基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實驗系統設計

O 引言
20世紀80年代末美國成功研制了虛擬儀器，虛擬儀器的發展標志著自動測試與電子測量儀器領域技術發展的一個嶄新方向。虛擬儀器是利用PC機的顯示模擬傳統儀器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結果，由PC機的強大軟件功能實現信號數據的運算、分析、處理，由I／O接口設備完成信號的采集、測量與調理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統。
基于互聯網的遠程實驗是遠程教育的一個新的發展方向。遠程實驗從遠程計算機上進行實驗操作和觀察，所得到的實驗結果與本地得到的完全相同，如同在實驗室真實操作實驗設備一樣，突破了時空限制，極大地提高了實驗教育的靈活性。將虛擬儀器技術和網絡技術相結合，實現網絡化虛擬儀器，并結合電路其他元件的遠程控制，可實現基于虛擬儀器的遠程實驗。

1 LabVIEW簡介
LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)是美國NI公司推出的一種基于G語言(graphics language)的虛擬儀器軟件開發工具，具有各種功能強大的函數庫，包括數據采集、網絡通信、串口控制、數據顯示及數據存儲等。采用旋鈕、開關、波形圖等構造用戶界面。
LabVIEW提供了強大的網絡通信功能，TCP／IP(transmission control protocol／internet protocol)協議是Internet最基本的協議。函數庫的Communication子模板中提供了TCP節點，可以實現客戶機／服務器模式下的雙機通信。

2 遠程實驗系統總體設計
本文開發了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實驗系統，實現了遠程測量熱敏電阻溫度特性，遠程實驗系統結構框圖如圖1所示。

用戶打開客戶機，運行程序，在虛擬面板上可以設置鎖相放大器的相位調節、積分時間等參數。同時，通過虛擬面板可以改變加熱按鈕的狀態，用戶在客戶機的虛擬面板上點擊加熱按鈕，接通加熱電源，控制繼電器閉合，加熱電路開始給熱敏電阻加熱，該狀態值通過Intern-et和服務器送往實驗機。實驗機將接收到的加熱控制狀態通過串口送入單片機，通過單片機調節繼電器的狀態，從而控制熱敏電阻的加熱狀態。熱敏電阻的溫度由DSl8B20數字式溫度傳感器測得，送往單片機系統，通過串口將被測熱敏電阻溫度值讀入到實驗機中；音頻輸入電纜采集信號發生器輸出的參考方波和橋式電路輸出的電壓值，經聲卡模／數轉換器送入實驗機。實驗機中的被測信號通過服務器和Internet反饋給客戶機。用戶通過虛擬鎖相放大器和虛擬溫度計進行觀察和測量，得到熱敏電阻溫度特性曲線。

3 遠程實驗系統的軟件設計
遠程實驗系統采用C／S(client／server)模式，其典型運作過程為：
(1)服務器監聽相應端口的輸入；
(2)客戶機發出一個請求；
(3)服務器接收到此請求；
(4)服務器處理此請求，并把結果返回給客戶機；
(5)重復上述過程，直至完成一次會話過程。
客戶機與實驗機的通信利用TCP／IP協議實現。TCP協議是一個可靠的、基于連接的協議，能保證網絡間的可靠傳輸。C／S模式要分別編寫客戶機和實驗機程序，采用TCP協議可正確傳送控制命令和數據。
鎖相放大器遠程實驗系統需要實現遠程控制繼電器的狀態，聲卡采集輸入信號和參考信號，串口采集溫度值，并用鎖相放大器測量熱敏電阻輸出電壓，用虛擬溫度計測量熱敏電阻的溫度。在LabVIEW環境下分別編寫客戶機和實驗機程序，實現測量熱敏電阻溫度特性曲線遠程實驗。
3．1 客戶機程序
3．1．1 客戶機程序的用戶界面
客戶機程序的用戶界面如圖2所示，集成了鎖相放大器的全部功能以及虛擬溫度計，波形圖實時顯示了鎖相放大器工作過程中各個中間過程的波形。熱敏電阻的溫度值也實時顯示在虛擬溫度計上。