（测试计量技术及仪器专业论文）基于虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验室.pdf

南京航空航天大学硕十学位论文 摘要 虚拟实验与虚拟实验室是随着计算机技术、虚拟仪器技术的发展而出现的。 作为一种全新的实验方法，虚拟实验不受时间、空间等条件的限制。具有传统 实验方法不可比拟的优越性。传感器是测量控制系统的首要环节，对测试系统 起着至关重要的作用。传感器种类繁多、涉及知识面广。对传感器可以从传感 器的工作原理、结构组成、调理电路及特性分析几个方面来把握。为此，本文 采用虚拟仪器技术对传感器虚拟实验及虚拟室的研究进行了探索。 首先，本文采用l a b v i e w ，分别通过串行总线和p c i 总线数据采集设备，实 现了传感器测试实验数据的自动采集及分析，并自动生成实验报表。随着网络技 术的发展，网上虚拟实验室成为重要形式。网络虚拟实验室的信息包容量大， 内容形式丰富，并且能够通过互联网进行信息共享。接着，本文对传感器网络 虚拟实验室进行了研究，通过网络化虚拟仪器，实现了虚拟实验室的网络化。 针对网络虚拟仪器技术的几种不同的实现方法，分别从a c t iv e x 技术、v i 的网 络发布、d a t a s o c k e t 服务器以及虚拟仪器的动态网页编程等方面实现网络虚拟 实验室。 此外，对其他几种常用网络虚拟实验室的实现方法，如f l a s h 动画、视频 及其与虚拟仪器技术的结合，进行了探讨。最后，对全文进行了总结，提出了 传感器虚拟实验室的发展方向。 关键词：传感器；虚拟实验室：虚拟仪器；l a b v i e w ；网络 基于虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验窒 a b s t r a c t t h ev i r t u a le x p e r i m e n ta n dv i r t n a ll a b o r a t o r ya p p e a rw i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p m e rt e c h n i q u ea n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e a san e we x p e r i m e n tm e t h o d ， t h ev i r t u a le x p e r i m e n ti so u to ft h el i m i t so ft i m ea n ds p a c e ，a n di th a ss u p e r i o r i t y t h a tt h et r a d i t i o n a le x p e r i m e n td o e s n th a v e t h es e n s o rw h i c hp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei st h ei n i t i a ll i n ko fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m t h es e n s o r sc a t e g o r yi s n u m e r o u sa n dt h ek n o w l e d g ei n v o l v e di sw i d e w ec o nu n d e r s t a n ds e n s o r 行o mt h e w o r kp r i n c i p l e ，t h es t r u c t u r ea n dt h ec o n s t i t u t i o n ，t h ea d j u s t i n gc i r c u i ta n dt h e c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s t h et h e s i ss t u d i e st h es e n s o rv i r t u a le x p e r i m e n ta n dv i r t u a l l a b o r a t o r yw i t hv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e f i r s t l y , u s i n gl a b v i e w , t h es e n s o rv i r t u a le x p e r i m e n tc a nc o l l e c ta n da n a l y z e d a t aa u t o m a t i c a l l yt h r o u g ht h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb u sa n dp c ib u sd a t aa c q u i s i t i o n e q u i p m e n t sa n dc r e m et h ee x p e r i m e n tr e p o r t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k