一种基于网络化虚拟仪器的传感检测实验方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于网络化虚拟仪器的传感检测实验方法，属于传感检测实验应用【技术领域】。本实验方法基于网络化虚拟仪器的传感检测系统，该系统包括系统硬件搭接与软件构架；本方法可以实现对传感实验箱及实验仪器远程控制和实时检测，可以远程为实验者提供真实实验室环境，提高了实验设备的使用率和实验室利用率；同时，本发明能够解决网络化虚拟仪器应用的一些关键技术，并为诸多高校师生提供一个专业、高效地新型教育和学习传感检测的实验平台，解决了学生实践难的问题和优质资源的共享问题，对于探讨和解决高校实验资源不均衡等问题进行有益的探索。
【专利说明】一种基于网络化虚拟仪器的传感检测实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于网络化虚拟仪器的传感检测实验方法，属于传感检测实验应用【技术领域】。
【背景技术】
[0002]网络化虚拟仪器将网络技术、虚拟仪器技术和测试技术有机结合，既具有灵活性、可靠性和开放性，又充分体现了网络资源的共享功能。网络化虚拟仪器在教育、科研和生产等各个领域发挥着越来越重要的作用。
[0003]目前，国内外对网络化虚拟实验系统都有所研究，并取得了一定的成果。如美国波兰特大学电机工程系建立了一个基于虚拟仪器的功能较完善的网络实验室，已经在几门课中得到应用；英国Glasgow Galedonian大学利用虚拟仪器组建网络化的数据采集和控制系统，用于测试内燃机的性能数据并分析处理，费用少，高集成，高效率；美国麻省理工学院建立了包括化学、电子等多个学科在内的远程实验平台。这表明网络化实验室被广大高校所认可。国内，浙江大学构建了面向电气工程类专业的远程实验室，同济大学开发了针对测控技术课程的网络虚拟实验室。华中科技大学、浙江大学、同济大学和北京联合大学等高校联合进行的国家科技支撑计划重点项目“虚拟实验教学环境关键技术研究和应用示范”的研究，构建面向服务软件构架的虚拟实验环境开发平台，力求实现多学科的虚拟实验。但是，国内虚拟实验平台的研究大都着重于相关课程实验的虚拟仿真教学，不涉及硬件设备操作，脱离真实实验室，在实验教学中的应用受到很大限制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种基于网络化虚拟仪器的传感检测实验方法，本方法可以实现对传感实验箱及实验仪器远程控制和实时检测，可以远程为实验者提供真实实验室环境，提高了实验设备的使用率和实验室利用率；同时，本发明能够解决网络化虚拟仪器应用的一些关键技术，并为诸多高校师生提供一个专业、高效地新型教育和学习传感检测的实验平台，解决了学生实践难的问题和优质资源的共享问题，对于探讨和解决高校实验资源不均衡等问题进行有益的探索。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于网络化虚拟仪器的传感检测实验方法，本实验方法基于网络化虚拟仪器的传感检测系统，该系统包括系统硬件搭接与软件构架；具体而言，本系统的硬件组成包括虚拟仪器服务器、测试服务器、数采卡、实验箱、各传感器模块和若干台PC终端和网络设备；系统软件构架以LabVIEW为平台进行开发。
[0006]如图1所示为系统的硬件结构图，本系统采用LabVIEW虚拟技术，构建基于网络化虚拟仪器的传感检测实验系统，实现远程传感实验箱和仪器设备控制。
[0007]虚拟仪器服务器端集成数据库服务器和应用程序服务器，负责与远程客户端及测试服务器端数据的接收与转发；数据库服务器用于存储用户及其登陆信息、设备信息，应用程序服务器用于动态网页的生成、远程发布及远程实验。[0008]测试服务器是实验箱和仪器设备的控制端；测试服务器直接对实验箱和仪器设备进行实时控制。
[0009]客户端浏览器为用户提供了实验的操作界面，用户只需要通过浏览器如IE，即可进行远程实验。
[0010]本系统中，测试服务器可以通过PCI接口连接数采卡和传感实验箱，也可以通过USB接口、GPIB接口连接仪器设备，如函数发生器、数字示波器，以实现仪器的远程控制。实验箱主板共6个通用插槽，其中4个模拟插槽和2个数字插槽。实验箱主板上还包括68pin的数采卡接口、68pin的测试端口和可调正负电源。实验箱主板结构图如图2所示。
