基于LabVIEW的遠程虛擬實驗室建設與應用

袁小平, 金 鵬, 蔣 碩, 劉雨冬

(中國礦業大學 信息與電氣工程學院, 江蘇 徐州 221008)

虛擬仿真技術探索與實踐

基于LabVIEW的遠程虛擬實驗室建設與應用

袁小平, 金 鵬, 蔣 碩, 劉雨冬

(中國礦業大學 信息與電氣工程學院, 江蘇 徐州 221008)

構建了基于LabVIEW環境的遠程虛擬實驗室,該虛擬實驗室由被測系統、硬件平臺和軟件平臺3部分構成。平臺應用了C/S架構,教師可以通過服務器端規劃以及管理課程實驗,而學生則可以通過客戶端登錄實驗平臺操作遠程實驗設備完成實驗,同時還可以通過網絡攝像頭來觀察實驗過程和實驗現象。結合模擬電子技術中運算放大類實驗來闡述虛擬實驗室在模擬電子技術實驗中的應用。

遠程虛擬實驗室； LabVIEW； C/S架構； 實驗教學

實驗教學是提升學生實踐素質的一個重要途徑,在普通高等教學中占有重要的地位。隨著通信技術、物聯網技術以及虛擬儀器儀表技術的發展,虛擬遠程實驗室應運而生。

遠程虛擬實驗是傳統教學實驗的有益補充。一方面,它能節省大量教育經費；另一方面,它也使實驗室在時間和空間上得到有效的延伸和利用。目前很多高校和科研單位已將基于LabVIEW的虛擬實驗平臺用于教學和科研[1]。虛擬實驗平臺的優勢在于可兼容多學科實驗,可設計特定實驗平臺用于實驗,而且便于維護升級、節省人力和財力?；贚abVIEW的虛擬遠程實驗是實驗教學改革的一個新的發展趨勢,具有重要的現實意義和應用價值[2]。

1 遠程虛擬實驗室系統的組成

構建虛擬實驗室的核心思想是充分利用信息資源和現代網絡媒體技術,實現傳統實驗教學的網絡化、遠程化和高效率。虛擬實驗平臺結構如圖1所示。

圖1 虛擬實驗平臺結構圖

虛擬實驗室由被測系統、硬件平臺和軟件平臺3個主要部分構成。被測系統是根據不同實驗而搭建的實驗電路；硬件平臺是虛擬實驗平臺的基礎；軟件平臺是虛擬實驗平臺的核心[3]。

硬件平臺由通用計算機和信號采集設備構建。筆記本電腦、臺式機或者工作站等均可以用來作為通用計算機；信號采集設備可以選擇VXI系統、PXI系統、GPIB系統、串口系統以及數據采集卡(例如DAQ系統)等。軟件平臺分為操作系統層、儀器驅動層以及應用軟件層。操作系統可以是Windows系統、Linux系統等常用系統；儀器驅動軟件是控制各種硬件設備接口的驅動程序的集合,它建立在I/O接口操作軟件的基礎上,是連接應用軟件和外圍硬件模塊的關鍵；應用軟件包括設備廠商設計好的用于信號采集和顯示的儀器儀表程序以及用戶自己設計的虛擬面板程序[4]。

整個虛擬實驗室系統采用C/S架構,加強實驗教學中師生的溝通,并利用遠程通信技術實現實驗的遠程操作、遠程觀測、遠程理論指導等教學互動。

2 遠程虛擬實驗室的構建

遠程虛擬實驗室分3部分構建。

一是硬件平臺。它是完成實驗的基礎,借助計算機強大的運算能力來完成數據的采集與分析處理。針對不同類別的虛擬實驗平臺,硬件平臺可以根據實際采用不同的硬件實現方案。

二是被測系統。被測系統的搭建與傳統實驗搭建方法基本相同,都是根據實驗需求設計并連接實驗電路。

三是軟件平臺。用戶可以借助軟件平臺,使用自己所需的虛擬儀器儀表或開發新的虛擬實驗面板,它是搭建虛擬實驗室的關鍵。

本虛擬實驗室的硬件平臺采用基于Windows系統下的數據采集卡(DAQ)系統,它處理速度快、集成度高,適合于遠程虛擬實驗教學。因為被測系統需要根據不同實驗原理、不同用戶的需求而設計，所以軟件平臺的設計成為虛擬遠程實驗室構建的核心。本文構建的虛擬實驗室軟件教學平臺是采用LabVIEW開發的,分為服務器端(Server)和客戶端(Client)。該軟件平臺的架構如圖2所示。

