基于LabVIEW 的远程实验平台设计

高艳红

（临沂市理工学校 山东 临沂 277700）

0 引言

大学物理作为一门具有深远影响的电子类专业的核心课程，不仅要求学生具有扎实的理论基础，也要求其掌握熟练的操作技能，即可以通过大学物理实验，提高大学物理课程的实际应用价值。 然而，由于其复杂的特点，许多学生无法轻松掌握。 因此，有必要采取有效的实验措施［1］，如设计合适的模型，配备精密的数控设备，开展多种模拟测试等，来提高学生的科研水平，并增加其应变能力。随着学生数量的日益增加，各大院校对实验室场地和设备的需求也在不断增加。 学生往往没有足够多的场地和设备进行实验操作，导致其对知识的理解较慢。 除此之外，如今各大高校的实验设备大多比较老旧，更新速度慢。 许多设备的功能比较单一，所能承担的实验范围比较窄。 要提高学校的教育质量，培养学生的实践能力，学校必须投入大量资金引入先进设备，但是面对高昂的成本费用和维修费用，许多高校都望而却步。 为应对这一挑战，本文基于实验虚拟仪器工程平台（laboratory virtual instrument engineering workbench， LabVIEW）构建了一套虚拟自动化物理实验系统，学生可以通过操作该系统实现随时随地的实验操作，强化其对所学知识的理解与实践能力。 该设计方案可有效利用现有资源，解决了实验器材单一，实验装置和场地受限等问题，大大增加了学生的学习积极性［2－3］。

1 系统框架设计

为了解决传统设计方案中的问题与不足，本文设计了一种新方案。 该虚拟实验平台的核心控制模块为现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array， FPGA），实现实验板的切换，可以同时实现多达6 项实验，有效地扩展了实验系统，使其可以同时供给多个学生使用。 该系统还嵌入了单片机远程下载实验平台，学生可以利用提前编写好的程序代码，运用远程手段将其烧录并存储在单片机上，然后控制其进行相应的操作，完成实验，实现了实验板的扩展，满足自身需求，大大地增加了实验内容。 同时，服务器端使用模块化面向对象的动态学习环境（modular object-oriented dynamic learning environment，MOODLE）进行实验预习课程的开发，以给用户创造一个良好的线上交流的学习环境。 所设计的实验平台的系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

它主要由以下3 个部分构成：

（1）远程实验平台。 首先，需要使用MOODLE 建立一个供学生查找相关学习资料的网站，按照不同类型的实验进行分组，并对实验进行解释说明以及提供教学视频。 其次，使用基于MIT 的iLab 构架的服务器系统，以此实现远程实验的接入、实验系统的预约、实验流程的管理、学生用户的注册等服务。

（2）基于FPGA 的可切换实验接口板的实验平台。 根据ELVIS 实验台的引脚扩展出原型板，代替ELVIS 原有的原型板。 利用LabVIEW 进行串口通信并传递切换地址。 FPGA 根据切换地址利用模拟开关技术和MOS 管开关技术进行接口板的切换。

（3）基于AVR 单片机的远程下载实验平台。 利用IAP 技术对AVR 单片机BOOT 区进行编程，实现在应用编程，进而实现用户编写程序自动更新的功能。

2 远程实验平台系统的实现

2.1 信号采集模块

（1）数字信号

DAQmx 可以创建一个或多个虚拟通道视觉识别（visual identity， VI）设计，以便与采集卡的物理通道相结合，从而实现通道的构建，并且可以将这些虚拟通道添加到采集或输出任务中，以提高系统的效率和性能。 在时钟配置阶段，本设计利用DAQmx 定时VI 来完成操作，实现VI 的任务／通道输入和虚拟输出通道之间的对接。 此外，设计使用采样时钟来实现选取任务定时类型。 当不需要外部时钟时，可以直接将板载时钟进行相应的设置，令其充当采样时钟源；需要采用外部时钟时，可利用系统的外部接口进行连接，并将时钟的相关配置信息标注在输入端口上。 至于采集模式的选择，它决定了采集任务是采取连续或固定数目的采样，而在输出任务方面则是产生连续或限定的采样量，具体的运用取决于实际情况的需求［4］。

（2）模拟信号

无论是模拟信号，还是数字信号，其数据采集流程基本是相同的，只不过在部分程序控制上有所差别。 模拟信号同样通过DAQmx 构建虚拟通道VI，选取对应的物理通道端口。 由于需要采集的是模拟信号，所以选择模拟输入任务。 采集数据之前，通过DAQmx 对虚拟通道VI 进行设置，设置其触发条件为数字边沿触发式，设置其触发源为数字触发源。 最后，点击开始任务，进行数据采样运行。数据采样结束后，设置DAQmx 选择为数字波形1 通道N，读取采样到的模拟信号。

2.2 信号输出模块

实际上，信号输出模块由数据采集卡产生并经过电脑计算后传递出去，通常会发送至外部硬件装置进行检测或进一步处理。 如果没有任何外部硬件装置存在，则可以通过数据采集卡来生成信号，以便于在实验过程中对真实信号进行操作与解析。

