基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建研究

韓云東 苑志江 高明月 王驍 郎豐旺

摘? 要 針對(duì)航海實(shí)驗(yàn)室存在的航海裝備數(shù)量和規(guī)模都難以滿足教學(xué)需要的現(xiàn)狀，充分利用虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室。從實(shí)驗(yàn)室功能設(shè)計(jì)、構(gòu)建模式對(duì)實(shí)驗(yàn)室功能設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，進(jìn)而對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成、工作流程展開討論，最后通過(guò)虛擬回聲測(cè)深儀實(shí)驗(yàn)實(shí)例，對(duì)網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行具體介紹。

關(guān)鍵詞 虛擬實(shí)驗(yàn)室;虛擬儀器;LabVIEW;航海儀器

中圖分類號(hào)：G482? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）04-0013-03

Navigation Instrument Network Laboratory based on Virtual Instrument//Han Yundong， YUAN Zhijiang， GAO Mingyue， WANG Xiao， LANG Fengwang

Abstract In view of the current situation that the number and scale of

the navigation equipment in the navigation laboratory are difficult to

meet the needs of teaching， the virtual instrument technology and network technology are fully used to build a network navigation instrument laboratory based on virtual instrument. This paper expounds the function design of the laboratory from the function design and construction mode of the laboratory， and then discusses the realization of the virtual laboratory from the composition and workflow. Finally， it introduces the navigation instrument network laboratory based on virtual instrument through the example of virtual

echo sounder experiment.

Key words virtual laboratory; virtual instrument; LabVIEW; navi-gation instrument

0 引言

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)和儀器技術(shù)兩種技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，完全繼承了傳統(tǒng)儀器的所有優(yōu)點(diǎn)，更超越了傳統(tǒng)儀器。虛擬儀器就是在計(jì)算機(jī)上增加相應(yīng)的硬件和軟件，把計(jì)算機(jī)的處理器、存儲(chǔ)器、顯示器和儀器的模數(shù)變換器、數(shù)模變換器、數(shù)字輸入輸出等結(jié)合到一起，充分利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量計(jì)算和存儲(chǔ)，具有很強(qiáng)的靈活性和可塑性，在很多工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在院校的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中也發(fā)揮著重要作用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多應(yīng)用從單機(jī)版程序轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。尤其在院校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)過(guò)程中，將虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)相結(jié)合，極大地提升了虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，從而使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室成功地進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)室階段。

1 網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室的需求分析

航海儀器實(shí)驗(yàn)教學(xué)在航海專業(yè)課教學(xué)中占有十分重要的地位，通過(guò)航海儀器實(shí)驗(yàn)可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣，提高發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。但是近年來(lái)學(xué)員數(shù)量不斷增加，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室航海儀器裝備數(shù)量和規(guī)模都難以滿足需要。因此，航海儀器實(shí)驗(yàn)室常常只能應(yīng)付學(xué)員做一些最簡(jiǎn)單的示教性實(shí)驗(yàn)，學(xué)員很少有機(jī)會(huì)去反復(fù)操作裝備，更少有機(jī)會(huì)去做設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，難以有效提升實(shí)踐動(dòng)手能力和培養(yǎng)創(chuàng)新精神。另外，專業(yè)實(shí)驗(yàn)室一般僅對(duì)本專業(yè)的學(xué)員開放，不同專業(yè)之間的交流很少，不利于學(xué)員知識(shí)面的擴(kuò)展。

基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革，為解決航海專業(yè)設(shè)備短缺的現(xiàn)狀提供了有效解決辦法。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室能夠突破傳統(tǒng)模式的局限性，促使實(shí)驗(yàn)教學(xué)由實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)向虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展，從根本上解決了航海儀器裝備數(shù)量難以滿足實(shí)際需求的問(wèn)題。

2 網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)

在LabVIEW平臺(tái)上開發(fā)相應(yīng)的虛擬航海儀器，再利用LabVIEW自帶的網(wǎng)絡(luò)功能，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)頁(yè)上發(fā)布虛擬航海儀器，用戶可以在網(wǎng)絡(luò)客戶端進(jìn)行航海儀器實(shí)驗(yàn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)也可進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集[4]。

實(shí)驗(yàn)室功能設(shè)計(jì)? 基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室，可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需求，利用不同的虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同功能型的虛擬實(shí)驗(yàn)室：一類是軟件共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，即不涉及具體實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備，只是利用軟件來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程;另一類是裝備共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，該類實(shí)驗(yàn)室利用LabVIEW開發(fā)多個(gè)航海裝備模擬器，通過(guò)在客戶端操作模擬器將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳遞給實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回服務(wù)器端，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)返回用戶端。通過(guò)虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)建基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室，可以有效解決航海專業(yè)設(shè)備難以滿足專業(yè)學(xué)員實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。

C/S模式（客戶/服務(wù)器模式）? C/S（Client/Server）

模式是網(wǎng)絡(luò)通信中常用的一種模型，如圖1所示。該模式由多個(gè)客戶端（即實(shí)驗(yàn)室終端）來(lái)采集測(cè)深儀等航海裝備的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用一個(gè)服務(wù)器來(lái)充當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)的角色，客戶端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)寫入服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)，其軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面：一是終端采集程序，二是遠(yuǎn)程發(fā)布的程序，三是終端數(shù)據(jù)的接收程序。在LabVIEW平臺(tái)下，專門為測(cè)試數(shù)據(jù)安全快速的傳輸設(shè)置了DSTP協(xié)議。

