基于LabVIEW的虚拟实验室与传感器虚拟仪器的设计及实现

论文摘要

面对当前高校招生人数的不断扩大,当前学校的教学实验资源已无法满足教学的需求,很多专业特别是理工类专业,对实验以及实际动手能力的要求特别高,虽然当前政府部门加大了对学校的教育和科研经费投入,可是面对众多需要实验的同学,学校的实验设备无论从数量上还是从质量上都已经无法满足实际需求。随着计算机硬件及程序设计语言的发展,产生了虚拟仪器。开发虚拟仪器,使用虚拟仪器做实验可以有效节约实验经费,也能使实验在时间和空间上得到有效扩展。本文是在山西省科技基础条件平台建设基金项目(2006091001)资助下所做的研究,将虚拟仪器技术应用于虚拟实验室的开发,使用LabVIEW等图形化编程语言,构建了一个远程网络化虚拟实验室,为学生提供了一个网络化的实验教学平台。围绕如何构建一个架构合理使用方便的实验平台,本文主要做了以下几个方面的工作:1.深入研究了国内外虚拟仪器和虚拟实验室研究现状,从理论层面分析了虚拟仪器和虚拟实验室的基本概念、分类、架构以及开发过程等。2.对LabVIEW基础知识以及其提供的各种网络编程手段进行了分类描述。分别对C/S和B/S模式进行了分析,并对两种体系结构从不同层面进行了的对比,根据两种模式的利弊选择了虚拟实验室开发模式。3.按照本文提出的理论架构、建模方法和技术方案,提出了虚拟实验室设计原则,开发了一个“远程网络化虚拟实验室”。该实验室分为模拟仿真平台和测控研究平台两个部分,在模拟仿真平台设计实现了一系列原理验证型模拟仿真实验(频谱分析器,公式波形发生器,FIR滤波器与Butterworth滤波器对比实验,傅立叶变换对比实验等)。在测控研究平台设计实现了一系列远程可用的虚拟仪器(公式波形发生器,任意波形发生器,Butterworth滤波器,FIR加窗滤波器,FFT变换器),并设计了相应的测试程序验证了测试研究平台的虚拟仪器远程可用。4.从解决实际问题的方向入手,配合CO传感器使用LabVIEW提供的共享变量网络通信技术开发了CO浓度远程监测系统,该系统具备多级报警的特点,在设计上具备很强的创新性。另外开发了远程CH4监测报警系统,该系统通过网络远程使用了虚拟实验室中的Butterworth滤波器进行滤波,且该系统搭配了高灵敏度的CH4传感器,可以在工厂或者煤矿使用。通过这两个测控类虚拟仪器的开发,验证了虚拟实验室的在测控类实验中的可用性,并将LabVIEW在测控和网络编程上的优势发挥出来。本文设计实现的远程网络化虚拟实验室,实现了远程控制、资源共享、数据共享和远程监测等功能,该系统完成了局域网测试,达到了网络在线实验的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 虚拟仪器基础知识
• 1.2.1 虚拟仪器的定义、结构和功能
• 1.2.2 虚拟仪器与传统仪器的比较
• 1.2.3 虚拟仪器的发展趋势与发展前景
• 1.3 远程虚拟实验室相关基础知识
• 1.3.1 虚拟实验室简介
• 1.3.2 远程虚拟实验室特征
• 1.3.3 远程虚拟实验室软硬件体系结构
• 1.4 远程虚拟实验室的分类及国内外研究现状
• 1.4.1 纯软件仿真虚拟实验室
• 1.4.2 可操控型远程虚拟实验室
• 1.4.3 远程虚拟实验室国内外研究现状
• 1.5 本论文的课题来源和主要研究内容
• 第二章 虚拟实验室开发环境介绍
• 2.1 系统开发环境概述
• 2.2 LabVIEW 相关知识
• 2.2.1 LabVIEW 编程环境的构成
• 2.2.2 LabVIEW 的特点与优势
• 2.2.3 LabVIEW 程序设计的一般过程
• 2.2.4 LabVIEW 网络通信方式
• 2.3 本章小结
• 第三章 远程虚拟实验室的设计与实现
• 3.1 虚拟实验室系统开发原则
• 3.2 虚拟实验室系统的体系结构
• 3.2.1 C/S 模式与B/S 模式
• 3.2.2 虚拟实验室开发模式选择
• 3.3 虚拟实验室整体设计
• 3.4 模拟仿真平台的设计与实现
• 3.4.1 模拟仿真平台设计思路
• 3.4.2 模拟仿真平台用户使用流程
• 3.4.3 虚拟实验室模拟仿真平台登录界面及系统主界面
• 3.4.4 虚拟实验室模拟仿真平台各仿真实验
• 3.5 测控研究平台的设计与实现
• 3.5.1 测控研究平台设计思路
• 3.5.2 测控研究平台用户使用流程
• 3.5.3 测控研究平台主界面及各虚拟仪器界面
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于LabVIEW 的传感器虚拟仪器
• 4.1 远程CO 浓度监测多级报警系统的设计与实现
• 4.1.1 远程CO 浓度监测系统设计初衷
• 4.1.2 系统硬件设计
• 4.1.3 系统软件设计
• 4.1.4 测试结论与扩展
• 4.2 远程CH4 监测报警系统的设计与实现
• 4.2.1 远程CH4 监测报警系统设计初衷
• 4.2.2 系统硬件设计
• 4.2.3 系统软件设计
• 4.2.4 测试结论
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论及发展展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文