基于虛擬儀器LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)設(shè)計

　　0 引言

　　隨著招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國內(nèi)普通高等院校實驗設(shè)備往往比較陳舊，不能及時更新，從而無法跟上教育的飛速發(fā)展。目前，高等工科院校仍沿用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，實驗內(nèi)容側(cè)重于理論驗證和模仿訓(xùn)練，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和綜合能力的提高。滯后的實驗設(shè)備和死板的實驗?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性，實驗教學(xué)處于應(yīng)試教育。而虛擬實驗室系統(tǒng)則主要依賴于軟件和較少的配套硬件，使實驗室的維護(hù)費用和工作量大大降低。LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的代表，可以利用Internet進(jìn)行虛擬實驗室的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實現(xiàn)了資源共享，避免了儀器重復(fù)添置，滿足了用戶不再受時間、地點限制進(jìn)行遠(yuǎn)程的實時合作，提高了用戶的學(xué)習(xí)效果。

　　1 系統(tǒng)的總體目標(biāo)

　　本系統(tǒng)的總體目標(biāo)是設(shè)計并實現(xiàn)一個基于局域網(wǎng)的虛擬實驗平臺，該虛擬實驗平臺主要完成模擬電路和數(shù)字電路的仿真和數(shù)據(jù)采集等實驗，使學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)完成大學(xué)相關(guān)課程的規(guī)定實驗，突破地域和時間上的限制，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)的目的。學(xué)生是虛擬實驗室的最終用戶，每個用戶以自己的學(xué)號和密碼作為出入虛擬實驗室的通行證，登錄虛擬實驗室系統(tǒng)后，可以在客戶端進(jìn)行相關(guān)的實驗操作。在虛擬實驗室中，用戶可以選擇實驗，選擇實驗儀器，進(jìn)行實驗仿真、數(shù)據(jù)分析。

　　2 虛擬實驗室的設(shè)計與實現(xiàn)

　　系統(tǒng)采用GPIB(general purpose interface bus)儀器控制技術(shù)，將可程控儀器連接到LabVIEW儀器控制服務(wù)器上，實現(xiàn)儀器的本地控制，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把所提供的實驗題目及內(nèi)容放入建立的網(wǎng)站上，遠(yuǎn)程用戶只需利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，就可以登錄到遠(yuǎn)程實驗室的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，進(jìn)行實驗操作，遠(yuǎn)程控制實驗儀器。在遠(yuǎn)程實驗室的主頁上，還可以加入視頻攝像部分。由視頻頭所采集的圖像可通過視頻壓縮傳輸技術(shù)傳送到網(wǎng)頁上，這樣用戶就可以看到自己所操縱的精密儀器，直接從屏幕上看到實驗結(jié)果。歡迎轉(zhuǎn)載，本文來自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com )

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的硬件結(jié)構(gòu)

　　整個遠(yuǎn)程虛擬實驗室系統(tǒng)的硬件是由Web服務(wù)器、儀器控制服務(wù)器、硬件實驗電路控制平臺、GPIB可程控儀器以及視頻攝像頭組成的。硬件平臺主要由電源板、89C51串口通信板、低頻實驗板、數(shù)字實驗板、實驗臺控制板組成。電源板為整個實驗電路提供±5 V，±12 V和+18 V電壓;串口通信板完成與上位機(jī)的串口通信，并發(fā)送命令參數(shù)給實驗臺控制板;實驗臺控制板進(jìn)行具體的儀器測試點切換工作;模擬實驗板和數(shù)字實驗板實現(xiàn)的是具體的實驗電路。

　　單片機(jī)串口通信板在硬件平臺中處于至關(guān)重要的地位，它負(fù)責(zé)與LabVIEW服務(wù)器的串行口通信、實驗數(shù)據(jù)字節(jié)的輸出和獲取、模擬實驗測試點的切換。系統(tǒng)選用了AT89C51作核心控制器。實驗臺控制板主要實現(xiàn)模擬實驗各輸入/輸出測試點的可控制切換。實現(xiàn)多個模擬實驗時，需要切換輸入信號輸入點和變更信號參數(shù)，還需要切換數(shù)字電壓表和示波器的測試點。由于實驗系統(tǒng)需要實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制測試點的切換，所以模擬實驗板上相關(guān)測試點都必須引出接線點，以便于與實驗臺控制板接口。當(dāng)增加實驗數(shù)目，也無需改動實驗臺控制板時，只要從實驗板引出測試點和實驗臺控制板接口即可。

　　2.2 遠(yuǎn)程虛擬實驗室系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　如圖1所示，整個遠(yuǎn)程虛擬實驗室系統(tǒng)的軟件構(gòu)成可分為以下幾個子系統(tǒng)：Web服務(wù)器子系統(tǒng)、本地儀器控制子系統(tǒng)和客戶端子系統(tǒng)。

