网络化虚拟仪器实验室监控平台系统的开发

李盾

（河南省索克实业有限公司，河南 郑州 450000）

1 概述

虚拟化仪器是计算机技术在仪器领域应用中所形成的新型种类，是测控仪表仪器、计算机硬件资源和用于数据分析、用户图像界面及过程通讯间的有效结合。网络化虚拟仪器，其特征是将计算机、外部设备以及数据库等资源加载至网络，实现资源共享，完成一定的测试任务。将网络化虚拟仪器应用在实验室管理中，可以构造网络化仪器技术虚拟实验室，并通过网络实现软硬件和信息资源的共享。

2 系统总体方案设计

目前，世界上虚拟仪器开发平台主要有两类：第一类是基于通用的VB、C++、VC语言等，此类语言有较强的适应性和灵活性；第二类是专业的虚拟仪器开发平台，如Lab－VIEW、HP-VEE等，借助这些专用的开发工具，可以简化仪器编程并缩短开发周期。

3 硬件设计

常用的虚拟仪器的总线有VXI和PXI两种。相比之下，PXI总线速率远高于VXI总线，同时由于它起源于计算机总线PCI，具有良好的兼容性，开发成本较低。PXI总线体系结构涵盖了三大方面的内容：机械规范、电气规范和软件规范，本文采用PXI总线构建虚拟仪器实验室监控平台系统。

3.1 PXI总线测试系统组成架构

构建一个PXI自动测试系统，除了要选择合适的操作系统和应用开发软件以外，更重要的是硬件选择，主要包括：(1)PXI机箱：PXI机箱的选择与系统的应用有关。(2)系统控制器：根据需要确定选择外置式PC还是嵌入式控制器。(3)PXI仪器模块：包括模拟输入和输出、图像采集、数字输入和输出、运动控制、模块化仪器、开关、定时输入和输出等。(4)信号调理和其它附件(也可以在选择机箱或仪器模块时综合考虑)。

3.2 数据采集卡

作为NI 4472产品家族的延伸，NI PXI-4472B是振动和低频交流测量的最优化方案。NI PXI-4472B为高精度频域测量提供了8通道动态信号采集。输入通道集成了IC压电式信号调理功能，可用于加速度传感器和麦克风的信号采集。PXI-4472B的8路输入通道可在直流到45 kHz的带宽范围内同步对输入信号进行数字化处理，可在高通道数的应用中实现两个及两个以上PXI-4472B模块之间的同步，或通过PXI星状触发总线实现PXI-4472B模块与其他模块的同步。PXI-4472B模块与LabVIEW声音及振动工具包或其他软件分析工具共同使用时，可进行各种时间和频率的准确测量。

4 软件设计

系统采用LabVIEW做为软件开发工具，用图形化编程技术，开发出面向客户应用的虚拟仪器实验室监控管理系统，编制相应界面显示主机的各类型界面信息，在实验室网络环境向用户发布监控主机工作界面信息。

图1 网络化实验室管理功能图

图2 客户端流程图

4.1 LabVIEW开发平台

LabVIEW是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，利用该软件组建仪器测试系统和数据采集系统可很好的简化程序设计。LabVIEW拥有用于设计数据采集程序和仪器控制程序的开发工具库和函数库。该应用软件的程序设计实质上就是设计多个“虚拟仪器”。在计算机显示器上利用开发工具库和函数库开发一个前面版。前面板界面，可接受用户鼠标、键盘指令，而在后台利用图形化编程语言开发用于控制前面板的框图程序。

LabVIEW的核心是VI。VI的人机对话的用户界面--前面板和的框图程序，接收来自框图程序的指令。在VI的前面板中，控件模拟仪器的输入装置并把信号提供给VI的框图程序；此外，指示器模拟仪器的输出装置并显示由框图程序捕捉或产生的信号。当把一个控件或指示器置于前面板时，LabVIEW就在框图程序中产生了一个终端，该从属于控件或指示器的终端不能随意被删除，只有删除它对应的指示器或控件时它才会一同被删掉。

在LabVIEW编制框图程序时，自函数面板中选择所需的函数节点，将其置于框图上；接着用连线将各函数节点在框图程序中的端口连接起来，用以传输信号。这些函数节点包含着众多的计算函数、分析VI和采集、存储和检索数据的网络函数和输入输出函数。

用LabVIEW编制出的图形化VI拥有分层次和模块化的特点，可以将之应用至顶层程序，也可用作子程序和其它程序。subVI在调用它的程序时，同样是以一个图标的形式出现；为了区分不同的subVI，它们的图标是可以分别编辑的，所以LabVIEW依附并发展了模块化程序设计的特点。用户可以把一个较为复杂的问题分解成为数个子任务，每个子任务还可以分解成众多更低一级的子任务，直至到把这个复杂的应用任务分解成为许多更低级子任务的集合，将之逐步组合成为能够解决最终问题的VI。

4.2 网络实验管理实现的功能

网络实验管理包含三个功能模块:用户管理、实验管理及资源和数据的管理。其中，用户管理包含对用户和管理员两种用户的管理，如添加、删除和修改操作，以及对用户的身份进行验证的功能；实验管理保证了用户对虚拟实验室的正常访问，可以进入实验室进行虚器实验操作；资源和数据管理中包含实验资源的管理，网络实验管理模块要能够完成一些实验资源的发布和更新操作，网络化虚拟仪器实验室管理的功能图如图1所示。

4.3 图形化程序设计

软件结构由远程客户机、Web服务器和设备服务器(虚拟仪器客户端)组成.Web服务器是核心，通过Web服务器，用户可以访问站点，控制实验过程、处理实验数据并获得实验结果。设备服务器主要完成数据采集并传送到Web服务器端处理。

网络控制部分主要利用LabVIEW 开发平台以及网页制作技术进行仿真实验、测量实验等部分的设计开发，完成数据的采集、分析、显示和仪器的控制等功能。LabVIEW作为一个优秀的虚拟仪器开发平台，在DataSocket技术、Web服务器和 TCP、UDP协议基础上，为构建基于计算机网络的虚拟仪器系统提供了各种丰富工具，可以开发出功能强大的基于网络的分布式测量系统。开发仿真实验，主要完成各种理论中涉及的原理验证和演示型实验.仿真实验在LabVIEW平台上开发完成后生成实验程序的子VI，再利用labVIEW 自带的网页发布功能，直接在Web服务器端生成嵌入实验平台的Web网页，客户端只需使用网页浏览器即可通过网络访问电路远程虚拟实验室，继而进行仿真实验。

客户端流程图如图2，客户端主要从服务器上获得想要的信息资源，测量数据、测量进程和从服务器上调用测量程序模块，并向服务器反馈客户端的接受情况。

结语

本文以PXI计算机作为硬件平台结构，应用图形化编程技术，设计了网络化虚拟仪器实验室监控平台。网络化虚拟仪器技术，有助于实现信息网和设备网的一体化。在研究现有网络化虚拟仪器技术的基础上，设计并开发实现了网络化虚拟仪器实验室监控平台的软硬件结构和基本功能。在研究对比世界现行网络化虚拟仪器技术的基础上，针对目前流行的网络虚拟仪器测试实验室，给出了适合本平台系统的实施方案；本方案采用三层结构进行了功能划分：利用LabVIEW平台对客户端应用程序进行开发，编程并实现了VI服务器应用程序，对实验室多用户进行合理有效管理及资源配置。

[1]刘君华.基于LabVIEW的虚拟仪器设计[M].北京：电子工业出版社，2003.

[2]雷振山.LabVIEW 7 Express实用技术教程[M].北京：中国铁道出版社，2005.