基本信息
- 项目名称：
- 基于LabVIEW的多终端远程实验室构建
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品以LabVIEW软件为开发环境，利用WEB网页技术和TCP/IP、UDP等相关技术，开发能应用于测试技术、信号处理、故障诊断、工程机械、内燃机等课程的远程实验，为远程多终端实验和学术交流提供了高效的平台。
- 详细介绍：
- 1 设计背景 目前的高等教育中，越来越强调对学生实践能力的培养，实验教育成为理工科教育的一个至关重要的环节。然而，随着各学科实验项目和学生人数的增多，传统的实验室和实验仪器数量很难满足学生的需求。因此，远程实验室作为一种有效的解决方案应运而生，并且成为高等教育实验环节的发展趋势之一。 2 LabVIEW简介 LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美国NI（National Instrument）公司推出的一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。经过近30的发展，它已经广泛的用在了工业的各个领域，并被学术界和研究实验室所接受。LabVIEW包括前面板和程序框体两部分。前面板用于放置输入和显示控件，是和用户交互的界面，程序框图则是编写程序代码的地方。用LabVIEW编程，界面非常直观形象，都是工程师们熟悉的旋钮、开关、图形等，因此LabVIEW对于没有丰富编程经验的工程师们来说无疑是个极好的选择。另外，LabVIEW也拥有大量由NI公司或第三方公司提供的非常实用的支持软件如：Application Builder（用于将用户的VI程序生成可执行文件）、SQLToolkt（用于将LabVIEW程序与本地或远程数据库相连），也可调用其它软件（如Matlab）等。 3 远程虚拟实验室方案描述 本远程虚拟实验室设计主要包括两个部分：基于Client/Server模式的网络虚拟实验室和基于B/S模式的网络虚拟实验室。 Client/Server模式是远程测控系统中一种比较成熟的解决方案。在网络虚拟实验室环境下，一台计算机既充当Server角色，同时，有作为一个Client，多台计算机执行不同的功能，如数据的采集、分析处理和保存等，从而实现数据的远程测控和处理。 B/S结构实际上是一种“瘦客户/胖服务器”浏览模式。客户机无需安装复杂的客户软件，只要有浏览器即可，主要的应用程序在服务器上。这种结构把虚拟仪器的前面板移植到Web页面上，通过Web服务器处理相关的操作要求。 通过大量的实验和对目前远程实验室的建设的参考，本实验系统选定用B/S模式进行构建。对于教学系统中关于简单定理公式和相关仪器的处理使用图形验证，将这些程序嵌入到Web网页中以便学生随时学习，方便快捷，这样可以让学生更直观跟明了的理解和掌握相关变换和仪器的变化过程。对于远程采集模块则使用Web网页下载程序的形式将软件下载到本地机上进行运行实现客户机和服务器通过TCP和UDP的通信。 经过分析比较综合上述两种方案的优缺点，根据教学实验条件的不同最终选择两种方案相结合的方式来完成本实验系统的设计,其中以C/S模式为主要设计方案，B/S为辅助设计方案。 4 功能论述 4、1 LabVIEW网页发布实验（B/S模式） 为了能满足学生在远程计算机上直接对本地的VI程序面板进行浏览或操作，可以利用LabVIEW提供的Web服务器技术实现这一目的。通过使用本地的Web服务器，用户可以不需要任何编程就可以在远程计算机上通过网页或是LabVIEW连接本地的VI前面板，本地VI前面板会原封不动的呈现在远程计算机的屏幕上。LabVIEW中实现远程面板连接仅需要两个非常简单的步骤： （1）在服务器端配置并启动LabVIEW Web服务器。 （2）在客户端通过网页或LabVIEW Run-Time引擎连接远程面板 4、2 LabVIEW客户机远程采集实验（C/S模式） 网络虚拟实验室的实现是基于Web的网络技术，由于因特网采用通用的TCP/IP网络通信协议，而且是一个全球范围内的网络，因此用因特网构建网络化虚拟实验室系统的周期、难度和费用都大大低于现场总线局域网与VXI总线系统专用网，这给远程测控用的网络化虚拟实验室系统的发展注入了新的活力。因此因特网网络技术是虚拟仪器实验室构建的技术基础。 计算机网络的迅速普及，奠定了仪器网络化的基础，网络化测试系统的形成势必成为校园网实验室教学的一个重要组成部分。