圖2 軟件平臺的架構

2.1 待測系統的搭建

與傳統的實驗教學類似,在進行課程實驗之前,需按照實驗目的、實驗原理等搭建實驗電路。本文實驗電路搭建于教學實驗室虛擬儀器套件NI ELVIS之上。該套件可用于創新設計及原理驗證類實驗,其功能強大,集成了數字萬用表、函數發生器、示波器等12款常用實驗儀器儀表,其緊湊的結構是實驗室及課堂教學的理想選擇[5]。圖3是根據實驗要求搭建的一系列典型實驗電路,包括單橋、半橋、全橋電路對比驗證實驗，熱敏電阻測量溫度實驗，熱電偶測量溫度實驗和三軸加速度傳感器實驗等。

圖3 典型實驗電路

2.2 服務器端構建

服務器端是構建虛擬實驗室的關鍵。服務器端主要完成的工作包括對硬件驅動的支持、數據采集和分析處理、排隊系統的管理與維護、實驗列表的安排與管理，以及實時視頻信息的傳輸。所有的實驗程序都是在服務器端運行的,然后通過TCP/IP協議將程序的控件值量化后發布到特定的局域網或者公網內。Server端程序運行后會主動監聽來自Client端的任務指令,實現實驗任務請求、實驗參數配置等相關操作[6]。

在服務器端,管理教師可以查看實驗隊列中等待的用戶和所開放的實驗內容列表。在該架構中,管理教師具有高度的權限,可以分時段賦予不同班級學生訪問服務器的權限,這樣可以減少學生的排隊時間,高效利用虛擬實驗平臺。因此,管理教師在根據課程實驗要求搭建實驗所需的實驗硬件電路后，需開啟服務器端,只有服務器端先運行起來,學生才能通過遠程客戶端發送請求進行相應實驗。

2.3 客戶端構建

客戶端是虛擬實驗室的主體,服務器端的虛擬面板是針對實驗教師設計的,而客戶端的虛擬面板是根據學生需要而設計的?？蛻舳怂柰瓿傻娜蝿站褪怯脩粜畔⒌牟杉?、UI管理和數據的回傳讀取、實驗界面顯示等。當然，客戶端也可對實驗進行一些簡單的遠程操作,以改變實驗輸入變量的值[7]。在這些過程中,所有的信息將會以控件的形式顯示在前面板上,只通過LabVIEW而不需要其他的驅動支持,就可以進行遠程訪問和實驗,大大簡化了客戶端的設計。

本文中列舉的客戶端分為3個主要的部分,即登錄界面、實驗隊列顯示界面以及實驗界面。登錄界面和實驗隊列顯示界面主要用于協助實驗教師完成教學工作,學生通過授權的學號登錄虛擬實驗平臺進行實驗,系統會記錄學生的身份信息、實驗時長以及實驗完成情況，并給予實驗成績評定[8]。登錄管理VI界面如圖4所示,該VI中使用了大量的表格和簇來完成信息的存儲。

圖4 用戶登錄VI界面

為了使實驗者在遠程實驗中具有身臨其境的體驗,在設計客戶端實驗面板時,將實驗原理圖、被測系統的實物連線圖顯示在客戶端。此外,學生還可以利用遠程攝像設備實時觀察實驗現象,使遠程實驗者可以真實地觀察到實驗進展和實驗現象。這種客戶端的引入，既避免了傳統的純虛擬實驗或計算機類仿真實驗過程過于理論化、受限于理想模型、缺乏真實實驗氛圍等缺陷,又為實現異地遠程化的實驗教學提供了有效的實現手段[9]?？蛻舳说膶嶒灲缑嫒鐖D5所示。

圖5 客戶端實驗界面

3 模擬電子技術的遠程虛擬實驗

模擬電子技術是電子信息類及其相關專業必修的基礎課程。模擬電子技術實驗既可以加強學生對理論知識的理解,又能夠培養學生的實踐創新能力,在眾多實驗課程中占據重要地位。

在傳統實驗教學中,儀器的功能單一。基礎模擬電子技術實驗需要函數發生器、示波器、萬用表等多種儀器設備,而且實驗電路接線繁瑣,影響了實驗室的使用效率。與傳統儀器不同的是:遠程虛擬實驗室具有集成度高、虛擬儀表豐富、虛擬儀器(VI)種類齊全等特點,可以很好地彌補傳統實驗室模擬電子技術類實驗的不足之處[10]。筆者結合模擬電子技術中常見的運算放大類實驗，闡述虛擬實驗室在模擬電子技術實驗中的應用。

3.1 實驗目的

了解單橋、半橋、全橋電路工作原理,它們的特點以及相互之間的關系。

3.2 實驗內容

在系統中,由于采集到的信號很微弱,因此有必要對采集的信號進行調理放大。

本實驗的內容就是在同一輸入信號的基礎上,用調理電路對惠斯通電橋進行調零并放大,觀察各電橋的輸出、分析其關系。實驗中使用的單橋、半橋、全橋電路如圖6—圖8所示[11-12]。

