华南师范大学：《近代物理实验》课程教学资源（大纲讲义）设计性实验课程大纲与精简版讲义

设计性实验课程大纲与精简版讲义 一、课程内容 虚拟仪器是一种对现实中的各类仪器用计算机进行模拟的软件。它能完成 现实中的仪器所能完成的大部分功能。将虚拟仪器技术与网络技术相结合，实现 网络化虚拟仪器，并结合电路其它元件的远程控制，可实现基于虚拟仪器的远程 实验.虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件3大要素构成的.LabVIEW 是NI公司推出的一种图形化编程语言，可进行虚拟仪器软件开发，是当前测控 领域的技术热点，也代表着未来虚拟仪器的发展方向。 本课程将介绍虚拟仪器与远程实验的相关概况和LabVIEW虚拟仪器开发 平台一一LabVIEW基础篇程、TCP网络通信和仪器控制。要求学生完成一到两 个虚拟仪器的设计，并尝试结合中学物理实验或大学普物实验，实现远程操控。 学生所完成的设计成果及技术文档是评定成绩的主要依据。鼓励学生在设计过程 中的创造性工作。 二、课程安排 (一)绪论课 (1)课程内容：①提出设计性实验课基本要求：②认识远程控制技术及其在 教学中的应用。 (2)课后任务：①开题论文，写出远程实验简介和国内外研究现状：②LabVIEW 入门编程，了解什么是虚拟仪器及其运行环境。 (二)LabVIEW入门 学习LabVIEW编程基础一一认识LabVIEW编程环境、创建简单的vi、了解 数据类型、掌握主要常用的程序结构（重点）、图形显示。 (三)TCP网络通信 (I)课程内容：了解远程实验的设计原理和TCP通信协议。能够利用TCP函 数设计程序远程操控一盏虚拟布尔灯的亮与灭。 (2)课后任务：撰写开题报告。 (四)仪器控制 (1)课程内容：了解仪器控制与串口通信的基本原理。掌握通过LabVIEW与 串口的VISA通信实现仪器操控方法。能够结合TCP通信实现远程仪器操控 一能够控制一盏发光二极管的亮灭。 (2)课后任务：设计程序，总结归纳完成学习。 设计程序参考选题： ①中学科普实验：远程控制微小形变实验 ②大学普物实验：LC实验（只要求有远程操控电阻箱、电感箱和电容箱即 1

1 设计性实验课程大纲与精简版讲义 一、 课程内容 虚拟仪器是一种对现实中的各类仪器用计算机进行模拟的软件。它能完成 现实中的仪器所能完成的大部分功能。将虚拟仪器技术与网络技术相结合，实现 网络化虚拟仪器，并结合电路其它元件的远程控制，可实现基于虚拟仪器的远程 实验。虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件 3 大要素构成的。LabVIEW 是 NI 公司推出的一种图形化编程语言，可进行虚拟仪器软件开发，是当前测控 领域的技术热点，也代表着未来虚拟仪器的发展方向。 本课程将介绍虚拟仪器与远程实验的相关概况和 LabVIEW 虚拟仪器开发 平台——LabVIEW 基础篇程、TCP 网络通信和仪器控制。要求学生完成一到两 个虚拟仪器的设计，并尝试结合中学物理实验或大学普物实验，实现远程操控。 学生所完成的设计成果及技术文档是评定成绩的主要依据。鼓励学生在设计过程 中的创造性工作。 二、 课程安排 （一） 绪论课 （1）课程内容：①提出设计性实验课基本要求； ②认识远程控制技术及其在 教学中的应用。 （2）课后任务：①开题论文，写出远程实验简介和国内外研究现状；②LabVIEW 入门编程，了解什么是虚拟仪器及其运行环境。 （二） LabVIEW 入门 学习 LabVIEW 编程基础——认识 LabVIEW 编程环境、创建简单的 vi、了解 数据类型、掌握主要常用的程序结构（重点）、图形显示。 （三） TCP 网络通信 （1）课程内容：了解远程实验的设计原理和 TCP 通信协议。能够利用 TCP 函 数设计程序远程操控一盏虚拟布尔灯的亮与灭。 （2）课后任务：撰写开题报告。 （四） 仪器控制 （1）课程内容：了解仪器控制与串口通信的基本原理。掌握通过 LabVIEW 与 串口的 VISA 通信实现仪器操控方法。能够结合 TCP 通信实现远程仪器操控— —能够控制一盏发光二极管的亮灭。 （2）课后任务：设计程序，总结归纳完成学习。 设计程序参考选题： ①中学科普实验：远程控制微小形变实验 ②大学普物实验：RLC 实验（只要求有远程操控电阻箱、电感箱和电容箱即

