基于虛擬儀器的鎖相放大器遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)設(shè)計

O 引言
20世紀(jì)80年代末美國成功研制了虛擬儀器，虛擬儀器的發(fā)展標(biāo)志著自動測試與電子測量儀器領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的一個嶄新方向。虛擬儀器是利用PC機的顯示模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測結(jié)果，由PC機的強大軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析、處理，由I／O接口設(shè)備完成信號的采集、測量與調(diào)理，從而完成各種測試功能的一種計算機儀器系統(tǒng)。
基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實驗是遠(yuǎn)程教育的一個新的發(fā)展方向。遠(yuǎn)程實驗從遠(yuǎn)程計算機上進(jìn)行實驗操作和觀察，所得到的實驗結(jié)果與本地得到的完全相同，如同在實驗室真實操作實驗設(shè)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(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，并結(jié)合電路其他元件的遠(yuǎn)程控制，可實現(xiàn)基于虛擬儀器的遠(yuǎn)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(fā)工具，具有各種功能強大的函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信、串口控制、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。采用旋鈕、開關(guān)、波形圖等構(gòu)造用戶界面。
LabVIEW提供了強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，TCP／IP(transmission control protocol／internet protocol)協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議。函數(shù)庫的Communication子模板中提供了TCP節(jié)點，可以實現(xiàn)客戶機／服務(wù)器模式下的雙機通信。

2 遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)總體設(shè)計
本文開發(fā)了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程測量熱敏電阻溫度特性，遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)置鎖相放大器的相位調(diào)節(jié)、積分時間等參數(shù)。同時，通過虛擬面板可以改變加熱按鈕的狀態(tài)，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(tài)值通過Intern-et和服務(wù)器送往實驗機。實驗機將接收到的加熱控制狀態(tài)通過串口送入單片機，通過單片機調(diào)節(jié)繼電器的狀態(tài)，從而控制熱敏電阻的加熱狀態(tài)。熱敏電阻的溫度由DSl8B20數(shù)字式溫度傳感器測得，送往單片機系統(tǒng)，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(fā)生器輸出的參考方波和橋式電路輸出的電壓值，經(jīng)聲卡模／數(shù)轉(zhuǎn)換器送入實驗機。實驗機中的被測信號通過服務(wù)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(jìn)行觀察和測量，得到熱敏電阻溫度特性曲線。

3 遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)的軟件設(shè)計
遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)采用C／S(client／server)模式，其典型運作過程為：
(1)服務(wù)器監(jiān)聽相應(yīng)端口的輸入；
(2)客戶機發(fā)出一個請求；
(3)服務(wù)器接收到此請求；
(4)服務(wù)器處理此請求，并把結(jié)果返回給客戶機；
(5)重復(fù)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(xié)議實現(xiàn)。TCP協(xié)議是一個可靠的、基于連接的協(xié)議，能保證網(wǎng)絡(luò)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(xié)議可正確傳送控制命令和數(shù)據(jù)。
鎖相放大器遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)需要實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制繼電器的狀態(tài)，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(huán)境下分別編寫客戶機和實驗機程序，實現(xiàn)測量熱敏電阻溫度特性曲線遠(yuǎn)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。