t e c h n i q u e ，t h en e t w o r kv i r t u a ll a b o r a t o r yw h i c hh a sg r e a tc a p a c i t yt oc o n t a i n i n f o r m a t i o nw h o s ef o r mi gv a r i o u sb e c o m e sa ni m p o r t a n tf o r ma n dt h ei n f o r m a t i o n c a nb es h a r e dt h r o u g hi n t e m e ts e c o n d l y , t h et h e s i ss t u d i e st h es e n s o rn e t w o r k v i r t u a ll a b o r a t o r y w h e nv i r t u a li n s t r u m e n ti sp u b l i s h e donn e t w o r k ，t h ev i r t u a l l a b o r a t o r yi sc r e a t e do nn e t w o r k t h i r d l y , t h et h e s i ss t u d i e ss e v e r a ld i f f e r e n tm e t h o d s t op u b l i s ht h ev i r t u a ll a b o r a t o r yo nn e t w o r kw i t hv i r t u a li n s t r u m e n tt e n i q u e ，s u c ha s p u b l i s h i n gt h ev io nn e t w o r k ，u s i n gt h ed a t a s o c k e ts e r v e r , a e t i v e xt e c h n i q u ea n d t h ed y n a m i cw e bp a g eb a s e dont h ev i r t u a li n s t r u m e n te t c 。i na d d i t i o n ，s e v e r a lo t h e r m e t h o d sa r ei n t r o d u c e dt oe s t a b l i s hv i r t u a ll a b o r a t o r y , s u c ha sf l a s h v i d e oe t c i nt h ee n d ，t h et h e s i sg i v e st h es u m m a r yt ot h es t u d ya n do u t l o o kt ot h e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft h es e n s o rv i r t u a ll a b o r a t o r yi nt h ef u t u r e k e y w o r d ：s e n s o r ；v i r t u a ll a b o r a t o r y ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w ；n e t w o r k 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：继璺。霞 日 期：兰璺堕垒兰疆! 三 南京航空航天人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 虚拟实验与虚拟实验室 实验是人们了解世界、掌握知识的重要手段和途径。由于受到各种条件的 限制。实验可能无法实现或代价昂贵，从而出现了虚拟实验。 最初的虚拟实验，是在人的脑海里，人们的思考和考虑就是一种虚拟实验， 人们把要做的行为在脑海里显现和设想，并得出结论，但这种实验有很多的不 确定性。自从有了计算机，也就是“电脑”，人类的思维扩展了，计算机有更快 的运算速度，更精确的计算和更海量的信息存储，为虚拟实验室的诞生创造了 条件，也就有了真正意义上的虚拟实验。 虚拟实验( v i r t u a le x p e r i m e n t ) ，就是在虚拟环境中进行的实验。虚拟实 验是相对真实实验( r e a le x p e r i m e n t ) 来讲的，后者在实验中所采用的实验设 备、实验对象、实验环境都是以实物形态出现的，而在虚拟实验中，没有一个 有形的实验室，也没有以实物形态存在的实验设各与实验对象，实验过程主要 是对虚拟物的操作。虚拟实验的实验过程可以由实验者部分或完全控制，实验 的结果可以被存储、处理、再现，因此，虚拟实验可以不断重复的。这一点是 真实实验所不能比拟的。通过虚拟实验，可以使实验者在进行真实实验之前对 整个实验进行熟悉，从而提高实验效率和减少不必要的实验损失。 1 1 1 虚拟实验室的概念 虚拟实验存在于虚拟实验室中，实验环境、实验对象和实验设备是由虚拟 实验室提供的。虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) 是以计算机软件硬件技术 为支撑，使用软件开发工具实现的一种虚拟实验环境，通过开发一系列虚拟实 验组件来模拟和再现实验环境、实验设备和实验过程，使实验者脱离实际实验 条件的束缚，互动的感受实验信息，在更加方便和快捷的条件下，以近似真实 的方式实现实验过程。在虚拟实验室中，实验对象、实验设备或被真实地再现， 或被形象地模拟，实验的过程完全由实验者控制，实验结果可以分析处理“”。“。 基于虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验室 虚拟实验室运用计算机强大的运算处理能力，借助于图形图像、仿真和虚 拟现实等技术，具有丰富的界面信息、友好的互动能力和强大的数据处理功能， 再加上对各种外部设备的良好兼容、多媒体、互联网，构成了一个精彩的虚拟 实验天地。 虚拟实验室一旦建立，就是一个共享资源，不用受场地、时i h j 限制，极大 的节约了物质资源，并且虚拟实验室的维护、修改、升级和更新十分方便。因 此虚拟实验室不管对科学研究还是教育学习都是极有价值的。 与传统的实验室相比，虚拟实验室具有不可比拟的优越性： 1 虚拟实验室不需要专门的实验场地、实验设备、实验原料。只需要计算 机和相应的虚拟实验室的软件。而传统实验室往往要有独立的实验场地和实验 设备，在利用率不高的情况下是一种浪费。 2 虚拟实验室的实验设备、实验原料都是虚拟的，因此不存在损坏、消耗 的问题。传统实验室的设备往往因各种人为或其他原因而损坏，实验原料则用 过后就不能再用。 3 虚拟实验室的实验不受空间、时间和次数的限制，只要有计算机就可以 随时随地进行多次实验。传统实验因地点时间固定，实验机会有限。 4 虚拟实验室维护便捷。由于软件是内核，通过重装或自修复即可。 5 虚拟实验室的升级更新方便，只需安装新的虚拟实验室软件或更新软件 即可。传统实验室的更新和升级往往伴随着购置新实验设备，淘汰旧的设备。 6 虚拟实验室可以在近乎理想的状态下进行实验，不必考虑真实实验的苛 刻条件。比如对温度变化的要求。有些真实实验是有危险的， 7 虚拟实验室往往比真实实验更精彩，利用计算机丰富的界面信息和处理 功能可以对实验现象既可以做到细致入微，又可以宏观得到各种结论。虚拟实 验的画面可以变成放大镜也可以变成望远镜，帮助实验者更好的观察实验结果。 正是出于虚拟实验室的上述特征，虚拟实验室的概念一经出现到现在，短 短的十年i 训，已经被广泛应用到各个研究领域。 1 12 虚拟实验室的应用与发展 最早，在 9 8 9 年，美国v i r g i n i a 大学的w i l l i a mw u l f 教授提出了虚拟实 验室的概念。目前，国外对虚拟实验室系统的创建研究已经逐渐成熟，世界许 多著名大学都进行了虚拟实验室的研究“。 南京航空航天大学硕十学位论文 美国m i c h i g a n 大学化工系创建的v r i c h e i 。( v i r t u a lr e a l i t yi nc h e m i c a l e n g i n e e r i n gl a b o r a t o r y ) 将虚拟现实技术应用在化学工程教育领域，设计了 多个虚拟实验，一些原型虚拟实验室已通过国际互连网对用户开放，允许通过 国际互连网在虚拟实验室进行交互式实验。 f l o r i d a 州立大学教育训练研究院建立的v s l ( v i s u ms y s t e m sl a b o r a t o r y ) 虚拟实验系统，能够进行网络和并行计算、实时物理仿真等与虚拟实验相关的 支撑技术的研究，并丌发了第一例v r3 dc a d 虚拟设计系统。 德国r u h r 大学网络虚拟实验室是一个有关控制工程的学习系统，它通过直 观的三维实验场景视觉效果，依赖各虚拟实验设备的仿真特性，实现对虚拟实 验的交互式操作。此外，还有其他一些虚拟实验系统在国外己开始投入使用。 在国内，对虚拟实验室的研究还处于起步阶段，部分高校进行了研究： 中国科学技术大学的大学物理虚拟实验室把虚拟实验用在教学演示与物理 实验方面，是全国第一套真正意义上的虚拟实验教学软件。它用计算机制作的 虚拟智能仪器代替价格昂贵、操作复杂、容易损坏、维修困难的实验仪器，具 有操作简便、效果真实、物理图像清晰、着重突出物理实验设计思想的特点。 南京大学建立的分析化学大型仪器虚拟实验室，可以在虚拟实验室中对实 验仪器虚拟操作。浙江大学的“大学工程化学实验系统v l 。a b s ”基于网上虚拟现 实技术提供了一系列工科化学实验的网一l 仿真。 上海交通大学电子信息学院研制了一套机器人远程控制系统。该系统基于 c s 模型的远程控制，实现对机器人的运动及产品加工控制。客户端和服务器上 以完全对按的自定义r p c ( 远程过程调用) 为通信协议基础。由于带宽的限制，该 系统主要用于局域网的远程实现。 此外，清华大学、西安交通大学、上海交通大学、西北工业大学等大学也 建立了虚拟实验室，方便学生学习或者用于科学研究。以上研究都致力于让人 们在虚拟实验室进行模拟实验，或是在i n t e r n e t 上演示实验的模拟结果。 目前，虚拟实验室正朝着网络化、专业化、逼真化的方向发展。 由于网络的出现，虚拟实验是有从本地化向网络化发展的趋势，这样促进 了资源共享，信息的交流，避免了虚拟实验室的重复建设。同时，虚拟实验室 将会普及到各专业中去，虚拟实验室将更加专q k 化，技术含量会越来越商。运 用现在快速发展的越来越丰富多彩的软件技术，将使虚拟实验室更加逼真，交 互性更强，实验内容更加精彩。 