可)。 ③智能家居：远程控制空调 (五)论文写作及答辩 三、教学方法 本课程教师讲授为辅，学生自主学习为主：采取学生分组合作模式，四人 组。共同撰写开题报告，完成论文设计，进行答辩。 开颗报告要求：小组完成一份开颗报告上交，并准备5分种的PT汇报，要 求每人都要发言，以锻炼为主。 论文设计要求：小组合成完成程序设计，准备10-15分钟论文答辩，要求每 人都要发言，并准备回答老师问题。最后每人独立完成论文，格式参照毕业论文 要求，答辩完后一周内上交。 四、讲义参考资料 1.课内讲义：由教师提供，请每周留意Q群信息和邮件。 2.课外参考书推荐 ①.郑对元等精通LabVIEW虚拟仪器程序设计M.北京：清化大学出版社. ②.Jeffrey Travis,Jim Kring著.乔瑞萍等译LabVIEW大学实用教程[M].北京： 电子工业出版社. ③.陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精能[M]北京：清华大 学出版社. ④.陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京：电子工业出版社. ⑤.阮奇桢，我和LabVIEW:一个N工程师的十年编程经验M北京：北京航空 航天大学出版社

2 可）。 ③智能家居：远程控制空调 （五） 论文写作及答辩 三、 教学方法 本课程教师讲授为辅，学生自主学习为主；采取学生分组合作模式，四人一 组。共同撰写开题报告，完成论文设计，进行答辩。 开题报告要求：小组完成一份开题报告上交，并准备 5 分种的 PPT 汇报，要 求每人都要发言，以锻炼为主。 论文设计要求：小组合成完成程序设计，准备 10~15 分钟论文答辩，要求每 人都要发言，并准备回答老师问题。最后每人独立完成论文，格式参照毕业论文 要求，答辩完后一周内上交。 四、 讲义参考资料 1. 课内讲义：由教师提供，请每周留意 Q 群信息和邮件。 2. 课外参考书推荐： ①．郑对元等.精通 LabVIEW 虚拟仪器程序设计[M].北京：清化大学出版社. ②．Jeffrey Travis,Jim Kring 著. 乔瑞萍等译.LabVIEW 大学实用教程［M］.北京： 电子工业出版社. ③．陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20 程序设计从入门到精能［M］.北京：清华大 学出版社. ④. 陈树学，刘萱.LabVIEW 宝典［M］.北京：电子工业出版社. ⑤. 阮奇桢，我和 LabVIEW:一个 NI 工程师的十年编程经验[M].北京：北京航空 航天大学出版社

目录 目录 虚拟仪器技术和远程实验简介 1虚拟仪器技术 元对哈 3.虚拟仪器与远程技术相结合 ILabVIEW入门基础篇 1.1L.abVIEW概述.. L2 LabVIEW运行环境 6 12.1一个vi及相关概念 123程序调试技术 10 1.3数据操作 13.1数据类型 1.32数据运算. .13 1.4程序结构 14 141循环结构 15 1.42事件结构 17 14.3条件(Casc)结构 1.4.4顺序结构 .18 1.4.4属性节点 19 1.45局部变量 10 15图形显示 20 2TCP网络通信 2.1TCP通信 .2 2.2TCP函数使用 21 (一)创建连接 21 (一)数据传输 3 关 ]TCP连接 (四)错误处理 24 (五)运行与关闭 .25 2.3案例分析 25 ★【例1】对一盏虚拟灯进行远程控制。 25 【例2】设计一个简单的TCP通讯程序，以实现简单的对话功能 26 【例3】远程控制三盏灯的亮灭（拓展 27

