大学毕业论文-—基于labview的实验室远程监控系统设计与实现.doc

常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文

毕业设计论文

基于LabVIEW的实验室远程监控系统设计与实现
目录
摘要
Abstract
第1章 绪论 1
1.1 课题的来源和意义 1
1.2 国内外研究现状及展望 1
1.3 课题主要研究内容和关键技术 3
1.3.1 课题主要研究内容 3
1.3.2 关键技术研究 3
第2章 系统总体方案设计 4
2.1 系统需求分析 4
2.2 系统网络架构 4
2.3 系统功能模块划分 6
第3章 可视化远程监控采集系统设计 7
3.1 系统硬件构成 7
3.2 传感器的选型 8
第4章 基于LabVIEW的监控系统设计 12
4.1 系统模块划分 12
4.2 用户认证模块设计 12
4.3 用户界面设计 14
4.4 程序结构设计 16
4.5 数据采集模块设计 17
4.5.1 模拟信号采集与显示模块设计 18
4.5.2 开关信号采集与显示模块设计 18
4.5.3 空调与照明开关输出模块设计 19
4.5.4 称重实验模块设计 19
4.5.5 涡流实验模块设计 21
4.5.6 转速测控实验模块设计 22
4.5.7 振动实验模块设计 24
4.6 图像采集及压缩 25
4.6.1 图像采集 25
4.6.2 图像压缩与远程传输 27
4.7 系统远程发布的实现 31
4.7.1 基于DataSocket的远程通信方式 31
4.7.2 远程Web访问 32
4.7.3 可视化监控系统远程发布实现 33
第5章 系统实现与运行 38
第6章 结束语 43
答谢辞
参献
基于LabVIEW的实验室远程监控系统设计与实现
摘要
虚拟仪器本质上是以软件取代部分硬件功能，充分利用计算机的软硬件资源，来完成各种测试、测量和自动化应用的集成系统。远程虚拟仪器是虚拟仪器在网络领域的拓展，它能从与Internet相连的远端获得动态数据或将控制信号传送到远端，使在本地PC机上监控远端成为可能，通过远程虚拟仪器技术使信号采集、传输和处理实现了一体化。如何实现基于Web的远程可视化测控并将之应用于远程实验教学正是本文讨论的重点。
本文详细介绍了一个远程传感器实验室监控系统的整体方案和软硬件系统设计。针对传感器实验室的教学特点，本系统主要分为两部分：1.实验室环境的可视化远程监控，包括环境温度、湿度量实时显示和消防、红外、门状态等报警器状态的监控，照明与空调开关控制，以及实验室图像的远程实时显示；2.远程可视化实验项目开发，包括：自动称重系统仿真实验、转子台转速测控等多个传感器相关实验。
本系统软件部分采用美国国家仪器（NI）公司的LabVIEW图形化编辑语言开发完成，重点解决了基于Datasocket技术的数据远程传输、图像压缩传输、远程用户数据库管理等技术问题。硬件部分则使用NI公司的PCI-6251数据采集卡，实现对实验室现场实时数据的采集和处理。目前，该网络虚拟实验室系统已能在校园网内运行，实现了基本功能，为师生提供了一个基于网络的实验教学、技术交流以及共同学习研究的平台，从而使实验室中的硬件仪器得以共享。随着其功能的进一步完善，它必将在今后的远程实验教学中发挥更大的作用。
同时系统软件采用生产者-消费者的结构设计实现了多线程运行，基于队列的状态机和事件结构也保证了用户需求的实时响应，实验项目的模块化设计保证了代码的可重用性和系统功能的可扩展性强，因此在远程实验教学方面具有广阔的应用前景和推广价值。同时对工业现场的可视化远程监控也具有一定的借鉴作用。