基r 虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验室 1 13 虚拟实验室的分类 虚拟实验室的形式根据应用方向的不同多种多样。 按照虚拟实验室脱离原来的真实实验的程度可分为：半虚拟虚拟实验和纯 虚拟虚拟实验。半虚拟实验室部分的脱离实验环境，比如保留部分硬件。纯虚 拟实验完全模拟真实实验所需要的条件和环境，在计算机上就可以进行的实验。 依照实验群体的大小可分为，单机型虚拟实验和多机型虚拟实验。对于比 较小的，单人实验，一台计算机即可以完成任务，而对于大型的实验，需要大 量的数据处理和信息资料时，就需要多机多人的协作实验。 根据虚拟实验室的位置不同，可由本地虚拟实验室和远程虚拟实验室之分。 远程虚拟实验室借助于网络等通讯方式，使异地的实验者能够进行实验。网络 虚拟实验是在i n t e r n e t 上采用远程数据及图像( 声音) 采集、远程控制技术、计 算机仿真技术、虚拟现实等技术，使实验者从异地计算机设备上可以进行实验 操作和观察，所得到的结果与本地得到的数据结果完全等价，如同真实操作实 验设备一样。 根据虚拟实验室的实现方式韵不同，可以分为基于虚拟仪器的虚拟实验室， 基于虚拟现实的虚拟实验室、基于动画的虚拟实验室等等。 1 1 4 虚拟实验与虚拟现实和仿真试验 虚拟实验是科学实验的一种，它是按照严格的事物的原本逻辑和实验规律 来操作的，是建立在真实实验的基础之上的。 对真实实验事件的模拟，除了虚拟实验还有虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ， 简称v r ) 与仿真实验( e m u l a t i o n a le x p e r i m e n t ) 。从产生来看，三者是一脉相 承的。从实验对象来看，三者面对的都是虚拟的实验模型，在虚拟现实中是三 维模型，在仿真试验中是数学模型，它们都不是实物，都是依靠储存在记忆元 中的信息来获得自身规定性的虚拟物。从实验条件来看，三者都依赖于一种能 进行存储、计算、推理的实验“设备”一计算机，在这里计算机显然是人脑这 个思维器官的延伸物，是对人脑功能部分的模拟。从实验过程来看，虚拟实验、 虚拟现实与计算机仿真一样，都不涉及实际的物理、化学、生物等过程，三者 进行的实验过程都是计算与逻辑判断。但是它们之间还是有区别的。 虚拟实验与虚拟现实的区别。虚拟现实侧重于对真实世界特别是以人的感 南京航空航天大学硕士学位论文 官能感知的世界物体的逼真再现，然后又加载到人的各个感觉器官( 眼睛、耳 朵、手等) ，让人的感觉又置身到真实世界。比如，在模拟驾驶系统中，实验者 进入专用的驾驶实验问里，就和真实的汽车驾驶室早一样，有方向盘、刹车等， 驾驶者操纵这些设备，就可以通过视景、声音、驾驶座的动作，感受到汽车的 速度、震动、汽车启动、加速、转弯、刹车甚至碰撞的动作，就如同正在驾驶 一辆真实的汽车。虚拟现实对图形图像的处理要求很高。虚拟实验室则不过于 注重视觉效果的真实逼真，而侧重于对事物内部特征和特性的放大、再现，事 件的发展和演变过程的研究。对图像的分辨率、质量、复杂度、真实性都不是 很高，不需要特殊的专用设备，如头盔式显示器、数据手套等，在普通微机上 即可体验虚拟实验环境，操纵虚拟的物体。对于科学研究和教育领域更需要的 是虚拟实验室”1 。 虚拟实验与仿真试验的区别。仿真试验一般是对事物现象过程的高度提炼， 注重于事物现象的本质变化，往往以抽象的数据图表来显示，只有专业人士才 能领会其中的内容信息，仿真系统的模型建立具有相当的困难，仿真实验必须 与设备内在的本质关联、外在形式( 图形、图像、声音等) 完全模拟真实实验， 其模型的精度将直接影响到实验的可靠性，在这方面的困难大大限制了其可操 作范围。在实际设备的实验中，由于经常存在着各种环境的干扰，因此每个人 的实验操作结果都是不一样的，而现实的世界也正是如此在仿真实验中，仿真 模型一般是理想化的，很难考虑实际操作中的外界干扰。实验者无法体会到真 实的操作所引起的后果，因此会导致其缺乏对于真实情况的应对能力。因此， 在那些需要得到真实系统运行情况的学科实验，仿真实验系统是不合适的。 虚拟实验是与两者相容的。总之，虚拟实验与虚拟现实和仿真实验既有联 系又有区别，相互之间存在渗透和包含。 1 2 传感器虚拟实验室 1 2 1 课题研究的背景与意义 传感器是一种测量装置，它感受或响应被测量，并按照一定的规律转换成 可用输出，以满足信息的转换、处理、存储、记录、显示和控制等要求。传感 器作为测试系统的感知部分和信号来源，是实现自动检测和自动控制的首要环 基于虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验室 节，是工业自动化，测量监控的基础，自动监测与控制离不丌各种各样的传感 器。传感器的发展、应用水平影响着科学技术的发展。传感器在科学技术、工 业自动化、自动检测的应用越来越广泛，因此掌握传感器的原理、性能特点和 使用方法就越来越重要”1 。 传感器实验就是通过对传感器施加电源或激励信号，再施加感应信息，通 过测量电路，测试传感器的电特性变化，从而得到传感器的特性曲线的过程。 传感器是理工科的一门必备知识，更是检测专业的专业课，是前期纯电路、 理论学习向工程实践应用的转移。通过实践环节，即锻炼动手能力，又加深理 论知识的理解。