基于虛擬儀器的鎖相放大器遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(gè)嶄新方向。虛擬儀器是利用PC機(jī)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(jī)的強(qiáng)大軟件功能實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)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(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。
基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是遠(yuǎn)程教育的一個(gè)新的發(fā)展方向。遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)從遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和觀察，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本地得到的完全相同，如同在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備一樣，突破了時(shí)空限制，極大地提高了實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)／服務(wù)器模式下的雙機(jī)通信。

2 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本文開發(fā)了基于虛擬儀器的鎖相放大器遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測量熱敏電阻溫度特性，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

用戶打開客戶機(jī)，運(yùn)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(shí)間等參數(shù)。同時(shí)，通過虛擬面板可以改變加熱按鈕的狀態(tài)，用戶在客戶機(jī)的虛擬面板上點(diǎn)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(shí)驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)機(jī)將接收到的加熱控制狀態(tài)通過串口送入單片機(jī)，通過單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)，通過串口將被測熱敏電阻溫度值讀入到實(shí)驗(yàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)機(jī)中的被測信號通過服務(wù)器和Internet反饋給客戶機(jī)。用戶通過虛擬鎖相放大器和虛擬溫度計(jì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用C／S(client／server)模式，其典型運(yùn)作過程為：
(1)服務(wù)器監(jiān)聽相應(yīng)端口的輸入；
(2)客戶機(jī)發(fā)出一個(gè)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(jī)；
(5)重復(fù)上述過程，直至完成一次會話過程。
客戶機(jī)與實(shí)驗(yàn)機(jī)的通信利用TCP／IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。TCP協(xié)議是一個(gè)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(jī)和實(shí)驗(yàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要實(shí)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(jì)測量熱敏電阻的溫度。在LabVIEW環(huán)境下分別編寫客戶機(jī)和實(shí)驗(yàn)機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)測量熱敏電阻溫度特性曲線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。
3．1 客戶機(jī)程序
3．1．1 客戶機(jī)程序的用戶界面
客戶機(jī)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(jì)，波形圖實(shí)時(shí)顯示了鎖相放大器工作過程中各個(gè)中間過程的波形。熱敏電阻的溫度值也實(shí)時(shí)顯示在虛擬溫度計(jì)上。