基于虚拟仪器的检测技术实验系统设计

曾贵苓　王苹　段争光

摘要：结合实际教学过程和实训条件，提出将虚拟仪器应用于检测技术教学实验，提出了虚拟仪器在检测技术教学中的实施方案，并分别对系统涉及到的各个子模块方案进行探讨，简要列举了实验系统基于LabVIEW软件的实施过程，设计了实验管理系统，完成了系统的组网与远程发布。

关键词：虚拟仪器;LabVIEW;教学实验;二次开发

中图分类号：TP273+.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0136-03

0 引言

传统的实验方式给实验者以真实的操作体验，但是这种单一的方式已不能满足日益更新的教学要求。而虚拟仪器[1]具有很多突出的优点，比如：开发容易、灵活高效、功能强大易扩展、可操作性好等，是一款性价比非常高的新型设备，有着广阔的应用前景。但目前从国内外现有的虚拟实验系统[2-3]来看，技术手段先进模块固化但成本高，对侧重教学且经费短缺的普通职业院校来说专业性过强，不具有普遍适用性。本文针对检测技术类常规教学环节中的实训，进行了虚拟实验系的设计，系统还增加了实验管理模块和联网远程发布模块，提高实训管理的效率和共享的便捷。构建虚拟仪器实验室，利用软件实现了实验设备的二次开发[4]，大大挖掘了实验设备的潜能，充分调动利用实验资源，大大解决了当今实验面临的各种重大难题。

1 实验系统的功能设计

整个实验系统在功能上划分为4个模块[5]（如图1所示）：一是仿真信号实验模块，二是真实信号实验模块，三是实验管理模块;四是联网及远程发布模块。

2 实验系统的组成

实验系统由系统服务器、各类实验仪器平台、数据采集卡和远程实验客户端组成[6]。系统服务器负责数据的存储、实验资源的管理、共享以及控制等功能，是系统的核心;实验平台主机和各类实验仪器平台以及数据采集卡组成实际信号实验操作平台;远程实验客户端安装LabVIEW[7]软件系统，联网使用系统资源，单机可以开展仿真信号实验，也可以远程控制、读取“实际信号实验平台”，开展远程实际信号实验。系统通过局域网、城域网、互联网等方式进行联网。

3 实验系统子模块方案

3.1 仿真信号实验系统设计

仿真信号实验系统主要内容是由一个信号发生模块生成仿真信号，来实现信号描述及分析技术方面的8个典型实验平台功能。其系统架构如图2所示。实验系统的框图程序以典型的“生产者/消费者结构”[8-9]为基础，在“生产者”部分添加仿真信号的产生、分析以及处理等VI，在“消费者”部分添加数据的记录、存储和显示等VI。使用这样的方式便于模块化开发，也有利于提高系统运行效率。

3.2 真实信号实验系统设计

真实信号实验系统，根据教学实验的内容，其流程架构与仿真信号实验系统基本类似，其软件程序框图不再详细叙述。

4 实验管理系统

4.1 实验管理系统设计

在教学工作中，实验室的管理和实验的管理是一项十分重要的工作，特别是对实验的管理显得尤为重要，广大教师耗费大量时间精力，来进行实验的环境的搭建、实验跟踪指导、审阅实验报告、统计学生实验成绩等等，学生在实验过程中也要花费相当时间来登记实验数据、绘制相关曲线图、填写实验报告。因此本文重点设计了的实验管理功能，如图3所示。

实验管理系统系统具有实验指导功能、实验报告功能、实验管理功能及资源管理功能，对实验中等各类资源进行信息化管理，并确保实验数据资料的安全管控。

4.2 系统数据库构设方案

前述4个子系统特别是管理子系统的正常运行，需要频繁的存储和访问大量的数据。在虚拟仪器系统的开发过程中，一般的做法是利用LabVIEW本身提供的数据存储功能。然而，LabVIEW本身提供的存储方法虽然不少，但其存储容量比较有限，高职院校在校学生都在几千以上，实验系统会生成大量的数据，这时就需要用到专业的数据库来进行数据的管理，这也是基于模块化设计的思想。利用LabSQL[10]，这是一款第三方开发数据库工具包，是免费的。也是一种基于ADO（ActiveX Data Object）技术的数据库访问方式，通过已经封装好的子Vl就可以方便的访问数据库，使用起来非常方便，效率也比较高。