关键词： 虚拟仪器；远程监控；远程实验；可视化；LabVIEW

Abstract
The Virtual Instrument is essentially replacing some of the hardware modules by software. It is an integrated system which makes full use of computer hardware and software resource to complete various tests, measurements and automatic applications. The Remote Virtual Instruments is the virtual instrument expansion in the field of network. It enables dynamic data and control signals transmission from a remote terminal which connects to the Internet and make it possible to monitor a remote terminal from a local PC. Based on Remote virtual instrument technology, signal acquisition, transmission and processing can be integrated to one system. How to implement a remote Web-based, visualized monitoring and controlling system and how to apply it to remote experimental teaching are the major points of this paper.
This paper describes in details about the overall scheme, hardware and software system design of a remote sensor monitoring system. According to the features of the teaching sensor laboratory, the system is divided into two parts: 1. Laboratory visualized monitoring for remote environment, including the real-time display of temperature and humidity, monitoring the status of the alarm for fire, infrared, door status, the controlling the switches of lights and air conditioners and the real-time display for remote laboratory images. 2. Remote visualized experimental project development, including: automatic weighing system simulation, multi sensors experiment for the rotor speed measurement and control.
The software of system uses the graphical editing language provided by National Instruments (NI) 's LabVIEW. Based on the Datasocket technology, the focus of this system is to solve the remote data transmission, image compression and transmission, remote user database management and other technical issues. To achieve the goal, a universal serial port multi-function data acquisition card is designed from the point of hardware. The hardware of system uses PCI-6251 DAQ card by National Instruments to achieve real-time data acquisition and processing on the laboratory site. Currently, the Virtual Laboratory system has been able to operate within the campus network. The basic functions are achieved to provide the teachers and students a web-based teaching, research and technological exchanges and joint learning platform so that the laboratory hardware devices can be shared. With the further improvement of its function, it will play a greater role in the remote experimental teaching area in the future.
The software of the system adopts a producer-consumer design structure and implements a multi-threads run mechanism. The run state machine based on queue and event structure ensures the user real-time response requirements. The modular design of the testing project also ensures the code reusability and makes the system very extendable. Therefore, this system has broad prospects and promotional value in the remote experiment teaching. Meanwhile, this system also has some reference for the visual remote monitoring at industrial fields.

Keywords: Virtual Instrument； Remote Monitoring； Remote Experiment；Visualization；LabVIEW

常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文
第1章 绪论
1.1 课题的来源和意义
本课题来源于常州信息职业技术学院国家示范院校建设项目传感器实验室改造及网络课程建设项目。其目的是基于虚拟仪器技术以及Internet技术构建实验室远程监控系统。

虚拟仪器技术的出现，尤其是其基于Web的远程网络技术的发展为解决上述问题，提供了新的途径。所谓虚拟仪器，就是用户在通用计算机平台上，根据需求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台虚拟仪器时，就像是在操作一台他自己设计的测试仪器一样。
LabVIEW （Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）是当今世界应用最广泛的图形化虚拟仪器开发环境, 被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地将网络技术与虚拟技术结合起来, 构成了网络化虚拟仪器系统。
基于LabVIEW的实验室远程监控系统的研究不仅为远程实验教学建立了平台，利用虚拟仪器技术与计算机网络相结合还可以实现对仪器设备的远程、分布式控制，在教育、科研等领域中具有广阔的发展空间和应用前景。同时，本课题的研究对工业现场实现数据采集和发布的集成也有着积极意义。