[0011]和实验箱主板配套使用的8个传感器模块为热敏电阻模块、PT100模块、光敏电阻模块、热电偶模块、霍尔传感器模块、压力应变模块、气压传感器模块和声音采集处理模块；其中，霍尔传感器模块既有数字信号输出，又有模拟信号输出；其它各模块为模拟信号输出；各模块都包含了传感器和信号调理电路，可用于远程传感检测虚拟实验。
[0012]系统采用C/S (Client/Server,客户端 / 服务器)、B/S (Browser/Server,浏览器/服务器)的混合结构，即B/S/C (Browser/Server/Client)结构模式,实现远程测控；系统实时数据交换和远程交互通过LabVIEW的DataSocket技术和RemotePanels (远程前面板)技术实现。
[0013]本系统不仅需完成传感实验箱的测试、控制，还有大量的实验数据需要交换，采用单一的C/S模式或B/S模式都不能满足要求；因此，本系统采用一种新的C/S模式和B/S模式的混合结构，即B/S/C模式结构。在此B/S/C模式中，虚拟仪器服务器既是C/S结构中的服务器，又是B/S结构中的Web服务器；B/S结构用于发布C/S结构中的客户端程序，C/S结构用于实现测试服务器与虚拟仪器服务器之间的直接通信。这种结构模式既保留了 B/S结构的易于发布的特性，又保留了 C/S结构能传送大量实时数据的优点，保证了系统的实时性。
[0014]本发明所述的一种基于网络化虚拟仪器的传感检测实验方法，基于上述系统，其实施流程如下。
[0015]建立局域网，测试服务器与虚拟仪器服务器采用C/S模式进行通信，利用LabVIEW中的DataSocket技术和TCP/IP协议开发数据传输程序，完成实验数据的传输和保存；局域网通过代理服务器接入Internet，建立虚拟实验网站，用B/S模式发布C/S模式中的客户端程序，远程客户端可随时访问虚拟实验系统进行实验。
[0016]本系统通过LabVIEW集成的DataSocket技术实现网络中数据的共享与交换。DataSocket技术是一种基于TCP/IP的面向测量与自动化工程的网络实时数据交换的编程新技术，用一个易用的高性能编程接口，在测量与自动化应用软件之间共享和发布实时数据。
[0017]本系统通过LabVIEW集成的远程前面板(RemotePanels)技术实现浏览器端远程测控。远程前面板(RemotePanels)技术,将LabVIEW程序作为一种ActiveX控件嵌入到Web网页中。客户端只需安装LabVIEWRun-TimeEngin,即可在浏览器中输入服务器端配置的网址，对服务器端的VI前面板进行浏览与控制，从而实现远程测控。
[0018]在实际的实验室中，测试服务器通过PCI接口连接数采卡6221和传感实验箱。对传感实验箱进行数据采集时，使用LabVIEW中的DAQ数据采集技术，可进行模拟信号和数字信号的实时采集。
[0019]通过浏览器进行传感检测实验的远程控制的方法如下。
[0020]对于Internet上的客户端，用以下方式打开并控制远程端的V1:在浏览器的地址栏上输入地址格式为:http://IPAdress:Port/Vl name.html。其中IPAdress为服务器的IP地址，Port为服务器端Web Server !Configuration设置的HTTP端口，VIname是服务器发布的VI名。
[0021]对于与服务器在同一局域网内的客户端，在浏览器的地址栏上输入地址格式为:http://PcName:Port/Vlname.html。PcName 是服务器端的计算机名。
[0022]将各实验的服务器端程序在服务器上通过LabVIEW发布之后，用户端就可以通过网页进行远程实验。用户通过浏览器登录远程虚拟实验室后，即可在页面上进行远程交互式的操作，远程控制传感实验箱，进行远程实验。
[0023]虚拟传感检测实验操作流程如图3所示。虚拟传感检测实验系统登陆界面如图4所示。虚拟传感检测实验主界面如图5所示。
[0024]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
[0025]1、将网络技术、虚拟仪器技术和测试技术相结合，提出一种基于网络化虚拟仪器的传感检测实验方法，可以实现传感实验箱的远程控制和实时检测，可以远程为学生提供真实实验室环境。本方法和系统可用于电子信息工程及相关专业本科课程《传感技术及应用》和《现代测试技术》的远程实验。
