基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室構建

將虛擬儀器技術(shù)推向網(wǎng)絡(luò )應用，更能發(fā)揮其“軟件就是儀器”的優(yōu)勢，更有助于形成分布式的網(wǎng)絡(luò )測量體系，實(shí)現數據和儀器的遠程共享，從而為遠程測控服務(wù)。本文介紹網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室的使用BSDA結構，由客戶(hù)端、Web服務(wù)器、應用服務(wù)器以及實(shí)驗設備四個(gè)模塊組成，具備開(kāi)發(fā)周期短，成本低的特點(diǎn)，同時(shí)又具有很強的兼容性和擴展性，能夠大大提高儀器的使用效率。

圖1：網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室構成原理圖。

網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室是一個(gè)無(wú)墻的中心，通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )系統，研究人員或學(xué)生將不受時(shí)空的限制，隨時(shí)隨地與同行協(xié)作，共享儀器設備，共享數據和計算資源，得到教師的遠程指導以及與同行相互研討。

由于通過(guò)網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室能夠實(shí)現跨時(shí)空跨學(xué)科的儀器設備遠程共享，甚至遠程控制，滿(mǎn)足科研教學(xué)對分布式實(shí)驗系統的要求，同時(shí)解決棘手的教學(xué)資源緊張問(wèn)題，國 外的很多科研院所也已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的有益嘗試。如Carnegie-Mellon大學(xué)的卡Carnegie Mellon虛擬實(shí)驗室，Johns Hopkins大學(xué)的虛擬工程與科學(xué)實(shí)驗室，以及Tennessee大學(xué)的網(wǎng)上工程實(shí)驗室是其中的比較成功的范例。

網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室大多使用的是CS（客戶(hù)端／服務(wù)端）結構，按其實(shí)現功能基本可分為三類(lèi)：

1. 軟件共享網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室。其特點(diǎn)為，服務(wù)端共享本地的虛擬實(shí)驗室模擬軟件平臺，接受客戶(hù)端發(fā)送的實(shí)驗請求，分析和處理實(shí)驗參數，經(jīng)過(guò)計算模擬最終將結果返回客戶(hù)端。整個(gè)系統不涉及具體的實(shí)驗儀器硬件設備，只是利用軟件模擬實(shí)驗的過(guò)程；

圖2：網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室的組成原理圖。

2.儀器共享網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室。服務(wù)端同樣接受客戶(hù)端的實(shí)驗請求和實(shí)驗參數，使用實(shí)驗參數配置與之連接的實(shí)驗儀器硬件設備，由實(shí)驗儀器硬件設備進(jìn)行實(shí)驗，并將實(shí) 驗結果返回服務(wù)端，最后返回到用戶(hù)端，實(shí)現實(shí)驗儀器的共享，實(shí)驗數據的共享。

3. 遠程控制網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室。與儀器共享網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室最大的區別在于除了實(shí)驗儀器實(shí)驗數據的共享之外，它還要實(shí)現客戶(hù)端對實(shí)驗儀器設備的遠程控制。

網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室實(shí)現原理

網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室的構建多使用瀏覽器/服務(wù)器/數據和應用(BSDA，Browser/Server/Database＆Application)結構，其原 理如圖1所示，典型的網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室由客戶(hù)端、網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器端、應用服務(wù)器端以及實(shí)驗儀器設備四部分組成。網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器主要作用是提供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)的生成；應用服務(wù)器主要作用是控制和管理實(shí)驗儀器、采集和處理實(shí)驗數據；數據庫的主要作用則是配合用戶(hù)帳戶(hù)的管 理、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的生成以及實(shí)驗數據的存儲和管理。

本網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室，主要由模擬仿真和實(shí)時(shí)測量?jì)蓚€(gè)部分組成，如圖2所示。模擬仿真部分，主要 完成驗證型、原理演示型實(shí)驗，使用LabVIEW自帶的網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能，直接在Web服務(wù)器端生成嵌入實(shí)驗平臺的WWW網(wǎng)頁(yè)，用戶(hù)只需使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器即可通 過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室，進(jìn)行實(shí)驗。

