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(shí)驗(yàn)室體系，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)室體系，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)儀器遠(yuǎn)程共享，為高等院校學(xué)員提供專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，解決高教擴(kuò)招帶來(lái)的教學(xué)資源緊張問(wèn) 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(shì)，更有助于形成分布式的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和儀器的遠(yuǎn)程共享，從而為實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及遠(yuǎn)程測(cè)控服務(wù)。

本網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備四個(gè)模塊組成。具備開(kāi)發(fā)周期短，成本低的特點(diǎn)，同時(shí)又具有很強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室是一個(gè)無(wú)墻的中心，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，研究人員或?qū)W生將不受時(shí)空的限制，隨時(shí)隨地與同行協(xié)作，共享儀器設(shè)備，共享數(shù)據(jù)和計(jì)算資源，得到教師的遠(yuǎn)程指導(dǎo)以及與同行相互研討。

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

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

①軟件共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。其特點(diǎn)為，服務(wù)端共享本地的虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬軟件平臺(tái)，接受客戶端發(fā)送的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，分析和處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算模擬最終將結(jié)果返回客戶端。整個(gè)系統(tǒng)不涉及具體的實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)備，只是利用軟件模擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程；

②儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。服務(wù)端同樣接受客戶端的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，使用實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置與之連接的實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)備，由實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果返回服務(wù)端，最后返回到用戶端，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器的共享，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享。

③遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。與儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室最大的區(qū)別在于除了實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享之外，其還要實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

2.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)原理

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)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(kù)／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(shí)驗(yàn)室由客戶端、網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器端、應(yīng)用服務(wù)器端以及實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備四部分組成。網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器主要作用是提供Web接入服務(wù)、用戶認(rèn)證管理、開(kāi)放式交互實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的生成；應(yīng)用服務(wù)器主要作用是控制和管理實(shí)驗(yàn)儀器、采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫(kù)的主要作用則是配合用戶帳戶的管理、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的生成以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。

3.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)成

本網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，主要由模擬仿真和實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分組成，如圖2 所示。

模擬仿真部分，主要完成驗(yàn)證型、原理演示型實(shí)驗(yàn)，使用LabVIEW 自帶的網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能，直接在Web 服務(wù)器端生成嵌入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的WWW網(wǎng)頁(yè)，用戶只需使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器即可通過(guò)Internet 訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)時(shí)測(cè)量部分，主要完成儀器共享型、遠(yuǎn)程控制型實(shí)驗(yàn)，有一個(gè)多媒體輔助模塊，是對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的虛擬呈現(xiàn)，讓學(xué)生在進(jìn)入實(shí)時(shí)測(cè)量模塊之前來(lái)操作，用來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)程度，讓學(xué)生預(yù)先了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉具體的實(shí)驗(yàn)步驟；另一個(gè)是實(shí)時(shí)測(cè)量模塊，它是實(shí)時(shí)測(cè)量部分的核心，負(fù)責(zé)本地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，并按遠(yuǎn)程用戶的操作要求進(jìn)行分析、存儲(chǔ)以及顯 示，可使用LabVIEW 的網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可使用基于LabVIEW 編程的Application Server模塊與客戶端API 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)通信，完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

4.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)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(tái)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(gè)IntelXeon 2.8GHz 處理器，2GB ECC DDR RAM，3×36GB SCSI RAID（冗余磁盤(pán)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(tái)PXI-1000B機(jī)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(lái)實(shí)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(lái)完成信號(hào)的發(fā)生，提供穩(wěn)定可靠的信號(hào)源；PXI-2501 矩陣模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量元器件之間的自動(dòng)切換，以滿足遠(yuǎn)程用戶不同的測(cè)量要求，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的多樣性；PXI-1422 圖像采集卡用來(lái)完成PCB 板、IC芯片的圖像提取，滿足電路檢查、IC設(shè)計(jì)的需要；PXI-7344 運(yùn)動(dòng)控制卡用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的參 數(shù)提取，狀態(tài)跟蹤等。

一臺(tái)SCXI-1000 機(jī)箱，嵌入了SCXI-1320 和SCXI-1125信號(hào)調(diào)理模塊，用來(lái)對(duì)微電子系統(tǒng)，微電流電壓信號(hào)的放大、降噪、濾波，保持整個(gè)體系的高精確度。

一臺(tái)最新的NI-ELVIS用于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?，搭建?shí)驗(yàn)電路，構(gòu)建小型的電子電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子電路實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程共享。