　　Web服務(wù)器是整個系統(tǒng)的核心部分。通過Web服務(wù)器，用戶可以訪問Web站點、控制儀器，并獲得實驗結(jié)果。公共網(wǎng)關(guān)接口(CGI)和傳輸控制協(xié)議(TCP)是客戶端與Web服務(wù)器以及Web服務(wù)器與實驗室服務(wù)器之間的主要通信方法。在本地控制子系統(tǒng)中，作為控制儀器的PC機(jī)上裝有通用接口總線(GPIB)接口和一塊網(wǎng)卡。儀器控制服務(wù)器通過已建立起的TCP/IP通道獲得來自Web服務(wù)器控制儀器的命令字符串。進(jìn)而啟動儀器工作，完成測試任務(wù)?？蛻舳俗酉到y(tǒng)是嵌入在Web服務(wù)器中。當(dāng)用戶登錄到Web服務(wù)器上后，用戶可以瀏覽虛擬實驗室站點，獲得所提供實驗的概括介紹以及詳細(xì)說明。

　　2.3 虛擬實驗室的交互過程

　　開始實驗操作時，遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器進(jìn)入遠(yuǎn)程虛擬實驗室系統(tǒng)網(wǎng)站的登錄頁面，如圖2所示。

　　當(dāng)Web服務(wù)器接收到來自客戶端的有效CGI(common gateway interface)請求后，從表單中獲取相應(yīng)的實驗參數(shù)，進(jìn)而向儀器控制服務(wù)器提交調(diào)用VI的請求。運行于儀器控制服務(wù)器上的G Web Server接收到請求后，建立起與客戶端TCP/IP連接，調(diào)用相應(yīng)的VI程序：首先調(diào)用串口通信程序，即通過串口向硬件實驗平臺發(fā)送控制指令;然后啟動儀器控制VI模塊，使其通過GPIB接口卡調(diào)用相關(guān)儀器設(shè)備，對實驗電路進(jìn)行測試;最后將實驗測試結(jié)果以CGI響應(yīng)的方式回傳到Web服務(wù)器，由Web服務(wù)器端的CGI程序刷新客戶端顯示，完成了整個實驗的操作過程。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)

　　系統(tǒng)的整體設(shè)計采用Application ServerAPI結(jié)構(gòu)。Application ServerAPI結(jié)構(gòu)使用LabVIEW編程，以其內(nèi)置TCP/IP模塊為基礎(chǔ)，構(gòu)造一個Application Server應(yīng)用服務(wù)器端和一個API用戶終端，由TCP/IP模塊完成網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)通信以及容錯處理。該結(jié)構(gòu)要求API用戶終端將Application Server應(yīng)用服務(wù)器端板卡采集的實驗數(shù)據(jù)下載到本地終端來分析、計算、顯示以及存儲，除了對網(wǎng)絡(luò)帶寬、穩(wěn)定性有很高的要求之外，對API用戶終端的計算機(jī)性能也有很高的要求，適用于遠(yuǎn)程軟件共享和儀器共享型實驗。主程序框圖結(jié)構(gòu)如圖3所示，客戶端API模塊先向服務(wù)端發(fā)送用戶信息和實驗請求，經(jīng)服務(wù)端驗證通過，建立TCP連接;然后服務(wù)端接受客戶端實驗參數(shù)并在進(jìn)行實驗儀器初始化;服務(wù)端采集實驗數(shù)據(jù)并通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包，客戶端接受共享實驗數(shù)據(jù)。

　　下面以周期信號時域特性的測量實驗為例，介紹ApplicationServerAPI結(jié)構(gòu)LabVIEW編程的實現(xiàn)方法。

　　用戶首先進(jìn)入的是一個多媒體仿真界面，實驗采樣數(shù)據(jù)，同步顯示波形;采集完全部實驗數(shù)據(jù)，服務(wù)器發(fā)結(jié)束信息，然后斷開網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，完成實驗。圖4顯示的是客戶端在遠(yuǎn)端實測的實驗室周期信號的時域特性，用戶可以選擇保存按鈕，將實驗數(shù)據(jù)以需要的格式保存，進(jìn)行相應(yīng)的運算，還可以生成實驗報告，最終完成實驗。

　　4 結(jié)語

　　本文以虛擬儀器為平臺設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室系統(tǒng)，通過用戶登陸界面，嵌入一些虛擬實驗儀器設(shè)備。實現(xiàn)了利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實驗儀器操作的模擬和測量，并在電子科學(xué)學(xué)院進(jìn)行了演示，取得了很好的效果。該網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室較以往的虛擬實驗室實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化，達(dá)到了資源共享，避免了儀器重復(fù)添置和資源浪費，使學(xué)生做實驗不再受時間和地點的限制。具有開發(fā)周期短，使用效率高，可擴(kuò)展性強，成本低廉的特點，是解決目前高教擴(kuò)招帶來的資源緊張問題的一種行之有效的途徑。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善，虛擬實驗室會有更好的應(yīng)用前景。