网络化远程虚拟测控实验平台软件技术
雷霖王厚军童玲白泰礼
【摘要】本文将计算机网络、虚拟仪器、测控技术和LabWindows/CVI编程技术等有机结合，用PC机与各种虚拟仪器构成网络连接，设计出基于网络化测控技术和虚拟仪器技术的综合实验平台，构建出基于Internet和GPIB总线的网络化电子测量和控制实验室，并实现对各种虚拟仪器的远程控制。本文介绍的技术在我校的网络化电子测量和控制实验室已经实际应用。实践表明，本实验平台技术、操作流程等与传统实验方法相比，具有明显的技术优势和先进性。
【关键词】网络测控虚拟仪器LabWindows/CVI GPIB 远程虚拟实验平台
虚拟实验技术与传统实验技术相比，具有经济性、开放性、针对性等优势，是实验教学模式的一种探索和创新。远程虚拟实验在教育、科研等许多领域中具有广泛的应用前景，是实验教学的一种新技术和新模式。虚拟仪器（VI，Virtual Instrument）技术被广阔应用于各行各业的测量和测试系统。VI的功能有采集数据、数据分析处理、显示处理结果。VI技术的基础是计算机技术，网络化已经成为测量技术及VI发展的新趋势。VI是在通用计算机上加上一组软件和硬件，使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的专用传统电子仪器一样。
一、虚拟仪器网络化测试系统
虚拟仪器网络化测控系统如图1所示。系统由一组基本硬件和相应的软件构成。其中硬件包括计算机（可以是一台单机或一台服务器加多台PC构成的局域网络）、各种总线仪器（包括高质量的A/D采集卡、控制卡及调理放大器与传感器）和被测试/控制的对象。软件采用LabVIEW和LabWindows/CVI加Visual C++的方式。图形化的软件LabWindows/CVI用于开发仪器面板和实现传统功能的VI。软、硬件结合可以缩短开发周期，提高VI的可用性。系统可以很容易地通过计算机与外部网络通信，实现基于网络的虚拟仪器系统[2]。
在LabWindows/CVI的软件平台上，在局域网内部组建VI网络系统，具体网络通信部分的实现由以下几部分组成：
（1）在局域网内部利用虚拟仪器实现网络互连。
（2）实现远程控制GPIB仪器。
（3）利用服务器-客户机模式来申请控制权及验证实验者身份。
网络化虚拟测控过程中需要用到的网络通信有：
（1）询问服务器数据库得到工作站的IP地址，取得对应工作站的控制权。
（2）由远端PC机远程控制GPIB仪器：远端PC机通过局域网给GPIB仪器发送命令，或者将仪器取回来的数据回送给远端PC机。
（3）服务器中有一个数据库，包含有系统所有远端PC机和连接GPIB仪器的所有工作站的名称、IP地址、在工作站上工作内容名称以及在系统工作过程中每个PC机所占用工作站的时间等数据信息。通过数据库，远端PC机就可以通过网络查询服务器上的数据库，获得对工作站的控制权，使得各个远端PC机不会为了争夺控制权而出现混乱局面。
（4）工作站是通过GPIB接口卡连到GPIB仪器的PC机。工作站直接对GPIB仪器的控制叫做本地控制，而PC机通过网络对连在工作站上的GPIB仪器的控制叫做远程控制。
GPIB（General Purpose Interface Bus）实际上是计算机与仪器之间连接的一种接口标准。GPIB 仪器通过GPIB接口卡与PC机相连（如图2所示）。
二、客户机与服务器通信程序的实现
客户端与服务器之间通信用一致的数据头来保证信息传输的可靠性。客户端与服务器之间采用请求/响应的方式。典型的TCP通信过程如下：
（1）服务器端：注册端口，同时安装回调函数。
回调函数中：TCP_CONNECT消息发生，设置连接句柄
TCP_DISCONNECT 消息发生，断开连接
TCP_DATAREADY 消息发生，读写数据
（2）客户端：连接到服务器，同时安装回调函数。
回调函数中：TCP_DISCONNECT消息发生，断开连接
TCP_DATAREADY消息发生，读写数据
