應(yīng)用領(lǐng)域：院校

挑戰(zhàn)：構(gòu)建基于Internet 的分布式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室體系，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)和實驗設(shè)備的遠程共享。

應(yīng)用方案：使用NI 公司LabVIEW、IMAQ Vision 等軟件配合ELVIS、IMAQ-1422、PXI-1000B 、PXI-6070E 、PXI-5102 、SCXI-1000 、SCXI-1320、SCXI-1125 等系列硬件，構(gòu)建基于Interntet 的分布式網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室體系，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)和實驗儀器遠程共享，為高等院校學(xué)員提供專業(yè)實驗教學(xué)平臺，解決高教擴招帶來的教學(xué)資源緊張問 題。

使用產(chǎn)品：LabVIEW6.1（FDS）、IMAQ Vision、ELVIS、IMAQ-1422 、PXI-1000B 、PXI-8176 、PXI-6070E 、PXI-6071E 、PXI-5102 、PXI-2501 、PXI-7344 、SCXI-1000 、SCXI-1320 、SCXI-1125

介紹

將虛擬儀器技術(shù)推向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，更能發(fā)揮其“軟件就是儀器”的優(yōu)勢，更有助于形成分布式的網(wǎng)絡(luò)測量體系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和儀器的遠程共享，從而為實驗教學(xué)以及遠程測控服務(wù)。

本網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的使用BSDA 結(jié)構(gòu)，由客戶端、Web 服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器以及實驗設(shè)備四個模塊組成。具備開發(fā)周期短，成本低的特點，同時又具有很強的兼容性和擴展性，能夠大大提高儀器的使用效率，避免不必要的重復(fù)投資，非常適用于高等院校實驗教學(xué)和科研，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

Abstract:Virtual Instrument Technology being applied to network construction can develop its preponderance-“The Software is the Instrument” and help to form distributed network measuring system to accomplish data and instruments sharing for experiment teaching & learning or distant test control. This Network Virtual Lab presents a BSDA construction including client, Web server, application server and experiment instruments four modules. It characterizes short development cycle and low cost together with compatibility and expansibility, which can enhance the utilization efficiency of instruments and avoid unnecessary repetitive investments. Distributed Network Virtual Lab fits the experiment teaching & learning and research in colleges and universities and owns its extensive application prospect.

1.引言

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室是一個無墻的中心，通過計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，研究人員或?qū)W生將不受時空的限制，隨時隨地與同行協(xié)作，共享儀器設(shè)備，共享數(shù)據(jù)和計算資源，得到教師的遠程指導(dǎo)以及與同行相互研討。

由于通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室能夠?qū)崿F(xiàn)跨時空跨學(xué)科的儀器設(shè)備遠程共享，甚至遠程控制，滿足科研教學(xué)對分布式實驗系統(tǒng)的要求，同時解決棘手的教學(xué)資源緊張問題，國外的很多科研院所也已經(jīng)進行了相關(guān)的有益嘗試。如Carnegie-Mellon University 的卡內(nèi)基梅隆虛擬實驗室（Carnegie Mellon‘s Virtual Lab），Johns Hopkins University 的虛擬工程與科學(xué)實驗室（A Virtual Engineering/Science Laboratory），以及The University of Tennessee at Chattanooga 的網(wǎng)上工程實驗室（Engineering Laboratories on the Web）是其中的比較成功的范例。

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室大多使用的是CS（客戶端／服務(wù)端）結(jié)構(gòu)，按其實現(xiàn)功能基本可分為三類：

①軟件共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。其特點為，服務(wù)端共享本地的虛擬實驗室模擬軟件平臺，接受客戶端發(fā)送的實驗請求，分析和處理實驗參數(shù)，經(jīng)過計算模擬最終將結(jié)果返回客戶端。整個系統(tǒng)不涉及具體的實驗儀器硬件設(shè)備，只是利用軟件模擬實驗的過程；

②儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。服務(wù)端同樣接受客戶端的實驗請求和實驗參數(shù)，使用實驗參數(shù)配置與之連接的實驗儀器硬件設(shè)備，由實驗儀器硬件設(shè)備進行實驗，并將實驗結(jié)果返回服務(wù)端，最后返回到用戶端，實現(xiàn)實驗儀器的共享，實驗數(shù)據(jù)的共享。

③遠程控制網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。與儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室最大的區(qū)別在于除了實驗儀器實驗數(shù)據(jù)的共享之外，其還要實現(xiàn)客戶端對實驗儀器設(shè)備的遠程控制。

2.網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室實現(xiàn)原理

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的構(gòu)建多使用BSDA（Browser/Server/Database＆ Application） 結(jié)構(gòu)，即客戶端／服務(wù)器／數(shù)據(jù)庫／應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)，其原理如圖1 所示。

