基于NI ELVIS的遠程虛擬實(shí)驗室的研究

2 NI ELVIS和iLabs簡(jiǎn)介
2．1 NIELVIS簡(jiǎn)介
NI教學(xué)實(shí)驗虛擬儀器套件(NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，簡(jiǎn)稱(chēng)ELVIS)是在NI數據采集卡和圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，簡(jiǎn)稱(chēng)LabVIEW)編程的基礎上集成了實(shí)驗常用儀器功能的虛擬儀器套件。該套件通過(guò)軟硬件相結合搭建的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺。其中軟件部分包括集成的多種通用電路電子測試的軟儀器，如LabVIEW、NI―DAQ開(kāi)發(fā)軟件等。該套件安裝在計算機軟件前面板(Soft Front Pannel，簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)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：信號分析(示波器，動(dòng)態(tài)信號分析，波特圖分析，阻抗分析儀等)；數字萬(wàn)用表(測量電壓，電流，電阻，電感，二極管的極性等)；信號源(信號發(fā)生器和任意波型發(fā)生器，可手動(dòng)調節，也可編程設置，并具有掃頻功能)；定時(shí)／數字量(頻率，計數器和數字I／O)；直流電源(標準+5 V，±15 V和可變調節的±12 V)。而硬件部分包括以數據采集卡為中心的數據采集系統，電路搭建平臺(面包板)和ELVIS工作臺。其中，數據采集系統用來(lái)測量和分析現實(shí)世界的物理量，利用轉換器和測試探針或者固定設備采集測量溫度、壓力、速度等不同類(lèi)型的電信號，并將其送入計算機處理。該遠程虛擬實(shí)驗室采用基于PCI接口的采集卡PCI一6221，該數據采集卡具有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路數字I／0 (8路高速可達l MHz)；2個(gè)32位80 MHz計數器／定時(shí)器。而硬件電路的搭建平臺(面包板)和ELVIS工作臺的控制面板含有示波器、數字萬(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(guò)連接器在ELVlS軟面板上顯示。面包板與工作臺相連，并搭建相關(guān)電路，允許實(shí)驗輸入輸出信號連接。圖1為ELVIS構成示意圖。

2．2 iLabs簡(jiǎn)介
iLabs是由美國麻省理工學(xué)院(MIT)倡導的遠程網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室，即MIT公開(kāi)共享其實(shí)驗室，即學(xué)生或教師通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)MIT真實(shí)的實(shí)驗室，使得高等院校之間能夠共享昂貴設備以及與實(shí)驗室有關(guān)的教學(xué)資料。iLabs的最終目標是創(chuàng )造豐富的網(wǎng)上實(shí)驗資源，使人們通過(guò)網(wǎng)絡(luò )共享實(shí)驗資源。目前iLabs實(shí)驗系統分為Batched Architecture和Interactive Architecture，前者針對儀器共享網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室，后者針對遠程控制實(shí)驗室，可以互動(dòng)控制遠程實(shí)驗。該遠程虛擬實(shí)驗室采用Interactive Ar-chitecture實(shí)驗系統。

3 遠程虛擬實(shí)驗室設計方案
3．1 設計原理
iLabs網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室系統通過(guò)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)將在線(xiàn)實(shí)驗室分成實(shí)驗室服務(wù)器(Lab Server)、實(shí)驗室客戶(hù)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)驗服務(wù)器是由實(shí)驗室管理員操作管理，同時(shí)它也是處理執行真實(shí)在線(xiàn)實(shí)驗的硬件，主要用于控制和管理實(shí)驗儀器、采集和處理實(shí)驗數據。實(shí)驗客戶(hù)端是終端用戶(hù)計算機，為用戶(hù)提供實(shí)驗的交互式操作界面，通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)。服務(wù)代理端位于實(shí)驗室服務(wù)器和實(shí)驗室客戶(hù)端的中間，用于交換協(xié)調這二者之間的信息，用于提供Web接入服務(wù)、用戶(hù)認證管理、開(kāi)放式交互實(shí)驗環(huán)境以及動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)生成，并提供存儲和管理服務(wù)。該實(shí)驗室Interactive Service Broker是一臺基于A(yíng)SP2．O的IIS網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器，后臺使用SQL Server 2000數據庫配合用戶(hù)管理、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)生成以及實(shí)驗數據的存儲和管理。
3．2 硬件構成 _
該網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室為節約成本將Lab Server和Service Broker安裝在同一臺電腦上。其主要硬件包括一臺普通電腦為Web服務(wù)器；采集和傳輸實(shí)驗設備數據的數據采集卡PCI一6221；提取現場(chǎng)實(shí)驗設備影像的USB接口的攝像頭。NI ELVIS建立實(shí)驗模型，搭建實(shí)驗電路，構建小型電子電路系統。
3．3 設計實(shí)現
要實(shí)現虛擬儀器在網(wǎng)絡(luò )平臺上的應用，必須實(shí)現不同應用之間的數據共享。雖然TCP／IP,DDE等技術(shù)支持不同應用程序間的數據共享，但不能傳輸動(dòng)態(tài)數據。NI公司提供的Data Socket是專(zhuān)門(mén)用于傳輸和發(fā)布動(dòng)態(tài)數據的，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )計算機之間尤其是現場(chǎng)數據傳輸。DataSocket由DataSocketAPI與DataSocket Server兩部分組成。前者用于訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )數據的接口，后者負責提供DSTP協(xié)議和管理底層網(wǎng)絡(luò )通信。DataSocket Server廣播數據需要發(fā)布者、DataSocketServer和訂閱者三種角色。發(fā)布者通過(guò)DataSocket API向DataSocketServer寫(xiě)入數據，訂閱者通過(guò)DataSocket API從DataSocketServer讀取數據。利用DataSocket Server實(shí)現現場(chǎng)數據的網(wǎng)絡(luò )共享，如圖3所示。