基于虚拟仪器的网络虚拟实验室构建.docx

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1、基于虚拟仪器的网络虚拟实验室构建lvjing导语：将虚拟仪器技术推向网络应用，更能发挥其“软件就是仪器的优势，更有助于形成分布式的网络测量体系应用领域：院校挑战：构建基于Internet的分布式网络虚拟实验室体系，实现实验数据和实验设备的远程分享。应用方案：使用NI公司LabVIEW、IMAQVision等软件配合ELVIS、IMAQ-1422、PXI-1000B、PXI-6070E、PXI-5102、SCXI-1000、SCXI-1320、SCXI-1125等系列硬件，构建基于Interntet的分布式网络虚拟实验室体系，实现实验数据和实验仪器远程分享，为高等院校学员提供专业实验教学平台，解

2、决高教扩招带来的教学资源紧张问题。使用产品：LabVIEW6.1FDS、IMAQVision、ELVIS、IMAQ-1422、PXI-1000B、PXI-8176、PXI-6070E、PXI-6071E、PXI-5102、PXI-2501、PXI-7344、SCXI-1000、SCXI-1320、SCXI-1125介绍将虚拟仪器技术推向网络应用，更能发挥其软件就是仪器的优势，更有助于形成分布式的网络测量体系，实现数据和仪器的远程分享，进而为实验教学和远程测控效劳。本网络虚拟实验室的使用BSDA构造，由客户端、Web效劳器、应用效劳器和实验设备四个模块组成。具备开发周期短，本钱低的特点，同时又具

3、有很强的兼容性和扩展性，可以大大进步仪器的使用效率，防止不必要的重复投资，非常适用于高等院校实验教学和科研，具有特别广阔的应用前景。Abstract:VirtualInstrumentTechnologybeingappliedtonetworkconstructioncandevelopitspreponderance-TheSoftwareistheInstrumentandhelptoformdistributednetworkmeasuringsystemtoaccomplishdataandinstrumentssharingforexperimentteachinglearning

4、ordistanttestcontrol.ThisNetworkVirtualLabpresentsaBSDAconstructionincludingclient,Webserver,applicationserverandexperimentinstrumentsfourmodules.Itcharacterizesshortdevelopmentcycleandlowcosttogetherwithcompatibilityandexpansibility,whichcanenhancetheutilizationefficiencyofinstrumentsandavoidunnece

5、ssaryrepetitiveinvestments.DistributedNetworkVirtualLabfitstheexperimentteachinglearningandresearchincollegesanduniversitiesandownsitsextensiveapplicationprospect.1.引言网络虚拟实验室是一个无墙的中心，通过计算机网络系统，研究人员或者学生将不受时空的限制，随时随地与同行协作，分享仪器设备，分享数据和计算资源，得到老师的远程指导和与同行互相研讨。由于通过网络虚拟实验室可以实现跨时空跨学科的仪器设备远程分享，甚至远程控制，知足科研教学对

6、分布式实验系统的要求，同时解决棘手的教学资源紧张问题，国外的很多科研院所也已经进展了相关的有益尝试。如Carnegie-MellonUniversity的卡内基梅隆虚拟实验室CarnegieMellonsVirtualLab，JohnsHopkinsUniversity的虚拟工程与科学实验室AVirtualEngineering/ScienceLaboratory，和TheUniversityofTennesseeatChattanooga的网上工程实验室EngineeringLaboratoriesontheWeb是其中的比拟成功的范例。网络虚拟实验室大多使用的是CS客户端效劳端构造，按其实

7、现功能根本可分为三类：软件分享网络虚拟实验室。其特点为，效劳端分享本地的虚拟实验室模拟软件平台，承受客户端发送的实验恳求，分析和处理实验参数，经过计算模拟最终将结果返回客户端。整个系统不涉及详细的实验仪器硬件设备，只是利用软件模拟实验的经过；仪器分享网络虚拟实验室。效劳端同样承受客户端的实验恳求和实验参数，使用实验参数配置与之连接的实验仪器硬件设备，由实验仪器硬件设备进展实验，并将实验结果返回效劳端，最后返回到用户端，实现实验仪器的分享，实验数据的分享。远程控制网络虚拟实验室。与仪器分享网络虚拟实验室最大的区别在于除了实验仪器实验数据的分享之外，其还要实现客户端对实验仪器设备的远程控制。2.网