圖3：網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗的硬件結構。

實(shí)時(shí)測量部分，主要完成儀器共享型、遠程控制型實(shí)驗，有一個(gè)多媒體輔助模塊，是對實(shí)際實(shí)驗平臺界面的虛擬呈現，讓學(xué)生在進(jìn)入實(shí)時(shí)測量模塊之前來(lái)操作，用來(lái)檢 驗學(xué)生的預習程度，讓學(xué)生預先了解實(shí)驗內容，熟悉具體的實(shí)驗步驟；另一個(gè)是實(shí)時(shí)測量模塊，它是實(shí)時(shí)測量部分的核心，負責本地實(shí)驗數據的采集，并按遠程用戶(hù) 的操作要求進(jìn)行分析、存儲以及顯示，可使用LabVIEW的網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能來(lái)實(shí)現，也可使用基于LabVIEW編程的 Application Server模塊與客戶(hù)端API模塊來(lái)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )互連，數據通信，完成遠程實(shí)驗。

網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室的硬件結構

我們使用的是以NI-PXI構架為核心的硬件體系，并以一臺Dell PowerEdge4600為網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器，如圖3所示。Dell PowerEdge4600為Web服務(wù)器配備了2個(gè)Intel Xeon 2.8GHz處理器，2GB ECC DDR RAM，3×36GB SCSI RAID（冗余磁盤(pán)陣列），以及Broadcom 千兆網(wǎng)卡，充分滿(mǎn)足多線(xiàn)程、大流量、高帶寬的使用要求。

應用服務(wù)器使用的是一臺PXI-1000B機箱，嵌入了PXI-8176控制器，以及PXI-6070E，PXI-6071E多功能數據采集卡，用來(lái)實(shí)現高速的 數模轉換、數模輸入輸出以及數據采集；PXI-5102高性能示波器卡來(lái)完成信號的發(fā)生，提供穩定可靠的信號源；PXI-2501矩陣模塊用來(lái)實(shí)現不同測 量元器件之間的自動(dòng)切換，以滿(mǎn)足遠程用戶(hù)不同的測量要求，實(shí)現測量的多樣性；PXI-1422圖像采集卡用來(lái)完成PCB板、IC芯片的圖像提取，滿(mǎn)足電路 檢查、IC設計的需要；PXI-7344運動(dòng)控制卡用來(lái)實(shí)現電機伺服系統的參數提取，狀態(tài)跟蹤等。

圖4：模擬仿真實(shí)驗原理圖。

一臺SCXI-1000機箱，嵌入了SCXI-1320和SCXI-1125信號調理模塊，用來(lái)對微電子系統，微電流電壓信號的放大、降噪、濾波，保持整個(gè) 體系的高精確度。一臺最新的NI-ELVIS用于實(shí)驗模型的建立，搭建實(shí)驗電路，構建小型的電子電路系統，實(shí)現電子電路實(shí)驗的遠程共享。

系統設計技術(shù)實(shí)現

1. 模擬仿真部分

模擬仿真部分，我們以L(fǎng)abVIEW內置的網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能為基礎，通過(guò)HTML設計網(wǎng)頁(yè)，并使用Microsoft IIS 5.0發(fā)布功能，直接在服務(wù)器端生成嵌入實(shí)驗平臺的WWW網(wǎng)頁(yè)，用戶(hù)只需使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器進(jìn)入我們的站點(diǎn)，即可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗，其原理如圖4所示。

LabVIEW 內置的Remote Panel Connection Manager用來(lái)對用戶(hù)的使用情況進(jìn)行監控與調度，NI網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器按照遠端實(shí)驗操作者制定的實(shí)驗數據，分析、計算數據最后顯示實(shí)驗曲線(xiàn)以及實(shí)驗結果，并 將實(shí)驗結果嵌入生成的HTML網(wǎng)頁(yè)中，用戶(hù)只需使用瀏覽器即可實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗數據以及實(shí)驗曲線(xiàn)，以及完成報告生成等后續工作。

2. 實(shí)時(shí)測量部分

圖5：實(shí)時(shí)測量部分Browser NI Web Server結構原理圖。

實(shí)時(shí)測量部分，我們使用了兩種實(shí)現方案，用來(lái)滿(mǎn)足不同情況下用戶(hù)對遠程實(shí)驗的要求：一種是瀏覽器和NI網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器結構，另一種是應用服務(wù)器API結構。使用PXI-1000B機箱以及嵌入的PXI板卡來(lái)作為NI網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器與應用服務(wù)器。

