基于NI ELVIS的远程虚拟实验室的研究

2 NI ELVIS和iLabs简介
2．1 NIELVIS简介
    NI教学实验虚拟仪器套件(NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，简称ELVIS)是在NI数据采集卡和图形化开发环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，简称LabVIEW)编程的基础上集成了实验常用仪器功能的虚拟仪器套件。该套件通过软硬件相结合搭建的虚拟仪器开发平台。其中软件部分包括集成的多种通用电路电子测试的软仪器，如LabVIEW、NI—DAQ开发软件等。该套件安装在计算机软件前面板(Soft Front Pannel，简称SFP)虚拟仪器。NI ELVIS加载了LabVIEW创建的软件前面板仪器以及仪器的源代码，通过修改Lab VIEW代码来更改SFP的功能。NI ELVIS所集成的软仪器功能：信号分析(示波器，动态信号分析，波特图分析，阻抗分析仪等)；数字万用表(测量电压，电流，电阻，电感，二极管的极性等)；信号源(信号发生器和任意波型发生器，可手动调节，也可编程设置，并具有扫频功能)；定时／数字量(频率，计数器和数字I／O)；直流电源(标准+5 V，±15 V和可变调节的±12 V)。而硬件部分包括以数据采集卡为中心的数据采集系统，电路搭建平台(面包板)和ELVIS工作台。其中，数据采集系统用来测量和分析现实世界的物理量，利用转换器和测试探针或者固定设备采集测量温度、压力、速度等不同类型的电信号，并将其送入计算机处理。该远程虚拟实验室采用基于PCI接口的采集卡PCI一6221，该数据采集卡具有16路模拟输入、16位分辨率；采样速率为250 KS／s；2路模拟输出，更新速率为833 KS／s；24路数字I／0 (8路高速可达l MHz)；2个32位80 MHz计数器／定时器。而硬件电路的搭建平台(面包板)和ELVIS工作台的控制面板含有示波器、数字万用表、可变电源等仪器，这些基本仪器作为ELVIS可操作的软面板仪器，并通过连接器在ELVlS软面板上显示。面包板与工作台相连，并搭建相关电路，允许实验输入输出信号连接。图1为ELVIS构成示意图。

2．2 iLabs简介
    iLabs是由美国麻省理工学院(MIT)倡导的远程网络实验室，即MIT公开共享其实验室，即学生或教师通过互联网访问MIT真实的实验室，使得高等院校之间能够共享昂贵设备以及与实验室有关的教学资料。iLabs的最终目标是创造丰富的网上实验资源，使人们通过网络共享实验资源。目前iLabs实验系统分为Batched Architecture和Interactive Architecture，前者针对仪器共享网络实验室，后者针对远程控制实验室，可以互动控制远程实验。该远程虚拟实验室采用Interactive Ar-chitecture实验系统。

3 远程虚拟实验室设计方案
3．1 设计原理
    iLabs网络实验室系统通过网络服务将在线实验室分成实验室服务器(Lab Server)、实验室客户端(Lab Client)、服务代理端(Service Broker)等功能模块，如图2所示。