5.系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)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(yè)發(fā)布功能為基礎(chǔ)，通過(guò)HTML 設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)，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(shí)驗(yàn)平臺(tái)的WWW 網(wǎng)頁(yè)，用戶只需使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器進(jìn)入我們的站點(diǎn)，即可通過(guò)Internet 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其原理如圖4 所示。

LabVIEW 內(nèi)置的Remote Panel Connection Manager 用來(lái)對(duì)用戶的使用情況進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)度，NI Web Server 按照遠(yuǎn)端實(shí)驗(yàn)操作者制定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析、計(jì)算數(shù)據(jù)最后顯示實(shí)驗(yàn)曲線以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果嵌入生成的HTML 網(wǎng)頁(yè)中，用戶只需使用瀏覽器即可實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)曲線，以及完成報(bào)告生成等后續(xù)工作。

5.2 實(shí)時(shí)測(cè)量部分

實(shí)時(shí)測(cè)量部分，我們使用了兩種實(shí)現(xiàn)方案，用來(lái)滿足不同情況下用戶對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)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(jī)箱以及嵌入的PXI 板卡來(lái)作為NI Web Server 與Application Server。

Browser & NI Web Server結(jié)構(gòu)是在模擬仿真實(shí)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(shí)際的實(shí)驗(yàn)儀器連接，用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端與實(shí)驗(yàn)儀器的數(shù)據(jù)通信，完成實(shí)驗(yàn)儀器的遠(yuǎn)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(wú)需計(jì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，方便簡(jiǎn)單，效率高，但是對(duì)服務(wù)器的運(yùn)算能力、帶寬以及多線程狀態(tài)下的穩(wěn)定性等指標(biāo)要求比較高；同時(shí)由于每一時(shí)刻只允許一位用戶掌握控制權(quán)，所以比較適用于遠(yuǎn)程控制型實(shí)驗(yàn)。

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(gè)Application Server應(yīng)用服務(wù)器端和一個(gè)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(cuò)處理。Application Server 用來(lái)采集傳輸實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、分析運(yùn)算以及顯示存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下載到本地終端來(lái)分析、計(jì)算、顯示以及存儲(chǔ)，除了對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、穩(wěn)定性有很高的要求之外，對(duì)API 用戶終端的計(jì)算機(jī)性能也有很高的要求，適用于遠(yuǎn)程軟件共享和儀器共享型實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)多用戶廣播式共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

下面以半導(dǎo)體晶體管直流特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例，介紹Application Server & API 結(jié)構(gòu)LabVIEW 編程的實(shí)現(xiàn)方法。

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

完成模擬之后，可以按下進(jìn)入測(cè)量按鈕，進(jìn)入實(shí)時(shí)測(cè)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(chǔ)等操作，中央的是實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，經(jīng)服務(wù)端驗(yàn)證通過(guò)，建立TCP 連接；服務(wù)端然后接受客戶端實(shí)驗(yàn)參數(shù)并在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器初始化；服務(wù)端采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過(guò)TCP/IP 協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包，客戶端接受實(shí)驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)，并按一定數(shù)據(jù)格式插入測(cè)量數(shù)組，同步顯示波形；采集完全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，服務(wù)器發(fā)結(jié)束信息，然后斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，完成實(shí)驗(yàn)。

圖8顯示的是客戶端在遠(yuǎn)端實(shí)測(cè)的CCMS 實(shí)驗(yàn)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(jì)算值，并實(shí)時(shí)顯示β－Ib曲線，用戶可以選擇保存按鈕，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以需要的格式保存，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，使用HIQ 生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最終完成實(shí)驗(yàn)。

6.效果與結(jié)論

在NI 院校計(jì)劃的扶持之下，我們獲得了強(qiáng)大的技術(shù)支持。已經(jīng)建立起以電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)為基礎(chǔ)的十幾套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，初步構(gòu)成了一個(gè)跨時(shí)空、跨學(xué)科、跨平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室雛形，為本系本科生提供專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，并在華中大武昌分校區(qū)進(jìn)行了互聯(lián)網(wǎng)演示，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)儀器的遠(yuǎn)程共享以及遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，收到了很好的效果。以NI 虛擬儀器平臺(tái)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)發(fā)周期短，使用效率高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，成本低廉，是解決目前高教擴(kuò)招帶來(lái)的資源緊張問(wèn)題的一種行之有效的途徑。