基于LabView信號(hào)的處理網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方法

1、基于 LabView 信號(hào)的處理網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方法070412215 常巖峰摘要：闡述了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的必要性，著重講述了應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的方法，即 利用 LabView 自帶的數(shù)據(jù)工具包 LabSQL 和 LabView 中的 DataSocket 技術(shù)進(jìn)行通信虛擬儀器設(shè)計(jì)。 應(yīng)用基于三層 C/S(Client/Server 客戶機(jī)/服務(wù)器)模式的 DataSocket 技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自相關(guān)函數(shù)演示儀等試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享和試驗(yàn)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程 控制。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室；LabView；遠(yuǎn)程共享；遠(yuǎn)程控制Design Method of

2、 Signal Process Network Virtual Laboratory Based on LabViewAbstract： This paper elaborates the necessities of creating internet-based virtual laboratory and emphatically gives an account of constructing internet -based virtual laboratory using database technology and networked virtual instrument tec

3、hnology. It utilizes LabSQL and DataSocket technology of the development software LabView to design virtual instruments for communications. The entire network system applies DataSocket technology based on three C/S(Client/Server) mode. The designed experimental instruments include autocorrelation fu

4、nction demonstrator and the remote sharing of the experimental data and the remote control of the experimental instruments.Key words：network virtual laboratory；LabView；remote sharing；remote control隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器的研究有了很大的進(jìn)步，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室都有 研究，如美國(guó)劍橋大學(xué)、美國(guó)卡耐基-梅龍大學(xué)、清華大學(xué)、上海復(fù)旦大學(xué)等。 并取得了一定的成果，如美國(guó)波蘭 特大學(xué)

5、電機(jī)工程系建立了一個(gè)基于虛擬儀器的功能完善的實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)在幾門課中得到應(yīng)用，Klevin 工程技術(shù) 學(xué)院、Glasgow Galedonian 大學(xué)利用虛擬儀器組建數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，用于測(cè)試內(nèi)燃機(jī)的性能數(shù)據(jù)并分析處 理，費(fèi)用少，高集成，高效率1-2。 這些足以表明，虛擬實(shí)驗(yàn)室被廣大高校所認(rèn)可，并逐步用虛擬實(shí)驗(yàn)室補(bǔ)充和替 代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室。 但是這些虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室還存在空間和時(shí)間的限制，以及還沒形成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)體系，只 實(shí)現(xiàn)了部分實(shí)驗(yàn)儀器的功能。 另外，如果購買現(xiàn)成的虛擬儀器產(chǎn)品也會(huì)存在一些不足：（1）實(shí)驗(yàn)電路和虛擬儀 器由廠家“固化“生產(chǎn)，學(xué)生只能根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的

6、創(chuàng)新能力3。 （2）得到的是一 個(gè)集成的實(shí)驗(yàn)室，廠家不會(huì)提供開發(fā)軟件的平臺(tái)，也不會(huì)提供關(guān)鍵技術(shù)，這樣導(dǎo)致購買后的虛擬儀器產(chǎn)品很難 更新。 （3）價(jià)格比較高。 因此，本研究利用 LabView 開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)示波器等虛擬儀器產(chǎn)品，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了結(jié)合數(shù) 據(jù)庫技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)室。1虛擬實(shí)驗(yàn)室開發(fā)技術(shù)1.1虛擬儀器技術(shù)圖形化軟件開發(fā)環(huán)境 LabView(laboratory virtual instrument engineering workbench)是目前實(shí)現(xiàn)虛擬儀器軟 件設(shè)計(jì)最流行的工具之一4-5。 虛擬儀器技術(shù)是指將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與儀器系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來，用戶可通過友好的 圖形界面來操作計(jì)算機(jī)，而

