浅谈LabVIEW在远程虚拟化学实验室的应用

1浅谈LabVIEW在远程虚拟化学实验室的应用摘要LabVIEW语言是一种用于开发测量和自动控制系统的图形化编程语言，本文简单介绍了LabVIEW语言的组成、特点和功能，并概述了目前使用LabVIEW语言在构建远程虚拟化学实验室应用情况，进一步阐述基于LabVIEW的化学实验虚拟仪器的开发价值及广阔的应用前景。关键词LabVIEW虚拟实验室化学实验室虚拟仪器数据采集远程教育随着计算机技术和信息技术的普遍，化学实验室也走向了远程网络化。美国国家仪器公司（NationalInstrument,NI）于1986年推出了LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）软件产品，它作为一种用于开发测量和自动控制系统的图形化编程语言顺理成章地成为搭建远程虚拟实验室的桥梁，在远程虚拟化学实验室中也逐渐得到开发应用。1.LabVIEW简介[1]——[3][22][23][31]LabVIEW是由美国NI公司开发的一种用于开发测量和自动控制系统的图形化编程语言，它广泛地被工业界，学术界和研究实验室所接受，被公认为标准的数据采集和仪器控制软件，全称为实验室虚拟仪器集成环境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench），在开发、制造等纵多领域得到广泛应用，是目前应用最广，发展最快，功能最强的图形化软件开发集成环境之一。1.1LabVIEW的基本构成LabVIEW环境下开发的程序称为虚拟仪器VI(VirtualInstrument)，其扩展名默认为vi，与传统仪器相比，虚拟仪器同样具有数据采集，数据分析处理，结果显示三大功能，但是在给定计算机运算能力和必要仪器硬件之后，通过编制软件可以在有限的设备基础上实现虚拟仪器的各种自定义功能。构造和使用虚拟仪器的关键技术在于软件，即软件是虚拟仪器的核心。2虚拟仪器和计算机结合通常采用的方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器的功能。图1－1反映了常见的虚拟仪器组建方案：通常一个虚拟仪器VI(VirtualInstrument)程序包括三部分：前面板(frontpanel)、框图程序(blockdiagram)以及图标和连接器窗格(iconandconnectorpane)。①前面板是同用户之间的界面，用于模拟真实仪器的前面板，该界面上又交互式的输入和输出，显示两类对象，分别称为Control(控制器)和Indicator(指示器)。设置输入数据和观察输出量。②框图程序则提供VI的图形化源程序，是利用图形语言对前面板对象（控制器和指示器）进行控制，框图程序中包括前面板上的控件的连线端子，还有一些前面板上没有，但编程必须有的东西，例如函数、结构和连线等。③图标和连接器窗格用于把LabVIEW程序定义成一个子程序（subVI），来实现模块化编程。一个VI可以作为另一个VI的子程序被调用。图标用于在主VI的框图中标识被调用的子VI，是子VI在其他程序框图中被调用的节点的表现形式；而连接器则相当于图形化的子程序参数，表示节点数据的输入/输出口。1.2LabVIEW的特点以LabVIEW为代表的图形化程序语言又成为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不需要编写程序代码，而是“绘制”程序流程图。LabVIEW将广泛的数据采集、分析与显示功能集中在了同一个环境中，方便地建立自己的虚拟仪器，提供了虚拟仪器的图形编程环境，把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成用菜单或图标提示的方法选择功能或图形，只需连接各个功能或图形即可构成程序，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣的同时还保证了系统灵活性。