瀏覽器和NI網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器結構是在模擬仿真實(shí)現的基礎上，在NI網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器上連接相應的DAQ、SCXI硬件，它再與實(shí)際的實(shí)驗儀器連接，用來(lái)實(shí)現遠程客戶(hù)端 與實(shí)驗儀器的數據通信，完成實(shí)驗儀器的遠程共享，其原理如圖5所示。該結構適用于瘦客戶(hù)體系，客戶(hù)端無(wú)需計算分析數據，只需安裝因特網(wǎng)瀏覽器接收服務(wù)端傳 輸的數據流，即可進(jìn)行實(shí)驗，方便簡(jiǎn)單，效率高，但是對服務(wù)器的運算能力、帶寬以及多線(xiàn)程狀態(tài)下的穩定性等指標要求比較高；同時(shí)由于每一時(shí)刻只允許一位用戶(hù) 掌握控制權，所以比較適用于遠程控制型實(shí)驗。

應用服務(wù)器和API結構使用LabVIEW編程，以其內置TCP/IP模塊為基 礎，構造一個(gè)應用服務(wù)器端和一個(gè)API用戶(hù)終端，由TCP/IP模塊完成網(wǎng)絡(luò )互連，數據通信以及容錯處理。應用服務(wù)器用來(lái)采集傳輸實(shí)驗數據，管理用戶(hù)，記 錄用戶(hù)使用情況；而API用戶(hù)終端則提供操作者GUI界面，實(shí)現數據的獲取、分析運算以及顯示存儲等，其原理如圖6所示。

該結構要求API用戶(hù)終端將應用服務(wù)器端板卡采集的實(shí)驗數據下載到本地終端來(lái)分析、計算、顯示以及存儲，除了對網(wǎng)絡(luò )帶寬、穩定性有很高的要求之外，對API用戶(hù)終端的計算機性能也有很高的要求，適用于遠程軟件共享和儀器共享型實(shí)驗，可以實(shí)現多用戶(hù)廣播式共享實(shí)驗數據。

測試實(shí)驗為例

下面以半導體晶體管直流特性測試實(shí)驗為例，介紹應用服務(wù)器和API結構LabVIEW編程的實(shí)現方法。用戶(hù)首先進(jìn)入的是一個(gè)多媒體仿真界面，用來(lái)檢驗預習狀 況，并熟悉實(shí)際的儀器操作。如圖7所示，借助一套實(shí)際儀器的圖形面板，我們使用LabVIEW模擬了晶體管直流特性測試曲線(xiàn)，用戶(hù)使用旋鈕以及各種開(kāi)關(guān)， 可以像操作實(shí)際儀器一般，了解實(shí)驗的具體內容和步驟。

圖6：實(shí)時(shí)測量部分Application Server API結構原理圖。

完成模擬之后，可以按下進(jìn)入測量按鈕，進(jìn)入實(shí)時(shí)測量面板，如圖8所示。面板上方的工具欄是相關(guān)的模式選擇、參數設置以及數據存儲等操作，中央的是實(shí)驗曲線(xiàn)的 顯示界面。主程序框圖結構如圖9所示，客戶(hù)端API模塊先向服務(wù)端發(fā)送用戶(hù)信息和實(shí)驗請求，經(jīng)服務(wù)端驗證通過(guò)，建立TCP連接；服務(wù)端然后接受客戶(hù)端實(shí)驗 參數并在進(jìn)行實(shí)驗儀器初始化；服務(wù)端采集實(shí)驗數據并通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送數據包，客戶(hù)端接受實(shí)驗采樣數據，并按一定數據格式插入測量數組，同步顯示波 形；采集完全部實(shí)驗數據，服務(wù)器發(fā)結束信息，然后斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接，完成實(shí)驗。

圖8顯示的是客戶(hù)端在遠端實(shí)測的CCMS實(shí)驗室本地晶體管的Ic－Vce曲線(xiàn)圖，圖10顯示晶體管放大倍數β的計算值，并實(shí)時(shí)顯示β－Ib曲線(xiàn)，用戶(hù)可以選擇保存按鈕，將實(shí)驗數據以需要的格式保存，進(jìn)行相應的運算，使用HIQ生成實(shí)驗報告，最終完成實(shí)驗。

效果與結論

我們已經(jīng)建立起以電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)為基礎的十幾套實(shí)驗系統，初步構成了一個(gè)跨時(shí)空、跨學(xué)科、跨平臺的網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室雛形，實(shí)現了實(shí)驗儀器的遠程共享以及遠 程實(shí)驗。以NI虛擬儀器平臺為基礎的網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室，開(kāi)發(fā)周期短，使用效率高，可擴展性強，成本低廉，是解決目前資源緊張問(wèn)題的一種行之有效的途徑。