7、完成被測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示、存儲(chǔ)等操作6-7。1.2數(shù)據(jù)庫技術(shù) LabSQL 是 LabView 數(shù)據(jù)庫訪問工具包。 它具有多數(shù)據(jù)庫、跨平臺(tái)等特性。 LabSQL 對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問是通過 利 用 Microsoft ADO 以 及 SQL 結(jié) 構(gòu) 化 查 詢 語 言 完 成 的 ， 將 復(fù) 雜 的 底 層 ADO 及 SQL 操 作 封 裝 成 一 系 列 的 LabSQL VIs。 LabSQL VIs 可分為四類，即：Command VIs、Connection VIs、Recordset VIs 和 Top Level VIs8。 利 用 LabSQL 訪問數(shù)據(jù)庫的過程如圖 1。 這

8、是實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)用戶注冊(cè)的部分代碼， 用到了 Connection Vis 和 Top Level Vis，訪問數(shù)據(jù)庫首先要建立數(shù)據(jù)源，這里的數(shù)據(jù)源是 DSN_Example, Connection Vis 建立連接，打開連 接，Top Level Vis 執(zhí)行 Sql 語句，最后關(guān)閉連接。圖 1 利用 LabSQL 訪問數(shù)據(jù)庫Figure 1 The database access using LabSQL1.3基于 3 層 C/S(Client/Server 客戶機(jī)/服務(wù)器)模式的 DataSocket 技術(shù)三層 C/S 結(jié)構(gòu)模式是在兩層 C/S 模式的基礎(chǔ)上，增加了新的一級(jí)9。 這種模式在功

9、能上將應(yīng)用功能分為 3 層，即：客戶顯示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層。 DataSocket 技術(shù)是 NI 公司推出的面向測(cè)控領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。 該 技術(shù)基于 Microsoft 的 COM 和 ActiveX 技術(shù)對(duì) TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行高度封裝，應(yīng)用于測(cè)量和自動(dòng)化，共享和發(fā)布實(shí) 時(shí)數(shù)據(jù)10。2設(shè)計(jì)案例2.1儀器選擇圖 2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前端面板Figure 2 The front plate of the experiment system設(shè)計(jì)了 5 種網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，分別是雙通道虛擬示波器、相關(guān)法測(cè)量相位差仿真儀、雙通道頻譜濾波器、 信號(hào)發(fā)生器、自相關(guān)函數(shù)演示儀。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前端面板如圖 2，本

10、研究以相關(guān)法測(cè)量相位差仿真儀為例，介紹系統(tǒng) 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀器的思路和方法。 學(xué)生用戶登錄后進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前端面板（圖 2）。 該相關(guān)法測(cè)量相位差仿真儀的 功能是可以計(jì)算兩個(gè)幅值已知的同頻率正弦仿真信號(hào) x(t)與 y(t)的相位差。 這是學(xué)生登錄后，在菜單中點(diǎn) 擊雙通道虛擬示波器后的界面，通過這個(gè)界面學(xué)生可 以使用雙通道虛擬示波器完成實(shí)驗(yàn)。2.2數(shù)學(xué)方法相關(guān)法是利用兩個(gè)同頻正弦信號(hào)的 延時(shí)在 t=0 時(shí)的互相關(guān)函數(shù)值與其相位差的余弦值成正比的原 理獲得相位差。 假設(shè)有兩個(gè)同頻信號(hào) x(t)與 y(t)都被 噪聲污染，數(shù)學(xué)公式為：x(t)=Asin(0t+0)+Nx(t)y(t)=Bsin(0t+1

11、)+Ny(t)式中：A、B 分別為 x(t)、y(t) 的幅值，Nx、Ny 分別為噪聲 信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)的相位差為： 0。0相關(guān)法測(cè)量相位差的原理為 Rxy()=1/TTx(t)y(t+)dt，其中，T 為信號(hào)周期，將 x(t)和 y(t)代入上式后，可得公式為：當(dāng) t=0 時(shí)，有： 在理想情況下，噪聲和信號(hào)不相關(guān)，且噪聲之間也不相關(guān)，上式積分后得：因此有：=1-0=arcos2Rxy(0)/AB。2.3設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)圖 3 相關(guān)法測(cè)量相位差仿真儀前端面板Figure 3 Front plate of correlation method measuring phase difference simu

