基于網絡的虛擬實驗儀器的制作方法

專利名稱：基于網絡的虛擬實驗儀器的制作方法
專利說明
一.技術領域本實用新型涉及一種虛擬儀器，用于代替目前理工類高校開設的物理、化學實驗課程中所使用的傳統實驗儀器。
二.
背景技術：
對于理工類高校開設的物理、化學實驗課程中所使用的教學實驗儀器。目前儀器生產廠家都是根據某個實驗的具體內容分別設計數據采集電路、控制電路、信號發生電路，及上位機分析軟件；學校也分別購買各個實驗對應的儀器產品并布置實驗室。在這種情況下，廠家生產周期長，儀器自身維修保養困難；學校必須耗費大量資金；并且實驗的內容、步驟、精度等都依賴于儀器的設計，學生得不到靈活有效的訓練。
在目前市場上已有的其它虛擬儀器的產品中，最著名的是美國NI公司的Labview。Labview雖然號稱是圖形開發，但它畢竟還是屬于一種開發語言，對于普通的實驗課任課教師來說，熟練掌握其中的語法并開發出一套虛擬儀器需要一個較長的學習過程，并且Labview的外圍數據采集電路和控制電路大多是基于工業總線，價格昂貴，不適合用來開發高校實驗課程中所使用的儀器。
三.
發明內容
本實用新型的目的是設計一種虛擬儀器，用于代替目前理工類高校開設的物理、化學課程中所使用的傳統儀器。任課教師可以在不需要培訓的情況下，根據課程要求，結合實際情況自己設計實驗的內容、步驟，使學生得到靈活的訓練。
本實用新型的實現方案是虛擬儀器由相應的軟硬件組成。硬件負責數據采集、輸出控制，而實驗過程的邏輯控制、數字信號處理、數據分析、函數信號發生、波形顯示等由軟件完成。依靠系統提供一個圖形編輯環境，用戶通過圖形界面生成一個配方(實驗方案等)，系統檢查配方中的邏輯，自動生成一個腳本，系統運行這個腳本，就實現用戶定制的虛擬儀器。具體而言，本實用新型基于網絡的虛擬實驗儀器，由腳本文件和腳本解釋器、網絡模塊、圖形編輯發生器、外圍電路及輸出控制數字信號電路、計算函數庫、數學信號處理函數庫組成，圖形編輯發生器與用戶交互，收集用戶編輯的信息并生成腳本；數字信號處理等函數庫是常用數字信號處理及數學計算函數的集合；網絡模塊實現配方的遠程下載及實驗過程中的數據監視，其特征是完成數據的采集及輸出控制的外圍電路及輸出控制數字信號電路與單片機輸入連接，單片機的輸出連接通訊口與網絡驅動模塊連接。
實驗的流程步驟、邏輯控制信息生成腳本，一個腳本文件記錄其對應的實驗的所有信息，運行腳本就得到所需的虛擬儀器。腳本的結構是開頭給出實驗配置信息，然后分塊描述圖形編輯環境上的每個對象。
通過網絡，配方能自動被下載到每個學生的電腦中。教師可以從互聯網下載由我們提供的或別的教師制作的配方，實現教育資源共享。在實驗過程中，教師在自己的計算機上能夠實時地查看每個學生的實驗進程及各項實驗數據，并加以指導，實現信息化、數字化實驗室。
本實用新型由以下幾個模塊組合而成。
腳本解釋器、外圍電路、數字信號處理和數學計算函數庫、圖形編輯環境和網絡驅動模塊。
本實用新型的特點是1.設計的是一種虛擬儀器，以軟件代替硬件，系統生成的每一個腳本都能實現一種實驗儀器的功能，從而使用戶不再需購買各種各樣的儀器，大大節省了教育資金。
2.操作簡便，腳本由系統自動生成，實驗課任課教師自己就可以方便地設計一臺儀器，不象其它虛擬儀器的產品需要專業技能才能開發。
3.通過網絡提供給教師和學生交互的能力，教師可以將編輯好的配方(腳本文件)遠程下載到學生計算機中，并且還可以在實驗的過程中動態地查看學生的實驗數據。
四.