[0026]2、传感实验箱主板和各传感器模块为自主开发。实验箱主板共6个通用插槽，其中4个模拟插槽和2个数字插槽。各传感器模块都包含了传感器和信号调理电路。传感实验箱主板和各传感器模块配合使用，可用于远程传感检测虚拟实验。
[0027]3、系统软件构架采用B/S/C (Browser/Server/CIient)结构模式，既保留了 B/S结构的易于发布的特性，又保留了 C/S结构能传送大量实时数据的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为系统结构图。
[0029]图2为实验箱主板结构图。
[0030]图3为虚拟传感检测实验操作流程。
[0031]图4为虚拟传感检测实验系统登陆界面。
[0032]图5为虚拟传感检测实验主界面。
[0033]图6为热敏电阻实验前面板。
[0034]图7为热敏电阻模块恒流源法测量电路原理图。
【具体实施方式】
[0035]以下结合实例进行详细阐述。 [0036]1.将虚拟仪器服务器、测试服务器、数采卡和实验箱搭建如图1所示的局域网(LAN);局域网通过代理服务器接入Internet，客户端可以通过浏览器进行远程虚拟实验。虚拟仪器服务器采用曙光4000A大型机，双核处理器的清华同方台式机作为测试服务器，客户机可以是普通PC机。[0037]本系统中采用的68pin数采卡PCI6221，是美国国家仪器公司生产的M系列多功能数据采集卡；PCI6221通过PCI总线接口将测试服务器和实验箱连接。实验箱主板以及和实验箱主板配套使用的8个传感器模块为自主开发。
[0038]实验箱主板共6个通用插槽，其中4个模拟插槽和2个数字插槽。实验箱主板上还包括68pin的数采卡接口、68pin的测试端口和可调正负电源。实验箱主板结构图如图2所示。
[0039]和实验箱主板配套使用的8个传感器模块为热敏电阻模块、PT100模块、光敏电阻模块、热电偶模块、霍尔传感器模块、压力应变模块、气压传感器模块和声音采集处理模块；其中，霍尔传感器模块既有数字信号输出，又有模拟信号输出；其它各模块为模拟信号输出；各模块都包含了传感器和信号调理电路，可用于远程传感检测虚拟实验。
[0040]2.系统中测试服务器与虚拟仪器服务器构成的局域网采用C/S模式进行通信；局域网通过代理服务器接入Internet，用B/S模式发布C/S模式中的客户端程序。即系统采用新的B/S/C模式结构。B/S模式开发主要使用了 LabVIEW8.6提供的远程VI前面板(RemotePanels)技术；C/S模式开发主要使用了 LabVIEW8.6提供的网络实时数据交换的编程新技术(DataSocket技术)，以及远程VI前面板(RemotePanels)技术。
[0041]在虚拟仪器服务器端使用LabVIEffffebServer提供的虚拟仪器Web服务，只要服务器端的应用程序载入内存，客户端便可通过浏览器对远程的虚拟传感检测程序进行监控。虚拟仪器服务器端参数配置及网页发布过程如下: [0042]首先在服务器端打开要发布的虚拟实验VI，使VI调入内存中。然后在“Web服务器:配置”页面勾选“启动Web服务器”，并且勾选所有的允许访问选项；选择“Web服务器:可见VI”项，在此设置客户机允许访问的VI子程序；选择“Web服务器:浏览器访问”，在此设置允许访问或者禁止访问的客户计算机。配置完上述参数后，点击“工具”——“Web发布工具…”，进入网页发布配置。在“VI名称”中选择好要发布的VI程序，查看模式选择“内嵌”，网页中浏览VI的方式，选中“Request”则客户端自动获得VI的控制权。单击“下一步”，“文档标题”为显示在网页中的标题，可键入“欢迎登陆SensorLab”；进入下一页后完成所有配置工作，网页发布完成。
[0043]配置完服务器端的远程发布参数后，客户端只要安装LabVIEW Run-TimeEngin,即可在浏览器中输入服务器端配置的网址，对服务器端的VI前面板进行浏览与控制，从而实现远程虚拟实验。
[0044]虚拟传感检测实验操作流程如图3所示。
[0045]如在IE浏览器的地址栏上输入http://196.168.1.79/sensorlab.html即可进入如图4所示的虚拟传感检测实验系统登陆界面。