被测对象信号调理数据采集卡数据处理虚拟仪器面板图1－1常见的虚拟仪器组建方案3LabVIEW的特点具体可归纳为以下几个方面[4][19]：①图形编程方式，使用直观形象的数据流程图式的语言书写程序源代码；②提供程序调试功能，如设置断点或探针，单步执行，语法检查等；③拥有数据采集、仪器控制、分析、网络、ActiveX等集成库；④继承传统编程语言结构化和模块化的有点，这对于建立复杂应用和代码的可重用性来说是至关重要的；⑤提供DLL库接口、CIN节点以及大量的仪器驱动器、网络通信Vis与其它应用程序或外部设备进行连接；⑥允许用户执行外部脚本，如MATLAB，HIQ；⑦支持多种系统平台，如Macintosh、HP-UXSUNSPACE、Windows3.x/95/NT等，LabVIEW应用程序能在上述各平台之间跨平台进行移植。1.3LabVIEW的功能[19]LabVIEW除了具备其他语言所提供的常规函数功能外，还集成了仪器控制，数据采集、数据分析、数据显示自动化功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，而且还有多种硬件设备驱动功能，包括RS-232、RS-485、PLC、GPIB、VXI、VISA、数据采集卡DAQ等。2.LabVIEW与远程虚拟化学实验室2.1远程虚拟实验室系统的框架结构[5]——[9][19][31]虚拟实验室(VirtualLaboratory)，也称“合作实验室(Collaboratory)”，这个概念是由美国弗吉尼亚大学(UniversityofVirginia)的威廉沃尔夫(WilliamWolf)教授于1989年首先提出的，它描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环境，致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境。在这个环境里，用户可以非常有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备、甚至人力等资源。远程虚拟实验室中的计算机通过GPIB接口及总线连接各种实际的仪器设备,如示波器、函数信号发生器以及数字万用表等。当远程用户通过Internet网登录到实验室的服务器后,就可以对这些仪器设备进行控制操作。视频摄像头同时可以拍摄到仪器的状态及实验数据和波形,使用户能够更直观、更形象的观察到4自己所进行的实验操作及测量到的实验结果。通过LabVIEW开发平台,用户唯一要做的就是发送命令字符串送给具有不同GPIB端口号的仪器,相应的仪器可做出相应的动作,执行用户的命令。通过数据采集卡,还可以收集数据,作为进一步的分析和处理。这样,用户便不受时间、地点的限制,只要有一台计算机,通过Internet网就可以利用所提供的精密仪器设备来完成实验操作。远程虚拟实验室采用了如图2－1所示的双客户端/服务器的模型。图2－1远程虚拟实验室系统的硬件框图2.2LabVIEW在远程虚拟化学实验室系统中的应用方面[1][2][10]——[14][26]－[29]在虚拟实验室中所使用的仪器设备一般都具有可编程接口（例如GPIB接口等），终端的PC机通过GPIB接口和总线发送命令字符串控制仪器，也可以通过GPIB接口和总线从仪器端获得结果信息。LabVIEW可以实现通过计算机对可编程仪器的控制。从LabVIEW仪器控制服务器发送过来的实验参数，计算机通信模块接收到后对其进行处理，进而控制开关电路，使其切换到用户所选择的实验测试点上。完成测量后，生成结果页面，返回给用户。化学实验室虚拟仪器主要为学生实验教学而设计，应用于要求精度不高的小型实验。由于传统的通用实验仪器设备，如数字温度计、PH计、电导率仪，功能单一、没有数据存储、数据分析处理、网络通讯功能等，但使用起来不方便，然而在现有的的软件基础上使用LabVIEW可以开发适合大学化学实验室教学、科研需要的虚拟仪器。设计远程虚拟实验室系统的软件框图见图2－25图2－2远程虚拟实验室系统的软件框图2.2.1数据采集[14]——[17]数据采集（DataAcQuisition,DAQ）系统由传感器、信号调理电路、数据采集卡、计算机几部分组成。