基于Labview的網絡化虛擬儀器實驗系統開發

蔡鍔+孫林

（長安大學汽車學院 陜西·西安 710064）

摘 要 針對目前高等工科院校實驗教學改革的需求，本文結合虛擬儀器技術和網絡技術，構建了一種基于Labview的網絡化虛擬實驗室系統。系統硬件采用NI公司PXI總線平臺設備，軟件采用客戶端/服務器（C/S）架構，服務器和客戶端之間采用Datasocket技術進行通信。系統的教學實踐表明，硬件設備性能可靠，軟件系統功能靈活。

關鍵詞 網絡化 實驗教學 虛擬儀器 Labview

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.08.015

Development of Network Virtual Instrument

Laboratory System Based on Labview

CAI E， SUN Lin

（School of Automobile， Chang'an University， Xi'an， Shaanxi 710064）

Abstract： To satisfy the reformation requirement of experiment teaching in colleges of engineering， in this paper， a Laboratory System combining the virtual instrument technology with network technology is developed. The PXI platform devices of NI Company are applied in this system. Based on C/S framework， the system software is designed， and the communication between server and client is carried on by the Datasocket technology. Educational practice of the system shows that the devices have the reliable performance， and the software function is flexible.

Keywords： network; experiment teaching; virtual Instrument; labview

0 引言

實驗教學在高等院校本科教學中占有重要地位，它對于培養學生創新能力和提高學生的綜合素質發揮著重要作用。過去實驗教學中存在如下弊端：學生過分依賴教師，實驗中重知識、重驗證，缺乏創新，實驗模式和手段的落后已經成為制約高等學校本科教育改革的重要問題之一。隨著計算機和網絡技術的快速發展，將網絡技術和虛擬儀器技術結合起來，從而構建基于網絡的虛擬實驗系統平臺①②③已經成為實驗教學改革的一個方向，國外一些大學已經建立了諸如化學工程、機械工程等網絡虛擬工程實驗室，相對于傳統實驗教學模式，網絡化虛擬實驗系統主要有如下優點：（1）通過多媒體手段，能顯著提高了實驗教學互動性，將過去相對封閉的教學模式變為開放的教學模式;（2）相對于傳統實驗中實驗場地和時間的諸多限制問題，能夠實現有限實驗資源的高效共享，降低了實驗設備成本;（3）采用模塊化的實驗教學平臺，易于增加實驗項目，進一步降低實驗成本。

1 系統設計

1.1 總體方案

該系統設計基于客戶端/服務器（CS）架構，選用JSP網站開發語言構建系統平臺。采用基于虛擬儀器技術的Labview編程語言，開發多種實驗項目模塊，利用Labview自帶的DataSocket技術實現數據遠程通信。選用Sqlserver數據庫開發數據存儲平臺，完成相關信息及實驗相關數據的存取。本系統通過引入用戶認證和預約機制，實現硬件資源的高效分時共享。該系統框圖如圖1所示，系統主要由核心服務器、本地數據采集儀器、遠程客戶端及數據庫等幾部分組成。

圖1 網絡化虛擬實驗系統系統框圖

圖2 網絡化虛擬實驗系統硬件組成

1.2 硬件設計

網絡化的虛擬實驗室要求系統硬件在無人狀態下仍能長期穩定工作，從而最大限度的利用硬件系統資源，因此本系統硬件選用了NI公司的具有高可靠性和穩定性能的PXI總線架構產品，以一臺高性能計算機作為核心服務器，其硬件結構如圖2所示。系統選用PXIe-1073機箱，它內置了MXIe控制卡，通過MXIe技術和服務器進行連接，這種方案在充分利用高性能計算機的同時，能有效降低了硬件成本。PXI機箱共包含了5個PXI采集卡插槽，本硬件系統包含了PXIe-4492、PXIe-6366以及PXIe-4330三塊采集卡，剩余插槽便于日后的系統擴展。

本系統所采用的數據采集卡說明如下。PXIe-4492是自帶電流激勵的8通道同步數據采集卡，主要完成實驗中振動加速度值、聲音信號的測量。PXIe-6366是多功能通用數據采集卡，主要完成實驗中電壓值、電流值以及數字信號等的測量和輸出。PXIe-4330是8通道可編程電橋輸入采集卡，主要完成應變信號的測量。系統硬件的詳細技術指標如表1所示。從表1可以看出，本系統包含的硬件能夠完成大多數模擬電路、數字電路、傳感器信號處理技術以及材料力學等課程信號采集的需求，當需要進行硬件擴展時，不但能對剩余插槽進行擴展，并且利用PXI總線的級聯特性能夠實現更多PXI機箱以及采集卡通道的擴展。