三、PC机远程控制GPIB仪器的技术
本地PC机控制GPIB仪器：直接给GPIB接口卡发命令。通过点击虚拟仪器面板上的按钮产生的回调函数直接对GPIB接口卡写命令[3]。例如，IOOPEN函数打开连在PC机上的GPIB仪器；IOOUTPUTS向GPIB仪器发送命令字符串；IOENTERS从仪器取回数据字符串。虚拟仪器网络的远程控制原理如图3所示。
远地PC机虚拟仪器
远程PC机控制GPIB仪器：这时PC机发出的命令不是直接送给GPIB仪器了，而是需要通过网络传输，把命令传给连接有GPIB仪器的工作站，然后工作站再把接收来的命令通过GPIB接口卡发送给GPIB仪器，从而达到远程控制的目的。
在网络传输中，远地PC机与工作站的关系仍然是客户端-服务器的关系，远地PC机相当于客户端Client，工作站相当于服务器Server。使用客户端/服务器模型来编程实现。
具体测试时，首先获得对工作站的控制权，即获得工作站的IP地址，然后虚拟仪器通过局域网络与工作站建立连接。虚拟仪器网络的连接与信号传递关系如图4所示。
在建立连接之后，点击虚拟仪器面板按钮就可以向工作站发送命令，根据系统中所涉及仪器种类的不同大致分为以下两种情况：一种是不需要把数据取回虚拟实验面板的仪器，比如函数发生器。此次实验用的是Tektronix公司生产的AFG310型号的函数发生器。这种仪器只需接收两种类型的命令：一种是IOOPEN；另一种是IOOUTPUTS。为了保证发送数据与接收数据的一致性，仍需在数据前端加数据头。发送命令前必须根据指令的类型在其前面加上数据头格式：1——函数发生器发的命令；2——指令的编号（如果是IOOUTPUTS，编号就是1；如果是IOOPEN，编号就是2）；3——指令内容（由程控命令决定）；4——指令长度（由strlen（）函数决定）。
定义两个函数：
（1）Sendhp（）：负责在IOOUTPUTS命令前加上数据头，并发送给工作站。
（2）Ioopen（）：负责在IOOPEN命令前加上数据头，并发送给工作站。
四、服务器程序设计与实现
工作站负责接收来自虚拟实验面板的数据包，然后解包，获得命令字符串，然后再发送给GPIB仪器。工作站相当于一个中转站，把数据包解释成具体的命令，然后再传达给连在其上的GPIB仪器。虚拟面板发送来的数据是已经打包了的数据，定义了具体的格式，工作站的程序就是要把这些数据头拆掉，获得最终的具体的命令。由于一个工作站可能连有多个GPIB仪器设备，所以数据要加上相应的数据头，例如，发给信号源的数据前加上[Signal_Client]，发给示波器的数据前加上[Osc_Client]。
五、实验与应用
将网络技术、自动测试技术和虚拟仪器技术相结合，构建一个基于GPIB总线的自动测控实验平台——网络化电子测量与控制实验室，在该实验室的建设中大量采用了本文中的新技术，构建出一个基于Internet和GPIB总线的网络化电子测量与控制实验平台，并且已经为我校“测控技术与仪器”、“自动化”、“环境检测”等专业开出了大量的专业课程实验，实验效果很好。本文介绍的技术在我校的网络化电子测量和控制实验室已经成功应用。实践表明，本实验平台技术、操作流程等与传统实验方法相比，具有明显的技术优势和先进性。
六、结论
本文研究的网络化远程虚拟测控实验技术是实验教学模式的一种探索和创新。可以预见，基于网络化的远程虚拟测量与控制实验室的成功建设与应用，必将促进教学观念与教学模式的变革，促进教学内容与教学方法的改进，是今后远程教育与实验发展的主流与趋势。
电量传感器在学生实验中的应用
钱开第
【摘要】本文介绍了电子科技大学在电子艺术工程创作实验中，把先进的电量传感器及其检测技术用于取代传统仪器的方法。经过多次实践教学表明，这种应用方式不仅能充分利用实验资源，提高实验效率；更重要的是使学生在实验中接触到现代工业生产中实际使用的前沿技术，有助于培养他们的创新精神，从而提高其驾驭新型器件的能力，以迎接新世纪的挑战，受到学生和教师两方面的欢迎，是一次有益的尝试。
