0 引言
隨著招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)普通高等院校實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往比較陳舊，不能及時(shí)更新，從而無法跟上教育的飛速發(fā)展。目前，高等工科院校仍沿用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重于理論驗(yàn)證和模仿訓(xùn)練，缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)和綜合能力的提高。滯后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和死板的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)造性，實(shí)驗(yàn)教學(xué)處于應(yīng)試教育。而虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)則主要依賴于軟件和較少的配套硬件，使實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)費(fèi)用和工作量大大降低。LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的代表，可以利用Internet進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了資源共享，避免了儀器重復(fù)添置，滿足了用戶不再受時(shí)間、地點(diǎn)限制進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)合作，提高了用戶的學(xué)習(xí)效果。
1 系統(tǒng)的總體目標(biāo)
本系統(tǒng)的總體目標(biāo)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于局域網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要完成模擬電路和數(shù)字電路的仿真和數(shù)據(jù)采集等實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)完成大學(xué)相關(guān)課程的規(guī)定實(shí)驗(yàn)，突破地域和時(shí)間上的限制，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。學(xué)生是虛擬實(shí)驗(yàn)室的最終用戶，每個(gè)用戶以自己的學(xué)號(hào)和密碼作為出入虛擬實(shí)驗(yàn)室的通行證，登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)后，可以在客戶端進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，用戶可以選擇實(shí)驗(yàn)，選擇實(shí)驗(yàn)儀器，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真、數(shù)據(jù)分析。
2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)采用GPIB(general purpose interface bus)儀器控制技術(shù)，將可程控儀器連接到LabVIEW儀器控制服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)儀器的本地控制，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把所提供的實(shí)驗(yàn)題目及內(nèi)容放入建立的網(wǎng)站上，遠(yuǎn)程用戶只需利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，就可以登錄到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器。在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的主頁(yè)上，還可以加入視頻攝像部分。由視頻頭所采集的圖像可通過視頻壓縮傳輸技術(shù)傳送到網(wǎng)頁(yè)上，這樣用戶就可以看到自己所操縱的精密儀器，直接從屏幕上看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
2．1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件結(jié)構(gòu)
整個(gè)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的硬件是由Web服務(wù)器、儀器控制服務(wù)器、硬件實(shí)驗(yàn)電路控制平臺(tái)、GPIB可程控儀器以及視頻攝像頭組成的。硬件平臺(tái)主要由電源板、89C51串口通信板、低頻實(shí)驗(yàn)板、數(shù)字實(shí)驗(yàn)板、實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制板組成。電源板為整個(gè)實(shí)驗(yàn)電路提供±5 V，±12 V和+18 V電壓；串口通信板完成與上位機(jī)的串口通信，并發(fā)送命令參數(shù)給實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制板；實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制板進(jìn)行具體的儀器測(cè)試點(diǎn)切換工作；模擬實(shí)驗(yàn)板和數(shù)字實(shí)驗(yàn)板實(shí)現(xiàn)的是具體的實(shí)驗(yàn)電路。
單片機(jī)串口通信板在硬件平臺(tái)中處于至關(guān)重要的地位，它負(fù)責(zé)與LabVIEW服務(wù)器的串行口通信、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)字節(jié)的輸出和獲取、模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)的切換。系統(tǒng)選用了AT89C51作核心控制器。實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制板主要實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)各輸入／輸出測(cè)試點(diǎn)的可控制切換。實(shí)現(xiàn)多個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要切換輸入信號(hào)輸入點(diǎn)和變更信號(hào)參數(shù)，還需要切換數(shù)字電壓表和示波器的測(cè)試點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制測(cè)試點(diǎn)的切換，所以模擬實(shí)驗(yàn)板上相關(guān)測(cè)試點(diǎn)都必須引出接線點(diǎn)，以便于與實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制板接口。當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)數(shù)目，也無需改動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制板時(shí)，只要從實(shí)驗(yàn)板引出測(cè)試點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制板接口即可。
2．2 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
如圖1所示，整個(gè)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的軟件構(gòu)成可分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)：Web服務(wù)器子系統(tǒng)、本地儀器控制子系統(tǒng)和客戶端子系統(tǒng)。
Web服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。通過Web服務(wù)器，用戶可以訪問Web站點(diǎn)、控制儀器，并獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。公共網(wǎng)關(guān)接口(CGI)和傳輸控制協(xié)議(TCP)是客戶端與Web服務(wù)器以及Web服務(wù)器與實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器之間的主要通信方法。在本地控制子系統(tǒng)中，作為控制儀器的PC機(jī)上裝有通用接口總線(GPIB)接口和一塊網(wǎng)卡。儀器控制服務(wù)器通過已建立起的TCP／IP通道獲得來自Web服務(wù)器控制儀器的命令字符串。進(jìn)而啟動(dòng)儀器工作，完成測(cè)試任務(wù)。客戶端子系統(tǒng)是嵌入在Web服務(wù)器中。當(dāng)用戶登錄到Web服務(wù)器上后，用戶可以瀏覽虛擬實(shí)驗(yàn)室站點(diǎn)，獲得所提供實(shí)驗(yàn)的概括介紹以及詳細(xì)說明。
2．3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的交互過程
開始實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器進(jìn)入遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)網(wǎng)站的登錄頁(yè)面，如圖2所示。
當(dāng)Web服務(wù)器接收到來自客戶端的有效CGI(common gateway interface)請(qǐng)求后，從表單中獲取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)而向儀器控制服務(wù)器提交調(diào)用VI的請(qǐng)求。運(yùn)行于儀器控制服務(wù)器上的G Web Server接收到請(qǐng)求后，建立起與客戶端TCP／IP連接，調(diào)用相應(yīng)的VI程序：首先調(diào)用串口通信程序，即通過串口向硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)送控制指令；然后啟動(dòng)儀器控制VI模塊，使其通過GPIB接口卡調(diào)用相關(guān)儀器設(shè)備，對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測(cè)試；最后將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果以CGI響應(yīng)的方式回傳到Web服務(wù)器，由Web服務(wù)器端的CGI程序刷新客戶端顯示，完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過程。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)采用Application Server＆API結(jié)構(gòu)。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。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)。主程序框圖結(jié)構(gòu)如圖3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，建立TCP連接；然后服務(wù)端接受客戶端實(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TCP／IP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包，客戶端接受共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
下面以周期信號(hào)時(shí)域特性的測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例，介紹ApplicationServer＆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，實(shí)驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)，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，然后斷開網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，完成實(shí)驗(yàn)。圖4顯示的是客戶端在遠(yuǎn)端實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)室周期信號(hào)的時(shí)域特性，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，還可以生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最終完成實(shí)驗(yàn)。
4 結(jié)語
本文以虛擬儀器為平臺(tái)設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，通過用戶登陸界面，嵌入一些虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器操作的模擬和測(cè)量，并在電子科學(xué)學(xué)院進(jìn)行了演示，取得了很好的效果。該網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室較以往的虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化，達(dá)到了資源共享，避免了儀器重復(fù)添置和資源浪費(fèi)，使學(xué)生做實(shí)驗(yàn)不再受時(shí)間和地點(diǎn)的限制。具有開發(fā)周期短，使用效率高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，成本低廉的特點(diǎn)，是解決目前高教擴(kuò)招帶來的資源緊張問題的一種行之有效的途徑。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善，虛擬實(shí)驗(yàn)室會(huì)有更好的應(yīng)用前景。