3 目录 目录 ..................................................................................................................................................3 虚拟仪器技术和远程实验简介.......................................................................................................4 1 虚拟仪器技术.....................................................................................................................4 2. 远程实验..............................................................................................................................5 3. 虚拟仪器与远程技术相结合..............................................................................................6 1 LabVIEW 入门基础篇..................................................................................................................6 1.1 LabVIEW 概述...................................................................................................................6 1.2 LabVIEW 运行环境...........................................................................................................6 1.2.1 一个 vi 及相关概念.................................................................................................7 1.2.3 程序调试技术........................................................................................................10 1.3 数据操作...........................................................................................................................10 1.3.1 数据类型................................................................................................................11 1.3.2 数据运算................................................................................................................13 1.4 程序结构...........................................................................................................................14 1.4.1 循环结构................................................................................................................15 1.4.2 事件结构................................................................................................................17 1.4.3 条件（Case）结构................................................................................................18 1.4.4 顺序结构................................................................................................................18 1.4.4 属性节点...............................................................................................................19 1.4.5 局部变量...............................................................................................................19 1.5 图形显示...........................................................................................................................20 2 TCP 网络通信 .............................................................................................................................21 2.1 TCP 通信 ..........................................................................................................................21 2.2 TCP 函数使用 ..................................................................................................................21 （一）创建连接.............................................................................................................21 （二）数据传输.............................................................................................................23 （三）关闭 TCP 连接 ...................................................................................................24 （四）错误处理.............................................................................................................24 （五）运行与关闭.........................................................................................................25 2.3 案例分析..........................................................................................................................25 ★【例 1】对一盏虚拟灯进行远程控制。..................................................................25 【例 2】设计一个简单的 TCP 通讯程序，以实现简单的对话功能.........................26 【例 3】远程控制三盏灯的亮灭（拓展）..................................................................27

3仪器控制 8 31仪哭控制简介 38 (1)仪器控制的基本概念 28 (2)基于LabVIEW的仪器控制系统构架。 .20 (3) 一些常见总线、接口. 28 32串口通信， 33VISA 20 3.4应用实例 .31 ★【例1】控制 一盏灯的亮与灭。 3 ★【例2】远程控制一盏灯的亮灭。 .33 *4嵌入现场视频 34 4.1 LabVIEW中ActiveX的调用. 34 4.2在VI中嵌入现场视频（仅限于Windows) 34 4.3练习 36 虚拟仪器技术和远程实验简介 1虚拟仪器技术 虚拟仪器是在美国国家仪器公司(National Instruments Corp.简称NI) 于1986年提出的“软件就是仪器”这一口号的基础上发展起来的.其概念 是用户在通用计算机平台上，在必要的数据采集硬件的支持下，根据测 试任务的需要，通过软件设计来实现和扩展传统仪器的功能。传统台式 仪器是由厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，有固定的输入/输出接 口和仪器操作面板。每种仪器只能实现一类特定的测量功能，并以确定 的方式提供给用户。虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义、用 户无法改变的模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系 统，并可通过修改软件来改变或增诚仪器的功能，真正体现了“软件就是 仪器”这一新概念。 虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素，如图1-1所示。硬件部分包 括通用计算机和数据采集硬件，其功能 是获取被测的物理信号，提供信号传输 用户应用程序 的通道：软件部分是运行在计算机上的 应用程序，实现数据采集、分析、处理 测拉对象士数据采集硬件 计算机 和结果显示等功能。它们作为一个整 图11虚拟仪器结构示意图 体，实现传统仪器的功能。 摘自吕红英颈士学位论文《基于声卡的虚拟仪器及其在电磁学远程实验教学中的应用》

