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。
用戶點擊加熱按鈕，接通加熱電源，其狀態值經由網絡送往實驗機，從而改變實驗室內測溫電路的繼電器狀態，加熱電路開始對熱敏電阻進行加熱。實驗電路中橋式電路的輸出信號和熱敏電阻的溫度值，經由網絡反饋給客戶機，用戶通過虛擬儀器面板觀察各個點波形的顯示，同時讀取溫度值，完成熱敏電阻溫度特性測量。
服務器一欄設置為實驗室內服務器的IP地址，剩余時間一欄顯示用戶可用的時間。本實驗控制真實的實驗元件，每次只能有一位用戶操作。規定每位用戶的實驗時間為30 min。30 min后，此客戶機與實驗機的連接自動斷開。
3．1．2 客戶機軟件框圖程序
軟件框圖程序如圖3所示。程序分別設置了3個While循環結構，分別完成讀取溫度值、讀取電壓值以及發送控制繼電器狀態的功能。循環中止的條件為下列三者之一：用戶點擊了“退出”按鈕；用戶連接時間超過了30 min；實驗過程中TCP連接出錯，如實驗機程序先行中止，或系統錯誤引起連接中止。
客戶端程序的軟件部分采用3個獨立的While循環，每個端口分別設置了獨立的服務器端口，依次是2322，2323和2324。
(1)讀取反饋的實驗數據。對于數據接收，用2個TCP Read節點讀取實驗機發送的聲卡采集的數據長度和字符串數據。
2322端口接收串口讀取的溫度值，因為溫度值采集時已經轉換為4位BCD碼表示的十進制數，因此接收時讀取的字長設置為4，讀取的溫度值送入虛擬溫度計并實時顯示出來。
2323端口對應接收聲卡讀取的電壓值，因為是左、右聲道各采集一路信號，因此設置了2個Sequence結構，其中Sequence0接收左聲道讀取的橋式電路輸出信號，送入鎖相放大器的信號輸入端；Sequence1接收右聲道讀取參考方波，送入鎖相放大器的參考信號輸入端。同時將讀取的波形實時顯示在用戶界面上。
(2)發送繼電器控制信號。2324端口發送加熱控制電路的繼電器狀態值，用戶可以在虛擬面板生改變加熱按鈕的狀態，并通過服務器反饋回實驗機，從而控制加熱電路中繼電器的狀態。加熱按鈕其處于不同的位置時，向網絡連接發送不同的命令字。將命令字放在一個CASE結構中，這樣便于實現用戶將加熱按鈕置于不同的位置時，發送不同的命令字。為有效傳送數據，采用2個TCP Write節點，第1個節點發送字符長
度，第2個節點發送字符數據。
3．2 端口映射
服務器平臺上安裝Linux操作系統。利用其IPtables防火墻技術進行端口映射，使得互聯網上的計算機可以通過訪問服務器，間接訪問實驗機，進行遠程實驗。端口號的選擇要避開系統保留端口，即O～1023。假設實驗機程序的監聽端口為2322。在IPtahies中，將服務器的2322端口映射到實驗機。外界計算機訪問服務器的2322端口時，若實驗機程序正在2322端口監聽，與客戶機的TCP連接就會建立，客戶機與實驗機通信，傳送控制命令與實驗數據。
3．3 實驗機程序
3．3．1 實驗機程序的用戶界面
實驗機程序的用戶界面如圖4所示。波形顯示圖實時監測聲卡采集的信號；日志文件用于記錄與實驗機建立連接的客戶數目、客戶地址和連接時間。Inputformat設置了聲卡采樣的數字聲音格式；數據采集為立體聲格式，樣本位數為16 b；為了防止數據溢出，遠程數據傳送時A ／D轉換率采用11 025 Hz。Constant為聲卡采集數據的縮小倍數。溫度顯示為串口采集到的熱敏電阻的溫度。
實驗機程序實現如下功能：
實驗機接收用戶發送來的加熱信號，通過串口送往單片機系統，由單片機根據預先設置的指令驅動繼電器，從而控制熱敏電阻的加熱狀態。熱敏電阻的溫度值由串口采集，送入實驗機；音頻輸入電纜左聲道采集熱敏電阻阻值改變后橋式電路的輸出電壓，右聲道采集信號發生器輸出的參考方波，通過聲卡送入實驗機。實驗機將采集到的所有信號經由服務器和Internet反饋給客戶。
3．3．2 實驗機軟件框圖程序
實驗機框圖程序如圖5所示。實驗機程序的軟件部分整體采用一個While循環，其l中又包含2個While循環。其中一個While循環中設置了一個順序結構，Sequence 0中包含了2322監聽端口，用于監聽串口讀取溫度值；Sequence 1中包含了2323端口，用于監聽聲卡讀取電壓值。
另外一個While循環中包含了一個2324監聽端口，用于接收客戶機發送來的當前繼電器狀態值。當接收到閉合繼電器控制指令時，發送“30 H”到單片機，控制繼電器閉合；當接收到斷開繼電器控制指令時；發送“31H”到單片機，控制繼電器斷開。單片機與實驗機通過串行口通信，接收計算機發送的控制指令。
(1)實驗機與單片機的串行通信。實驗機與單片機的通信利用LabVIEW中的VISA庫(virtua|instrument software architecture)實現。V-ISA作為新一代程控儀器I／O軟件規范，在接口無關性、平臺獨立性、可擴展性和功能上都有很大提高。本文單片機帶有RS 232接口，計算機通過串口與之通信。單片機通過串口與實驗機相連，VISA Configure Serial Port節點中VISA Resouce Name設為ASRL4：INSTR。參數與單片機的設置一致：傳輸速率4 800 b／s，起始位1位，數據位8位，停止位1位，無校驗位。
(2)聲卡采集電路信號。用SI Read節點讀取聲卡采集的電路信號，Stereo 16 b端口顯示讀取的數據。Index Array函數分別提取0列(左聲道)和1列(右聲道)的信號，縮小一定倍數后，經Type Cast函數轉為字符串數據：Sequence 0發送音頻電纜左聲道采集的數據，即熱敏電阻兩端的電壓；Sequence 1發送音頻電纜右聲道采集的數據，即信號發生器輸出的參考方波。信號波形同時顯示在前面板波形顯示器中顯示。
4 結語
本文開發了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠程實驗系統。用LabVIEW軟件編寫了客戶機與實驗機程序，實現了遠程測量熱敏電阻溫度特性曲線。與傳統實驗相比，只需要一臺計算機、一臺信號發生器以及必要的硬件實驗電路即可進行實驗。在此基礎上結合網絡技術和儀器控制技術，實現遠程實驗。