基于LabVIEW的遠程實驗數據采集系統設計

汪文蝶

摘要：為了滿足高校數字電路實驗室遠程實驗教學的需求，文章設計了基于LabVIEW的遠程實驗數據采集系統。該系統以示波器、函數信號發生器為遠程數據采集對象，利用VISA驅動以及SCPI命令實現下位機的遠程設置及數據采集，上位機采用LabVIEW設計登錄和控制界面，并通過Socket通信技術實現上位機與下位機的雙向通信。該系統可以實現用戶遠程登錄管理、參數設置及數據采集。

關鍵詞：實驗數據采集；LabVIEW；SCPI命令；Socket；遠程控制

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

0 引言

隨著遠程教育和網絡教學的不斷發展，遠程實驗已成為高校實驗教學不可或缺的組成部分。特別是在疫情期間，學生無法親臨實驗室進行儀器操作。遠程實驗借助現代網絡信息技術，通過遠程操控儀器設備，獲取實驗數據并完成實驗任務，擺脫了傳統實驗室在時間和空間上的限制。

為了應對這一挑戰，四川師范大學數字電路實驗室在2022年新購置了一批具備網絡接口的儀器設備。這些設備不僅為學生提供了更為靈活的實驗機會，還為遠程操作提供了有力的支持。因此，本文設計了一套基于Web的LabVIEW遠程數據采集系統，旨在實現對儀器設備的遠程操控以及實驗數據的實時獲取。

近年來，基于LabVIEW的遠程實驗控制系統應運而生。董夢嬌^[1]針對科研機構在儀器控制和管理方面存在的問題，設計開發了一套基于LabVIEW的實驗儀器遠程控制管理系統，實現了對多種儀器的遠程控制和儀器的有序化管理。俞丙威等^[2]利用LabVIEW友好的人機交互性和強大的通信能力，開發了一款基于LabVIEW的示波器波形采集系統。王渝等^[3]設計了一套基于LabVIEW的多通道液位監控系統，以滿足液位監控系統中的實時、多通道的需求。

根據上述設計思路，本研究設計了一種基于LabVIEW的遠程實驗數據采集系統。該系統實現了示波器和函數發生器的遠程控制和數據采集，學生可以在任何時間、任何地點進行實驗操作，解決了傳統實驗室受時間和空間限制的問題。

1 系統總體方案設計

1.1 設計需求

本設計的系統需求主要包括2個方面：一是用戶系統登錄功能，用戶根據已設定的用戶名和密碼登錄系統，并選擇需要控制的實驗儀器；二是遠程控制實驗儀器功能，該功能需要實現PC機與實驗儀器之間的信息交互，實現PC機與實驗儀器的雙向通信，即PC機能夠向實驗儀器寫入相關命令并讀取實驗儀器返回的信息。

1.2 方案設計

此次基于LabVIEW的遠程數據采集系統的總體方案如下：通過LAN連接示波器、函數信號發生器和PC機，根據TCP/IP協議，通過Socket實現PC機與示波器和函數信號發生器的雙向通信。系統搭建成功后，PC機通過Socket發送SCPI命令遠程控制實驗設備，實驗設備接收命令并執行相應操作，并將操作結果通過Socket返回PC機，最終顯示在基于LabVIEW設計的客戶端界面上。基于LabVIEW的數據采集系統的總體設計方案如圖1所示。

1.3 用戶端總體設計方案

用戶端主要利用LabVIEW的用戶界面設計功能實現系統用戶界面的設計，利用SCPI命令實現用戶界面的相關功能。本設計數據采集系統的用戶端主要包含3個部分：第一部分是系統用戶的登錄界面，登錄界面主要負責權限管理，當用戶成功登錄后，系統進入遠程控制儀器的跳轉界面，繼續訪問后續的示波器控制界面和數字信號發生器控制界面；第二部分是儀器選擇界面，負責跳轉示波器遠程控制界面和函數信號發生器遠程控制界面；第三個部分是控制界面，分別為MDO-2202EG示波器控制界面和MFG-2260 M函數信號發生器控制界面，控制界面用于實現PC機與儀器設備之間的雙向通信，通過相關的儀器編程手冊所設定的SCPI命令對示波器和函數信號發生器進行遠程控制。

