基于虛擬儀器LabVIEW的網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室系統設計

　　0 引言

　　隨著(zhù)招生規模的不斷擴大，國內普通高等院校實(shí)驗設備往往比較陳舊，不能及時(shí)更新，從而無(wú)法跟上教育的飛速發(fā)展。目前，高等工科院校仍沿用傳統的實(shí)驗教學(xué)方法，實(shí)驗內容側重于理論驗證和模仿訓練，缺乏對學(xué)生創(chuàng )新意識的培養和綜合能力的提高。滯后的實(shí)驗設備和死板的實(shí)驗模式難以調動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng )造性，實(shí)驗教學(xué)處于應試教育。而虛擬實(shí)驗室系統則主要依賴(lài)于軟件和較少的配套硬件，使實(shí)驗室的維護費用和工作量大大降低。LabVIEW作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)系統的代表，可以利用Internet進(jìn)行虛擬實(shí)驗室的網(wǎng)絡(luò )發(fā)布，實(shí)現了資源共享，避免了儀器重復添置，滿(mǎn)足了用戶(hù)不再受時(shí)間、地點(diǎn)限制進(jìn)行遠程的實(shí)時(shí)合作，提高了用戶(hù)的學(xué)習效果。

　　1 系統的總體目標

　　本系統的總體目標是設計并實(shí)現一個(gè)基于局域網(wǎng)的虛擬實(shí)驗平臺，該虛擬實(shí)驗平臺主要完成模擬電路和數字電路的仿真和數據采集等實(shí)驗，使學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )完成大學(xué)相關(guān)課程的規定實(shí)驗，突破地域和時(shí)間上的限制，達到網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗教學(xué)的目的。學(xué)生是虛擬實(shí)驗室的最終用戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)以自己的學(xué)號和密碼作為出入虛擬實(shí)驗室的通行證，登錄虛擬實(shí)驗室系統后，可以在客戶(hù)端進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗操作。在虛擬實(shí)驗室中，用戶(hù)可以選擇實(shí)驗，選擇實(shí)驗儀器，進(jìn)行實(shí)驗仿真、數據分析。

　　2 虛擬實(shí)驗室的設計與實(shí)現

　　系統采用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(shí)現儀器的本地控制，并利用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，把所提供的實(shí)驗題目及內容放入建立的網(wǎng)站上，遠程用戶(hù)只需利用網(wǎng)絡(luò )瀏覽器，就可以登錄到遠程實(shí)驗室的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器上，進(jìn)行實(shí)驗操作，遠程控制實(shí)驗儀器。在遠程實(shí)驗室的主頁(yè)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(guò)視頻壓縮傳輸技術(shù)傳送到網(wǎng)頁(yè)上，這樣用戶(hù)就可以看到自己所操縱的精密儀器，直接從屏幕上看到實(shí)驗結果。歡迎轉載，本文來(lái)自電子發(fā)燒友網(wǎng)(http://www.elecfans.com )

　　2.1 網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室的硬件結構

　　整個(gè)遠程虛擬實(shí)驗室系統的硬件是由Web服務(wù)器、儀器控制服務(wù)器、硬件實(shí)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(shí)驗板、數字實(shí)驗板、實(shí)驗臺控制板組成。電源板為整個(gè)實(shí)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的串口通信，并發(fā)送命令參數給實(shí)驗臺控制板;實(shí)驗臺控制板進(jìn)行具體的儀器測試點(diǎn)切換工作;模擬實(shí)驗板和數字實(shí)驗板實(shí)現的是具體的實(shí)驗電路。

　　單片機串口通信板在硬件平臺中處于至關(guān)重要的地位，它負責與LabVIEW服務(wù)器的串行口通信、實(shí)驗數據字節的輸出和獲取、模擬實(shí)驗測試點(diǎn)的切換。系統選用了AT89C51作核心控制器。實(shí)驗臺控制板主要實(shí)現模擬實(shí)驗各輸入/輸出測試點(diǎn)的可控制切換。實(shí)現多個(gè)模擬實(shí)驗時(shí)，需要切換輸入信號輸入點(diǎn)和變更信號參數，還需要切換數字電壓表和示波器的測試點(diǎn)。由于實(shí)驗系統需要實(shí)現遠程控制測試點(diǎn)的切換，所以模擬實(shí)驗板上相關(guān)測試點(diǎn)都必須引出接線(xiàn)點(diǎn)，以便于與實(shí)驗臺控制板接口。當增加實(shí)驗數目，也無(wú)需改動(dòng)實(shí)驗臺控制板時(shí)，只要從實(shí)驗板引出測試點(diǎn)和實(shí)驗臺控制板接口即可。

