基本信息
- 項目名稱：
- 基于LabVIEW的多終端遠程實驗室構(gòu)建
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品以LabVIEW軟件為開發(fā)環(huán)境，利用WEB網(wǎng)頁技術(shù)和TCP/IP、UDP等相關(guān)技術(shù)，開發(fā)能應用于測試技術(shù)、信號處理、故障診斷、工程機械、內(nèi)燃機等課程的遠程實驗，為遠程多終端實驗和學術(shù)交流提供了高效的平臺。
- 詳細介紹：
- 1 設(shè)計背景 目前的高等教育中，越來越強調(diào)對學生實踐能力的培養(yǎng)，實驗教育成為理工科教育的一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。然而，隨著各學科實驗項目和學生人數(shù)的增多，傳統(tǒng)的實驗室和實驗儀器數(shù)量很難滿足學生的需求。因此，遠程實驗室作為一種有效的解決方案應運而生，并且成為高等教育實驗環(huán)節(jié)的發(fā)展趨勢之一。 2 LabVIEW簡介 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美國NI（National Instrument）公司推出的一種基于G語言（Graphics Language，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。經(jīng)過近30的發(fā)展，它已經(jīng)廣泛的用在了工業(yè)的各個領(lǐng)域，并被學術(shù)界和研究實驗室所接受。LabVIEW包括前面板和程序框體兩部分。前面板用于放置輸入和顯示控件，是和用戶交互的界面，程序框圖則是編寫程序代碼的地方。用LabVIEW編程，界面非常直觀形象，都是工程師們熟悉的旋鈕、開關(guān)、圖形等，因此LabVIEW對于沒有豐富編程經(jīng)驗的工程師們來說無疑是個極好的選擇。另外，LabVIEW也擁有大量由NI公司或第三方公司提供的非常實用的支持軟件如：Application Builder（用于將用戶的VI程序生成可執(zhí)行文件）、SQLToolkt（用于將LabVIEW程序與本地或遠程數(shù)據(jù)庫相連），也可調(diào)用其它軟件（如Matlab）等。 3 遠程虛擬實驗室方案描述 本遠程虛擬實驗室設(shè)計主要包括兩個部分：基于Client/Server模式的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室和基于B/S模式的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。 Client/Server模式是遠程測控系統(tǒng)中一種比較成熟的解決方案。在網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室環(huán)境下，一臺計算機既充當Server角色，同時，有作為一個Client，多臺計算機執(zhí)行不同的功能，如數(shù)據(jù)的采集、分析處理和保存等，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程測控和處理。 B/S結(jié)構(gòu)實際上是一種“瘦客戶/胖服務器”瀏覽模式?？蛻魴C無需安裝復雜的客戶軟件，只要有瀏覽器即可，主要的應用程序在服務器上。這種結(jié)構(gòu)把虛擬儀器的前面板移植到Web頁面上，通過Web服務器處理相關(guān)的操作要求。 通過大量的實驗和對目前遠程實驗室的建設(shè)的參考，本實驗系統(tǒng)選定用B/S模式進行構(gòu)建。對于教學系統(tǒng)中關(guān)于簡單定理公式和相關(guān)儀器的處理使用圖形驗證，將這些程序嵌入到Web網(wǎng)頁中以便學生隨時學習，方便快捷，這樣可以讓學生更直觀跟明了的理解和掌握相關(guān)變換和儀器的變化過程。對于遠程采集模塊則使用Web網(wǎng)頁下載程序的形式將軟件下載到本地機上進行運行實現(xiàn)客戶機和服務器通過TCP和UDP的通信。 經(jīng)過分析比較綜合上述兩種方案的優(yōu)缺點，根據(jù)教學實驗條件的不同最終選擇兩種方案相結(jié)合的方式來完成本實驗系統(tǒng)的設(shè)計,其中以C/S模式為主要設(shè)計方案，B/S為輔助設(shè)計方案。 4 功能論述 4、1 LabVIEW網(wǎng)頁發(fā)布實驗（B/S模式） 為了能滿足學生在遠程計算機上直接對本地的VI程序面板進行瀏覽或操作，可以利用LabVIEW提供的Web服務器技術(shù)實現(xiàn)這一目的。通過使用本地的Web服務器，用戶可以不需要任何編程就可以在遠程計算機上通過網(wǎng)頁或是LabVIEW連接本地的VI前面板，本地VI前面板會原封不動的呈現(xiàn)在遠程計算機的屏幕上。LabVIEW中實現(xiàn)遠程面板連接僅需要兩個非常簡單的步驟： （1）在服務器端配置并啟動LabVIEW Web服務器。 （2）在客戶端通過網(wǎng)頁或LabVIEW Run-Time引擎連接遠程面板 4、2 LabVIEW客戶機遠程采集實驗（C/S模式） 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的實現(xiàn)是基于Web的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由于因特網(wǎng)采用通用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，而且是一個全球范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，因此用因特網(wǎng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗室系統(tǒng)的周期、難度和費用都大大低于現(xiàn)場總線局域網(wǎng)與VXI總線系統(tǒng)專用網(wǎng)，這給遠程測控用的網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗室系統(tǒng)的發(fā)展注入了新的活力。因此因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是虛擬儀器實驗室構(gòu)建的技術(shù)基礎(chǔ)。 計算機網(wǎng)絡(luò)的迅速普及，奠定了儀器網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)的形成勢必成為校園網(wǎng)實驗室教學的一個重要組成部分。虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW作為一個優(yōu)秀的開發(fā)平臺，為構(gòu)建基于計算機網(wǎng)絡(luò)的實驗室系統(tǒng)，提供了多種功能強大的工具和方便靈活的方法。LabVIEW支持TCP/IP協(xié)議、UDP協(xié)議，而且NI公司還開發(fā)了一種DataSocket技術(shù)，大大簡化甚至免除了網(wǎng)絡(luò)通信編程。另外，LabVIEW還具有遠程面板訪問（Remote Pannel）技術(shù)、RDA技術(shù)、VISever技術(shù)和瀏覽器方式等，這些技術(shù)都能實現(xiàn)虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化。 5 設(shè)計創(chuàng)新點 （1）軟件代替硬件，實現(xiàn)硬件共享。 （2）創(chuàng)造性的實現(xiàn)了利用有限教學資源，達到最大教學成果的目的。 對于理工科院校的學生來說，實驗是必不可少的學習環(huán)節(jié)。但是，由于教育資源有限，學生人數(shù)增多等原因，實驗室并不能滿足學生親自動手實驗的要求。本遠程實驗室平臺，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，達到了教育資源的共享，有效的緩解了這一矛盾。 （3）搭建了可擴展的遠程實驗平臺。 基于LabVIEW的遠程實驗室平臺不僅可以進行信號處理、測控、故障診斷、工程機械、內(nèi)燃機等領(lǐng)域的實驗教學，而且可以根據(jù)實驗教學需要，隨時更改實驗項目，實現(xiàn)其他領(lǐng)域的實驗教學，使本設(shè)計具有更新速度快，擴展性強的特點。 （4）為實驗延伸到工程應用領(lǐng)域提供了可能。 本實驗平臺框架，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集、傳輸與處理，為其在工程領(lǐng)域的應用提供了依據(jù)。比如，針對某一大型的柴油機，由于其體積大，移動不便等原因，別的地方的工程技術(shù)人員想對其進行故障分析和診斷，就是一件非常難的事情。但是，通過本平臺，本地的技術(shù)人員可以實時的把對柴油機進行的診斷工作和數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)，別的地方的技術(shù)人員通過遠程訪問網(wǎng)絡(luò)平臺，就可實現(xiàn)診斷數(shù)據(jù)的遠程共享和實驗的遠程進行，實現(xiàn)了工程中遠程故障診斷。 6 總結(jié) （1）本設(shè)計在廣泛查閱國內(nèi)外有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，以高等學校遠程用于測試技術(shù)、信號處理、故障診斷、工程機械、內(nèi)燃機等課程實驗為研究對象，以轉(zhuǎn)子臺、傳感器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、PC機為硬件基礎(chǔ)，在LabVIEW 2010開發(fā)平臺上進行測試技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了基于Labview的多終端遠程實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)集成兩種遠程訪問方法、進行多種數(shù)據(jù)采集測量，本系統(tǒng)具有構(gòu)建周期短、調(diào)試維護方便、通用性強、性價比高、界面美觀、操作簡便、易于擴展等特點。 （2）遠程虛擬實驗室是一個相當廣泛而且非常實用的課題，在國內(nèi)很多著名高校中也有很成功的開發(fā)實例，該課題涉及的遠程實驗的形式、方法以及數(shù)據(jù)傳遞的模式非常豐富和深邃，本設(shè)計只是進行了初步探討，因此該系統(tǒng)還用進一步的改進和完善空間。 參考文獻 [1]陳錫輝，張銀紅.LABVIEW8.20程序設(shè)計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.7 [2]戴鵬飛，王勝開，王格芳，馬欣.測試工程與LABVEIW應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006：64-77 [3]路林吉，等.虛擬儀器的應用[M].電子技術(shù)，2006：40-46 [4]李旭軍，莫漢初，洪耀?；诰W(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的構(gòu)建[J].測試技術(shù).2009.7：61-63 [5]呂紅英，吳先球，葉穗紅，王鑫，陳俊芳. LabVIEW實現(xiàn)PC與自制信號發(fā)生器的串行通信[J].華南師范大學學報.2004.8：59-62 [6]賈功賢，李兵等.基于PC的虛擬儀器的發(fā)展趨勢[J].電子技術(shù)應用，1999：4-6 [7]呂紅英，吳先球，陳俊芳.用LabVIEW實現(xiàn)自制信號發(fā)生器的遠程控制[J].測試技術(shù).2004：34-36 [8]Gary W Gohson. LABVIEW Graphic Programming . USA. MC Graw -Hill, 1998 [9]陳敏,湯曉安,等.虛擬儀器軟件LABVEIW與數(shù)據(jù)采集[J].小型微型計算機系統(tǒng),2001:501-503 [10]種蘭祥,張首軍,閻麗.基于計算機聲卡的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).西北大學學報(自然科學版)[J] .2002,32(6):629-632 [11]杜玉玲，文西芹.基于B/S模式的遠程虛擬實驗室的開發(fā)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)2004：57-59 [12]LABVIEW Uscr Manual. USA：National Instruments Corporation.1998 [13]Using External Code in LABVIEW. USA：National Instruments Corporation.2000 [14]Noel Adorno. Developing a LABVIEW Intrument Driver. USA：The Application Note of National Instruments Corporation [15]葉勝泉.電子示波器.北京：水利電力出版社[M].1988：1-56 [16]李翔宇，唐求.基于B/S模式的Labview遠程測控系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀表技術(shù).2007:7-10
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作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 設(shè)計發(fā)明的目的：1、以LabVIEW軟件為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)能應用于測試技術(shù)、信號處理、故障診斷、工程機械、內(nèi)燃機等課程的遠程實驗，為遠程多終端實驗和學術(shù)交流提供了高效的平臺；同時為工程中現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的遠程分析處理提供了途徑。2、給傳統(tǒng)的實驗教學模式和學生的學習方式帶來巨大的變化，使教師和學生能夠集中精力和時間用于實驗的執(zhí)行、數(shù)據(jù)的分析及結(jié)論的總結(jié)上，而不必將大量時間花在實驗系統(tǒng)設(shè)備的搭建上。3、提高了實驗教學的伸縮性和適應性，克服了實驗場地、儀器數(shù)量等對學生實踐能力培養(yǎng)的限制。4、多數(shù)高等院校實驗設(shè)備有限、學生人數(shù)增多，本設(shè)計實現(xiàn)了實驗室教學資源的共享，合理的配置了教育資源，解決了資金投入與人才培養(yǎng)之間的矛盾。 創(chuàng)新點：1、軟件代替硬件。2、實現(xiàn)了實驗室教學資源的共享。3、構(gòu)建了富有擴展性的教學框架4、為工程測試數(shù)據(jù)實時的遠程分析提供了途徑。 技術(shù)關(guān)鍵：利用WEB網(wǎng)頁技術(shù)和TCP/IP、UDP等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)實驗教學資源的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布；結(jié)合信號分析技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)開發(fā)出基于LabVIEW的遠程實驗系統(tǒng)平臺。 主要技術(shù)指標：1、本多終端遠程實驗室能夠滿足多種課程的實驗要求，富有擴展性。2、本遠程實驗室能應用于實際工程領(lǐng)域中，通過此平臺，工程技術(shù)人員可以方便快速的實現(xiàn)工程中現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的遠程傳輸和分析處理。
