基于LabVIEW的網絡虛擬實驗室設計

摘 要:實驗在普通高等教育中占有非常重要的地位。為了使實驗的設計分析過程得以在計算機上輕松、準確、快捷地完成，提出了以虛擬測試系統的數學模型為基礎，采用LabVIEW應用程序開發環境對本地儀器進行控制，并通過GPIB接口將可程控儀器連接到計算機上。在Web服務器端和LabVIEW應用程序之間，采用雙客戶端/服務器結構實現它們之間的通信，實現了通過Intemet進行實驗儀器操作的模擬和測量。關鍵詞:虛擬實驗室; 網絡化實驗室; LabVIEW; GPIB

中圖分類號:TN915033; TP3919文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0178-03

Design of Network Virtual Laboratory Based on LabVIEW

ZHANG Ming1， JIANG Zheng-rong2

(1. Daqing Petroleum University， Daqing 163318， China; 2. Institute of Storage and Transportation Sales Company， Daqing 163001， China)

Abstract: Experiment plays a very important part in ragular higher education. Based on the mathematical model of the virtual test system， LabVIEW application development environment is adopted to control the local instrument to make the design and analysis process of experiment easy， accurate and quick on computer， and connect the numerically-controlled instrument to the computer via GPIB interface. The dual client/server architecture is employed to implement the communication between Web server and LabVIEW application program. The simulation and detection of the experimental instrument operation are achieved via Internet.Keywords: virtual lab; networked laboratory; LabVIEW; GPIB

0 引 言

隨著招生規模的不斷擴大，國內普通高等院校實驗設備往往比較陳舊，不能及時更新，從而無法跟上教育的飛速發展。目前，高等工科院校仍沿用傳統的實驗教學方法，實驗內容側重于理論驗證和模仿訓練，缺乏對學生創新意識的培養和綜合能力的提高。滯后的實驗設備和死板的實驗模式難以調動學生的主動性和創造性，實驗教學處于應試教育[1-2]。而虛擬實驗室系統則主要依賴于軟件和較少的配套硬件，使實驗室的維護費用和工作量大大降低。LabVIEW作為虛擬儀器開發系統的代表，可以利用Internet進行虛擬實驗室的網絡發布，實現了資源共享，避免了儀器重復添置，滿足了用戶不再受時間、地點限制進行遠程的實時合作，提高了用戶的學習效果。

1 系統的總體目標

本系統的總體目標是設計并實現一個基于局域網的虛擬實驗平臺，該虛擬實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驗，使學生可以通過網絡完成大學相關課程的規定實驗，突破地域和時間上的限制，達到網絡實驗教學的目的。學生是虛擬實驗室的最終用戶，每個用戶以自己的學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后，可以在客戶端進行相關的實驗操作。在虛擬實驗室中，用戶可以選擇實驗，選擇實驗儀器，進行實驗仿真、數據分析。

2 虛擬實驗室的設計與實現

系統采用GPIB(general purpose interface bus)儀器控制技術，將可程控儀器連接到LabVIEW儀器控制服務器上，實現儀器的本地控制，并利用網絡技術，把所提供的實驗題目及內容放入建立的網站上，遠程用戶只需利用網絡瀏覽器，就可以登錄到遠程實驗室的網絡服務器上，進行實驗操作，遠程控制實驗儀器。在遠程實驗室的主頁上，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傳送到網頁上，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果。

2.1 網絡虛擬實驗室的硬件結構

整個遠程虛擬實驗室系統的硬件是由Web服務器、儀器控制服務器、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的串口通信，并發送命令參數給實驗臺控制板;實驗臺控制板進行具體的儀器測試點切換工作;模擬實驗板和數字實驗板實現的是具體的實驗電路。

單片機串口通信板在硬件平臺中處于至關重要的地位，它負責與LabVIEW服務器的串行口通信、實驗數據字節的輸出和獲取、模擬實驗測試點的切換[3-4]。系統選用了AT89C51作核心控制器。實驗臺控制板主要實現模擬實驗各輸入/輸出測試點的可控制切換。在實現多個模擬實驗時，需要切換輸入信號輸入點和變更信號參數，還需要切換數字電壓表和示波器的測試點。由于實驗系統需要實現遠程控制測試點的切換，所以模擬實驗板上相關測試點都必須引出接線點，以便于與實驗臺控制板接口。當增加實驗數目，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[4-7]。