1.2 国内外研究现状及展望
从虚拟仪器概念提出至今，有关虚拟仪器技术的研究方兴未艾。研究人员在虚拟仪器硬件接口、虚拟仪器软件及其设计方法等方面做了许多有意义的研究工作，并已开发了许多实用的虚拟仪器系统。伴随着虚拟仪器技术的日益成熟，远程实验系统的研究也在国内外高校和研究机构中得到了不断的发展。
代表性的成果有:美国斯坦福大学的远程光学实验室。学生可以远程登陆该光学实验室做实验。实验室向用户提供监听和控制功能，及实验室的日程安排，参考资料和分析工具。利用Nl-IMAQ软件工具和 NI PCI-1408图像采集卡还可以植入动态图像。美国伊利诺伊大学的Nmrscope系统。通过Internet研究人员在任何地方都能使用伊利诺伊大学的仪器，只要向该大学递交一个样品，经授权后就可以与服务器联机，然后自行填写设置仪器参数和功能清单，点击屏幕上的按钮就可以进行实验，生成的图像会被传回到研究人员的计算机屏幕上。美国巴尔的摩约翰霍普金斯大学的化学工程系的卡尔威教授 (Michael Karweit)在电脑网络上建立了一个“虚拟实验室”，在电脑上模拟各种实验，让工程系的学生可以通过电脑网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题。
加拿大达尔豪西大学的远程激光实验室系统工程学和自然科学学生能随时随地登录虚拟的激光实验室作十个激光实验。德国Ruhr大学的虚拟自动化实验室是一个有关控制工程的学习系统，它通过直观的三维试验场景视觉效果，依赖个虚拟实验设备的仿真特性，实现对虚拟实验的交互式操作。另外还有其它典范，如西班牙大学的电子仪器虚拟工作台、卡耐基·梅隆大学的虚拟实验室、意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室、美国里海大学化学系的套色复制-分光计(GC一MS)远程虚拟实验室、瑞士联邦理工学院的增强式教学系统、德国柏林大学的试验数学实验系统、新加坡国立大学的远程示波器实验。
目前国内许多高等院校及科研机构己经开发了具有自己特色的虚拟实验室，但是这些还处于萌芽阶段，并且己经建成的虚拟实验室基本上都是仅限于仿真对象，实验涵盖面不广或者是单个实际对象，没有形成系统而且全面的实验体系，它们一般主要完成本地实验的内容。最近几年，快速可靠的计算机通信网络获得了惊人的发展，已经允许连到局域网或广域网上的计算机之间进行信息和命令的简单交换，这样网络服务拓展了虚拟仪器的使用范围，给虚拟仪器技术注入了强大的活力。目前从网上可查到的信息和各院校开发的对外服务看，清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统;四川大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测试仪”，将多台仪器集成于一体组成虚拟仪器系统;长沙电力学院开展了电路理论网上教学的虚拟实验室系统;华中科技大学机械学院建立了一个工程测试网上虚拟实验室，创建一个免费网上测试技术，故障诊断技术，学习交流的网站，并提供了有限的虚拟实验服务，学生可以通过联网计算机终端来进行仿真实验。北京大学、复旦大学、北京航空航天大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、西安电子科技大学、广州暨南大学、华南理工大学、大连理工大学、电子科技大学和浙江大学等高等院校已陆续在网上设立了自己的电子教室。同时，在军事院校虚拟实验室的建设也得到了很大的重视，如国防科技大学、海军工程大学、空军二航院和信息工程大学等四大院校也开展了这方面的研究习，并取得了很好的成果。
目前，虚拟实验室正朝着网络化、专业化、逼真化的方向发展。
1.3 课题主要研究内容和关键技术
1.3.1 课题主要研究内容
1. 构建本地虚拟仪器实验室监控平台
完成实验室环境监控数据采集；
完成实验项目开发。
2. 构建远程实验室监控系统
完成远程监控系统程序开发；
完成系统远程可视化功能开发。
3. 完成用户数据库管理系统开发
实现用户登陆身份认证功能；
实现用户数据库在线管理；
实现用户双层权限管理。
1.3.2 关键技术研究
本课题为结合实验室现有设备开发的教学辅助应用性项目，主要需解决以下关键技术：
1. 监控数据传输的实时性和安全性研究；
2. Web发布技术的研究，实现基于Internet和IE浏览器的远程监控；
3. 远程图像的采集、压缩和传输技术；
4. 用户数据库管理。