8、络虚拟实验室实现原理网络虚拟实验室的构建多使用BSDABrowser/Server/DatabaseApplication构造，即客户端效劳器数据库应用程序构造，其原理如图1所示。典型的网络虚拟实验室由客户端、网页效劳器端、应用效劳器端和实验仪器设备四局部组成。网页效劳器主要作用是提供Web接入效劳、用户认证管理、开放式交互实验环境和动态网页的生成；应用效劳器主要作用是控制和管理实验仪器、收集和处理实验数据；数据库的主要作用那么是配合用户帐户的管理、动态网页的生成和实验数据的存储和管理。3.网络虚拟实验室的构成本网络虚拟实验室，主要由模拟仿真和实时测量两个局部组成，如图2所示。模拟仿真局部，主

9、要完成验证型、原理演示型实验，使用LabVIEW自带的网页发布功能，直接在Web效劳器端生成嵌入实验平台的WWW网页，用户只需使用网页阅读器即可通过Internet访问网络虚拟实验室，进展实验。实时测量局部，主要完成仪器分享型、远程控制型实验，有一个多媒体辅助模块，是对实际实验平台界面的虚拟呈现，让学生在进入实时测量模块之前来操作，用来检验学生的预习程度，让学生预先解析实验内容，熟悉详细的实验步骤；另一个是实时测量模块，它是实时测量局部的核心，负责本地实验数据的收集，并按远程用户的操作要求进展分析、存储和显示，可使用LabVIEW的网页发布功能来实现，可以使用基于LabVIEW编程的Appli

10、cationServer模块与客户端API模块来实现网络互连，数据通信，完成远程实验。4.网络虚拟实验室的硬件构造我们使用的是以NI-PXI架为核心的硬件体系，并以一台DellPowerEdge4600为Web效劳器，如图3所示。DellPowerEdge4600为Web效劳器装备了2个IntelXeon2.8GHz处理器，2GBECCDDRRAM，336GBSCSIRAID冗余磁盘阵列，和BroadcomGigabitNIC千兆网卡，充分知足多线程、大流量、高带宽的使用要求。ApplicationServer使用的是一台PXI-1000B机箱，嵌入了PXI-8176控制器，和PXI-6070

11、E，PXI-6071E多功能数据收集卡，用来实现高速的数模转换、数模输入输出和数据收集；PXI-5102高性能示波器卡来完成信号的发生，提供稳定可靠的信号源；PXI-2501矩阵模块用来实现不同测量元器件之间的自动切换，以知足远程用户不同的测量要求，实现测量的多样性；PXI-1422图像收集卡用来完成PCB板、IC芯片的图像提取，知足电路检查、IC设计的需要；PXI-7344运动控制卡用来实现电机的参数提取，状态跟踪等。一台SCXI-1000机箱，嵌入了SCXI-1320和SCXI-1125信号调理模块，用来对微电子系统，微电流电压信号的放大、降噪、滤波，保持整个体系的高准确度。一台最新的NI

12、-ELVIS用于实验模型的建立，搭建实验电路，构建小型的电子电路系统，实现电子电路实验的远程分享。5.系统设计技术实现5.1模拟仿真局部模拟仿真局部，我们以LabVIEW内置的网页发布功能为根底，通过设计网页，并使用MicrosoftIIS5.0发布功能，直接在效劳器端生成嵌入实验平台的WWW网页，用户只需使用网页阅读器进入我们的站点，即可通过Internet进展实验，其原理如图4所示。LabVIEW内置的RemotePanelConnectionManager用来对用户的使用情况进展监控与调度，NIWebServer按照远端实验操作者制定的实验数据，分析、计算数据最后显示实验曲线和实验结果，

