基于网络的虚拟实验仪器的制作方法

专利名称：基于网络的虚拟实验仪器的制作方法
专利说明
一.技术领域本实用新型涉及一种虚拟仪器，用于代替目前理工类高校开设的物理、化学实验课程中所使用的传统实验仪器。
二.
背景技术：
对于理工类高校开设的物理、化学实验课程中所使用的教学实验仪器。目前仪器生产厂家都是根据某个实验的具体内容分别设计数据采集电路、控制电路、信号发生电路，及上位机分析软件；学校也分别购买各个实验对应的仪器产品并布置实验室。在这种情况下，厂家生产周期长，仪器自身维修保养困难；学校必须耗费大量资金；并且实验的内容、步骤、精度等都依赖于仪器的设计，学生得不到灵活有效的训练。
在目前市场上已有的其它虚拟仪器的产品中，最著名的是美国NI公司的Labview。Labview虽然号称是图形开发，但它毕竟还是属于一种开发语言，对于普通的实验课任课教师来说，熟练掌握其中的语法并开发出一套虚拟仪器需要一个较长的学习过程，并且Labview的外围数据采集电路和控制电路大多是基于工业总线，价格昂贵，不适合用来开发高校实验课程中所使用的仪器。
三.
发明内容
本实用新型的目的是设计一种虚拟仪器，用于代替目前理工类高校开设的物理、化学课程中所使用的传统仪器。任课教师可以在不需要培训的情况下，根据课程要求，结合实际情况自己设计实验的内容、步骤，使学生得到灵活的训练。
本实用新型的实现方案是虚拟仪器由相应的软硬件组成。硬件负责数据采集、输出控制，而实验过程的逻辑控制、数字信号处理、数据分析、函数信号发生、波形显示等由软件完成。依靠系统提供一个图形编辑环境，用户通过图形界面生成一个配方(实验方案等)，系统检查配方中的逻辑，自动生成一个脚本，系统运行这个脚本，就实现用户定制的虚拟仪器。具体而言，本实用新型基于网络的虚拟实验仪器，由脚本文件和脚本解释器、网络模块、图形编辑发生器、外围电路及输出控制数字信号电路、计算函数库、数学信号处理函数库组成，图形编辑发生器与用户交互，收集用户编辑的信息并生成脚本；数字信号处理等函数库是常用数字信号处理及数学计算函数的集合；网络模块实现配方的远程下载及实验过程中的数据监视，其特征是完成数据的采集及输出控制的外围电路及输出控制数字信号电路与单片机输入连接，单片机的输出连接通讯口与网络驱动模块连接。
实验的流程步骤、逻辑控制信息生成脚本，一个脚本文件记录其对应的实验的所有信息，运行脚本就得到所需的虚拟仪器。脚本的结构是开头给出实验配置信息，然后分块描述图形编辑环境上的每个对象。
通过网络，配方能自动被下载到每个学生的电脑中。教师可以从互联网下载由我们提供的或别的教师制作的配方，实现教育资源共享。在实验过程中，教师在自己的计算机上能够实时地查看每个学生的实验进程及各项实验数据，并加以指导，实现信息化、数字化实验室。
本实用新型由以下几个模块组合而成。
脚本解释器、外围电路、数字信号处理和数学计算函数库、图形编辑环境和网络驱动模块。
本实用新型的特点是1.设计的是一种虚拟仪器，以软件代替硬件，系统生成的每一个脚本都能实现一种实验仪器的功能，从而使用户不再需购买各种各样的仪器，大大节省了教育资金。
2.操作简便，脚本由系统自动生成，实验课任课教师自己就可以方便地设计一台仪器，不象其它虚拟仪器的产品需要专业技能才能开发。
3.通过网络提供给教师和学生交互的能力，教师可以将编辑好的配方(脚本文件)远程下载到学生计算机中，并且还可以在实验的过程中动态地查看学生的实验数据。
四.