第2章 系统总体方案设计
作为一个远程可视化实验室监控系统涉及计算机软硬件、网络通信、数据采集等多方面知识，本章从系统需求出发着重介绍了系统的总体网络架构、功能模块划分和通信协议设计。
2.1 系统需求分析
该系统不仅要求对实验室环境进行远程监控，还要能同时将多功能转子台实验装置作为实验对象进行远程实验操作。作为远程客户端通过计算机面板既可实时观察实验室的温湿度情况、各报警器和门状态，还可以控制空调和照明开关。另外作为实验装置的转子台上有多个远程实验项目可以供选择。并且在运行过程中可通过普通摄像头实时观看现场图像。
做为实验系统要求操作方便，扩展性强，对用户操作能及时响应。因此要求系统具有良好的可扩展性和可移植性。从系统安全性考虑还应当对登陆用户进行身份认证和权限管理。如：部分控制功能只对管理员开发。
2.2 系统网络架构
可视化远程监控系统使用的网络是以太网，它可以方便的接入到学校的校园网中，但由于校园网本身是一个很复杂的网络，且网络上各种服务器、主机非常多，如果直接接入会有两个问题。第一个是网络带宽问题，由于有视频数据的传输，数据量较大，会带来很大的网络负荷，网络非常拥挤后，所有主机发数都会变得很慢，当它超时后，不断的反馈重发，使的网络更加拥挤，最后结果是整个网络瘫痪。第二个是安全性问题，监控系统有一定的安全性要求，不是网络上的每一个用户都可以访问，本系统不仅在软件上设计了用户访问权限，在网络上也设计了访问权限，使得没有权限的网络用户不能访问监控服务器所在网络，从根本上解决了安全性问题。
本系统使用了VPN（Virtual Private Networking)技术，通过使用VPN的隧道和加密技术，实现了数据经过Internet在虚拟企业网络中安全和便利的传播。
1. VPN简介
VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）是指一些节点通过一个公用网络，如公共分组交换网、帧中继网、ISDN或Internet等建立的一个临时的、安全的连接，形成逻辑上的专用网络，从而达到在共享或者公共网络（一般是指Internet）上安全地传输私有数据的目的。[8]VPN提供如下功能：
l 信息机密性：确保通过公网传输的信息以加密的方式传送，即使被他人截获也不会泄露信息完整性，保证信息的完整性。
l 用户身份认证：能对用户身份进行认证，确定该用户的访问权限。
l 访问控制机制：用户只能读/写被授予了访问权限的信息。
l 针对用户的带宽控制机制。
VPN采用的不同的技术
2. 可视化远程监控系统的VPN实现
监控系统的网络拓扑图见图2-1所示。
图2-1 网络拓扑图
监控系统将经常需要访问的机器放在一个子网里，再通过路由器接入到校园网中，这样可以有效的减少监控数据对整个校园网络的负荷，校园网中其它的主机也能通过用户授权访问监控服务器。
远程客户机想要访问监控服务器，可以通过宽带联上Internet网，客户机安装好RSA协议，连接上VPN服务器经过用户身份认证后，就可以接入到校园网，用户访问感觉就象在一个内部局域网一样访问监控服务器。这样可以大大增加了远程访问的安全性。
2.3 系统功能模块划分
本系统基于校内真实的传感器实验室和一个转子台对象进行了远程可视化环境监控和实验操作设计。当用户进行远程登陆后，首先要进行身份认证，超过3次输入错误将被拒绝进入。
针对不同对象需求系统设计了两种登陆身份：管理员和测试员，管理员除观看实验室环境监控参数和进行实验操作外还可进入用户管理系统进行用户增减、修改密码等操作。并可对实验室照明、空调进行开关控制。测试员则只允许修改自身密码和完成相关实验项目操作、观看监控画面。
进入远程监控系统后，可以选择环境监控或转子台监控，其中环境监控部分包括温湿度检测、消防报警、红外报警、空调及照明控制；转子台监控包括转速测量、振动检测、远程视频监控等。
系统总体设计框图如图2-2所示：

图2-2 系统总体设计框图

第3章 可视化远程监控采集系统设计
3.1 系统硬件构成
系统硬件结构如图所示：

被 测 信 号
传 感 器
信号调理电路
数据采集卡
计 算 机

图3-1 采集系统硬件结构图
本系统的数据采集设备选用了美国NI公司PCI-6251板卡，如图3-2所示。
图3-2 PCI-6251板卡及接线端
PCI-6251是一款高速M系列多功能DAQ板卡，在高采样率下也能保持高精度。该设备采用18位模数转换器，使分辨率提高了4倍。
PCI-6251的主要参数如下：PCI总线；单端16路模拟输入通道，2路模拟输出通道,最高采样频率2OOKHz，分辨率为12位,输入输出量程±1OV; 8位或24位并行输入输出线及两路24位20MHz定时器与计数器。 PCI-6251模拟输入输出及数字I/O通道参数如表3-1所示。