13、并将实验结果嵌入生成的网页中，用户只需使用阅读器即可实时显示实验数据和实验曲线，和完成报告生成等后续工作。5.2实时测量局部实时测量局部，我们使用了两种实现方案，用来知足不同情况下用户对远程实验的要求：一种是BrowserNIWebServer构造，另一种是ApplicationServerAPI构造。使用PXI-1000B机箱和嵌入的PXI板卡来作为NIWebServer与ApplicationServer。BrowserNIWebServer构造是在模拟仿真实现的根底上，在NIWebServer上连接相应的DAQ、SCXI硬件，其再与实际的实验仪器连接，用来实现远程客户端与实验仪器的数据通

14、信，完成实验仪器的远程分享，其原理如图5所示。该构造适用于瘦客户体系，客户端无需计算分析数据，只需安装因特网阅读器接收效劳端传输的数据流，即可进展实验，方便简单，效率高，但是对效劳器的运算才能、带宽和多线程状态下的稳定性等指标要求比拟高；同时由于每一时刻只允许一位用户掌握控制权，所以比拟适用于远程控制型实验。ApplicationServerAPI构造使用LabVIEW编程，以其内置TCP/IP模块为根底，构造一个ApplicationServer应用效劳器端和一个API用户终端，由TCP/IP模块完成网络互连，数据通信和容错处理。ApplicationServer用来收集传输实验数据，管理用

15、户，记录用户使用情况；而API用户终端那么提供操作者GUI界面，实现数据的获取、分析运算和显示存储等，其原理如图6所示。该构造要求API用户终端将ApplicationServer应用效劳器端板卡收集的实验数据下载到本地终端来分析、计算、显示和存储，除了对网络带宽、稳定性有很高的要求之外，对API用户终端的计算机性能也有很高的要求，适用于远程软件分享和仪器分享型实验，可以实现多用户播送式分享实验数据。下面以半导体晶体管直流特性测试实验为例，介绍ApplicationServerAPI构造LabVIEW编程的实现方法。用户首先进入的是一个多媒体仿真界面，用来检验预习状况，并熟悉实际的仪器操作。如

16、图7所示，借助一套实际仪器的图形面板，我们使用LabVIEW模拟了晶体管直流特性测试曲线，用户使用旋钮和各种开关，可以像操作实际仪器一般，解析实验的详细内容和步骤。完成模拟之后，可以按下进入测量按钮，进入实时测量面板，如图8所示。面板上方的工具栏是相关的形式选择、参数设置和数据存储等操作，中央的是实验曲线的显示界面。主程序框图构造如图9所示，客户端API模块先向效劳端发送用户信息和实验恳求，经效劳端验证通过，建立TCP连接；效劳端然后承受客户端实验参数并在进展实验仪器初始化；效劳端收集实验数据并通过TCP/IP协议发送数据包，客户端承受实验采样数据，并按一定数据格式插入测量数组，同步显示波形；

17、收集完全部实验数据，效劳器发完毕信息，然后断开网络联接，完成实验。图8显示的是客户端在远端实测的CCMS实验室本地晶体管的IcVce曲线图，图10显示晶体管放大倍数的计算值，并实时显示Ib曲线，用户可以选择保存按钮，将实验数据以需要的格式保存，进展相应的运算，使用HIQ生成实验报告，最终完成实验。6.效果与结论在NI院校方案的扶持之下，我们获得了强大的技术支持。已经建立起以电子科学与技术专业为根底的十几套实验系统，初步构成了一个跨时空、跨学科、跨平台的网络虚拟实验室雏形，为本系本科生提供专业实验课程，并在华中大武昌分校区进展了互联网演示，实现了实验仪器的远程分享和远程实验，收到了很好的效果。以NI虚拟仪器平台为根底的网络虚拟实验室，开发周期短，使用效率高，可扩展性强，本钱低廉，是解决目前高教扩招带来的资源紧张问题的一种行之有效的途径。