B/S模式（瀏覽器/服務(wù)器模式）? B/S（Browser/Web Server）的體系結(jié)構(gòu)是對(duì)C/S結(jié)構(gòu)的延伸，是為了方便用戶在網(wǎng)絡(luò)客戶端發(fā)布數(shù)據(jù)，客戶端只需在本機(jī)上安裝，通用瀏覽器、IP地址直接訪問(wèn)該服務(wù)器端軟件，就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視客戶端的數(shù)據(jù)變化。其特點(diǎn)是需要在服務(wù)器端完成程序開發(fā)，不需要在客戶端進(jìn)行程序的開發(fā)和維護(hù)。B/S組網(wǎng)模式如圖2所示。B/S模式結(jié)構(gòu)在虛擬Internet上主要實(shí)現(xiàn)WWW服務(wù)、FTP服務(wù)、SMTP服務(wù)。

3 網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成? 基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室采用B/S模式，由客戶端、網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器端、應(yīng)用服務(wù)器端、DAQ設(shè)備、實(shí)際裝備和數(shù)據(jù)庫(kù)六部分組成，如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)生產(chǎn)包含實(shí)驗(yàn)?zāi)M器的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理;網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器是根據(jù)客戶端的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，生成動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)并提供開放式交互實(shí)驗(yàn)環(huán)境;應(yīng)用服務(wù)器則是對(duì)虛擬航海儀器進(jìn)行控制和管理，并實(shí)時(shí)采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室工作流程? 客戶端通過(guò)TCP/IP協(xié)議訪問(wèn)Web服務(wù)器，獲得實(shí)驗(yàn)原理的多媒體演示以及各種實(shí)驗(yàn)儀器的圖形化用戶界面（GUI），通過(guò)GUI向Web服務(wù)器發(fā)出遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的各種請(qǐng)求;Web服務(wù)器實(shí)時(shí)分析收到的請(qǐng)求，合理地分配硬件資源，并將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器;遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器上配備LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)和相關(guān)的GPIB/PXI數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理硬件，開始實(shí)時(shí)采集航海裝備的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信號(hào)載入服務(wù)器中建立的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中信號(hào)的分析處理，最后將結(jié)果通過(guò)Web服務(wù)器發(fā)送回不同的客戶端，以數(shù)值、曲線、表格、圖像和報(bào)告等形式呈現(xiàn)給用戶，完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

虛擬回聲測(cè)深儀實(shí)驗(yàn)? 以網(wǎng)絡(luò)化工程實(shí)驗(yàn)室中的遠(yuǎn)程虛擬回聲測(cè)深儀實(shí)驗(yàn)為例，在該實(shí)驗(yàn)中，以回聲測(cè)深儀的測(cè)深原理為基礎(chǔ)，在NI公司的數(shù)據(jù)采集卡的基礎(chǔ)上，利用LabVIEW編程語(yǔ)言構(gòu)建虛擬回聲測(cè)深儀所需要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、深度解算系統(tǒng)、深度顯示系統(tǒng)、深度數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)和危險(xiǎn)深度報(bào)警系統(tǒng)，并對(duì)存在誤差進(jìn)行分析補(bǔ)償，這些共同構(gòu)成虛擬回聲測(cè)深儀。虛擬儀器系統(tǒng)硬件以PCI6014卡和實(shí)驗(yàn)面包板為基礎(chǔ)構(gòu)建，軟件采用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)，能夠模擬實(shí)現(xiàn)測(cè)深儀的全部功能，并增加了保存、讀取歷史數(shù)據(jù)功能。

虛擬回聲測(cè)深儀的界面主要構(gòu)成包括模擬回聲測(cè)深儀信號(hào)發(fā)生器、初始值設(shè)置部分、顯示部分、STOP按鍵，如圖4所示。其中，模擬回聲測(cè)深儀信號(hào)發(fā)生器包括深度、海區(qū)、月份、底質(zhì)、頻率、幅值的選擇;初始值設(shè)置部分包括相對(duì)應(yīng)的海區(qū)、月份、工作狀態(tài)以及危險(xiǎn)深度的選擇設(shè)置;顯示部分包括深度數(shù)字顯示、深度Chart實(shí)時(shí)顯示、回波信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、深度圓盤顯示及相對(duì)應(yīng)的量程轉(zhuǎn)換和量程展開以及深度保存。

4 結(jié)論

通過(guò)構(gòu)建基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室，可以構(gòu)成一個(gè)跨時(shí)空、跨學(xué)科、跨平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)航海裝備、實(shí)驗(yàn)儀器的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)共享，在有限的實(shí)驗(yàn)裝備資源條件下為學(xué)員提供充分的航海專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程?；谔摂M儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實(shí)驗(yàn)室具有開發(fā)周期短、可擴(kuò)展性強(qiáng)、使用效率高等優(yōu)點(diǎn)，是解決專業(yè)實(shí)驗(yàn)室裝備資源緊張問(wèn)題的有效途徑。因此，網(wǎng)絡(luò)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)、教育和培訓(xùn)中具有良好的應(yīng)用前景。■

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