表3-1 PCI-6251 通道参数
模拟输入
模拟输出
数字I/O
通道数
16 SE/8 DI
通道数
2
通道数
24 DIO
采样率
1.25 MS/s
更新率
2.86 MS/s
定时
硬件, 软件
分辨率
16 bits
分辨率
16 bits
最大时钟速率
10 MHz
最大电压范围
-10..10 V
最大电压范围
-10..10 V
逻辑电平
TTL
精度范围
1920 µV
精度范围
2080 µV
最大输入范围
0..5 V
敏感度范围
112 µV
最小电压范围
-5..5 V
最大输出范围
0..5 V
最小电压范围
-100..100 mV
精度范围
1045 µV
输入电流
源电流, 漏电流
精度范围
52 µV
电流驱动(通道/总计)
5 mA
可编程输入滤波器
是
敏感度范围
6 µV

电流驱动(通道/总计)
24 mA/448 mA
量程数
7

看门狗定时器
否
板上存储量
4095 样本

支持可编程上电状态
是

3.2 传感器的选型
1． 温度、湿度信号检测
采用Honeywell公司的CHT3W2TLD温湿度传感器，该传感器能同时采集温度和湿度，且线性较好，输出电压范围为0∼5V(三线制)。
传感器技术指标见下表3-2：
表3-2 温湿度传感器特性参数表
相对湿度
温度
湿度传感器: HIH3610 (烧结滤网保护)
温度传感器: Pt1000 IEC751 class B
测量范围: 0∼100%RH
测量范围: -20°C∼+85°C
精度: ± 3%RH (@20°C, 20~80%RH)
精度: ± 0.3°C (@25°C)
总精度: ± 5%RH
总精度: ± 0.5°C (0∼40°C)
长期稳定性: ± 1%RH/年
长期稳定性: ± 0.25°C /年
供电电源: 10∼30VDC （标称12VDC）
负载电阻: 100-500Ω（4~20mA），>=100kΩ（0~5V）
消耗电流: 最大40mA

图3-3 温湿度传感器输出特性图

图3-4 温湿度传感器外形及接线图
由于传感器完全线性：
温度电压关系为0~5V对应-20~85℃，因此程序中可用下式计算温度：

(3.1)

湿度电压关系为0~5V对应0~100%RH，因此程序中可用下式计算湿度：
(3.2)
2． 消防报警探头
采用了JTY-GD-G3智能光电感烟探测器，该探测器是采用红外线散射的原理探测火灾。在无烟状态下，只接收很弱的红外光，当有烟尘进入时，由于散射的作用，使接收光信号增强；当烟尘达到一定浓度时，可输出报警信号。
（1）技术参数
工作电压：信号总线电压：总线24V，允许范围：16V～28V
工作电流：监视电流≤0.8mA；报警电流≤2.0mA
灵敏度（响应阈值）：可设定3个灵敏度级别，探测器出厂灵敏度级别为2级。当现场环境需要在少量烟雾情况下快速报警时，可以将灵敏度级别设定为1级；当现场环境灰尘较多时或者风沙较多的情况下，可以将灵敏度级别设定为3级。
响应阈值：0.11dB/m～0.27dB/m
报警确认灯：红色，巡检时闪烁，报警时常亮
编码方式：电子编码（编码范围为1～242）
线制：信号二总线，无极性
使用环境：温 度：-10℃～+50℃；相对湿度≤95%，不凝露
（2）探测器外形
探测器外形示意图如下图3-5所示。

图3-5　探测器外形示意图
3. 红外探测
采用PA-461 超小型幕帘式双元红外探头
检测速度：每秒0.2-7米 工作温度：-10-+50℃
电源输入：10-16VDC，12.5mA 镜片：Fresnel垂直保护镜片
保护范围：6m（水平）；3.6m（垂直） 安装高度：最高3.6m
安装位置：壁挂或吸顶 抗射频干扰：>20V/m-1000MHz
警报显示：红色LED亮 警报时间：3秒
警报输出：常闭，24VDC 0.1A 重量：30g
工作湿度：95% 尺寸：70×28×25mm
防拆开关：常闭，盖被拆除开路，24VDC 0.1A