随着传感器技术不断发展，传统传感器实验显现出一些弊端： 1 传感器的种类越来越多，其原理也各式各样，近几年出现的很多新式传感 器结构很复杂，往往是与其他学科交叉相结合的产物，原理深奥，应用方法也 是多种多样，不可能都及时提供实验。 2 传感器的内部结构、材料等如同黑匣子，从外部无法得到感性认识。 3 传感器的信号调理复杂多样，不同传感器需要不同的变换电路。 4 作为很重要的一个实践环节，现有传感器的实验只能对应几种简单传感 器，进程时间都花在数据的采集过程中，不能抓住重点，即传感器的信号特性 分析上。所需要的实验仪器如示波器，万用表等却一样不少。 5 传感器的应用方法很多，都需要和数据处理结合，实验时间有限，需要 事后处理。 随着计算机技术、微电子技术的日益成熟和发展，测试技术发生了很大进 步，信号的转换、采集与处理有了更好的方法，虚拟仪器技术的产生使测试向 自动化方向发展。 同时，计算机硬件与软件技术、多媒体技术、仿真技术和虚拟技术的迅速 发展，使得用现代新技术改革传统的实验教学方式成为可能。在课堂上，应用 投影仪与幻灯片，把老师从繁忙的板书中解放出来，以便和同学们进行更多的 交流。在课下，基于i n t e r n e t 的网络技术，很多课件和知识可以搬到网站上进 行浏览和温习。 通过虚拟实验室，可以随时将传感器实验搬到课堂上进行演示，理论联系 实践，实现“实验室走进课章，“仪器”搬上讲台，现场操作仪器，动态显示 测试原理，强化了教学效果。在课下，还可以使每个学生立刻进入“虚拟实验 室”，“实地”反复操作仪器，教师也不必担心“仪器”会被损坏。这样可以大 6 南京航空航天人学硕十学位论文 大提高学生们在实际操作中的动手能力，提高实验教学的效果。 传感器虚拟实验室能够复现实验内容，对实现过程的细节放大，加深实验 的感受，为实验者提供大量的实验机会，并且通过计算机的广博，对传感器的 各方面起到系统的便捷的学习，这在普通的实验台根本无法比拟。同时，发展 虚拟实验室，能够节约大量资金和物力，减少器件的损坏，并且能够不断更新， 利用现有的丰富的计算机资源，进行学习、设计和仿真。 目前，在国内还没有传感器虚拟实验室，而传感器实验是各类专业非常重 要的基础课程，因此它的建立是有很重要得意义。 122 传感器虚拟实验室的功能特点 传感器虚拟实验室是以计算机技术和测试理论为基础，真实显现传感器的 内特性和外特性的虚拟实验室。它能够准确表达传感器的静特性、动特性和工 作原理，再现传感器信号的采集、处理过程，直至最后提取有用信息，甚至包 括实验结论的生成。简单的说就是利用虚拟实验室模拟各种传感器实验的全过 程。通过虚拟传感器和传感器实验的过程，来展现传感器的原理特性。传感器 虚拟实验室主要完成以下功能： 1 详细的再现传感器的测试过程、现象，以及其他相关知识，比如信号处 理、检测技术等方面的。在虚拟实验之后，再作相应的真实实验，会有很大的 收获。 2 逼真的演示传感器的内部构造与组成，以及在感应信号时发生变化的原 理，有良好的互动性。 3 通过网络，提供当前传感器的各种信息，了解其研究发展，应用领域， 应用方法，生产厂家等比较前沿的信息。 1 3 本课题研究主要内容 1 ，3 1 传感器虚拟实验与虚拟实验室的实现方法 创建虚拟实验室的方法很多，目前常见的虚拟实验软件大多是基于课件的， 其优点是操作简单、开发费用低、易于维护、表现形式生动。但这种形式只能 荦墨屯演示实验，实验者不能按照自己的要求设计实验，且交互性差。 基于虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验室 虚拟实验室需要有交互功能和再现功能，交互性主要是指使用者的可操作 性和虚拟实验室的反馈能力，再现能力是指实验的过程现象的模拟，主要集中 在文字图像图形方面，因此虚拟实验室的开发也着重在这两点的实现上，现有 的一些开发技术有以下几种“： 一、应用程序形式，可以用很多开发软件制作，比如v b 、v c 、d e l p h i 、p b 等，开发难度随着功能和表现力的增加而加大，以前的c a i 等教学辅助课件， 大多是这样丌发的。 二、基于图形的多媒体软件，有f l a s h 、s h o c k w a v e 、v r m l 技术、3 d m a x 等， 这些软件可以有很强的图形表现能力和一定的交互性。 三、专用软件，如e w b 电子工作平台，a u t o c a d 、l a b v i e w 虚拟仪器技术等 是针对与某些专业而定制的，操作性和图形表现力都很强。 其中，虚拟仪器技术，是针对使用各种仪器仪表的工程师设计的，可以通 过虚拟仪器的面板和功能，来完成各种实验设计，有很强的交互性，和强大的 仪器功能，有比较强的表现能力。 四、通用仿真软件，如m a t l a b 等，是一种通用的工具平台，侧重于数据处 理和控制仿真，交互性一般，表现形式就是数字与图形，比较抽象，使用时要 建立复杂的数学模型。 虹，网络虚拟实验室，由于网络的包容性很大，前面的几种技术基本上都 可以融合到网络中，在网络中既可以加入二维和三维的多媒体动画又可以加入 很多的文字图片帮助，还可以加入应用程序制作的各种a c t i v e x 控件，有着丰 富的表现力，同样由于动态网络编程技术a s p 、a p p l e t 、d h t m l ，j s p 以及相应 的编程语言j a v a ，j a v a s c r i p t ，v b s c r i p t 等，使网页的交互性很强，现在，基 于网络的虚拟实验室，已经是虚拟实验室的重要表现形式。 