网络虚拟实验室的设计与实现

摘要：国内多数高校的实验教学仍然采用实物仪器加简单数据分析的传统方式，这存在着诸多问题。在此利用网络技术和虚拟仪器技术，采用B／S体系结构，建立了网络虚拟实验室的框架模型。运用图形化编程语言LabVIEW软件，设计了相位差测量等相关的虚拟实验，并实现了网络发布。实践表明，基于网络的虚拟实验室，实现了远程控制和资源共享，可以节省大量仪器设备的经费投入，为实践教学提供了一种全新的现代化手段，有助于学生创新能力的培养。
关键词：虚拟实验室；虚拟仪器；LabVIEW；B／S

0 引言
    为更好地培养创新型人才，国内高校都加强了实践环节的教学。通过对理工科院校实践教学情况的调研，发现普遍存在以下几个主要问题：首先，学生要得到良好的实践训练，就需要购置很多昂贵的教学仪器，但各高校普遍存在资金投入不足的问题；其次，实验中各种元器件的损耗非常大，造成很大的浪费，这也间接对教师和学生造成一定的心里压力，实验中缩手缩脚，担心损坏仪器，使得实践教学质量得不到保证；最后，远程教育的发展使教学不再被限制于学校的课堂内，教学过程中必然要遇到如何对远程用户进行实验教学的问题。
    随着网络技术和虚拟仪器技术的迅速发展，充分利用“软件就是仪器的”思想，将两者结合，通过数据交换共享建成的虚拟实验室为以上问题的解决提供了很好的方案。

1 网络虚拟实验室的体系结构
    网络虚拟实验室一般采用C／S模式和B／S模式2种体系结构。B／S模式在标准、开发维护、界面使用、客户端要求、灵活性以及仪器的安全性等方面都比C／S模式具有更好的优越性，故该系统采用B／S模式构建。结构如图1所示。

    系统采用基于B／S模式的客户端、Web服务器、数据库服务器和应用程序服务器的三层次结构，具有良好的适应性及扩展性。在远程实验操作中使用虚拟仪器应用程序，只需配备支持ActiveX的浏览器就可通过Internet登陆虚拟实验室网站，向Web服务器提出实验请求，并进行相关实验操作。登陆网站以后，浏览器会根据实验需要，从Web服务器中自动载入包含了虚拟仪器模块的实验网页，这样用户不需要安装任何专业软件就可以进行实验，从而使客户端的需求降到最低。
    Web服务器的主要任务是将虚拟实验室以网站的形式发布在网络中，同时还为远程实验的安全运行提供有效的管理与用户认证机制。远程用户可以用Web浏览器访问此服务器，通过浏览器与Web服务器进行交互，按照步骤完成远程实验操作。数据库服务器用于存储系统相关数据信息，包括实验信息、实验管理信息以及系统管理信息等。应用程序服务器在虚拟实验室中负责各个虚拟实验模块的管理和调度。采用虚拟仪器语言设计的实验模块被集成在应用程序服务器中，接收来自Web服务器的请求并做出响应，完成信号的生成、数据分析以及结果显示。

2 网络虚拟实验室的设计
2．1 开发与使用环境
    网络虚拟实验室采用DreamWeaver软件开发，各虚拟实验采用美国NI公司的图形化编程语言LabVIEW设计，并生成为应用程序。客户端只要有Internet Explorer 5．0以上的浏览器并下载安装NI公司免费发布的LabVIEW Run-time Engine小程序即可顺利完成各类虚拟实验。
2．2 远程虚拟实验室功能
    以测控技术与仪器专业核心课程实验为例，介绍网络虚拟测控实验室的功能及典型程序设计。
    远程虚拟测控实验室导航页包括“实验室简介”、“实验室公告”、“使用说明”以及“进入实验室”4部分。点击“进入实验室”，打开实验界面。如图2所示。

    该部分包括信号分析与处理实验、测控系统特性分析实验、传感器与检测技术实验、形位误差测量实验等4个模块共24个虚拟实验应用程序。每个虚拟实验，包含“实验原理”、“功能描述”、“实验示例”和“在线实验”四个模块，层层递进，有利于启发学生的思维。
2．3 基于LabVIEW的虚拟实验设计
    下面以“信号分析与处理”模块中的相位差测量实验为例详细介绍虚拟实验的设计方法。
2．3．1 设计原理
    本设计采用相关法实现两同频正弦信号的相位差测量，即利用两信号的延时τ=0时的互相关函数值与其相位差的余弦值成正比的原理获得相位差。

2．3．2 程序设计
    程序设计时，使用LabVIEW程序中信号处理模块自带的互相关函数对两信号进行计算，然后调用Array子模板上的Index Array函数，获取τ=0时的互相关函数值。为得到相位差，执行Functions>>Numeric>>Trigonometric>>Inverse Cosine操作，调入反余弦函数，并由运算将相位差由弧度转化为角度表示。程序代码如图3所示。

2．3．3 虚拟实验的远程发布
    系统采用LabVIEW自带的网络服务器实现虚拟实验的远程发布。LabVIEW网络服务器是LabVIEW的Remote Panels一部分，发布VI时首先打开虚拟相位差测量的VI，启动Web服务器。选择菜单中Tools>>Web F’ublishingTool，弹出的窗口是交互地创建和发布远程面板的主要窗口，如图4所示。点击Save to Disk，将会在Web服务器的根目录下生成HTML文档。随后弹出一个对话框，其中包含生成的HTML文档的URL网址，如图5所示。

    用户远程面板(Remote Panel)大大简化了远程应用程序的生成，不需任何关于Java，CGI或其他第三方软件工具编程，只需将生成的URL网址链接到相应的“在线实验”模块，就可以将本地实验室的功能带到浏览器环境中。客户端只需要安装LabVIEW运行引擎，不需要安装LabVIEW，即可通过Web浏览器进行远程监视和控制。用户在线远程运行相位差测量实验的界面如图6所示。设置信号1幅值2 V，初始相位为30°；设置信号2幅值4 V，初始相位为90°；设置两个信号的频率均为2 Hz，采样频率为20 Hz，采样点数为50点。程序计算得到的相位差为60°。

3 结语
    基于LabVIEW的虚拟实验把传统仪器的测试功能用形象逼真的面板控件形成软件模块，能够在计算机的协调下象实物仪器一样完成测试、处理、分析、显示等任务，得到了在实验室里相同的实验过程和测试结果。同时基于B／S结构的网络体系，实现了远程控制、资源共享和数据共享，将实验教学搬进了课堂，搬上了网络，实现了理论与实践的完美融合，减少了设备资金的投入，改善了实验条件，促进了实验教学方法、手段的完善，彻底打破了传统实验模式，有助于学生创新能力的培养。