圖4 網絡虛擬實驗系統功能結構圖

2 軟件設計

網絡化虛擬實驗系統的總體軟件方案如圖3所示。系統采用C/S架構，系統劃分為表現層、領域層和數據層三個層次。分為客戶端和服務器端，客戶端與服務器端通過校園局域網進行連接，它們之間采用Labview自帶的Datasocket網絡技術進行連接和數據交換。其中，實驗預約管理以及仿真和實時測量實驗的數據處理和訪問集中在客戶端中，而硬件設備的核心控制和實驗數據保存集中在服務器端，這種架構能充分利用客戶端和服務器端的PC處理能力。

根據系統的功能需求分析，軟件系統以數據庫為核心，整個軟件系統可劃分為五個功能模塊：用戶注冊和管理模塊、實驗教學管理模塊、遠程實驗模塊、遠程實驗預約和數據庫管理模塊。細化各模塊的功能，構建系統的功能結構如圖4所示。用戶注冊和管理模塊實現系統用戶的管理和維護，即完成添加、修改、刪除用戶等基本操作。其中用戶設置模塊可以設置用戶的類型和權限，該模塊只有系統管理員有使用權限。

（a）系統硬件實物圖

（b）信號處理技術模塊網頁發布圖

圖5 網絡虛擬實驗系統應用

遠程實驗模塊包含仿真實驗和實時測量兩部分，其中仿真實驗部分提供給學生進行實驗前熟悉實驗儀器和熟悉實驗步驟。實時測量部分通過認證客戶端的請求，利用Datasocket技術控制硬件進行數據實時本地采集，所采集數據存儲在本地服務器中，并通過Labview的網頁發布技術進行客戶端的數據顯示。根據系統采用的硬件，本軟件系統共設置了模擬電子、數字電子、測試技術、信號處理技術及材料力學等實驗課程的相關測量實驗。

學生完成網上虛擬實驗時，首先通過遠程預約模塊進行預約模擬仿真實驗，然后通過用戶注冊和認證后，進行模擬仿真實驗，利用Labview強大的人機交互能力，本模塊根據不同的實驗需求設計了多種虛擬儀器界面，如針對模擬電子實驗，設計了模擬信號發生器、示波器，典型運算放大電路，典型晶體管放大電路等。針對信號處理技術實驗，設計了任意波形發生器、典型濾波模塊、功率譜分析模塊等。在模擬仿真實驗環節中，學生通過了解實驗內容，可以熟悉具體的實驗步驟，并在預習通過的基礎上，在約定時間內完成實時操作實驗。

本系統的實時測量模塊由本地服務器進行控制，通過Labview的Datasocket技術，實現服務器端和客戶端之間的數據交換，接受客戶端的采集請求，從而控制本地數據采集設備進行工作，所采集數據存儲在本地服務器的數據庫中。當接收到客戶端的數據讀取要求時，通過Labview的網頁發布功能，由服務器進行網頁發布，實現采集數據的回放顯示。本系統還設置了實驗教學輔助管理模塊。實驗完成后，由學生通過實驗報告提交模塊完成實驗報告的上傳，教師評閱后給出實驗成績，并且學生通過實驗成績查詢模塊可進行成績查詢。

3 系統應用

本系統的數據采集設備的實物照片如圖5所示，圖5（a）為硬件實物圖，包含了PXIe-1073機箱和PXIe-4492采集卡以及相應的接線BNC端子。圖5（b）為信號處理技術模塊中的信號分析功能面的網頁發布界面，學生利用該界面，通過和服務器端數據庫進行交互通信，不但能實現采集數據的查詢和回放功能，而且能實現采集數據的時域指標計算、頻譜分析，1/3倍頻程分析等常見信號分析處理功能。

4 結論

本文通過構建基于labview的網絡化虛擬實驗系統，不但降低了實驗教學相關設備的購置費用，而且能顯著提高了實驗課的教學水平和質量。初步的教學實踐表明，系統硬件設備工作穩定可靠，軟件功能靈活、易于擴展，學生的實驗課學習積極性和效率都得到了顯著的提高。

注釋

① 王亞麗，黃勇堅.LabVIEW在電子線路實驗教學中的應用.電子技術，2010.10：69-71.

② 戴一平.LabVIEW平臺在教育技術學科實驗教學中的應用分析.現代教育技術，2012.8：113-117.

③ 戴成梅，戴成建.基于LabVIEW的電工電子網絡虛擬實驗室研究與開發.實驗室研究與探索，2011.2：74-79.