5 联网与远程发布

5.1 网络通信功能设计

LabVIEW软件在网络通信[10]方面，提供了十分丰富的网络通信组件，它集成了TCP、UDP等各种常用的以及特殊的通信协议。本文主要采用TCP和DataSocket两种技术。

（1）TCP通信。TCP协议通信一般采用Server（服务器）/Client（客户机）的模式。图4、图5就是采用该模式进行通信的。其工作流程是，数据客户端先打开TCP连接，从指定的地址进行数据读取操作;数据服务器端也打开TCP连接，并通过指定的端口（Port）向指定的地址发送指定的波形数据。

（2）DataSocket通信。DataSocket是LabVIEW专门提供的一种通信技术，为测量与控制提供通信支撑。DataSocket技术提供的工具包括：DataSocket Server、DataSocket ServerManager以及DataSocket函数库等，为了进一步规范数据传输操作、统一操作流程，还提供了如下技术规范：以DSTP开头的，统一资源的定位符URL（DSTP）以及文件格式。如图6所示。

5.2 远程网络发布

LabVIEW提供了一个已经部署好的网页服务器（即通常称的WEB服务器，Web Server），且已连接好。该网页服务器除了与常见的普通网页服务器一样可以發布WebPage（网页文档）外，一项特殊的功能就是可以方便地发布VI程序的前面板。客户端即使没有安装LabVIEW软件或者LabVIEW运行环境，也没有连接任何的仪器设备，但是通过网络连接运行VI的主机上的WEB服务器，可以远程动态地加载和运行远程实验服务器主机上的VI程序[11]。

6 結语

将虚拟仪器引入实验教学系统解决了实训设备短缺，维护困难等基本问题，同时可对现有设备进行二次开发，能实现设备功能的扩展、设备资源的共享等诸多优势。本文提出的实验管理系统，解决了传统管理的落后问题，在技术和流程上确保了实验报告数据的准确性、提交的及时性和管理的信息化，并完成了系统的组网与远程发布，无疑是对教学实训管理的一次革命。据文献表明目前在中等初等教育的实验系统中关于虚拟仪器的研究寥寥无几，本研究可进一步开发延伸到该领域。

参考文献

[1] 宁芬.基于LabVIEW的虚拟实验教学系统的研究与实现[D].长沙理工大学，2017.

[2] 穆春林.基于虚拟仪器的电子实验系统研究与设计[D].南京理工大学，2015.

[3] 吴玉峰，范洪辉.理工科高校电子设计与工程应用创新实践基地建设[J].实验技术与管理，2018，35（04）：223-226.

[4] 范珩.基于LabVIEW语言的模拟调制系统的设计[J].吉林工程技术师范学院学报，2018（12）：85-87.

[5] 杨光，齐秀彪，耿晨，张志宇.基于LabVIEW的控制工程基础课程虚拟实验的研究与开发[J].辽宁科技学院学报，2018，20（05）：47-48.

[6] 李瑞霞，李粉霞.基于LabVIEW的虚拟实验教学系统设计[J].长治学院学报，2014，31（05）：104-106.

[7] 吕婷，郑德聪，潘荣超，王嘉伟，刘文智，李建平.基于LabVIEW的应变信号采集系统设计[J].山西农业大学学报（自然科学版），2012，32（04）：364-367.

[8] 吴家存.面向半实物仿真环境的物理设备虚拟化技术研究[J].西南师范大学学报（自然科学版），2016，41（09）：68-74.

[9] 田彬.试析基于LabSQL的LabVIEW数据库访问技术[J].电子科学技术，2017，04（02）：42-44+68.

[10] 张民.远程虚拟实验平台及LabVIEW实验研究[D].太原理工大学，2010.

[11] 王雅楠.远程网络虚拟电子实验平台的设计与实现[D].西北师范大学，2013.

Design of detection technology based on virtual instrument

ZENG Gui-ling，WANG Ping，DUAN Zheng-guang

（Department of Electrical Engineering，Wuhu Institute of Technology，Anhui Wuhu  241006）

Abstract：Combined with the actual teaching process and the actual training conditions， this paper puts forward the application of virtual instrument to the teaching experiment of detection technology， puts forward the implementation plan of virtual instrument in the teaching of detection technology， and probes into each sub-module scheme involved in the system. This paper briefly lists the implementation process of the experimental system based on LabVIEW software， designs the experimental management system， and completes the system network and remote distribution.

Key words：virtual instrument;LabVIEW;experimental teaching;remote publishing