基于LabVIEW远程虚拟信号分析仪的设计
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摘要：利用 LabVIEW开发虚拟信号分析仪，并利用LabVIEW的远程前面板技术把虚拟信号分析仪在Web服务器上，构建一个基于Web的虚拟仪器测试网络，实现B/S模式下的网络通信，用户在客户机上通过浏览器即可直接操作位于服务器上的虚拟仪器，实现信号远程测量与分析、数据存储、以及波形显示等功能，达到资源共享的目的。系统创建后，经过测试，实现了对仪器的网络化控制及对被测对象的远程测量。系统功能丰富，使用方便，既可以进行实时的信号显示与分析，又可以在离线情况下对存储的采集结果进行分析和处理，体现了虚拟仪器技术与网络化测控技术的优越性。
中图分类号：TH89文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2011)28-6998-03
Design of Remote Virtual Signal Analyzing Instrument Based on LabVIEW
XIE San-mao
(School of Mechanical Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)
Abstract: Virtual signal analyzing instrument was developed based on LabVIEW and was published on the Web server with the Remote Panels technology of LabVIEW. A Web-based virtual instrument test network was built. Network communication of B/S model was realized. Users may directly operate the virtual instrument of server through the browser of client. The remote measurement and analysis of signal, data storage, and waveform display was realized. The purpose of sharing resources was reached. The system was tested in practical task. The test shows that the system completes thenetworked control of instrument and remote measurement of object. The system has the characteristic of fully functions and easily operation. The system can proceed not only the signal display and analysis in real-time, but also the analysis and processing of gathering result in the memory under the off-line condition. It shows the advantages of virtual instrument technology and networked measurement and control technology.
Key words: LabVIEW; virtual instrument; remote measurement; design
测量与控制技术在现代科学技术、工业生产和国防等诸多领域中应用十分广泛，测控技术的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件与明显标志。近年来，以Internet为代表的网络技术的出现以及它与其他高新技术的结合，为测控与仪器技术带来了前所未有发展空间和机遇，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测控技术与网络化测控系统应运而生。网络化测控是现代测控技术的主要特点之一。
信号分析是将一个复杂信号分解成若干简单信号分量之和，或者用有限的一组参量去表示一个波形复杂的信号，从分量的组成情况或有限的参量去考察信号的特性；另一方面，信号分析是获取信号源（主要指被研究的系统）特征信息的重要手段，人们往往可以通过对信号特征的详细了解，得到信号的特性、系统运行情况甚至故障等信息，是故障分析和故障诊断的基础。本系统利用LabVIEW开发虚拟信号分析仪实现信号的相关分析、幅值谱分析、功率谱分析、倒频谱分析等功能。本虚拟信号分析仪主要有以下几个模块：
1）数据采集模块
本仪器的信号采集由NI PCI-6251采集卡实现，数据采集卡通过多路开关，A/D转换芯片和数据缓存的几个部件将多通道的模拟信号存储在其缓存中，数据采集卡和计算机之间通过计算机总线交换数据，一个多通道波形数据采集的过程一般包括以下几个步骤：
① 数据采集卡有关的采样参数（采样频率、采样次数、采样通道、数据缓存的大小）设置；
② 采样开始，多路开关对采样通道进行一次扫描，每个通道采样一个点；
③ A/D转换；
④ 数字信号存到数据缓存；
⑤ 重复2~4，直到采集到了所需的采样次数，全部数据顺序存储到缓存中；
⑥ 从数据采集卡的缓存中读取数据到计算机的内存中；
在LabVIEW7以后版本新增了一个数据采集助手DAQ Assistant工具。它是一个图形化的界面，主要用于交互式地创建、编辑和运行NI-DAQmx虚拟通道的任务。
2）信号生成模块
若要测试本系统分析功能的正确性，可以用本系统的信号生成模块来产生模拟信号，用于测试程序的信号分析功能。信号生成模块用于生成规则的周期函数，包括正弦波、三角波、方波和锯齿波，通过信号发生器上的参数控件可改变所选波形的频率、幅值、相位。其程序框图如图1所示。
3）滤波模块