图1为本实用新型结构示意框图图2为本实用新型数据采集硬件原理结构框图图3为本实用新型脚本生成流程图4为本实用新型的信号调理和数字采集电路图五.具体实施方式
1.脚本和脚本解释器系统将任课教师的配方生成一个脚本，这个脚本描述了该配方的执行逻辑、数据采集的方式和速度、控制输出的模式、需要调用的工具包(或函数库)、输出对象的标识、生成的报表格式等信息。脚本解释器对脚本解释执行，根据脚本控制实验的步骤和进度、调用数字信号处理和数据分析等工具包处理数据采集模块传回的数据、将计算结果传给波形显示工具包显示结果。
在本实用新型中，脚本的内容包括配置信息和执行逻辑两部分。配置信息其实是提供了两个映射表，一个是输出对象标识到对象地址的映射，一个是函数标识到函数地址的映射，这些对象和函数将在下面的脚本中被使用，这样在脚本的下文中可以通过标识访问输出对象或函数库中的函数。脚本解释器在接收到新的脚本时，将首先载入这两个表进行初始化工作。
执行逻辑实际上就是实验过程的描述，这是脚本的主体，一般被嵌在一个循环体中。执行逻辑由逻辑和命令组成，逻辑是判断条件和结果，命令是函数库和输出对象的调用接口。命令是针对具体的解释器开发的，逻辑的描述也和具体的解释器有关，在本系统中，我们选择TCL作为脚本解释器。
TCL(Tool Command Language)是一种可嵌入的命令脚本化语言。TCL是一个库包，它包含了一个分析器，并可被嵌入应用程序。在TCL的应用中，程序被分割成一个个小的，具备一定完整功能的，可重复使用的组件，各个组件之间可互相通信，协同工作，程序的功能在这些小的组件功能基础上生成。针对TCL我们编写了函数调用命令和数据传送命令，函数调用命令负责调用数字信号处理或数学计算函数库中的函数(每个函数相当于上文提到的一个组件)。数据传送命令是将处理的结果发给输出对象，以在界面显示，输出对象的指针也是在脚本的配置信息中给出。
本实用新型通过脚本来管理程序启动、终止脚本解释器。脚本解释器启动时，将首先从脚本管理程序获得当前脚本文件的指针；脚本管理程序终止脚本运行，是通过检查生成脚本时插入的一个标记位。
2.外围电路基于单片机的数据采集硬件原理结构框图如图2所示，由信号调理、多路切换、A/D、8051处理器模块、通信模块、传感器驱动模块组成。图2数据采集硬件原理结构框图中信号调理模块由差分放大、开关选择放大倍数电路、滤波组成。滤波电路选取低通滤波器电路，传感器输出的模拟信号放连接差分放大器，其输出连接A/D转换电路，多路切换模块，选用CD4051芯片，A/D转换器输出连接单片机，单片机连接通信模块至PC机。
差分放大将传感器输出的模拟信号放大至A/D转换的线性工作区中，并且可以有效的消除零点漂移，提高共模抑制比。开关选择放大倍数电路，提高了差分放大器的灵活度，放大倍数可以从1倍到100倍自由选择。传感器输出通常为直流信号，高频范围的噪声较多，为了能有效的抑制噪声，选取低通滤波器对信号进行滤波。多路切换模块，选用CD4051芯片，可以支持4路的模拟量输入。A/D转换器将模拟量转换为数字量，是信号处理的基础，并且很大程度决定了系统的工作速度以及精度。本实用新型采用的芯片是AD1674，转换时间是10us，分辨率是12bit，可以满足绝大多数实验要求。本实用新型的处理器模块采用的是8051，配有max813L看门狗电路，可以有效的防止因干扰而引起的死机；EEPROM芯片，存放默认运行参数。传感器驱动电路，提供了传感器工作所需要的电流、电压。通信模块是PC机与数据采集卡之间的通信桥梁。
PC机与数据采集卡之间，是通过串口来进行通信的。采用主从式的通信方式，PC机作为主设备，数据采集卡作为从设备，一个主设备最多可带10个从设备。通信协议的构造由起始位、设备地址域、功能代码、数据、CRC校验、结束位组成。采用此通信方式，系统构建成本低，通信可靠。
通信协议借鉴了工业上通用的modbus通信协议，并在此基础上，针对具体情况加以了修改。设备地址域为4bit，范围从1到11(十进制)，代表从设备的地址。对功能代码域根据具体的情况进行了重新定义，当消息从主设备发往从设备，功能代码将告知从设备需要执行哪些行为，比如0xf3代表通道1和通道2同时开始采集。当从设备回应时，使用功能代码来指出是下常回应还是有错误发生，收到错误发生码，主设备就重发消息。从设备是通过数据域将采集过来的数据发送到主设备。数据域的第一个八位指出当前从设备的工作状态，比如0x21代表现在同时采集两个通道，分别为第一和第二通道，数据域第二个字节代表当前的放大倍数。数据域从第三个字节开始，代表A/D转换后的实际数据，因为系统选用的是12位的A/D转换器，所以每两个字节代表一个完整的数据，每个完整的数据，按照所处的通道号的大小顺序交替排列。