典型的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室由客戶端、網(wǎng)頁服務(wù)器端、應(yīng)用服務(wù)器端以及實驗儀器設(shè)備四部分組成。網(wǎng)頁服務(wù)器主要作用是提供Web接入服務(wù)、用戶認證管理、開放式交互實驗環(huán)境以及動態(tài)網(wǎng)頁的生成；應(yīng)用服務(wù)器主要作用是控制和管理實驗儀器、采集和處理實驗數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫的主要作用則是配合用戶帳戶的管理、動態(tài)網(wǎng)頁的生成以及實驗數(shù)據(jù)的存儲和管理。

3.網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的構(gòu)成

本網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，主要由模擬仿真和實時測量兩個部分組成，如圖2 所示。

模擬仿真部分，主要完成驗證型、原理演示型實驗，使用LabVIEW 自帶的網(wǎng)頁發(fā)布功能，直接在Web 服務(wù)器端生成嵌入實驗平臺的WWW網(wǎng)頁，用戶只需使用網(wǎng)頁瀏覽器即可通過Internet 訪問網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，進行實驗。實時測量部分，主要完成儀器共享型、遠程控制型實驗，有一個多媒體輔助模塊，是對實際實驗平臺界面的虛擬呈現(xiàn)，讓學(xué)生在進入實時測量模塊之前來操作，用來檢驗學(xué)生的預(yù)習(xí)程度，讓學(xué)生預(yù)先了解實驗內(nèi)容，熟悉具體的實驗步驟；另一個是實時測量模塊，它是實時測量部分的核心，負責本地實驗數(shù)據(jù)的采集，并按遠程用戶的操作要求進行分析、存儲以及顯 示，可使用LabVIEW 的網(wǎng)頁發(fā)布功能來實現(xiàn)，也可使用基于LabVIEW 編程的Application Server模塊與客戶端API 模塊來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)通信，完成遠程實驗。

4.網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的硬件結(jié)構(gòu)

我們使用的是以NI-PXI架為核心的硬件體系，并以一臺Dell PowerEdge4600 為Web服務(wù)器，如圖3 所示。

Dell PowerEdge4600 為Web 服務(wù)器配備了2 個IntelXeon 2.8GHz 處理器，2GB ECC DDR RAM，3×36GB SCSI RAID（冗余磁盤陣列），以及Broadcom Gigabit NIC 千兆網(wǎng)卡，充分滿足多線程、大流量、高帶寬的使用要求。

Application Server使用的是一臺PXI-1000B機箱，嵌入了PXI-8176 控制器， 以及PXI-6070E，PXI-6071E 多功能數(shù)據(jù)采集卡，用來實現(xiàn)高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)模輸入輸出以及數(shù)據(jù)采集；PXI-5102 高性能示波器卡來完成信號的發(fā)生，提供穩(wěn)定可靠的信號源；PXI-2501 矩陣模塊用來實現(xiàn)不同測量元器件之間的自動切換，以滿足遠程用戶不同的測量要求，實現(xiàn)測量的多樣性；PXI-1422 圖像采集卡用來完成PCB 板、IC芯片的圖像提取，滿足電路檢查、IC設(shè)計的需要；PXI-7344 運動控制卡用來實現(xiàn)電機伺服系統(tǒng)的參 數(shù)提取，狀態(tài)跟蹤等。

一臺SCXI-1000 機箱，嵌入了SCXI-1320 和SCXI-1125信號調(diào)理模塊，用來對微電子系統(tǒng)，微電流電壓信號的放大、降噪、濾波，保持整個體系的高精確度。

一臺最新的NI-ELVIS用于實驗?zāi)Ｐ偷慕?，搭建實驗電路，?gòu)建小型的電子電路系統(tǒng)，實現(xiàn)電子電路實驗的遠程共享。

5.系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)

5.1 模擬仿真部分

模擬仿真部分，我們以LabVIEW 內(nèi)置的網(wǎng)頁發(fā)布功能為基礎(chǔ)，通過HTML 設(shè)計網(wǎng)頁，并使用Microsoft IIS 5.0發(fā)布功能，直接在服務(wù)器端生成嵌入實驗平臺的WWW 網(wǎng)頁，用戶只需使用網(wǎng)頁瀏覽器進入我們的站點，即可通過Internet 進行實驗，其原理如圖4 所示。

LabVIEW 內(nèi)置的Remote Panel Connection Manager 用來對用戶的使用情況進行監(jiān)控與調(diào)度，NI Web Server 按照遠端實驗操作者制定的實驗數(shù)據(jù)，分析、計算數(shù)據(jù)最后顯示實驗曲線以及實驗結(jié)果，并將實驗結(jié)果嵌入生成的HTML 網(wǎng)頁中，用戶只需使用瀏覽器即可實時顯示實驗數(shù)據(jù)以及實驗曲線，以及完成報告生成等后續(xù)工作。