　　2.2 遠程虛擬實(shí)驗室系統軟件設計

　　如圖1所示，整個(gè)遠程虛擬實(shí)驗室系統的軟件構成可分為以下幾個(gè)子系統：Web服務(wù)器子系統、本地儀器控制子系統和客戶(hù)端子系統。

　　Web服務(wù)器是整個(gè)系統的核心部分。通過(guò)Web服務(wù)器，用戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)Web站點(diǎn)、控制儀器，并獲得實(shí)驗結果。公共網(wǎng)關(guān)接口(CGI)和傳輸控制協(xié)議(TCP)是客戶(hù)端與Web服務(wù)器以及Web服務(wù)器與實(shí)驗室服務(wù)器之間的主要通信方法。在本地控制子系統中，作為控制儀器的PC機上裝有通用接口總線(xiàn)(GPIB)接口和一塊網(wǎng)卡。儀器控制服務(wù)器通過(guò)已建立起的TCP/IP通道獲得來(lái)自Web服務(wù)器控制儀器的命令字符串。進(jìn)而啟動(dòng)儀器工作，完成測試任務(wù)?？蛻?hù)端子系統是嵌入在Web服務(wù)器中。當用戶(hù)登錄到Web服務(wù)器上后，用戶(hù)可以瀏覽虛擬實(shí)驗室站點(diǎn)，獲得所提供實(shí)驗的概括介紹以及詳細說(shuō)明。

　　2.3 虛擬實(shí)驗室的交互過(guò)程

　　開(kāi)始實(shí)驗操作時(shí)，遠程用戶(hù)通過(guò)瀏覽器進(jìn)入遠程虛擬實(shí)驗室系統網(wǎng)站的登錄頁(yè)面，如圖2所示。

　　當Web服務(wù)器接收到來(lái)自客戶(hù)端的有效CGI(common gateway interface)請求后，從表單中獲取相應的實(shí)驗參數，進(jìn)而向儀器控制服務(wù)器提交調用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(hù)端TCP/IP連接，調用相應的VI程序：首先調用串口通信程序，即通過(guò)串口向硬件實(shí)驗平臺發(fā)送控制指令;然后啟動(dòng)儀器控制VI模塊，使其通過(guò)GPIB接口卡調用相關(guān)儀器設備，對實(shí)驗電路進(jìn)行測試;最后將實(shí)驗測試結果以CGI響應的方式回傳到Web服務(wù)器，由Web服務(wù)器端的CGI程序刷新客戶(hù)端顯示，完成了整個(gè)實(shí)驗的操作過(guò)程。

　　3 系統設計技術(shù)實(shí)現

　　系統的整體設計采用Application ServerAPI結構。Application ServerAPI結構使用LabVIEW編程，以其內置TCP/IP模塊為基礎，構造一個(gè)Application Server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。該結構要求API用戶(hù)終端將Application Server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。主程序框圖結構如圖3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;然后服務(wù)端接受客戶(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)端接受共享實(shí)驗數據。

　　下面以周期信號時(shí)域特性的測量實(shí)驗為例，介紹ApplicationServerAPI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，實(shí)驗采樣數據，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4顯示的是客戶(hù)端在遠端實(shí)測的實(shí)驗室周期信號的時(shí)域特性，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，還可以生成實(shí)驗報告，最終完成實(shí)驗。

　　4 結語(yǔ)

　　本文以虛擬儀器為平臺設計了網(wǎng)絡(luò )虛擬實(shí)驗室系統，通過(guò)用戶(hù)登陸界面，嵌入一些虛擬實(shí)驗儀器設備。實(shí)現了利用計算機網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行實(shí)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(shí)驗室較以往的虛擬實(shí)驗室實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )化，達到了資源共享，避免了儀器重復添置和資源浪費，使學(xué)生做實(shí)驗不再受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。具有開(kāi)發(fā)周期短，使用效率高，可擴展性強，成本低廉的特點(diǎn)，是解決目前高教擴招帶來(lái)的資源緊張問(wèn)題的一種行之有效的途徑。隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷完善，虛擬實(shí)驗室會(huì )有更好的應用前景。