科學性、先進性
- 本作品通過編寫labVIEW可視化的程序，運用網(wǎng)絡(luò)通信互聯(lián)技術(shù)成功地搭建了多終端遠程實驗室，為實驗和學術(shù)交流提供了高效的平臺。其突出的特點和進步如下： 1，實現(xiàn)了實驗室教學資源的共享，合理的配置了教育資源，提高了實驗教學的伸縮性和適應性。 2，本作品利用軟件代替硬件，降低了教學成本，有助于將其大范圍推廣。同時為工程項目現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠程分析提供了途徑。 3，使用LabVIEW開發(fā)多終端遠程實驗系統(tǒng)方便快捷，不需要很深的軟件編程能力，可以把主要精力放在實驗的設(shè)計上來。 參考文獻： [1] NI高校技術(shù)市場部. 基于LabVIEW構(gòu)建遠程實驗室技術(shù)指導書.2009.7 [2]李旭軍，莫漢初，洪耀.基于網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的構(gòu)建[J].測試技術(shù).2009.7：61-63 [3]杜玉玲，文西芹.基于B/S模式的遠程虛擬實驗室的開發(fā)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)2004：57—59
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- （ D ）A實驗室階段 B中試階段 C生產(chǎn)階段 D 應用階段 （自填）
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、現(xiàn)場演示、圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明： 用戶只需通過網(wǎng)絡(luò)訪問遠程實驗室平臺即可。平臺上的實驗具有兩種訪問模式：B/S模式和C/S模式，用戶可以根據(jù)具體實驗選擇不同的模式進行實驗學習。另外，用戶還可以根據(jù)自己的學科方向選擇不同的學科實驗。 作品的技術(shù)特點和優(yōu)勢： 1、多終端遠程實驗室，為遠程實驗教學和學術(shù)交流提供了平臺。達到了實驗室教學資源的共享，合理的配置了教學資源的目的。 2、利用軟件代替硬件，構(gòu)建了富有擴展性的實驗教學框架，實現(xiàn)了不同的遠程教學平臺搭建，具有很強的實驗教學適用性和擴展性。可以根據(jù)不同課程的要求，搭建不同的教學平臺，完成不同學科的實驗。 3、為工程應用中現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的遠程傳輸和分析處理提供了可行性，具有很大的實用價值。 推廣前景： 對于一般的高等院校由于其實驗設(shè)備有限，學生數(shù)量增多，實驗教學的質(zhì)量不易保證，本平臺克服了這方面的不足，可以在各個兄弟院校做大范圍推廣。
同類課題研究水平概述
- 隨著虛擬儀器技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)方向不斷發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多終端遠程實驗室不僅為遠程實驗和學術(shù)交流提供了高效的平臺，也給傳統(tǒng)的實驗教學模式和學生的學習方式帶來巨大的變化，同時可以大大提高實驗效率，使教師和學生能夠集中精力和時間用于實驗的執(zhí)行、數(shù)據(jù)的分析及結(jié)論的總結(jié)上，而不必將大量時間花在實驗系統(tǒng)設(shè)備的搭建上。 虛擬儀器的概念是由美國國家儀器公司（NI）率先提出的一個創(chuàng)新理念，它是計算機和儀器儀表的完美結(jié)合，美國高校的遠程實驗室建設(shè)有很成功的先例，比如斯坦福大學的Cyberlab 是一個遠程的光學實驗室就是一個非常有名的例子，在國外大學里基于labVIEW的實驗室屢見不鮮。 目前，中國已有超過70 所高校建立了以NI 公司軟硬件為基礎(chǔ)的虛擬儀器實驗室，其中包括清華、北大、上交大、等多所國內(nèi)一流院校。每年有超過30000 名學生在學習LabVIEW 軟件以及虛擬儀器課程。 基于虛擬儀器的遠程實驗室開發(fā)是今后高校實驗室建設(shè)發(fā)展的方向，同時也為工程項目現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時遠程分析與診斷提供了技術(shù)方向，具有很大發(fā)展?jié)摿蛻脙r值。
