基于LabView信号的处理网络虚拟实验室设计方法

1、基于 LabView 信号的处理网络虚拟实验室设计方法070412215 常岩峰摘要：阐述了构建网络虚拟实验室的必要性，着重讲述了应用数据库技术和网络化虚拟仪器技术构建网络虚拟实验室的方法，即 利用 LabView 自带的数据工具包 LabSQL 和 LabView 中的 DataSocket 技术进行通信虚拟仪器设计。 应用基于三层 C/S(Client/Server 客户机/服务器)模式的 DataSocket 技术，设计实现了自相关函数演示仪等试验仪器及试验数据的远程共享和试验仪器设备的远程 控制。关键词：网络虚拟实验室；LabView；远程共享；远程控制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随着计算机技术、仪器技术的迅速发展，虚拟仪器的研究有了很大的进步，目前，国内外对虚拟实验室都有 研究，如美国剑桥大学、美国卡耐基-梅龙大学、清华大学、上海复旦大学等。 并取得了一定的成果，如美国波兰 特大学

5、电机工程系建立了一个基于虚拟仪器的功能完善的实验室，已经在几门课中得到应用，Klevin 工程技术 学院、Glasgow Galedonian 大学利用虚拟仪器组建数据采集和控制系统，用于测试内燃机的性能数据并分析处 理，费用少，高集成，高效率1-2。 这些足以表明，虚拟实验室被广大高校所认可，并逐步用虚拟实验室补充和替 代传统的实验室。 但是这些虚拟仪器实验室还存在空间和时间的限制，以及还没形成一个完整的实验体系，只 实现了部分实验仪器的功能。 另外，如果购买现成的虚拟仪器产品也会存在一些不足：（1）实验电路和虚拟仪 器由厂家“固化“生产，学生只能根据现有的实验条件进行实验，不利于培养学生的

6、创新能力3。 （2）得到的是一 个集成的实验室，厂家不会提供开发软件的平台，也不会提供关键技术，这样导致购买后的虚拟仪器产品很难 更新。 （3）价格比较高。 因此，本研究利用 LabView 开发平台，开发示波器等虚拟仪器产品，设计实现了结合数 据库技术的网络化虚拟实验室。1虚拟实验室开发技术1.1虚拟仪器技术图形化软件开发环境 LabView(laboratory virtual instrument engineering workbench)是目前实现虚拟仪器软 件设计最流行的工具之一4-5。 虚拟仪器技术是指将计算机系统与仪器系统技术结合起来，用户可通过友好的 图形界面来操作计算机，而

7、完成被测量数据的采集、分析、显示、存储等操作6-7。1.2数据库技术 LabSQL 是 LabView 数据库访问工具包。 它具有多数据库、跨平台等特性。 LabSQL 对数据库的访问是通过 利 用 Microsoft ADO 以 及 SQL 结 构 化 查 询 语 言 完 成 的 ， 将 复 杂 的 底 层 ADO 及 SQL 操 作 封 装 成 一 系 列 的 LabSQL VIs。 LabSQL VIs 可分为四类，即：Command VIs、Connection VIs、Recordset VIs 和 Top Level VIs8。 利 用 LabSQL 访问数据库的过程如图 1。 这

8、是实验室系统用户注册的部分代码， 用到了 Connection Vis 和 Top Level Vis，访问数据库首先要建立数据源，这里的数据源是 DSN_Example, Connection Vis 建立连接，打开连 接，Top Level Vis 执行 Sql 语句，最后关闭连接。图 1 利用 LabSQL 访问数据库Figure 1 The database access using LabSQL1.3基于 3 层 C/S(Client/Server 客户机/服务器)模式的 DataSocket 技术三层 C/S 结构模式是在两层 C/S 模式的基础上，增加了新的一级9。 这种模式在功

9、能上将应用功能分为 3 层，即：客户显示层、业务逻辑层、数据层。 DataSocket 技术是 NI 公司推出的面向测控领域的网络通信技术。 该 技术基于 Microsoft 的 COM 和 ActiveX 技术对 TCP/IP 协议进行高度封装，应用于测量和自动化，共享和发布实 时数据10。2设计案例2.1仪器选择图 2 实验系统前端面板Figure 2 The front plate of the experiment system设计了 5 种网络虚拟实验仪器，分别是双通道虚拟示波器、相关法测量相位差仿真仪、双通道频谱滤波器、 信号发生器、自相关函数演示仪。 实验系统前端面板如图 2，本