4. 转子台转速检测传感器
采用深圳市海城电子科技有限公司的H92B4直射式光电传感器。

表3-3 光电传感器特性参数表
极限参数（Ta=25℃）
项目
符号
数值
单位
输
入
正向电压
IF
50
mA
反向电压
Vr
5
V
耗散功率
P
75
mW
输
出
集-射电压
Vcco
25
V
射-集电压
Vcco
5
V
集电极功耗
Pc
50
mW
工作温度
Topr
-20~65
℃
存储温度
Tspg
-30~75
℃

光电特性（Ta=25℃）
项目
符号
测试条件
最小
典型
最大
单位
u
正向压降
V F
Ir=20mA
-
1.25
1.5
V
反向电流
IR
V R=3V
-
-
10
uA
输出
集电极遮电流
Icco
Vcc=20V
-
-
1
uA
集电极通电流
IL
Vcc=5V IF=8mA
0.25
-
-
mA
饱和压降
V CE
IF=8mA Ic=0.5mA
-
-
0.4
V
传输特性
响应时间
Tr
IF=20mA Vcc=5V
IRc=100Ω
-
10
-
uS
Tf
-
10
-
uS
传输比
C TR
IF=10mA V CE=10V
10
-
-
%
5. 转子台振动检测传感器
采用上海冉普科技有限公司的RP6700T型速度振动传感器
频率响应：5~1000Hz； 灵敏度：20mv/mm/s；
线性误差：1.0%； 安装方式：通用；
工作温度：-25～+70℃； 工作电压：DC12V。
6. 转子台涡流检测传感器
采用深圳欧鹏科技有限公司OPENDWL-B型涡流传感器
量程：1.5mm； 灵敏度：8mv/µm；
分辨率：1µm； 频率范围：0～4000Hz；
线性度：1.5%

第4章 基于LabVIEW的监控系统设计
4.1 系统模块划分
根据系统功能要求，本系统软件设计主要包括用户认证模块、房间温度采集与显示模块、房间湿度采集与显示模块、开关量采集与显示模块、开关量输出模块、涡流检测实验模块、振动检测实验模块、称重检测实验模块、转速测控实验模块与图像采集与远程传输模块等11个功能模块。具体软件结构框图如图4-1所示：

图4-1系统软件框图
4.2 用户认证模块设计
采用LabSQL数据库技术，实现了用户的合法身份认证、数据库管理。远程用户登陆界面如图所示：首先要求用户输入账号及密码，当连续三次输入错误时弹出错误提示并退出程序运行。当以测试员身份输入正确后可看到图示进入系统、修改密码功能键，管理员身份进入时同时还具有用户管理权限。

（a） 远程用户登陆界面 （b） 登陆错误提示对话框

（c） 测试员登陆界面 （d） 管理员登陆界面
图4-2 远程用户登陆界面
测试员和管理员均可点击修改密码功能键以修改本人密码，要求两次输入密码一致，相应提示信息通过用户对话框形式给出。

（a） 修改密码对话框 （b） 错误输入提示框 （c） 密码修改成功提示
图4-3 修改密码界面
管理员可以点击用户管理功能键，进入用户管理界面后修改其他人的密码、权限和增加、减少用户。

（a） 增加用户操作对话框 （b） 删除用户提示框

（c） 编辑用户信息对话框
图4-4 用户管理界面

图4-5 用户管理系统源程序
4.3 用户界面设计
根据功能不同设计了实验室环境监控和转子台监控两种界面，用户可通过点击选项卡直接切换功能。左侧可看到监控参数和控制按钮，右侧是远程图像的实时画面。
图4-6 实验室环境监控用户界面
实验室环境监控用户界面可看到温度、湿度、消防、红外、门状态等各监控参数的实时变化，同时可通过空调和照明开关远程控制房间空调和照明的开与关。同时右侧可实时观察实验室图像。