[0046]3.输入账号和密码后，进入传感检测实验主界面如图5所示。选择热敏电阻模块，进入热敏电阻实验。热敏电阻实验主体由四个部分组成:传感器介绍、实验内容、恒流源法测量和分压法测量；单击“恒流源法测量”，热敏电阻实验前面板如图6所示。单击“自动测量”，系统将自动进行温度测量，并绘制温度随时间变化曲线和热敏电阻-温度特性曲线。单击“保存结果并退出”，可退出当前实验。热敏电阻模块恒流源法测量电路原理图如图7所示，其中热敏电阻选用负温度系数IOk热敏电阻3950，运放选用TL082。
【权利要求】
1.一种基于网络化虚拟仪器的传感检测系统，其特征在于:该系统包括系统硬件搭接与软件构架；具体而言，本系统的硬件组成包括虚拟仪器服务器、测试服务器、数采卡、实验箱、各传感器模块和若干台PC终端和网络设备；系统软件构架以LabVIEW为平台进行开发； 本系统采用LabVIEW虚拟技术，构建基于网络化虚拟仪器的传感检测实验系统，实现远程传感实验箱和仪器设备控制； 虚拟仪器服务器端集成数据库服务器和应用程序服务器，负责与远程客户端及测试服务器端数据的接收与转发；数据库服务器用于存储用户及其登陆信息、设备信息，应用程序服务器用于动态网页的生成、远程发布及远程实验； 测试服务器是实验箱和仪器设备的控制端；测试服务器直接对实验箱和仪器设备进行实时控制； 客户端浏览器为用户提供了实验的操作界面，用户只需要通过浏览器如IE，即可进行远程实验； 本系统中，测试服务器可以通过PCI接口连接数采卡和传感实验箱，也可以通过USB接口、GPIB接口连接仪器设备，如函数发生器、数字示波器，以实现仪器的远程控制；实验箱主板共6个通用插槽，其中4个模拟插槽和2个数字插槽；实验箱主板上还包括68pin的数采卡接口、68pin的测试端口和可调正负电源； 和实验箱主板配套使用的8个传感器模块为热敏电阻模块、PTlOO模块、光敏电阻模块、热电偶模块、霍尔传感器模块、压力应变模块、气压传感器模块和声音采集处理模块；其中，霍尔传感器模块既有数字信号输出，又有模拟信号输出；其它各模块为模拟信号输出；各模块都包含了传感器和信号调理电路，可用于远程传感检测虚拟实验； 系统采用C/S、B/S的混合结构，即B/S/C结构模式，实现远程测控；系统实时数据交换和远程交互通过LabVIEW的Data Socket技术和Remote Panels技术实现； 本系统不仅需完成传感实验箱的测试、控制，还有大量的实验数据需要交换，采用单一的C/S模式或B/S模式都不能满足要求；因此，本系统采用一种新的C/S模式和B/S模式的混合结构，即B/S/C模式结构；在此B/S/C模式中，虚拟仪器服务器既是C/S结构中的服务器，又是B/S结构中的Web服务器；B/S结构用于发布C/S结构中的客户端程序，C/S结构用于实现测试服务器与虚拟仪器服务器之间的直接通信；这种结构模式既保留了 B/S结构的易于发布的特性，又保留了 C/S结构能传送大量实时数据的优点，保证了系统的实时性。
2.依权利要求1所述的一种基于网络化虚拟仪器的传感检测系统，其实验方法的特征在于:该实验方法包括如下， 建立局域网，测试服务器与虚拟仪器服务器采用C/S模式进行通信，利用LabVIEW中的Data Socket技术和TCP/IP协议开发数据传输程序,完成实验数据的传输和保存；局域网通过代理服务器接入Internet，建立虚拟实验网站，用B/S模式发布C/S模式中的客户端程序，远程客户端可随时访问虚拟实验系统进行实验； 本系统通过LabVIEW集成的DataSocket技术实现网络中数据的共享与交换；所述DataSocket技术是一种基于TCP/IP的面向测量与自动化工程的网络实时数据交换的编程新技术，用一个易用的高性能编程接口，在测量与自动化应用软件之间共享和发布实时数据；本系统通过LabVIEW集成的远程前面板技术实现浏览器端远程测控；远程前面板技术，将LabVIEW程序作为一种ActiveX控件嵌入到Web网页中；客户端只需安装LabVIEWRun-Time Engin,即可在浏览器中输入服务器端配置的网址，对服务器端的VI前面板进行浏览与控制，从而实现远程测控； 在实际的实验室中，测试服务器通过PCI接口连接数采卡6221和传感实验箱；对传感实验箱进行数据采集时，使用LabVIEW中的DAQ数据采集技术，可进行模拟信号和数字信号的实时采集； 通过浏览器进行传感检测实验的远程控制的方法如下； 对于Internet上的客户端，用以下方式打开并控制远程端的V1:在浏览器的地址栏上输入地址格式为:http://IP Adress:Port/Vl name.html ;其中 IP Adress 为服务器的 IP地址，Port为服务器端Web Server Configuration设置的HTTP端口，VI name是服务器发布的VI名； 对于与服务器在同一局域网内的客户端，在浏览器的地址栏上输入地址格式为:http://Pc Name:Port/Vl name.html ；Pc Name 是服务器端的计算机名； 将各实验的服务器端程序在服务器上通过LabVIEW发布之后，用户端就可以通过网页进行远程实验；用户通过浏览器登录远程虚拟实验室后，即可在页面上进行远程交互式的操作，远程控制传感实验箱，进行远程实验。