3.数字信号处理和数学计算函数库数字信号处理模块是一个完整、独立的函数库。主要包括标度变换、数据校正、数字滤波、数学计算四个种类。标度变换包括数字量到相应的电压值的变换、电压值到实际被测物理量值的转换。数据校正分为线性校正、非线性校正。非线性校正包括了分段直线校正、抛物线插值、最小二乘法拟合、多项式曲线拟合、线性最佳一致逼近法等一系列常用方法，可由用户随意选择，从而达到最佳的数据校正效果。数字滤波，可在不丢失原始数据的情况下，有效的消除因随机干扰而引入的随机误差。数字滤波函数库里包括限幅滤波、中位值滤波、平均滤波、低通滤波等。数学计算函数库中包含了实验数据处理的常用算法，如积分、微分、求对数、求均值、求方差、开方、平方、角度转换、求最大值、求最小值。当需要复杂的工程计算时，可通过调用Matlab引擎函数来实现与Matlab的接口。
4.图形编辑环境及脚本的生成图形编辑环境是系统的重要组成部分，负责和用户交互，并将用户配方解析，生成脚本和界面描述文件。
图形编辑环境包括图形编辑界面和脚本生成单元两大部分，脚本所能达到的灵活性取决于两者的有机结合。编辑界面中按照功能放置不同的对象，例如启动数据采集的按钮、编辑定时器的文本框，以及表示控制逻辑的组合按钮。脚本的内容被划分为各个小块，每个小块对应编辑界面上的一个对象，在生成脚本时，系统检查编辑界面上的每一个对象，将它的状态转化为脚本语言后放置在脚本相应的位置。
脚本语言是字符串组合，脚本本身是一个文本文件，所以生成脚本主要是字符串操作。在系统中首先建立一个查询表，查询的关键字是对象的标识，表的存储内容是相应对象携带参数转化后的脚本语言。如图3脚本生成流程图中所示。
5.网络模块网络模块采用客户-服务器结构，教师计算机是服务器，学生计算机是客户端，通信采用TCP协议。从功能上看，网络模块主要有两方面的任务，一是支持配方的远程下载，二是在实验过程中教师计算机对学生计算机数据的监视。
配方下载的过程其实就是一个文件的传送过程，因为配方以脚本文件的方式存在。教师计算机中的图形编辑环境将配方解析生成脚本文件后，由网络发送给学生计算机，学生计算机中的脚本管理程序终止当前脚本的运行，脚本解释器从脚本管理程序获得新脚本文件的指针后重新启动。
在教师计算机对学生计算机数据监视过程中，采用查询方式，因为它们运行着同样的脚本文件，脚本文件的输出对象也相同，所以教师只要将某个输出对象的标识作为查询参数，即可获得所需要的数据。
权利要求1.基于网络的虚拟实验仪器，由脚本文件和脚本解释器、网络模块、图形编辑发生器、外围电路及输出控制数字信号电路、计算函数库、数学信号处理函数库组成，图形编辑发生器与用户交互，收集用户编辑的信息并生成脚本；数字信号处理等函数库是常用数字信号处理及数学计算函数的集合；网络模块实现配方的远程下载及实验过程中的数据监视，其特征是设有完成数据的采集及输出控制的外围电路及输出控制数字信号电路与单片机输入连接，单片机的输出连接通讯口与网络驱动模块连接。
2.由权利要求1所述的基于网络的虚拟实验仪器，其特征是基于单片机的数据采集电路由信号调理、多路切换、A/D、单片机、PC机组成，信号调理电路由差分放大、开关选择放大倍数电路、滤波电路组成；滤波电路选取低通滤波器电路，传感器输出的模拟信号放连接差分放大器，其输出连接A/D转换电路，多路切换模块，选用CD4051芯片，A/D转换器输出连接单片机，单片机连接通信模块至PC机。
3.由权利要求1所述的基于网络的虚拟实验仪器，其特征是PC机与数据采集电路之间，通过RS232串口来进行连接，其通信协议是采用主从式的通信方式，通信协议的构造由起始位、设备地址域、功能代码、数据、CRC校验、结束位组成。
专利摘要基于网络的虚拟实验仪器，由脚本文件和脚本解释器、网络模块、图形编辑发生器、外围电路及输出控制数字信号电路、计算函数库、数学信号处理函数库组成，图形编辑发生器与用户交互，收集用户编辑的信息并生成脚本；数字信号处理等函数库是常用数字信号处理及数学计算函数的集合；网络模块实现配方的远程下载及实验过程中的数据监视，设有完成数据的采集及输出控制的外围电路及输出控制数字信号电路与单片机输入连接，单片机的输出连接通讯口与网络驱动模块连接。本实用新型用于代替目前理工类高校开设的物理、化学课程中所使用的传统仪器。任课教师可以据以安排实验。
文档编号G09B25/00GK2676331SQ20042002428
公开日2005年2月2日 申请日期2004年1月19日 优先权日2004年1月19日
发明者徐苏珊, 马国强, 彭洲红, 吴金勇, 虞致国, 潘红兵, 刘先昆, 纪圣谋, 张骏, 徐健键 申请人:南京大学