图4-7 转子台监控用户界面
转子台监控用户界面提供了称重、涡流、转速、振动四个远程实验按钮，当用户按下其中一个实验按钮时将打开相应程序并运行，同时可在右侧观察转子台运行情况。
4.4 程序结构设计
程序流程采用了基于队列和事件管理的生产者-消费者多线程编程框架。所有事件均由一个事件循环统一管理，每个功能模块则在一个基于队列的状态机循环中处理。
在无事件触发时，系统按图4-8的流程运行：

图4-8 无事件触发时的系统流程图
所有前面板控制器（即：用户可操作的控件）的值改变时，均被定义成一个相应事件，并在状态队列中及时插入相应状态，从而保证了程序的及时响应。
l 照明开关、空调开关被触发时：在状态队列中插入开关量输出状态，进入图4-8的A循环（环境监控）；
l 称重实验、涡流实验、转速实验、振动实验按钮被触发时：在状态队列中插入相应实验状态，进入图4-8的B循环（转子台监控）；
l 选项卡被改变时：则转向图4-8流程图C处，从而进入新的程序流程运行；
l 摄像控制被按动时：在状态队列中加入图像采集状态；
l 停止按钮被按下时：控制程序停止。
相关事件及其处理程序如图4-9所示。
图4-9 事件处理程序
程序的每个功能模块，即状态在一个基于队列的状态机循环中处理，每当状态被处理时均会出队列，因此队列中始终只有一到两个最近要处理的状态，通过生产者/消费者程序结构完成不同状态的自由转移，保证程序能及时响应用户需求。同时也方便了将来功能的扩展。

图4-10 生产者/消费者程序结构
4.5 数据采集模块设计
本系统除图像通过计算机USB摄像头单独采集外，其他所有信号均通过PCI-6251数据采集卡实现采集与输出。

4.5.1 信号采集与显示模块设计

图4-11 温度、湿度信号采集与显示程序模块设计
温度传感器根据其输出特性采取差值计算的方法将电压值换算成温度并显示，湿度传感器由于输出特性线性较好且过原点直接将电压除以灵敏度0.05得到湿度显示。
4.5.2 开关信号采集与显示模块设计

图4-12 开关量读取程序模块
4.5.3 空调与照明开关输出模块设计

图4-13 空调与照明开关输出程序模块设计

4.5.4 称重实验模块设计
该实验项目主要完成称重传感器的特性测定，通过PCI-6251数据采集卡模拟输入通道A4对传感器电桥的输出电压进行信号采集，程序设计了人机交互的界面，通过砝码的自动或手动加载和卸载，逐点测定传感器在不同载荷时的输出电压，并将所有测量数据进行线性分析、回差分析，最终获得传感器的灵敏度和特性曲线。实验结束后可将数据进行自动存盘。
图4-14 称重实验系统组成框图

图4-15 称重实验程序流程图

图4-16 称重实验子程序框图

图4-17 称重实验前面板设计

程序开始运行后，可以选择加载或卸载测试，系统实时显示测试电压与质量值，并描绘出特性曲线，测试结束后可看到拟合直线，测试结束数据自动存盘至C:\1.xls文件中，测试数据文件见图4-18所示。

图4-18 称重实验存盘数据
4.5.5 涡流实验模块设计
该实验项目主要利用两个涡流传感器对转子台转轴进行轴心轨迹测试，帮助学生学习涡流传感器。

图4-19涡流实验子程序框图

图4-20涡流实验子程序前面板
4.5.6 转速测控实验模块设计
该实验项目主要完成直流伺服电机的转速PID控制实验，通过光电传感器输出脉冲的频率分析检测电机转速，学生可以通过程序前面板PID调节器参数整定控件和给定转速控件的调节控制电机转速，从而在学习光电传感器应用的同时了解相关控制理论知识。

图4-21 光电传感器测速原理图

图4-22 转速测控系统框图

图4-23 转速测控子程序框图

图4-24 转速测控程序前面板设计
4.5.7 振动实验模块设计
该实验项目主要利用振动加速度传感器对转子台振动波形进行测试，帮助学生学习振动加速传感