shí)驗機程序，實(shí)現測量熱敏電阻溫度特性曲線(xiàn)遠程實(shí)驗。
3．1 客戶(hù)機程序
3．1．1 客戶(hù)機程序的用戶(hù)界面
客戶(hù)機程序的用戶(hù)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(shí)時(shí)顯示了鎖相放大器工作過(guò)程中各個(gè)中間過(guò)程的波形。熱敏電阻的溫度值也實(shí)時(shí)顯示在虛擬溫度計上。