10、研究以相关法测量相位差仿真仪为例，介绍系统 设计实验仪器的思路和方法。 学生用户登录后进入的实验系统前端面板（图 2）。 该相关法测量相位差仿真仪的 功能是可以计算两个幅值已知的同频率正弦仿真信号 x(t)与 y(t)的相位差。 这是学生登录后，在菜单中点 击双通道虚拟示波器后的界面，通过这个界面学生可 以使用双通道虚拟示波器完成实验。2.2数学方法相关法是利用两个同频正弦信号的 延时在 t=0 时的互相关函数值与其相位差的余弦值成正比的原 理获得相位差。 假设有两个同频信号 x(t)与 y(t)都被 噪声污染，数学公式为：x(t)=Asin(0t+0)+Nx(t)y(t)=Bsin(0t+1

11、)+Ny(t)式中：A、B 分别为 x(t)、y(t) 的幅值，Nx、Ny 分别为噪声 信号，两个信号的相位差为： 0。0相关法测量相位差的原理为 Rxy()=1/TTx(t)y(t+)dt，其中，T 为信号周期，将 x(t)和 y(t)代入上式后，可得公式为：当 t=0 时，有： 在理想情况下，噪声和信号不相关，且噪声之间也不相关，上式积分后得：因此有：=1-0=arcos2Rxy(0)/AB。2.3设计实现图 3 相关法测量相位差仿真仪前端面板Figure 3 Front plate of correlation method measuring phase difference simu

12、lation instruments首先在前面板上放置 1 个显示型数字控件， 用于显示相位差测量的结果 ，单位为度；放置 1 个输出波形显示器，用于观察两个信号的信号波 形；放置 1 个开关型控件，用于运行或关闭仪器； 放置 2 个数字控件，用于设置采样点数、采样频 率、信号频率 3 个参量，为两个正弦波信号发生 器所共用；放置 4 个数字控件，用于分别设置两 个正弦波的幅值和相位。 设计步骤为：（1）在“函 数选板”的子选项板上选择“正弦波”函数，将其 放置于 while 循环结构中， 可以分别产生两个正 弦信号。 然后在“函数选板”的子选项板上选择 “互相关”函数，用于计算两个正弦信号的

13、互相关 函数值， 然后用得到的相关函数值除以采样点 数。 （2）在“函数选板”的子选项板上选择“索引数组”函数，用来获取 =0 时的互相关函数值，该数值是互相关函数图标的第 n-1 个输出值。 互相关函数的所有的 2n-1 个值都输入到“索引数组”中，当它的输入端输入参数设置为 n-1 时，其输出即为第 n-1 个互相关值。（3）在“数学”的子选项板上选择“反余弦”函数，用来计算上述得到结果的反余弦弧度值，因为前面板要求显示 角度值，故需要进行转换，其转换公式为：角度=180×弧度/。 相位差仿真仪前端面板如图 3。3结论本研究基于 LabView 软件平台设计了信号处理网络虚拟实验

14、室系统， 实现了利用计算机网络进行实验仪 器操作的模拟和仿真。 所设计的虚拟实验室系统包含双通道频谱滤波器等 5 种实验仪器。 该网络虚拟实验室 较以往的虚拟实验室实现了网络化 ， 使学生做实验不再受时间和地点的限制 ， 且实验开发工具仅用到了 LabView，数据库技术和网络技术都是 LabView 自身带的，这使得该软件系统易于更新和维护，可以随时加入新 的算法和研究成果，使得虚拟仪器的性能和功能不断地完善。 开发费用也较少。 随着计算机技术的不断发展和 远程教育的不断完善，网络化的虚拟实验室具有很好的发展前景。参考文献：1 郑笑建,杨马英,刘萍先.控制系统网络虚拟实验室J.计算机工程与应用，2004，（10）：146-149. 2 魏克新.基于 LabView 的电力电子虚拟实验室的构建J.现代科学仪器，2007，（03）:23-25.3 郑利锋.虚拟仪器实验室设计与实现D.西安：西安交通大学，2002.4 岂兴明.LabView 8.2 虚拟仪器设计入门和开发M.北京：人民邮电出版社，2008. 5 张 凯.LabView 虚拟仪器工程设计与开发M.北京：国防工业出版社，2004.6 姚娅