    其中，实验服务器是由实验室管理员操作管理，同时它也是处理执行真实在线实验的硬件，主要用于控制和管理实验仪器、采集和处理实验数据。实验客户端是终端用户计算机，为用户提供实验的交互式操作界面，通过浏览器访问。服务代理端位于实验室服务器和实验室客户端的中间，用于交换协调这二者之间的信息，用于提供Web接入服务、用户认证管理、开放式交互实验环境以及动态网页生成，并提供存储和管理服务。该实验室Interactive Service Broker是一台基于ASP2．O的IIS网页服务器，后台使用SQL Server 2000数据库配合用户管理、动态网页生成以及实验数据的存储和管理。
3．2 硬件构成 _
    该网络实验室为节约成本将Lab Server和Service Broker安装在同一台电脑上。其主要硬件包括一台普通电脑为Web服务器；采集和传输实验设备数据的数据采集卡PCI一6221；提取现场实验设备影像的USB接口的摄像头。NI ELVIS建立实验模型，搭建实验电路，构建小型电子电路系统。
3．3 设计实现
    要实现虚拟仪器在网络平台上的应用，必须实现不同应用之间的数据共享。虽然TCP／IP,DDE等技术支持不同应用程序间的数据共享，但不能传输动态数据。NI公司提供的Data Socket是专门用于传输和发布动态数据的，简化网络计算机之间尤其是现场数据传输。DataSocket由DataSocketAPI与DataSocket Server两部分组成。前者用于访问网络数据的接口，后者负责提供DSTP协议和管理底层网络通信。DataSocket Server广播数据需要发布者、DataSocketServer和订阅者三种角色。发布者通过DataSocket API向DataSocketServer写入数据，订阅者通过DataSocket API从DataSocketServer读取数据。利用DataSocket Server实现现场数据的网络共享，如图3所示。

    该远程虚拟实验室具体技术实现是首先建立InteractiveService Broker和Interactive Lab Server两个Web站点，再利用IzbVIEW编程制作各种实验界面，然后利用LabVIEW的DataSocket技术和内置的Web发布功能为基础，将实验界面嵌入到Lab Server。Interactive Service Broker后台使用SQLServer2000数据库配合用户管理、动态网页生成以及实验数据存储和管理，实现实验管理系统的管理。通过iLab实验系统，将Interactive Service Broker和Lab Server互联成一个整体。用户只需使用网页浏览器进入Interactive Setvice Broker的站点，即可进行Internet实验。Interactive Service Broker站点内包含ESS，USS，LSS，其中ESS存储实验的记录信息，USS用于实验管理者管理实验日程，LSS用于实验管理用户预约。

4 应用举例
    该远程虚拟实验室已应用于理工科院校信息类专业实验，主要分为虚拟实验和真实实验，并不断开发新实验。以信号发生及调理实验为例来说明远程实验室的使用方法。需要说明的是：如果远程客户端没有安装LabVIEW 8．2，则需安装LabVIEW 8．2 Run Time引擎和NI Vision Run Time引擎，即可远程浏览和操作实验。首先用户登录到Interactive Service Broker，输入用户名和密码，此时Web服务器从SQL Server数据库中获取用户相关信息，检测是否为合法用户，只有合法用户才能进入实验系统；然后，选择所要做的实验，进入预定时间界面；在预定的时间内启动实验，进入实验操作界面；按照实验界面提示进行实验，用户根据具体实验要求详细设置仪器，实验操作结果如图4所示。

5 应用前景
    从上述远程实验看出，在NI ELVIS平台上实验要比传统实验装置更具有优越性：
    (1)NI ELVIS平台集成有常用实验仪器该平台集成有波形发生器、示波器、数字万用表、可变电源等，同时NI ELVIS可根据课程需要开发和购买不同功能的实验板建立通信、自动控制、物理等不同学科的实验室。
    (2)实验实现原理简单NI ELVIS平台具备数据采集功能，可直接把模拟信号输入计算机进行显示和分析处理。
    (3)ELVIS平台附加功能强大 NI ELVIS平台附加功能强，用户界面丰富，通过开发软件实现更多功能。
    需要补充的是，LabVIEW可与工业标准的电路仿真SPICE环境Electronics Workbench Muhisim紧密集成。借助虚拟3DNI ELVIS环境，学生可完成实验前任务，使用Multisim和NIELVIS设计电路，把仿真结果输出到LabVIEW，最后使用Llhiboard建立电路模型。

6 结语
    NI EL VIS应用于远程虚拟实验室可使诸多理论知识付诸于实践，且能根据用户的兴趣及创造添加更多新功能，灵活应用，突破时空限制，随时随地与他人探讨协作共享实验资源，解决了科研教学资源紧张的问题。其次，该远程虚拟实验室开发周期短，使用效率高，可扩展性强，成本低，功能强。