圖1為本實用新型結構示意框圖圖2為本實用新型數據采集硬件原理結構框圖圖3為本實用新型腳本生成流程圖4為本實用新型的信號調理和數字采集電路圖五.具體實施方式
1.腳本和腳本解釋器系統將任課教師的配方生成一個腳本，這個腳本描述了該配方的執行邏輯、數據采集的方式和速度、控制輸出的模式、需要調用的工具包(或函數庫)、輸出對象的標識、生成的報表格式等信息。腳本解釋器對腳本解釋執行，根據腳本控制實驗的步驟和進度、調用數字信號處理和數據分析等工具包處理數據采集模塊傳回的數據、將計算結果傳給波形顯示工具包顯示結果。
在本實用新型中，腳本的內容包括配置信息和執行邏輯兩部分。配置信息其實是提供了兩個映射表，一個是輸出對象標識到對象地址的映射，一個是函數標識到函數地址的映射，這些對象和函數將在下面的腳本中被使用，這樣在腳本的下文中可以通過標識訪問輸出對象或函數庫中的函數。腳本解釋器在接收到新的腳本時，將首先載入這兩個表進行初始化工作。
執行邏輯實際上就是實驗過程的描述，這是腳本的主體，一般被嵌在一個循環體中。執行邏輯由邏輯和命令組成，邏輯是判斷條件和結果，命令是函數庫和輸出對象的調用接口。命令是針對具體的解釋器開發的，邏輯的描述也和具體的解釋器有關，在本系統中，我們選擇TCL作為腳本解釋器。
TCL(Tool Command Language)是一種可嵌入的命令腳本化語言。TCL是一個庫包，它包含了一個分析器，并可被嵌入應用程序。在TCL的應用中，程序被分割成一個個小的，具備一定完整功能的，可重復使用的組件，各個組件之間可互相通信，協同工作，程序的功能在這些小的組件功能基礎上生成。針對TCL我們編寫了函數調用命令和數據傳送命令，函數調用命令負責調用數字信號處理或數學計算函數庫中的函數(每個函數相當于上文提到的一個組件)。數據傳送命令是將處理的結果發給輸出對象，以在界面顯示，輸出對象的指針也是在腳本的配置信息中給出。
本實用新型通過腳本來管理程序啟動、終止腳本解釋器。腳本解釋器啟動時，將首先從腳本管理程序獲得當前腳本文件的指針；腳本管理程序終止腳本運行，是通過檢查生成腳本時插入的一個標記位。
2.外圍電路基于單片機的數據采集硬件原理結構框圖如圖2所示，由信號調理、多路切換、A/D、8051處理器模塊、通信模塊、傳感器驅動模塊組成。圖2數據采集硬件原理結構框圖中信號調理模塊由差分放大、開關選擇放大倍數電路、濾波組成。濾波電路選取低通濾波器電路，傳感器輸出的模擬信號放連接差分放大器，其輸出連接A/D轉換電路，多路切換模塊，選用CD4051芯片，A/D轉換器輸出連接單片機，單片機連接通信模塊至PC機。
差分放大將傳感器輸出的模擬信號放大至A/D轉換的線性工作區中，并且可以有效的消除零點漂移，提高共模抑制比。開關選擇放大倍數電路，提高了差分放大器的靈活度，放大倍數可以從1倍到100倍自由選擇。傳感器輸出通常為直流信號，高頻范圍的噪聲較多，為了能有效的抑制噪聲，選取低通濾波器對信號進行濾波。多路切換模塊，選用CD4051芯片，可以支持4路的模擬量輸入。A/D轉換器將模擬量轉換為數字量，是信號處理的基礎，并且很大程度決定了系統的工作速度以及精度。本實用新型采用的芯片是AD1674，轉換時間是10us，分辨率是12bit，可以滿足絕大多數實驗要求。本實用新型的處理器模塊采用的是8051，配有max813L看門狗電路，可以有效的防止因干擾而引起的死機；EEPROM芯片，存放默認運行參數。傳感器驅動電路，提供了傳感器工作所需要的電流、電壓。通信模塊是PC機與數據采集卡之間的通信橋梁。
PC機與數據采集卡之間，是通過串口來進行通信的。采用主從式的通信方式，PC機作為主設備，數據采集卡作為從設備，一個主設備最多可帶10個從設備。通信協議的構造由起始位、設備地址域、功能代碼、數據、CRC校驗、結束位組成。采用此通信方式，系統構建成本低，通信可靠。
通信協議借鑒了工業上通用的modbus通信協議，并在此基礎上，針對具體情況加以了修改。設備地址域為4bit，范圍從1到11(十進制)，代表從設備的地址。對功能代碼域根據具體的情況進行了重新定義，當消息從主設備發往從設備，功能代碼將告知從設備需要執行哪些行為，比如0xf3代表通道1和通道2同時開始采集。當從設備回應時，使用功能代碼來指出是下常回應還是有錯誤發生，收到錯誤發生碼，主設備就重發消息。從設備是通過數據域將采集過來的數據發送到主設備。數據域的第一個八位指出當前從設備的工作狀態，比如0x21代表現在同時采集兩個通道，分別為第一和第二通道，數據域第二個字節代表當前的放大倍數。數據域從第三個字節開始，代表A/D轉換后的實際數據，因為系統選用的是12位的A/D轉換器，所以每兩個字節代表一個完整的數據，每個完整的數據，按照所處的通道號的大小順序交替排列。