虚拟仪器开发软件LabVIEW作为一个优秀的开发平台，为构建基于计算机网络的实验室系统，提供了多种功能强大的工具和方便灵活的方法。LabVIEW支持TCP/IP协议、UDP协议，而且NI公司还开发了一种DataSocket技术，大大简化甚至免除了网络通信编程。另外，LabVIEW还具有远程面板访问（Remote Pannel）技术、RDA技术、VISever技术和浏览器方式等，这些技术都能实现虚拟仪器的网络化。 5 设计创新点 （1）软件代替硬件，实现硬件共享。 （2）创造性的实现了利用有限教学资源，达到最大教学成果的目的。 对于理工科院校的学生来说，实验是必不可少的学习环节。但是，由于教育资源有限，学生人数增多等原因，实验室并不能满足学生亲自动手实验的要求。本远程实验室平台，通过网络发布，达到了教育资源的共享，有效的缓解了这一矛盾。 （3）搭建了可扩展的远程实验平台。 基于LabVIEW的远程实验室平台不仅可以进行信号处理、测控、故障诊断、工程机械、内燃机等领域的实验教学，而且可以根据实验教学需要，随时更改实验项目，实现其他领域的实验教学，使本设计具有更新速度快，扩展性强的特点。 （4）为实验延伸到工程应用领域提供了可能。 本实验平台框架，可以实现数据的远程采集、传输与处理，为其在工程领域的应用提供了依据。比如，针对某一大型的柴油机，由于其体积大，移动不便等原因，别的地方的工程技术人员想对其进行故障分析和诊断，就是一件非常难的事情。但是，通过本平台，本地的技术人员可以实时的把对柴油机进行的诊断工作和数据发布到网络，别的地方的技术人员通过远程访问网络平台，就可实现诊断数据的远程共享和实验的远程进行，实现了工程中远程故障诊断。 6 总结 （1）本设计在广泛查阅国内外有关资料的基础上，以高等学校远程用于测试技术、信号处理、故障诊断、工程机械、内燃机等课程实验为研究对象，以转子台、传感器、信号调理设备、数据采集卡、PC机为硬件基础，在LabVIEW 2010开发平台上进行测试技术、数字信号处理技术，设计开发了基于Labview的多终端远程实验系统，系统集成两种远程访问方法、进行多种数据采集测量，本系统具有构建周期短、调试维护方便、通用性强、性价比高、界面美观、操作简便、易于扩展等特点。 （2）远程虚拟实验室是一个相当广泛而且非常实用的课题，在国内很多著名高校中也有很成功的开发实例，该课题涉及的远程实验的形式、方法以及数据传递的模式非常丰富和深邃，本设计只是进行了初步探讨，因此该系统还用进一步的改进和完善空间。 参考文献 [1]陈锡辉，张银红.LABVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.7 [2]戴鹏飞，王胜开，王格芳，马欣.测试工程与LABVEIW应用[M].北京：电子工业出版社，2006：64-77 [3]路林吉，等.虚拟仪器的应用[M].电子技术，2006：40-46 [4]李旭军，莫汉初，洪耀。基于网络虚拟实验室的构建[J].测试技术.2009.7：61-63 [5]吕红英，吴先球，叶穗红，王鑫，陈俊芳. LabVIEW实现PC与自制信号发生器的串行通信[J].华南师范大学学报.2004.8：59-62 [6]贾功贤，李兵等.基于PC的虚拟仪器的发展趋势[J].电子技术应用，1999：4-6 [7]吕红英，吴先球，陈俊芳.用LabVIEW实现自制信号发生器的远程控制[J].测试技术.2004：34-36 [8]Gary W Gohson. LABVIEW Graphic Programming . USA. MC Graw -Hill, 1998 [9]陈敏,汤晓安,等.虚拟仪器软件LABVEIW与数据采集[J].小型微型计算机系统,2001:501-503 [10]种兰祥,张首军,阎丽.基于计算机声卡的多通道数据采集系统.西北大学学报(自然科学版)[J] .2002,32(6):629-632 [11]杜玉玲，文西芹.基于B/S模式的远程虚拟实验室的开发[J].现代教育技术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]叶胜泉.电子示波器.北京：水利电力出版社[M].1988：1-56 [16]李翔宇，唐求.基于B/S模式的Labview远程测控系统的设计[J].仪表技术.2007:7-10