5.2 實時測量部分

實時測量部分，我們使用了兩種實現(xiàn)方案，用來滿足不同情況下用戶對遠程實驗的要求：一種是Browser & NI Web Server 結(jié)構(gòu)，另一種是Application Server & API 結(jié)構(gòu)。使用PXI-1000B機箱以及嵌入的PXI 板卡來作為NI Web Server 與Application Server。

Browser & NI Web Server結(jié)構(gòu)是在模擬仿真實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，在NI Web Server 上連接相應(yīng)的DAQ、SCXI 硬件，其再與實際的實驗儀器連接，用來實現(xiàn)遠程客戶端與實驗儀器的數(shù)據(jù)通信，完成實驗儀器的遠程共享，其原理如圖5所示。

該結(jié)構(gòu)適用于瘦客戶體系，客戶端無需計算分析數(shù)據(jù)，只需安裝因特網(wǎng)瀏覽器接收服務(wù)端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，即可進行實驗，方便簡單，效率高，但是對服務(wù)器的運算能力、帶寬以及多線程狀態(tài)下的穩(wěn)定性等指標要求比較高；同時由于每一時刻只允許一位用戶掌握控制權(quán)，所以比較適用于遠程控制型實驗。

Application Server & API結(jié)構(gòu)使用LabVIEW 編程，以其內(nèi)置TCP/IP 模塊為基礎(chǔ)，構(gòu)造一個Application Server應(yīng)用服務(wù)器端和一個API 用戶終端，由TCP/IP 模塊完成網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)通信以及容錯處理。Application Server 用來采集傳輸實驗數(shù)據(jù)，管理用戶，記錄用戶使用情況；而API 用戶終端則提供操作者GUI界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、分析運算以及顯示存儲等，其原理如圖6 所示。

該結(jié)構(gòu)要求API 用戶終端將Application Server 應(yīng)用服務(wù)器端板卡采集的實驗數(shù)據(jù)下載到本地終端來分析、計算、顯示以及存儲，除了對網(wǎng)絡(luò)帶寬、穩(wěn)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，可以實現(xiàn)多用戶廣播式共享實驗數(shù)據(jù)。

下面以半導(dǎo)體晶體管直流特性測試實驗為例，介紹Application Server & API 結(jié)構(gòu)LabVIEW 編程的實現(xiàn)方法。

用戶首先進入的是一個多媒體仿真界面，用來檢驗預(yù)習(xí)狀況，并熟悉實際的儀器操作。如圖7 所示，借助一套實際儀器的圖形面板，我們使用LabVIEW 模擬了晶體管直流特性測試曲線，用戶使用旋鈕以及各種開關(guān)，可以像操作實際儀器一般，了解實驗的具體內(nèi)容和步驟。

完成模擬之后，可以按下進入測量按鈕，進入實時測量面板，如圖8 所示。面板上方的工具欄是相關(guān)的模式選擇、參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)存儲等操作，中央的是實驗曲線的顯示界面。

主程序框圖結(jié)構(gòu)如圖9 所示，客戶端API 模塊先向服務(wù)端發(fā)送用戶信息和實驗請求，經(jīng)服務(wù)端驗證通過，建立TCP 連接；服務(wù)端然后接受客戶端實驗參數(shù)并在進行實驗儀器初始化；服務(wù)端采集實驗數(shù)據(jù)并通過TCP/IP 協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包，客戶端接受實驗采樣數(shù)據(jù)，并按一定數(shù)據(jù)格式插入測量數(shù)組，同步顯示波形；采集完全部實驗數(shù)據(jù)，服務(wù)器發(fā)結(jié)束信息，然后斷開網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，完成實驗。

圖8顯示的是客戶端在遠端實測的CCMS 實驗室本地晶體管的Ic－Vce 曲線圖，圖10 顯示晶體管放大倍數(shù)β的計算值，并實時顯示β－Ib曲線，用戶可以選擇保存按鈕，將實驗數(shù)據(jù)以需要的格式保存，進行相應(yīng)的運算，使用HIQ 生成實驗報告，最終完成實驗。

6.效果與結(jié)論

在NI 院校計劃的扶持之下，我們獲得了強大的技術(shù)支持。已經(jīng)建立起以電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為基礎(chǔ)的十幾套實驗系統(tǒng)，初步構(gòu)成了一個跨時空、跨學(xué)科、跨平臺的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室雛形，為本系本科生提供專業(yè)實驗課程，并在華中大武昌分校區(qū)進行了互聯(lián)網(wǎng)演示，實現(xiàn)了實驗儀器的遠程共享以及遠程實驗，收到了很好的效果。以NI 虛擬儀器平臺為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，開發(fā)周期短，使用效率高，可擴展性強，成本低廉，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。