结合传感器实验主要以仪器仪表测量和数据分析为主的特点，故采用虚拟 仪器技术为主进行传感器虚拟实验室组建。 在传感器实验中，需要大量的测量分析仪器设备，有些比较先进的仪器设 备价格昂贵，比如数字示波器，因此仪器设备所需投资巨大一般学校很难满足。 运用虚拟仪器不但可以节约大量仪器设备的经费投入，而且能够提高教学科研 的质量与效率。并且虚拟仪器可以自定制功能，又不怕损坏，对于学生不断的 操作实践非常适合。在很大程度上调动了教师和学生的实验积极性。尤其是虚 拟仪器技术与i n t e r n e t 技术结合，可以实现更大范围的资源共享，实现远程， 南京航空航天人学硕十学位论文 网络化教学。使得学生可以随时随地进行学习。 1 3 2 本课题的主要工作 本课题所做的工作就是根掘传感器实验的特点，充分发挥计算机系统的优 势，应用虚拟仪器技术和网络技术，实现基于虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚 拟实验室，并且能够通过互联网络进行虚拟实验。 本课题主要工作有以下方面内容的研究： 1 对虚拟实验及虚拟实验室的概念及实现技术进行论述。根据传感器实验 的具体情况，选择虚拟仪器为传感器虚拟实验室的主要开发工具。 1 通过虚拟仪器开发软件l a b v i e w ，设计并实现传感器虚拟实验，实现传 感器实验的数据采集及特性分析。 2 将虚拟仪器的网络功能融入到实验中，实现传感器虚拟实验的网络化。 3 在虚拟实验室中运用多媒体技术对虚拟实验进行补充，增加动画等功能。 4 对以后传感器虚拟实验室的发展做了展望。 q 基于虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验窒 第二章虚拟仪器技术 仪器是实验的基础。传感器实验需要使用多种仪器，这些仪器不仅价值昂 贵，体积大，占用空间多，而且相互连接也十分麻烦。对于不同的传感器，其 激励信号、感应的信号形式、信号调理各不相同，实验所需的处理也不一样， 需要的专用测试仪器。利用虚拟仪器，用户可将信号激励、数据采集、仪器控 制硬件以及原有的仪器设备进行整合，构成符合需求的测试系统。 2 1 虚拟仪器简介 211 虚拟仪器的概念与特点 随着微电子技术、计算机硬件技术、软件技术、网络技术的高度发展及其 在电子测量技术与仪器领域的应用，新的测量理论、新的测试方法、新的测试 领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破传统仪器的概念，电子 测量仪器的功能和作用发生了质的变化。低成本高性能的计算机技术引入仪器 领域，数字化平台逐渐成为测量仪器的基础，计算机处于核心地位，仪器丌始 朝着智能化、数字化和网络化方向发展。 8 0 年代术，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 研制成 功第一台虚拟仪器，最早提出了虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 的 概念3 。 虚拟仪器是以通用计算机为核心的硬件平台，其功能由用户设计和定义， 具有虚拟面板，其测试功能由软件来实现的一种计算枫仪器系统。它的实质是 利用计算机显示器的显示功能来模拟传统计算机仪器的控制面板，以多种表达 方式输出检测结果。使用者使用鼠标或键盘操作虚拟面板，将计算机资源和通 用仪器硬件( 插入式数据采集卡、数据通信接口、g p i b 接口卡、v x i 控制接口 卡及其它接口卡) 与用于数据采样、过程控制、数据分析处理及用户图形界面 的计算机软件有效地结合起来，就组成了虚拟仪器。 虚拟仪器以特定的软件取代相应功能的电子线路，用计算机完成传统仪器 南京航空航天大学硕士学位论文 的部分乃至全部功能，是传统仪器功能与外形的模块化和软件化。虚拟仪器技 术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式。用户借助通 用的仪器硬件平台，调用不同的测试软件，就可以构成不同功能的仪器。它的 出现使测量仪器与计算机之间的界线消失，开始了测量仪器的新时代。 传统的测量仪器主要由三个功能块组成：信号的采集与控制单元、信号的 分析与处理单元、结果的表达与输出单元。由于这些功能块基本上是以硬件和 固化的软件形式存在，仪器只能由生产厂家来定义制造，因此传统仪器设计复 杂、灵活性差，没有摆脱独立使用，手动操作的模式，整个测试过程几乎仅限 于简单的模仿人工测试的步骤，在一些较为复杂和测试参数较多的场合下，使 用起来很不方便。 决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器 的关键是软件”。虚拟仪器与传统仪器相比，有以下特点1 ： 1 ) 将信号的分析、显示、存储、打印和管理集中交由计算机来处理。充分 利用计算机技术，完善数据的传输交换等性能，使得系统组建变得灵活、简单。 2 ) 软件充当以往硬件的角色。减少了许多可能随时间漂移、需定期校准的 分立模拟硬件，使用标准化总线，系统的测量精度、速度都大大提高。 3 ) 而虚拟仪器可以通过几个分面板来实现比较复杂的功能。分面板上功能 操作单纯化，面板布置简洁化，提高操作的正确性与便捷性。 4 ) 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功 能，造价低廉。 5 ) 仪器的功能由用户根据需要自行定义，而不是由厂家事先定义好的。