【关键词】电量非电量电子艺术工程传感器
一、传感器的定义的变化
当前，在工业、军事、科研甚至民用领域广泛使用着各种传感器。其中文名称在不同的时期和地域又有许多别名，如变换器、探测器、感应器、换能器等等。经过若干年时间的考验，有些别名显得不妥，具体理由举例如下：
变换器——例如，各种交、直流变换器，不是传感器。
探测器——例如，火星探测器是一个大的系统，包含多种装置，不是一个传感器。
感应器——例如，感应起电机可感应出静电，但不是传感器。
换能器——例如，太阳电池可以是能源装置（大功率的），也可能是传感器（小功率的），不确定。
总之，这些别名因可能发生混淆、不太妥当而逐渐趋于消失，而“传感器”一词得到大家的共同认可。传感器的英文名称为Sensor或Transducer。此外，还有一种输出标准信号的传感器，称为变送器（Transmitter）。
近年来，传感器的定义发生了一些变化，从下列文献中可见一斑。
（1）《检测与转换技术》1981年7月出版，由吉林工业大学常健生编著：
传感器是借助于检测元件接受一种物理量信息，并按一定规律将它转换为同样或别种物理量形式的信息的仪表。
（2）《非电量电测技术》1989年11月出版，由沈阳工业大学严钟豪、浙江大学谭祖根编著：
传感器是一个把被测非电量变换成电量的装置。
（3）《非电量检测技术》1991年5月出版，由哈尔滨电工学院王凤鸣编著：
传感器是获取非电量信号并将其转换成电信号的装置（或元件），是非电量检测系统的关键部分。
（4）《传感器原理设计与应用》（第二版）1993年12月出版，由国防科技大学刘迎春编著：
传感器是能感受规定的被测量（物理量、化学量、生物量等）并按照一定的规律转换成可用输出信号（一般为电量）的器件或装置。
（5）《传感器的理论与设计基础及其应用》1999年8月出版，由燕山大学单成祥编著：
传感器是从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件。
（6）《传感器原理设计与应用》（第四版）2002年4月出版，国防科技大学刘迎春编著：
传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。
从以上20多年来传感器定义的变化中，我们可以看出：
①传感器的定义范围越来越宽
例如，被测量已不局限于“物理量”了，因为现在已经出现了化学传感器、生物传感器；也不局限于“非电量”了，因为现在已经出现了电量传感器。
②传感器必须是以检测为目的
例如，大功率的太阳电池用做能源时，尽管把光能转换成了电能，但不能称之为传感器。但用于测光表的小功率光电池却可以称为传感器。
③传感器必须进行有规律的转换
如果转换时没有规律性，或者人们尚未掌握那种规律性，尽管转换发生了，而且得到了电量，也无法用于测量。因为得不到确切的数据，测量就失去了意义。
二、电量传感器的工作特点
（1）众所周知，被测量按性质可以分为电量和非电量两大类。而且非电量包罗万象，比电量多得多，传感器大多数用于非电量的检测。
（2）但是在电力系统中，为了采用计算机进行测量和控制，必须把不适合输入计算机的电量转换为适合输入计算机的电量。例如，0～10安培的交流电流转换为0～5伏的直流电压就要用到电流传感器。前者虽然是电量，但却不适合输入计算机；转换成后者，显然就可以输入了。再如，把0～1000伏的交流电压也可通过电量传感器转换为0～5伏的直流电压，或者将交流电的频率、相位等电量转换为上述电压（也可以是4～20毫安的直流电流信号）。
（3）由于其他行业的各种装置大都采用电力作为能源，所以电量传感器有广泛的应用领域，而不仅仅局限于电力部门。
（4）除了直流模拟电压或电流外，幅度一定（例如5伏）的脉冲串，计算机也能够识别。单位时间内，幅度一定的一系列脉冲的个数就是脉冲的重复频率。因此，也可以把电量转换成（电脉冲）频率，成为检测电量的频率传感器。脉冲重复频率还不是完全意义上的数字信号，只能算准数字信号。