3.根据权利要求2所述的一种基于网络化虚拟仪器的传感检测系统实验方法，其特征在于: 将虚拟仪器服务器、测试服务器、数采卡和实验箱搭建局域网；局域网通过代理服务器接入Internet，客户端可以通过浏览器进行远程虚拟实验；虚拟仪器服务器采用曙光4000A大型机，双核处理器的清华同方台式机作为测试服务器，客户机可以是普通PC机； 本系统中采用的68pin数采卡PCI6221，是美国国家仪器公司生产的M系列多功能数据采集卡；PCI6221通过PCI总线接口将测试服务器和实验箱连接；实验箱主板以及和实验箱主板配套使用的8个传感器模块为自主开发； 实验箱主板共6个通用插槽，其中4个模拟插槽和2个数字插槽；实验箱主板上还包括68pin的数采卡接口、68pin的测试端口和可调正负电源； 和实验箱主板配套使用的8个传感器模块为热敏电阻模块、PTlOO模块、光敏电阻模块、热电偶模块、霍尔传感器模块、压力应变模块、气压传感器模块和声音采集处理模块；其中，霍尔传感器模块既有数字信号输出，又有模拟信号输出；其它各模块为模拟信号输出；各模块都包含了传感器和信号调理电路，可用于远程传感检测虚拟实验； 系统中测试服务器与虚拟仪器服务器构成的局域网采用C/S模式进行通信；局域网通过代理服务器接入Internet，用B/S模式发布C/S模式中的客户端程序；即系统采用新的B/S/C模式结构；B/S模式开发主要使用了 LabVIEW8.6提供的远程VI前面板技术；C/S模式开发主要使用了 LabVIEWS.6提供的网络实时数据交换的编程新技术，以及远程VI前面板技术； 在虚拟仪器服务器端使用LabVIEW Webserver提供的虚拟仪器Web服务，只要服务器端的应用程序载入内存，客户端便可通过浏览器对远程的虚拟传感检测程序进行监控；虚拟仪器服务器端参数配置及网页发布过程如下:首先在服务器端打开要发布的虚拟实验VI，使VI调入内存中；然后在“Web服务器:配置”页面勾选“启动Web服务器”，并且勾选所有的允许访问选项；选择“Web服务器:可见VI”项，在此设置客户机允许访问的VI子程序；选择“Web服务器:浏览器访问”，在此设置允许访问或者禁止访问的客户计算机；配置完上述参数后，点击“工具”——“Web发布工具…”，进入网页发布配置；在“乂1名称”中选择好要发布的VI程序，查看模式选择“内嵌”，网页中浏览VI的方式，选中“Request”则客户端自动获得VI的控制权；单击“下一步”，“文档标题”为显示在网页中的标题，可键入“欢迎登陆Sensor Lab”;进入下一页后完成所有配置工作，网页发布完成； 配置完服务器端的远程发布参数后，客户端只要安装LabVIEW Run-Time Engin，即可在浏览器中输入服务器端配置的网址，对服务器端的VI前面板进行浏览与控制，从而实现远程虚拟实验； 如在IE浏览器的地址栏上输入http://196.168.1.79/sensorlab.html即可进入虚拟传感检测实验系统登陆界面； 输入账号和密码后，进入传感检测实验主界面，选择热敏电阻模块，进入热敏电阻实验；热敏电阻实验主体由四个部分组成传感器介绍、实验内容、恒流源法测量和分压法测量；单击“恒流源法测量”，热敏电阻实验前面板；单击“自动测量”，系统将自动进行温度测量，并绘制温度随时间变化曲线和热敏电阻-温度特性曲线；单击“保存结果并退出”，可退出当前实验；热敏电阻模块恒流源法测量电路，其中热敏电阻选用负温度系数IOk热敏电阻3950，运放选用TL082。
【文档编号】G09B23/18GK103956096SQ201410126175
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】张军, 刘元盛, 薛琳, 杨萍, 王燕妮 申请人:北京联合大学