虚 拟仪器可以通过改变软件的设置来适应用户的特殊需要，其功能更加灵活。 6 ) 可将不同的仪器功能有序地集成，通过与专用的硬件板卡的搭配，一台 虚拟仪器可以实现多台仪器的功能，方便测试仪器的操作，降低了费用。 7 ) 虚拟仪器的开发主要是软件的开发，与传统仪器相比，开发费用和时涮 大为降低，也降低了测试仪器的操作维护的时问与复杂性，易于实。 8 ) 仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件，易于扩展升级， 9 ) 虚拟仪器丌放灵活，可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。 21 2 虚拟仪器的应用与发展 虚拟仪器广泛应用于电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、 基丁虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验室 声学分析、故障诊断及教学科研等多方面。 虚拟仪器在发达国家中的设计、生产、使用已经十分普及。在美国，虚拟 仪器系统及其图形编程语言，已作为各大学理工科学生的一门必修课程。与此 同时，美国h p 公司、泰克公司等公司也加入了研制虚拟仪器的行列。在我国， 虚拟仪器设计、生产、使用也逐渐起步，有几家企业在研制p c 虚拟仪器，产品 已达到一定的批量。国内专家预测：未来的几年内，我国将有5 0 的仪器为虚 拟仪器，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试、实验仪器的主流。 随着网络时代的到来和信息化要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器 领域中是虚拟仪器发展的大趋势。其一般特征是指将虚拟仪器、外部设备、被 测试点以及数据库等资源纳入网络，实现资源共享，共同完成测试任务。使用 网络化虚拟仪器，可在任何地点、任意时刻都能获取测量数据信息。与以计算 机为核心的虚拟仪器相比，网络化虚拟仪器是仪器发展史上的又一次革命。网 络化虚拟仪器将由一台虚拟仪器实现的数据获取、数据分析及图形化编程三大 功能分丌处理，分别使用独立的基本硬件模块实现传统仪器的三大功能，从而 实现信息资源的共享。 2 13 虚拟仪器的构成与分类 虚拟仪器在通用计算机环境中，依托功能强大的处理单元和高速的数据总 线，利用v c 、v b 、l a b v i e w 等虚拟仪器软件平台，在屏幕上构建与真实仪器类 似的可视化软面板，通过软面板上的虚拟控件控制底层硬件，用功能强大的软 件完成信号的采集( 实时或事后) 、分析、显示和存储，并给出检测结果。 虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成。 2131 虚拟仪器的硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分： ( 1 ) 计算机：一般为一台p c 机或者工作站，它是硬件平台的核心。 ( 2 ) i o 接口设备：主要完成被测信号的采集、放大、模数转换等。可根 据不同的总线采用不同的i o 接口硬件设备。i o 接口设备主要有五种方式： a 、p c 总线一插卡型指的是基于计算机标准总线( 如i s m i n d u s t r ys t a n d a r d a r c h i t e c t u r e ) b u s 或p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) b u s 等) 的 南京航空航天人学硕士学位论文 内置功能插卡，即p c d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集卡。插卡式仪器价格 最便宜，且个人计算机数量非常庞大，因此其用途广泛，特别适于教学部门和 各种实验室使用。本课题开发的虚拟仪器实验室系统就属于该类型，借助于插 入计算机内的数据采集卡与专用的软件( 如l a b v i e w ) 相结合，完成测试任务， 并通过a d 变换将模拟信号采集并输入计算机进行分析、处理、显示，并可通 过d a 转换实现反馈控制。还可根据需要加入信号调理和实时d s p 等硬件模块。 它充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利，但a d 转换技术的好坏 直接影响其测量精度。 b 、g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用总线接口，g p i b 技术是 i e e e 4 8 8 标准早期的发展阶段。g p i b 测量系统的结构和命令简单，适合于要求 高精确度的场合，但不适宜进行数据的高速传输。 c 、v x l ( v x i b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u e m e n t ) v x i 是高速计算机总线v m e 总线在v i 领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的电磁屏 蔽是开放性仪器总线标准。