12、lation instruments首先在前面板上放置 1 個(gè)顯示型數(shù)字控件， 用于顯示相位差測(cè)量的結(jié)果 ，單位為度；放置 1 個(gè)輸出波形顯示器，用于觀察兩個(gè)信號(hào)的信號(hào)波 形；放置 1 個(gè)開關(guān)型控件，用于運(yùn)行或關(guān)閉儀器； 放置 2 個(gè)數(shù)字控件，用于設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)、采樣頻 率、信號(hào)頻率 3 個(gè)參量，為兩個(gè)正弦波信號(hào)發(fā)生 器所共用；放置 4 個(gè)數(shù)字控件，用于分別設(shè)置兩 個(gè)正弦波的幅值和相位。 設(shè)計(jì)步驟為：（1）在“函 數(shù)選板”的子選項(xiàng)板上選擇“正弦波”函數(shù)，將其 放置于 while 循環(huán)結(jié)構(gòu)中， 可以分別產(chǎn)生兩個(gè)正 弦信號(hào)。 然后在“函數(shù)選板”的子選項(xiàng)板上選擇 “互相關(guān)”函數(shù)，用于計(jì)算兩個(gè)正弦信號(hào)的

13、互相關(guān) 函數(shù)值， 然后用得到的相關(guān)函數(shù)值除以采樣點(diǎn) 數(shù)。 （2）在“函數(shù)選板”的子選項(xiàng)板上選擇“索引數(shù)組”函數(shù)，用來獲取 =0 時(shí)的互相關(guān)函數(shù)值，該數(shù)值是互相關(guān)函數(shù)圖標(biāo)的第 n-1 個(gè)輸出值。 互相關(guān)函數(shù)的所有的 2n-1 個(gè)值都輸入到“索引數(shù)組”中，當(dāng)它的輸入端輸入?yún)?shù)設(shè)置為 n-1 時(shí)，其輸出即為第 n-1 個(gè)互相關(guān)值。（3）在“數(shù)學(xué)”的子選項(xiàng)板上選擇“反余弦”函數(shù)，用來計(jì)算上述得到結(jié)果的反余弦弧度值，因?yàn)榍懊姘逡箫@示 角度值，故需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換公式為：角度=180×弧度/。 相位差仿真儀前端面板如圖 3。3結(jié)論本研究基于 LabView 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了信號(hào)處理網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)

14、室系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀 器操作的模擬和仿真。 所設(shè)計(jì)的虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)包含雙通道頻譜濾波器等 5 種實(shí)驗(yàn)儀器。 該網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室 較以往的虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化 ， 使學(xué)生做實(shí)驗(yàn)不再受時(shí)間和地點(diǎn)的限制 ， 且實(shí)驗(yàn)開發(fā)工具僅用到了 LabView，數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是 LabView 自身帶的，這使得該軟件系統(tǒng)易于更新和維護(hù)，可以隨時(shí)加入新 的算法和研究成果，使得虛擬儀器的性能和功能不斷地完善。 開發(fā)費(fèi)用也較少。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和 遠(yuǎn)程教育的不斷完善，網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室具有很好的發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)：1 鄭笑建,楊馬英,劉萍先.控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室J.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，（10）：146-149. 2 魏克新.基于 LabView 的電力電子虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建J.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2007，（03）:23-25.3 鄭利鋒.虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.西安：西安交通大學(xué)，2002.4 豈興明.LabView 8.2 虛擬儀器設(shè)計(jì)入門和開發(fā)M.北京：人民郵電出版社，2008. 5 張 凱.LabView 虛擬儀器工程設(shè)計(jì)與開發(fā)M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.6 姚婭