2 遠程數據采集系統的設計與實現

2.1 用戶登錄與儀器選擇界面的設計與實現

用戶登錄界面主要由賬戶名輸入框、賬戶密碼輸入框和系統登錄按鈕組成，用戶輸入相對應的用戶名和密碼后，點擊系統登錄按鈕切換到所需的操作界面。遠程數據采集系統的用戶登錄界面如圖2所示。

選擇遠程控制的儀器界面主要由實現跳轉到示波器遠程控制界面的連接按鈕和實現跳轉到數字信號發生器的遠程控制界面的連接按鈕構成。儀器遠程控制跳轉界面主要通過用戶點擊界面上的按鈕觸發儀器遠程控制界面跳轉的功能，然后根據用戶的具體請求，鏈接到相對應的儀器遠程控制界面，實現儀器遠程控制界面的跳轉。遠程控制儀器選擇界面如圖3所示。

2.2 遠程控制界面的設計與實現

遠程控制界面實現了與儀器面板按鍵類似的操作，比如：通道的選擇、頻率調制、幅值調制、儀器的本地控制和遠程控制、相位調制以及占空比的選擇等。遠程控制界面如圖4所示。

3 實現效果

3.1 儀器連接

在對本文設計的基于LabVIEW遠程數據采集系統進行調試時，首先需要對系統與示波器、函數發生器的連接進行驗證，通過PC命令提示符來簡單地驗證PC與示波器、函數信號發生器是否連接成功。驗證連接成功以后，系統利用NIMAX的VISA測試面板輸入相對應的儀器標識查詢SCPI命令，對示波器、函數信號發生器的Socket功能進行驗證。在確保Socket功能正常的情況下，進行下一步的系統登錄功能驗證以及數據采集系統的遠程控制功能的驗證。

3.2 遠程控制界面功能驗證

以示波器為例，在連接示波器與PC后，系統進入示波器遠程控制界面，選擇已經在NIMAX配置好的示波器通信地址，點擊相應的控制按鈕，使示波器做出響應。如：在選擇通道時，用戶可以通過控制界面上的通道按鈕對示波器通道進行“選擇”的控制；在對控制界面的耦合、探針比例、垂直范圍進行設置后，示波器界面也會出現所設置的數據波形；當按下控制界面的停止按鈕時，控制界面將停止采集示波器的波形。

4 結語

本文設計了基于LabVIEW的遠程數據采集系統，實現了對數字示波器和函數發生器的遠程數據采集。首先，所提設計方案實現了用戶的登錄管理；然后，利用Socket建立多功能混合域示波器、函數信號發生器與PC的雙向通信；最后，采用編程手冊中相對應的SCPI命令實現對示波器、函數信號發生器的遠程控制。實驗結果表明，本文所設計的基于LabVIEW、Socket的數據采集系統能夠對實驗室中的示波器進行基礎的遠程操作，如：控制示波器的通道選擇，控制示波器的波形的垂直范圍、耦合等。此設計的實現為四川師范大學數字電路實驗室的遠程實驗教學提供了有力的支撐。

參考文獻

[1]董夢嬌.基于LabVIEW的實驗室儀器遠程控制管理系統[D].濟南：山東大學，2019.

[2]俞丙威，王宇霄，王飛，等.基于LabVIEW的示波器波形采集系統的設計[J].科技與創新，2023（20）：97-98.

[3]王渝，趙宇梵，張浩男.基于LabVIEW的多通道液位監控系統[J].電子設計工程，2024（3）：97-100.

（編輯 沈 強編輯）

Design of a remote laboratory data acquisition system based on LabVIEW

Wang? Wendie

（Sichuan Normal University， Chengdu 610000， China）

Abstract： In order to meet the needs of remote experimental teaching in digital circuit laboratories in universities， this article designs a remote experimental data acquisition system based on LabVIEW. The system utilizes Socket communication technology to establish the bidirectional communication between the system and the oscilloscope/function signal generator. The remote control of oscilloscope/function signal generator is achieved through the use of VISA drivers and SCPI commands. The proposed system allows users to remotely log in， manage， configure parameters， and collect data.

Key words： laboratory data acquisition; LabVIEW; SCPI commands; Socket; remote control