滤波器设计的经典方法是用“最佳逼近特性”设计方法，相应的有巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器、椭圆滤波器等滤波器类型。LabVIEW提供了丰富的数字滤波器模块，它们由基本滤波器模块、IIR高级滤波器模块和FIR高级滤波器模块三部分组成。
数字滤波器的输人输出都是离散的时间信号，这些数字滤波器可以直接调用而不用考虑
它的内部设计。本仪器采用IIR高级滤波器模块产生巴特沃思滤波器和切比雪夫滤波器实现单通道或多通道波形数据处理，图2是滤波器子模块程序框图。
4）时域分析模块
根据时域分析的理论基础，该模块包括时域参数分析、时域波形显示、概率密度函数分析、相关分析等功能。
5）频域分析模块
对于处理比较复杂的振动信号，用时域描述来揭示信号的频率结构和各频率成分的幅值或能量大小是很困难的，所以在动态测试技术中广泛运用信号的频域描述，以揭示信号内各频率成分的幅值、相位与频率的对应关系，或者是信号能量沿频率域的分布规律。该模块包括幅值谱分析和功率谱分析。
6）文件管理模块
数据管理是测试系统的一个基本功能，它的作用在于组织数据，方便用户对数据的使用。利用LabVIEW中功能强大的文件处理工具，实现了数据的读写、存储与回放等功能。
下面就是用LabVIEW开发的虚拟信号分析仪，图3是该仪器的流程图，图4是该仪器的前面板：
图3 虚拟信号分析仪流程图 图4 虚拟信号分析仪前面板
2 基于LabVIEW的远程技术
2.1 LabVIEW中网络通信方式
LabVIEW作为面向仪器与测控领域的开发工具，提供了丰富的网络通信功能，包括共享变量、DataSocket技术、TCP/UDP通信、远程前面板技术等，依赖于这些技术，使用LabVIEW来进行网络程序设计，开发者无需了解网络编程的底层细节即可完成复杂的网络通信，达到数据共享与交换的目的。根据各种通信方式的比较，并结合实际工作要求，为尽量减少客户端开发的工作量，本系统采用远程前面板技术实现信号的远程检测与分析。
2.2 远程前面板（Remote Panels）技术
LabVIEW集成的远程前面板技术，将LabVIEW程序作为一种ActiveX控件嵌入到Web网页中，通过浏览器，用户在客户端计算机上可以直接打开并操作位于服务器端计算机上的LabVIEW程序前面板。先编写服务器端虚拟仪器软件，再通过一定的设置将服务器端软件的前面板，这样，用户在客户机上基本不用编程，通过IE等浏览器即可直接操作位于服务器上的虚拟仪器软件，从而实现远程信号检测与分析，Remote Panels技术是一种典型的B/S模式。在LabVIEW中使用Remote Panels技术需要分别对服务器和客户机进行相应设置。
1）服务器端设置
在客户机端使用RemotePanels之前，需要先在服务器端配置Web服务器，启动Web服务，并利用Web工具将网页出去。具体步骤如下：
① 网页文件路径和网络设置
打开需要的VI程序前面板，选择主菜单->工具->选项->“Web 服务器：配置”选项，激活“启用Web服务器”选项，表示启动网络服务，然后设置存放服务器文件（如的网页文件）根目录、HTTP 端口（服务器端的网络服务端口）和网络连接超时时间（超过此时间仍未连接上就认为超时，自动取消连接尝试）。
② 客户端访问权限设置
选择“Web服务器：浏览器”访问对话框，设置客户机及其权限。客户机可以用计算机名或IP地址来表示，客户机权限分为两类：控制（前面板可见并可以进行控制）和允许查看（前面板可见）。
③ VI访问权限设置
选择“Web服务器：可见VI”选项，设置哪些VI（虚拟仪器）可以被访问，以及可以被客户端控制的时间长度。
④ 程序网页
选择工具->Web工具选项，在VI 名称栏选择要的VI，方式有三种：嵌入、快照和显示器。嵌入表示VI前面板将嵌入在网页中，用户不仅可以浏览前面板，还可以控制前面板；快照表示把当前VI前面板的截图在网页中；显示器与快照一样，但会不断按指定时间间隔更新截图。为了既可以浏览又可以控制前面板，一般选择嵌入方式，然后配置远程客户机浏览时访问服务器的网页地址，最后将会得到所想要生成的网页。
2）客户机端设置
客户机端只需要安装LabVIEW Run-Time引擎，不需要其他任何编程工作，即可在通用的浏览器中输入服务器端配置的网页地址，对服务器端的VI前面板进行浏览与控制。图5是在IE浏览器中打开的一个位于服务器上的VI程序前面板。在IE浏览器中我们可以清楚地看到所显示的Web界面，同时还可以对其中的界面进行相应的操作，当然首先客户端必须取得远程服务器的认可，既对方允许你对其进行监测和控制。
采用Remote Panels技术，工作量主要放在服务器端，客户端基本不需要编程，对用户的要求与限制少，是一种典型的B/S模式。在局域网或专用测试网络上可以应用此方案解决不太复杂、数据量小、图像少、传输距离近的测试需求。
3 网络化测控系统的安全
目前研究开发出了各种网络安全技术来保证网络通信的安全，采取的安全措施主要有：防火墙技术、数据加密技术、用户身份确认、过滤技术、实时监控等。LabVIEW中提供了过滤技术与实时监控技术。过滤技术简单来讲就是过滤或者保留某些具有共同特性的计算机群的技术。最通用的就是IP过滤技术，通过设置，只允许某些网段的计算机连接或者拒绝某些网段的计算机连接，在LabVIEW中使用Remote Panels技术开发网络测控系统时，服务器端在“Web服务器：浏览器访问”选项卡中，可以对连接服务器的远程客户机的权限进行配置，在服务器端可以对连接到网络测控系统的客户端进行实时的监控和管理。监控客户端IP地址或计算机名、用户名称、用户权限、发送和接收的数据量、连接时间等重要信息，并可随时根据需要更改用户权限，中断非法连接。LabVIEW中远程前面板连接管理器工具即可完成这种功能，很方便地对远程连接到测控服务器的客户端进行实时监控和管理。
4 结束语
虚拟仪器、网络化测控已经成为现代测量与控制领域的主流技术。本文开发了基于LabVIEW的远程虚拟信号分析仪，该仪器功能丰富，使用方便，实现了对被测对象的远程测量及信号的分析，体现了虚拟仪器技术与网络化测控技术的优越性。
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