2.2 遠程虛擬實驗室系統軟件設計

如圖1所示，整個遠程虛擬實驗室系統的軟件構成可分為以下幾個子系統:Web服務器子系統、本地儀器控制子系統和客戶端子系統[8]。

圖1 虛擬實驗室系統軟件構成

Web服務器是整個系統的核心部分。通過Web服務器，用戶可以訪問Web站點、控制儀器，并獲得實驗結果。公共網關接口(CGI)和傳輸控制協議(TCP)是客戶端與Web服務器以及Web服務器與實驗室服務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(GPIB)接口和一塊網卡。儀器控制服務器通過已建立起的TCP/IP通道獲得來自Web服務器控制儀器的命令字符串。進而啟動儀器工作，完成測試任務。客戶端子系統是嵌入在Web服務器中。當用戶登錄到Web服務器上后，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說明。

2.3 虛擬實驗室的交互過程

開始實驗操作時，遠程用戶通過瀏覽器進入遠程虛擬實驗室系統網站的登錄頁面，如圖2所示。

圖2 遠程虛擬實驗室登陸

當Web服務器接收到來自客戶端的有效CGI(common gateway interface)請求后，從表單中獲取相應的實驗參數，進而向儀器控制服務器提交調用VI的請求。運行于儀器控制服務器上的G Web Server接收到請求后，建立起與客戶端TCP/IP連接，調用相應的VI程序:首先調用串口通信程序，即通過串口向硬件實驗平臺發送控制指令;然后啟動儀器控制VI模塊，使其通過GPIB接口卡調用相關儀器設備，對實驗電路進行測試[9-10]; 最后將實驗測試結果以CGI響應的方式回傳到Web服務器，由Web服務器端的CGI程序刷新客戶端顯示，完成了整個實驗的操作過程。

3 系統設計技術實現

系統的整體設計采用Application Server API結構。Application Server API結構使用LabVIEW編程，以其內置TCP/IP模塊為基礎，構造一個Application Server應用服務器端和一個API用戶終端，由TCP/IP 模塊完成網絡互連，數據通信以及容錯處理。該結構要求API用戶終端將Application Server應用服務器端板卡采集的實驗數據下載到本地終端來分析、計算、顯示以及存儲，除了對網絡帶寬、穩定性有很高的要求之外，對API用戶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驗。主程序框圖結構如圖3所示，客戶端API模塊先向服務端發送用戶信息和實驗請求，經服務端驗證通過，建立TCP 連接;然后服務端接受客戶端實驗參數并在進行實驗儀器初始化;服務端采集實驗數據并通過TCP/IP 協議發送數據包，客戶端接受共享實驗數據。

圖3 遠程實時測量結構圖

下面以周期信號時域特性的測量實驗為例，介紹ApplicationServer API結構LabVIEW編程的實現方法。

用戶首先進入的是一個多媒體仿真界面，實驗采樣數據，同步顯示波形;采集完全部實驗數據，服務器發結束信息，然后斷開網絡聯接，完成實驗。圖4顯示的是客戶端在遠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，將實驗數據以需要的格式保存，進行相應的運算，還可以生成實驗報告，最終完成實驗。

圖4 周期信號時域特性的測量

4 結 語

本文以虛擬儀器為平臺設計了網絡虛擬實驗室系統，通過用戶登陸界面，嵌入一些虛擬實驗儀器設備。實現了利用計算機網絡進行實驗儀器操作的模擬和測量，并在電子科學學院進行了演示，取得了很好的效果。該網絡虛擬實驗室較以往的虛擬實驗室實現了網絡化，達到了資源共享，避免了儀器重復添置和資源浪費，使學生做實驗不再受時間和地點的限制。具有開發周期短，使用效率高，可擴展性強，成本低廉的特點，是解決目前高教擴招帶來的資源緊張問題的一種行之有效的途徑。隨著計算機技術的不斷發展和網絡技術的不斷完善，虛擬實驗室會有更好的應用前景。

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