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计发明的目的：1、以LabVIEW软件为开发环境，开发能应用于测试技术、信号处理、故障诊断、工程机械、内燃机等课程的远程实验，为远程多终端实验和学术交流提供了高效的平台；同时为工程中现场测试数据的远程分析处理提供了途径。2、给传统的实验教学模式和学生的学习方式带来巨大的变化，使教师和学生能够集中精力和时间用于实验的执行、数据的分析及结论的总结上，而不必将大量时间花在实验系统设备的搭建上。3、提高了实验教学的伸缩性和适应性，克服了实验场地、仪器数量等对学生实践能力培养的限制。4、多数高等院校实验设备有限、学生人数增多，本设计实现了实验室教学资源的共享，合理的配置了教育资源，解决了资金投入与人才培养之间的矛盾。 创新点：1、软件代替硬件。2、实现了实验室教学资源的共享。3、构建了富有扩展性的教学框架4、为工程测试数据实时的远程分析提供了途径。 技术关键：利用WEB网页技术和TCP/IP、UDP等相关技术，实现实验教学资源的网络发布；结合信号分析技术和数据处理技术开发出基于LabVIEW的远程实验系统平台。 主要技术指标：1、本多终端远程实验室能够满足多种课程的实验要求，富有扩展性。2、本远程实验室能应用于实际工程领域中，通过此平台，工程技术人员可以方便快速的实现工程中现场实时数据的远程传输和分析处理。
科学性、先进性
- 本作品通过编写labVIEW可视化的程序，运用网络通信互联技术成功地搭建了多终端远程实验室，为实验和学术交流提供了高效的平台。其突出的特点和进步如下： 1，实现了实验室教学资源的共享，合理的配置了教育资源，提高了实验教学的伸缩性和适应性。 2，本作品利用软件代替硬件，降低了教学成本，有助于将其大范围推广。同时为工程项目现场数据的远程分析提供了途径。 3，使用LabVIEW开发多终端远程实验系统方便快捷，不需要很深的软件编程能力，可以把主要精力放在实验的设计上来。 参考文献： [1] NI高校技术市场部. 基于LabVIEW构建远程实验室技术指导书.2009.7 [2]李旭军，莫汉初，洪耀.基于网络虚拟实验室的构建[J].测试技术.2009.7：61-63 [3]杜玉玲，文西芹.基于B/S模式的远程虚拟实验室的开发[J].现代教育技术2004：57—59
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- （ D ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段 D 应用阶段 （自填）
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 用户只需通过网络访问远程实验室平台即可。平台上的实验具有两种访问模式：B/S模式和C/S模式，用户可以根据具体实验选择不同的模式进行实验学习。另外，用户还可以根据自己的学科方向选择不同的学科实验。 作品的技术特点和优势： 1、多终端远程实验室，为远程实验教学和学术交流提供了平台。达到了实验室教学资源的共享，合理的配置了教学资源的目的。 2、利用软件代替硬件，构建了富有扩展性的实验教学框架，实现了不同的远程教学平台搭建，具有很强的实验教学适用性和扩展性。可以根据不同课程的要求，搭建不同的教学平台，完成不同学科的实验。 3、为工程应用中现场实时数据的远程传输和分析处理提供了可行性，具有很大的实用价值。 推广前景： 对于一般的高等院校由于其实验设备有限，学生数量增多，实验教学的质量不易保证，本平台克服了这方面的不足，可以在各个兄弟院校做大范围推广。
同类课题研究水平概述
- 随着虚拟仪器技术向网络方向不断发展，基于网络技术的多终端远程实验室不仅为远程实验和学术交流提供了高效的平台，也给传统的实验教学模式和学生的学习方式带来巨大的变化，同时可以大大提高实验效率，使教师和学生能够集中精力和时间用于实验的执行、数据的分析及结论的总结上，而不必将大量时间花在实验系统设备的搭建上。 虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（NI）率先提出的一个创新理念，它是计算机和仪器仪表的完美结合，美国高校的远程实验室建设有很成功的先例，比如斯坦福大学的Cyberlab 是一个远程的光学实验室就是一个非常有名的例子，在国外大学里基于labVIEW的实验室屡见不鲜。 目前，中国已有超过70 所高校建立了以NI 公司软硬件为基础的虚拟仪器实验室，其中包括清华、北大、上交大、等多所国内一流院校。每年有超过30000 名学生在学习LabVIEW 软件以及虚拟仪器课程。 基于虚拟仪器的远程实验室开发是今后高校实验室建设发展的方向，同时也为工程项目现场数据的实时远程分析与诊断提供了技术方向，具有很大发展潜力和应用价值。