在构造过程中，利用DAQmx 来构造一个虚拟的VI。它可以根据需要提供不同的输出电压，包括最大值、最小值以及差分模式或伪差分模式，以便在不同的情况下进行输入或输出。 在时间调整过程中，通过DAQmx 的时间VI来确保系统的稳定性。 根据系统的需求，调整时间的种类，并将其调整成连续时间。 因为在处理复杂的系统时，需要保证系统的稳定性。 在进行系统调整时，需要考虑时钟源、采样率以及采样数等多种因素，以确保系统的性能。在写入过程中，可以利用DAQmx 将VI 转换为模拟N 采样模式，以便获取最终的信号波形。 在开始输出阶段，本设计主要通过DAQmx 来启动VI 的输出任务，然后在此基础上运行一个while 循环，保证任务的连续工作状态，实现信号的稳定输出。

相比于模拟信号输出而言，数字信号输出主要在通道建立和写入数据环节产生了差异。 当建立了虚拟通道后选择数字输出任务，将数字传输线的端口号和端口范围以字符串的形式，通过数字单通道采样写入输入控件中。

2.3 实验保存模块

虚拟平台产生的数据中，需要保存的主要有实验波形图、实验参数和相关数据等方面内容。

对于保存实验波形图而言，主要利用选择、获取显示控件调用节点来实现。 首先，点击弹出来的保存对话框；然后，选择合适的存储路径并为文件进行命名，点击确认后即可将相应的实验波形保存。 该模块的内部设计为：通过设计一个布尔按键，以按键键值为触发条件，指定按键的键值对应不同的事件结构，并结合对话框Express VI 来显示不同键值对应的触发事件运行状态，以满足设计要求。 本设计的图像数据通过波形图控件来获取，程序文件可以存放在不同的文件夹里，最后再合并到同一路径下即可，并可将这一路径设置为初始路径，保存时选择文件形式为位图图像（bitmap， BMP）文件VI，便可将实验结果存储为BMP 格式。

对于文本类数据的保存，本系统支持将各种数据、参数转换成Word 文档进行保存，并设计了Word 文档模板，具体内容包括相关的实验原理、目的和操作步骤、实验现场图等，从而形成了一份实验报告。 该系统的功能主要依靠LabVIEW 软件中的VI 选板子程序来实现。 具体保存步骤为：首先，定义保存报表类型。 点击选择Word 文本形式，在VI 中输入相应的报表信息，主要包括数值显示、图像显示、文本输入等相关控件，生成相关的报表、表格、列表、前面板图像。 然后，将实验的主要内容、相关数据和参数、实验结果等内容输入到Word 文档中，利用VI 进行保存和处置报表，最后将Word 文档存储在相应的文件夹中。

3 Web 发布设置和测试

本文设计的虚拟实验平台的远程开发采用Web 发布技术进行解决，通过浏览器／服务器（browser／server， B／S）进行搭建，用户可以以此平台实现远程访问。 在使用Web进行远程发布前，首先应该对LabVIEW Web 服务器的配置进行选择，具体步骤为：打开LabVIEW 软件，点击菜单栏中的工具一，然后选择选项一以及Web 服务器，依次进行Web 服务本地调试、远程控制服务的开启、根目录、超文本传输协议端口、保存文件、可见VI、浏览器访问等部分的设置，最终开启Web 服务器［5］。

本设计可以对VI 的发布进行设置，以超文本标记语言（hypertext markup language， HTML）网页形式通过浏览器访问。 在菜单栏中，选择工具→Web 发布工具。 它提供3 种不同的功能：第一种是查看VI 名称，它可以在浏览器内嵌VI 前面板，客户端可以远程查看并控制它；第二种是快照模式，它可以显示前面板的静态图像；第三种是显示器模式，它可以持续刷新前面板的图像。 为了能够达到远程实验效果，需要选择此内嵌的查看模式。

完成以上配置操作后，右键点击下一步，进行Web 发布工具的第二步设置。 在此处可以对系统的标题、页眉和页脚进行编辑。 同时，还可以添加实验内容、注意事项以及操作流程指导等相关信息，以便于用户能够全面了解实验的相关内容，提高实验效率和正确率。

在设置Web 发布工具的第三步中，可以对网页保存的文件夹、文件名进行相应的选择和更改，保存后会自动生成相应的网络地址，并存储在Web 服务器的根目录中，以便后续使用。

远程连接成功后，打开测试系统，首先进入登录界面，如图2 所示。 输入用户名和密码，并且选择相应的身份类型，点击登录即可成功进入系统平台。

图2 实验平台网络登录界面

用户登录系统成功后，系统将弹出实验项目选择界面，如图3 所示。 用户根据自身需求点击相应的实验项目，并进行相应操作。

图3 实验选择界面

以数字滤波器调用为例，远程数字滤波器的相应操作界面如图4 所示。

图4 远程数字滤波器实验操作界面

经过上面测试可以看出，本文设计的虚拟实验平台具有良好的远程发布功能，相应实验功能满足设计要求［6］。

4 结语

本文利用LabVIEW 软件进行数据开发与输出的应用，并根据当前学校实验课教育背景，研发了一套智能化的虚拟网络实验平台。 该平台的研发可以有效地解决当前国内各高校实验资源短缺的问题，大大增加了学生学习的效率与兴趣。