实现数据采集的前提是要配置数据采集卡，在台式机系统的主板扩展槽中插入各类数据采集卡，与被测信号或仪器相连组成测试与控制系统。美国NI公司有出售直接支持LabVIEW的插卡，但价格十分昂贵。使用国产的数据采集卡之前要先对其进行驱动，之后才能实现LabVIEW的数据采集。数据采集(DAQ)一般分为以下两个步骤：①通过传感器、采集传感器和测试探针或测试装置采集并测量模拟或数字电子信号。②生成模拟或数字电子信号。2.2.2数据处理[4][19]利用LabVIEW软件完成数据的计算、处理，一定要对其运算形式有一定的理解。总的来说，其运算形式主要有以下几种：①模块化图标运算LabVIEW中的图标/连接口表示一定的函数功能，将若干个图标/连接口组合起来就可进行有关运算，如算术、布尔逻辑、比较和数组运算、数值运算等；②公式运算使用公式结运行数学公式。公式节点包含一个或多个公式表达式，各公式之间用分号“；”隔开。公式表达式使用了一种类似于大多数基于文本编程语言（如用户Web服务器仪器控制服务器Web浏览器网络操作系统LabVIEW应用程序数据库Web服务器界面程序网络操作系统网络操作系统用户界面6BASIC语言）的算术表达式的语法。③使用集成库的功能子模块完成运算LabVIEW中集成了大量的生成图形界面的模板，丰富实用的数值分析，数字信号处理功能。用户不需了解有关运算就能直接使用这些功能子模块，这对于编程工作来说可以节省大量的时间开销。2.3LabVIEW构建远程虚拟化学实验室系统中的成功案例南昌工程学院的章蔚中、王颖[15]于2007年利用LabVIEW软件设计开发了温度测量系统，改善了工作条件,提高了精度,节约了时间,降低了成本；东华理工学院的江伟，袁芳[25]利用LabVIEW图形化编程语言,进行温度控制系统的开发,包括系统硬件和软件的设计，该控制系统具有温度自动控制,远程网络监控,数据记录,数据查看,数据打印,报警等多种功能；西华师范大学的刘赵荣[1]等于2004年构建了基于LabVIEW的温差测量化学虚拟仪器[11]。高校化学实验室中基于LabVIEW还成功开发了电导率测量虚拟仪器以及数字温度计虚拟仪器。中国科学院研究生院电子学研究所的王明[18]于2003年在聚二甲基硅氧烷微流控芯片的研究中开发了基于LabVIEW的光电倍增管微流控芯片荧光检测系统数据采集与回放软件，能够完成荧光信号采集、显示、和存储以及回放的功能[18]；辽宁石油化工大学石油化工学院柴敬安等[24]通过采用虚拟仪器技术,使用LabVIEW图形化编程软件和研华的PCI-1711L数据采集卡,并结合石蜡氧化的特点,开发了一种有效的数据采集与分析系统来完成对信号的采集和处理，对石蜡催化氧化进行数据采集与分析。3.LabVIEW在远程虚拟实验室的开发价值和应用前景[21][27][28][30]3.1开发价值构建远程虚拟化学实验室与传统化学实验室比较，首先打破了传统化学实验室的局限，在时间、空间、药品仪器设备的选择等具有更大的灵活性；其次，LabVIEW具有丰富的数值分析、数字信号处理功能，在实验数据的采集分析中由于全部采用电子数字化操作，能够有效避免人工操作造成的人为误差，提高实验结果的精确度和可信度；第三，由于LabVIEW是用图标或菜单替代了复杂的语言7编程，所以操作起来比较简单灵活；第四，避免了传统化学实验室中可能造成的诸如有毒药品的接触、爆炸、失火等危险情况，保障了整个实验过程的安全性。LabVIEW集智能化，多样化，模块化和网络化为一体，体现出多功能性，且其操作简便，灵活性大，是构建远程虚拟实验室的关键技术，而远程虚拟实验室的开发可以节省许多基础设施的低水平重复建设和仪器设备重复引进的资金投入，这种低成本特点有利于其快速发展起来[4]。3.2应用前景通过计算机技术来模拟实验室环境,学习者通过网络访问使用这些虚拟资源,完成基础实验和创新实验,构建虚拟实验室是用来解决教学资源短缺的措施。虚拟实验室的构建可以提高化学实验课程教学内容先进性,增强化学实验课程教学平台可扩展性并促进化学实验课程远程教育的发展。LabVIEW作为一个具有良好开放性的虚拟仪器开发平台，使得远程虚拟实验室的建立、运行和管理变得非常简单，而且虚拟仪器在我国是一门新技术，才刚刚