3.數字信號處理和數學計算函數庫數字信號處理模塊是一個完整、獨立的函數庫。主要包括標度變換、數據校正、數字濾波、數學計算四個種類。標度變換包括數字量到相應的電壓值的變換、電壓值到實際被測物理量值的轉換。數據校正分為線性校正、非線性校正。非線性校正包括了分段直線校正、拋物線插值、最小二乘法擬合、多項式曲線擬合、線性最佳一致逼近法等一系列常用方法，可由用戶隨意選擇，從而達到最佳的數據校正效果。數字濾波，可在不丟失原始數據的情況下，有效的消除因隨機干擾而引入的隨機誤差。數字濾波函數庫里包括限幅濾波、中位值濾波、平均濾波、低通濾波等。數學計算函數庫中包含了實驗數據處理的常用算法，如積分、微分、求對數、求均值、求方差、開方、平方、角度轉換、求最大值、求最小值。當需要復雜的工程計算時，可通過調用Matlab引擎函數來實現與Matlab的接口。
4.圖形編輯環境及腳本的生成圖形編輯環境是系統的重要組成部分，負責和用戶交互，并將用戶配方解析，生成腳本和界面描述文件。
圖形編輯環境包括圖形編輯界面和腳本生成單元兩大部分，腳本所能達到的靈活性取決于兩者的有機結合。編輯界面中按照功能放置不同的對象，例如啟動數據采集的按鈕、編輯定時器的文本框，以及表示控制邏輯的組合按鈕。腳本的內容被劃分為各個小塊，每個小塊對應編輯界面上的一個對象，在生成腳本時，系統檢查編輯界面上的每一個對象，將它的狀態轉化為腳本語言后放置在腳本相應的位置。
腳本語言是字符串組合，腳本本身是一個文本文件，所以生成腳本主要是字符串操作。在系統中首先建立一個查詢表，查詢的關鍵字是對象的標識，表的存儲內容是相應對象攜帶參數轉化后的腳本語言。如圖3腳本生成流程圖中所示。
5.網絡模塊網絡模塊采用客戶-服務器結構，教師計算機是服務器，學生計算機是客戶端，通信采用TCP協議。從功能上看，網絡模塊主要有兩方面的任務，一是支持配方的遠程下載，二是在實驗過程中教師計算機對學生計算機數據的監視。
配方下載的過程其實就是一個文件的傳送過程，因為配方以腳本文件的方式存在。教師計算機中的圖形編輯環境將配方解析生成腳本文件后，由網絡發送給學生計算機，學生計算機中的腳本管理程序終止當前腳本的運行，腳本解釋器從腳本管理程序獲得新腳本文件的指針后重新啟動。
在教師計算機對學生計算機數據監視過程中，采用查詢方式，因為它們運行著同樣的腳本文件，腳本文件的輸出對象也相同，所以教師只要將某個輸出對象的標識作為查詢參數，即可獲得所需要的數據。
權利要求1.基于網絡的虛擬實驗儀器，由腳本文件和腳本解釋器、網絡模塊、圖形編輯發生器、外圍電路及輸出控制數字信號電路、計算函數庫、數學信號處理函數庫組成，圖形編輯發生器與用戶交互，收集用戶編輯的信息并生成腳本；數字信號處理等函數庫是常用數字信號處理及數學計算函數的集合；網絡模塊實現配方的遠程下載及實驗過程中的數據監視，其特征是設有完成數據的采集及輸出控制的外圍電路及輸出控制數字信號電路與單片機輸入連接，單片機的輸出連接通訊口與網絡驅動模塊連接。
2.由權利要求1所述的基于網絡的虛擬實驗儀器，其特征是基于單片機的數據采集電路由信號調理、多路切換、A/D、單片機、PC機組成，信號調理電路由差分放大、開關選擇放大倍數電路、濾波電路組成；濾波電路選取低通濾波器電路，傳感器輸出的模擬信號放連接差分放大器，其輸出連接A/D轉換電路，多路切換模塊，選用CD4051芯片，A/D轉換器輸出連接單片機，單片機連接通信模塊至PC機。
3.由權利要求1所述的基于網絡的虛擬實驗儀器，其特征是PC機與數據采集電路之間，通過RS232串口來進行連接，其通信協議是采用主從式的通信方式，通信協議的構造由起始位、設備地址域、功能代碼、數據、CRC校驗、結束位組成。
專利摘要基于網絡的虛擬實驗儀器，由腳本文件和腳本解釋器、網絡模塊、圖形編輯發生器、外圍電路及輸出控制數字信號電路、計算函數庫、數學信號處理函數庫組成，圖形編輯發生器與用戶交互，收集用戶編輯的信息并生成腳本；數字信號處理等函數庫是常用數字信號處理及數學計算函數的集合；網絡模塊實現配方的遠程下載及實驗過程中的數據監視，設有完成數據的采集及輸出控制的外圍電路及輸出控制數字信號電路與單片機輸入連接，單片機的輸出連接通訊口與網絡驅動模塊連接。本實用新型用于代替目前理工類高校開設的物理、化學課程中所使用的傳統儀器。任課教師可以據以安排實驗。
文檔編號G09B25/00GK2676331SQ20042002428
公開日2005年2月2日 申請日期2004年1月19日 優先權日2004年1月19日
發明者徐蘇珊, 馬國強, 彭洲紅, 吳金勇, 虞致國, 潘紅兵, 劉先昆, 紀圣謀, 張駿, 徐健鍵 申請人:南京大學