然而，组建v x i 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌 入式控制器，造价比较高。 d 、p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t ) 是p c i 在仪器领域的扩展，是 一种新的开放性、模块化仪器总线规范。具有工业级的制造标准，更适应苛刻 的工作环境。 e 、远程总线数据接口( r s 一2 3 2 、u s b 、i e e e l 3 9 4 、e t h e r n e t 等) 与前面几 种总线相比，它的接口简单，使用方便。随着数字化的发展，很多设备将信号 转换成数字信号后进行传输。这样可以保证数据的精度不丢失，且不易受干扰。 2 1 3 2 虚拟仪器的软件平台 硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。丌发虚 拟仪器，必须有合适的软件工具。目前已有多种虚拟仪器的软件丌发工具，比 较常用的有： ( 1 ) 文本式编程语言：如基于传统语言的c 、v i s u mc h 、v i s u mb a s i c 、 l a b w i n d o w s c v i 等，采用大家比较熟悉的语言，拥有众多函数和类库，适应面 广，丌发灵活多变，可以自己丌发驱动程序等。往往用来开发大型的、功能复 杂的仪器软件，但开发人员需有较多的编程经验和较强的调试能力。 ( 2 ) 图形化编程图形组态软件：如l a b v i e w 、h p v e e 等。可以不用管理内 基丁虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验宝 部数据的分配等问题，捌有逼真的仪器面板元件，图形化的常用模块，智能化 的数据连线，简便易用、丰富多彩的函数库和工具包。软件通过建立和连接图 标来构成虚拟仪器工作程序并定义其功能，具有编程效率高，通用性强的特点。 适合对v c 等大型开发软件不熟悉的人员，软件规模不很大的系统。 这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便与 良好的j 丌发环境。 21 3 3 虚拟仪器的分类 根据虚拟仪器与硬件结合的程度，虚拟仪器的应用主要分为两类： l 纯虚拟仪器。虚拟仪器完全代替某种真实仪器设备、无需真实仪器设备 参与即可完成全部仪器功能。如使用串1 3 的数据采集设备。 2 半虚拟仪器。具有仪器功能，但计算机在系统中主要起控制和显示的作 用，需要与使用对象以标准接口硬件设备相结合构成仪器系统。例如虚拟信号 发生器，虚拟示波器等等。 由此，基于虚拟仪器的虚拟实验也分为两类： ( 1 ) 纯虚拟仪器构成的实验。对真实实验系统进行模拟仿真，测量对象、分 析处理、结果显示等等均由虚拟仪器实现功能。 ( 2 ) 基于虚拟仪器硬件平台结合真实对象的虚拟实验，即结合仪器的硬件和 计算机资源来替代原来的测试设备。 2 2 虚拟仪器的设计与开发 2 2 1 虚拟仪器的设计 虚拟仪器的设计方法与实现步骤和一般软件的设计方法和实现步骤基本相 同，只不过虚拟仪器在设计时不需要考虑硬件部分的设计。虚拟仪器的设计包 括：接口仪器驱动程序的设计、仪器面板的设计与仪器功能算法的设计三部分。 ( 1 ) 接口仪器驱动程序的设计 根据仪器功能要求，确定仪器的接口标准。一些通用的接口如r s 2 3 2 等， 很多丌发程序都提供驱动程序。 ( 2 ) 设计出虚拟仪器丌发平台上的面板 南京航空航天火学硕十学位论文 ( 3 ) 仪器功能算法的设计 采用虚拟仪器开发平台设计的基于p c d a q 的虚拟仪器测试系统结构如图 2 i 所示。 电量传感器f = ： 设 虚拟仪器面板 信 数 备 号 据 驱 虚拟仪器软件 非电最传感器 处 采 动 理 程 电 集 序 虚拟仪器软件平台 路 卡 其他传感器 。计算机 图2 1 虚拟仪器测试系统结构图 图2 1 所示的虚拟仪器测试系统的流程如下： 1 传感器接受被测信号，将被测信号转换为电量信号； 2 信号处理电路将传感器输出的电量信号进行整形、转换和滤波处理，变 成标准信号： 3 数据采集卡采集电压信号，转换为计算机能处理的数字信号； 4 通过设备驱动程序，数字信号进入计算机； 5 在虚拟仪器软件平台下，调用信号处理函数； 6 虚拟仪器面板： 7 形成具有不向仪器功能的应用程序。 从上面的步骤可以看出，在计算机和仪器等资源确定的情况下，有不同的 处理算法，就有不同的虚拟仪器，由此可见，软件在虚拟仪器中的重要作用。 因开发软件不同，虚拟仪器有不同存在形式：以程序形式存在，如l a b v i e w 的v i 程序：以应用程序形式存在，如由v c 、v b 等编制的可执行文件；以控件 形式存在，如嵌在网页上或软件旱。 2 2 2 基于l a b v i e w 的虚拟仪器设计 2 2 21 l a b v l e w 概述 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是n i 公司开发的一种基于图形化编程的虚 拟仪器丌发语言，是一种类似于v b 、v c 的、功能强大而又灵活的编程环境。“。 基于虚拟仪器的传感器虚拟实验与虚拟实验室 l a b v i e w 是基于图形的丌发、调试和运行程序的集成化环境。由于采用流程 图的图形化编程方式，因此也被称为g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e