基于NI ELVIS的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究

2 NI ELVIS和iLabs簡(jiǎn)介
2．1 NIELVIS簡(jiǎn)介
NI教學(xué)實(shí)驗(yàn)虛擬儀器套件(NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，簡(jiǎn)稱ELVIS)是在NI數(shù)據(jù)采集卡和圖形化開發(fā)環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，簡(jiǎn)稱LabVIEW)編程的基礎(chǔ)上集成了實(shí)驗(yàn)常用儀器功能的虛擬儀器套件。該套件通過軟硬件相結(jié)合搭建的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)。其中軟件部分包括集成的多種通用電路電子測(cè)試的軟儀器，如LabVIEW、NI―DAQ開發(fā)軟件等。該套件安裝在計(jì)算機(jī)軟件前面板(Soft Front Pannel，簡(jiǎn)稱SFP)虛擬儀器。NI ELVIS加載了LabVIEW創(chuàng)建的軟件前面板儀器以及儀器的源代碼，通過修改Lab VIEW代碼來(lái)更改SFP的功能。NI ELVIS所集成的軟儀器功能：信號(hào)分析(示波器，動(dòng)態(tài)信號(hào)分析，波特圖分析，阻抗分析儀等)；數(shù)字萬(wàn)用表(測(cè)量電壓，電流，電阻，電感，二極管的極性等)；信號(hào)源(信號(hào)發(fā)生器和任意波型發(fā)生器，可手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可編程設(shè)置，并具有掃頻功能)；定時(shí)／數(shù)字量(頻率，計(jì)數(shù)器和數(shù)字I／O)；直流電源(標(biāo)準(zhǔn)+5 V，±15 V和可變調(diào)節(jié)的±12 V)。而硬件部分包括以數(shù)據(jù)采集卡為中心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，電路搭建平臺(tái)(面包板)和ELVIS工作臺(tái)。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量和分析現(xiàn)實(shí)世界的物理量，利用轉(zhuǎn)換器和測(cè)試探針或者固定設(shè)備采集測(cè)量溫度、壓力、速度等不同類型的電信號(hào)，并將其送入計(jì)算機(jī)處理。該遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室采用基于PCI接口的采集卡PCI一6221，該數(shù)據(jù)采集卡具有16路模擬輸入、16位分辨率；采樣速率為250 KS／s；2路模擬輸出，更新速率為833 KS／s；24路數(shù)字I／0 (8路高速可達(dá)l MHz)；2個(gè)32位80 MHz計(jì)數(shù)器／定時(shí)器。而硬件電路的搭建平臺(tái)(面包板)和ELVIS工作臺(tái)的控制面板含有示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、可變電源等儀器，這些基本儀器作為ELVIS可操作的軟面板儀器，并通過連接器在ELVlS軟面板上顯示。面包板與工作臺(tái)相連，并搭建相關(guān)電路，允許實(shí)驗(yàn)輸入輸出信號(hào)連接。圖1為ELVIS構(gòu)成示意圖。

2．2 iLabs簡(jiǎn)介
iLabs是由美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)倡導(dǎo)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，即MIT公開共享其實(shí)驗(yàn)室，即學(xué)生或教師通過互聯(lián)網(wǎng)訪問MIT真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室，使得高等院校之間能夠共享昂貴設(shè)備以及與實(shí)驗(yàn)室有關(guān)的教學(xué)資料。iLabs的最終目標(biāo)是創(chuàng)造豐富的網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)資源，使人們通過網(wǎng)絡(luò)共享實(shí)驗(yàn)資源。目前iLabs實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為Batched Architecture和Interactive Architecture，前者針對(duì)儀器共享網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，后者針對(duì)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室，可以互動(dòng)控制遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。該遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室采用Interactive Ar-chitecture實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

3 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)方案
3．1 設(shè)計(jì)原理
iLabs網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)將在線實(shí)驗(yàn)室分成實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器(Lab Server)、實(shí)驗(yàn)室客戶端(Lab Client)、服務(wù)代理端(Service Broker)等功能模塊，如圖2所示。

其中，實(shí)驗(yàn)服務(wù)器是由實(shí)驗(yàn)室管理員操作管理，同時(shí)它也是處理執(zhí)行真實(shí)在線實(shí)驗(yàn)的硬件，主要用于控制和管理實(shí)驗(yàn)儀器、采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)客戶端是終端用戶計(jì)算機(jī)，為用戶提供實(shí)驗(yàn)的交互式操作界面，通過瀏覽器訪問。服務(wù)代理端位于實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器和實(shí)驗(yàn)室客戶端的中間，用于交換協(xié)調(diào)這二者之間的信息，用于提供Web接入服務(wù)、用戶認(rèn)證管理、開放式交互實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)生成，并提供存儲(chǔ)和管理服務(wù)。該實(shí)驗(yàn)室Interactive Service Broker是一臺(tái)基于ASP2．O的IIS網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，后臺(tái)使用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)配合用戶管理、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)生成以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。
3．2 硬件構(gòu)成 _
該網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室為節(jié)約成本將Lab Server和Service Broker安裝在同一臺(tái)電腦上。其主要硬件包括一臺(tái)普通電腦為Web服務(wù)器；采集和傳輸實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集卡PCI一6221；提取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備影像的USB接口的攝像頭。NI ELVIS建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，搭建?shí)驗(yàn)電路，構(gòu)建小型電子電路系統(tǒng)。
3．3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
要實(shí)現(xiàn)虛擬儀器在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的應(yīng)用，必須實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)共享。雖然TCP／IP,DDE等技術(shù)支持不同應(yīng)用程序間的數(shù)據(jù)共享，但不能傳輸動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。NI公司提供的Data Socket是專門用于傳輸和發(fā)布動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)之間尤其是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸。DataSocket由DataSocketAPI與DataSocket Server兩部分組成。前者用于訪問網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接口，后者負(fù)責(zé)提供DSTP協(xié)議和管理底層網(wǎng)絡(luò)通信。DataSocket Server廣播數(shù)據(jù)需要發(fā)布者、DataSocketServer和訂閱者三種角色。發(fā)布者通過DataSocket API向DataSocketServer寫入數(shù)據(jù)，訂閱者通過DataSocket API從DataSocketServer讀取數(shù)據(jù)。利用DataSocket Server實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享，如圖3所示。