圖6 單橋調理電路

圖7 半橋調理電路

圖8 全橋調理電路

3.3 實驗過程

(1) 在開發平臺上按電橋調理電路搭建被測系統,輸入信號來自NI ELVIS的函數發生器,輸出信號接至NI ELVIS的虛擬示波器信號輸入口。

(2) 在LabVIEW平臺上根據實驗需求設計前面板以及程序設計框圖,其中程序設計框圖如圖9所示。

(3) 完成該VI,計算出半橋與單橋輸出的比值、全橋與單橋輸出的比值,比較單橋、半橋和全橋的輸出關系。

圖9 實驗程序框圖

3.4 實驗結果

在單橋、半橋與全橋電路中均使用了滑動變阻器作為橋臂,用于補償由于阻值誤差導致的電橋初始偏移。電橋的輸出經過差分放大電路進行100倍的放大,將毫伏級別的差分輸出放大至伏特級別,提高測量的靈敏度。

根據VI前面板顯示的實驗數據可知:半橋電路的輸出大約為單橋電路的2倍,而全橋電路的輸出大約為單橋電路的4倍。

4 結語

遠程虛擬實驗室是以計算機硬件為基礎,使用特定的軟件工具構建的虛擬實驗環境。實驗中調用了一系列虛擬儀器(VI)來模擬和再現真實的實驗環境、實驗設備和實驗過程。

通過近幾年來的實踐,中國礦業大學在模擬電子技術、數字電子技術等課程開放性實驗教學活動中，建立了基于LabVIEW的遠程虛擬實驗平臺,為實驗室開放、創新性實驗教學和研究提供了有力的支撐,教學效果顯著。

虛擬遠程實驗室的設計思想旨在“虛擬指導現實,形象表現抽象”,使實驗對象能不受傳統實驗條件的限制,通過一個具有豐富信息的交互式界面平臺來實時獲取實驗數據和實驗現象,以輔助完成實驗。虛擬實驗室必將廣泛應用于各學科的教學實驗中。

References)

[1] National Instruments.LabVIEW user manual[M].Texas:National Instruments,2003:2-46.

[2] 李玲,王非.基于網絡的虛擬現實技術在高校實驗教學中的應用[J].實驗科學與技術,2014,12(3):37-39,46.

[3] 劉民岷,楊平,吳浩文.高校虛擬實驗平臺的設計及實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(3):386-389.

[4] 詹惠琴,古軍.基于虛擬儀器:一種全新概念的儀器[J].電子制作,2008(4):6-10.

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[6] 李云云.淺析B/S和C/S體系結構[J].科學之友,2011(1):6-8.

[7] 劉其和,李云明.LabVIEW虛擬儀器程序設計和應用[M].北京:化學工業出版社,2011:2-20.

[8] 陳忠霞,常龍,黃云前,等.基于LabVIEW的高校實驗信息管理系統[J].微型機與應用,2016,35(8):76-78.

[9] 朱文忠.基于Web的虛擬實驗室的設計與實現[D].重慶:重慶大學,2007.

[10] 李淑明,姜玉亭,李曉冬,等.LabView在模擬電子技術實驗中的應用[J].大眾科技,2015(9):154-155,199.

[11] 康華光.電子技術基礎:模擬部分 [M].6版.北京:高等教育出版社,2013..

[12] 李淑明.模擬電子技術實驗·設計·仿真[M].成都:電子科技大學出版社,2010.

Construction and application of remote virtual laboratory based on LabVIEW

Yuan Xiaoping, Jin Peng, Jiang Shuo, Liu Yudong

(School of Information and Electrical Engineering ,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

A remote virtual laboratory based on LabVIEW environment is constructed, which is composed of monitored system, hardware platform and software platform. This platform applies the C/S architecture, teachers can arrange and manage curriculum experiment through the server, and students can complete experiment by using client system to operate the remote experiment equipment. At the same time, students can also observe the experiment process and experimental phenomena with the network camera. The application of virtual laboratory in the analog electronic technology experiment is described.

remote virtual laboratory; LabVIEW; C/S framework; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.028

2016-08-10

江蘇高校品牌專業建設工程項目(TAPP)資助；中國礦業大學教學成果培育項目“面向卓越工程師創新能力培養的電子技術系列實踐課程改革”

袁小平(1966—),男,江蘇揚州,博士,教授,國家級電工電子實驗教學示范中心主任,主要研究方向為電子系統設計、物聯網技術、智能儀表與故障診斷.

E-mail：xpyuankd@163.com

TP393.09; G642.423

: A

: 1002-4956(2016)12-0114-04