4 3 仪器控制.....................................................................................................................................28 3.1 仪器控制简介...................................................................................................................28 （1）仪器控制的基本概念...........................................................................................28 （2）基于 LabVIEW 的仪器控制系统构架 ................................................................28 （3）一些常见总线、接口...........................................................................................28 3.2 串口通信...........................................................................................................................29 3.3VISA ..................................................................................................................................30 3.4 应用实例...........................................................................................................................31 ★【例 1】控制一盏灯的亮与灭。..............................................................................31 ★【例 2】远程控制一盏灯的亮灭。..........................................................................33 *4 嵌入现场视频............................................................................................................................34 4.1 LabVIEW 中 ActiveX 的调用..........................................................................................34 4.2 在 VI 中嵌入现场视频（仅限于 Windows）.................................................................34 4.3 练习...................................................................................................................................36 虚拟仪器技术和远程实验简介1 1 虚拟仪器技术 虚拟仪器是在美国国家仪器公司（National Instruments Corp.简称 NI） 于 1986 年提出的 “软件就是仪器”这一口号的基础上发展起来的。其概念 是用户在通用计算机平台上，在必要的数据采集硬件的支持下，根据测 试任务的需要，通过软件设计来实现和扩展传统仪器的功能。传统台式 仪器是由厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，有固定的输入/输出接 口和仪器操作面板。每种仪器只能实现一类特定的测量功能，并以确定 的方式提供给用户。虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义、用 户无法改变的模式，使得用户可以根据自己的需求，设计自己的仪器系 统，并可通过修改软件来改变或增减仪器的功能，真正体现了“软件就是 仪器”这一新概念。 虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素，如图 1-1 所示。硬件部分包 括通用计算机和数据采集硬件，其功能 是获取被测的物理信号，提供信号传输 的通道；软件部分是运行在计算机上的 应用程序，实现数据采集、分析、处理 和结果 显示 等功能 。它们 作为 一个整 体，实现传统仪器的功能。 1 摘自吕红英硕士学位论文《基于声卡的虚拟仪器及其在电磁学远程实验教学中的应用》 测控对象 数据采集硬件 用户应用程序 计算机 图 1-1 虚拟仪器结构示意图

虚拟仪器本质是“实”而不是“虚”。它们是用有测控分析功能的应用软 件作灵魂的PC机和一定的电子硬件（如AD/DA和抗混滤波、调理放大 器等必要的硬件及传感器)构成的仪器，能够实现信号输出、数据采集、 测试、分析、自动化控制等各种功能，与纯粹软件形式的虚拟环境和虚 拟世界并不相同。虚拟仪器有如下特点： ①在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器的硬件来完成仪器 的功能。 ②仪器的功能是用户根据需要由软件来定义，而不是事先由厂家定 义。 ③仪器的性能改进和功能扩展只需进行软件的更新，而不需购买新 的仪器。 ④研制周期较传统仪器大为缩短 ⑤价格低，可重复性与可配置性强，用相同的基本硬件可构造多种 不同功能的测试分析仪器。 ⑥虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边 设备互联。 2.远程实验 远程实验即用户通过互连网访问连接真实实验设备的远程计算机， 实现对实验设备的调节和控制，得到反馈的实验结果和摄像机拍摄的实 验室现场视频图像，在异地完成真实的实验室实验。其系统框图如图1-2 所示 LAD PC 图1-2远程实验系统框图 用户进行远程实验时，通过连接到Internet的计算机访问web服务 器，服务器将接收的命令送入实验机，实验机通过串口、并口、GPIB接 口等控制真实的实验仪器，并将实验数据经web服务器和Internet反馈 给用户。同时，可用摄像机拍摄实验室现场视频图像，也经服务器和 5

5 虚拟仪器本质是“实”而不是“虚”。它们是用有测控分析功能的应用软 件作灵魂的 PC 机和一定的电子硬件（如 AD/DA 和抗混滤波、调理放大 器等必要的硬件及传感器）构成的仪器，能够实现信号输出、数据采集、 测试、分析、自动化控制等各种功能，与纯粹软件形式的虚拟环境和虚 拟世界并不相同。 虚拟仪器有如下特点： ① 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器的硬件来完成仪器 的功能。 ② 仪器的功能是用户根据需要由软件来定义，而不是事先由厂家定 义。 ③ 仪器的性能改进和功能扩展只需进行软件的更新，而不需购买新 的仪器。 ④ 研制周期较传统仪器大为缩短。 ⑤ 价格低，可重复性与可配置性强，用相同的基本硬件可构造多种 不同功能的测试分析仪器。 ⑥ 虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边 设备互联。 2. 远程实验 远程实验即用户通过互连网访问连接真实实验设备的远程计算机， 实现对实验设备的调节和控制，得到反馈的实验结果和摄像机拍摄的实 验室现场视频图像，在异地完成真实的实验室实验。其系统框图如图 1-2 所示。 图 1-2 远程实验系统框图 用户进行远程实验时，通过连接到 Internet 的计算机访问 Web 服务 器，服务器将接收的命令送入实验机，实验机通过串口、并口、GPIB 接 口等控制真实的实验仪器，并将实验数据经 Web 服务器和 Internet 反馈 给用户。同时，可用摄像机拍摄实验室现场视频图像，也经服务器和