基于LabVIEW的网络虚拟实验室设计

0 引言
    随着招生规模的不断扩大，国内普通高等院校实验设备往往比较陈旧，不能及时更新，从而无法跟上教育的飞速发展。目前，高等工科院校仍沿用传统的实验教学方法，实验内容侧重于理论验证和模仿训练，缺乏对学生创新意识的培养和综合能力的提高。滞后的实验设备和死板的实验模式难以调动学生的主动性和创造性，实验教学处于应试教育。而虚拟实验室系统则主要依赖于软件和较少的配套硬件，使实验室的维护费用和工作量大大降低。LabVIEW作为虚拟仪器开发系统的代表，可以利用Internet进行虚拟实验室的网络发布，实现了资源共享，避免了仪器重复添置，满足了用户不再受时间、地点限制进行远程的实时合作，提高了用户的学习效果。

1 系统的总体目标
    本系统的总体目标是设计并实现一个基于局域网的虚拟实验平台，该虚拟实验平台主要完成模拟电路和数字电路的仿真和数据采集等实验，使学生可以通过网络完成大学相关课程的规定实验，突破地域和时间上的限制，达到网络实验教学的目的。学生是虚拟实验室的最终用户，每个用户以自己的学号和密码作为出入虚拟实验室的通行证，登录虚拟实验室系统后，可以在客户端进行相关的实验操作。在虚拟实验室中，用户可以选择实验，选择实验仪器，进行实验仿真、数据分析。

2 虚拟实验室的设计与实现
    系统采用GPIB(general purpose interface bus)仪器控制技术，将可程控仪器连接到LabVIEW仪器控制服务器上，实现仪器的本地控制，并利用网络技术，把所提供的实验题目及内容放入建立的网站上，远程用户只需利用网络浏览器，就可以登录到远程实验室的网络服务器上，进行实验操作，远程控制实验仪器。在远程实验室的主页上，还可以加入视频摄像部分。由视频头所采集的图像可通过视频压缩传输技术传送到网页上，这样用户就可以看到自己所操纵的精密仪器，直接从屏幕上看到实验结果。
2．1 网络虚拟实验室的硬件结构
    整个远程虚拟实验室系统的硬件是由Web服务器、仪器控制服务器、硬件实验电路控制平台、GPIB可程控仪器以及视频摄像头组成的。硬件平台主要由电源板、89C51串口通信板、低频实验板、数字实验板、实验台控制板组成。电源板为整个实验电路提供±5 V，±12 V和+18 V电压；串口通信板完成与上位机的串口通信，并发送命令参数给实验台控制板；实验台控制板进行具体的仪器测试点切换工作；模拟实验板和数字实验板实现的是具体的实验电路。
    单片机串口通信板在硬件平台中处于至关重要的地位，它负责与LabVIEW服务器的串行口通信、实验数据字节的输出和获取、模拟实验测试点的切换。系统选用了AT89C51作核心控制器。实验台控制板主要实现模拟实验各输入／输出测试点的可控制切换。实现多个模拟实验时，需要切换输入信号输入点和变更信号参数，还需要切换数字电压表和示波器的测试点。由于实验系统需要实现远程控制测试点的切换，所以模拟实验板上相关测试点都必须引出接线点，以便于与实验台控制板接口。当增加实验数目，也无需改动实验台控制板时，只要从实验板引出测试点和实验台控制板接口即可。
2．2 远程虚拟实验室系统软件设计
    如图1所示，整个远程虚拟实验室系统的软件构成可分为以下几个子系统：Web服务器子系统、本地仪器控制子系统和客户端子系统。

    Web服务器是整个系统的核心部分。通过Web服务器，用户可以访问Web站点、控制仪器，并获得实验结果。公共网关接口(CGI)和传输控制协议(TCP)是客户端与Web服务器以及Web服务器与实验室服务器之间的主要通信方法。在本地控制子系统中，作为控制仪器的PC机上装有通用接口总线(GPIB)接口和一块网卡。仪器控制服务器通过已建立起的TCP／IP通道获得来自Web服务器控制仪器的命令字符串。进而启动仪器工作，完成测试任务。客户端子系统是嵌入在Web服务器中。当用户登录到Web服务器上后，用户可以浏览虚拟实验室站点，获得所提供实验的概括介绍以及详细说明。
2．3 虚拟实验室的交互过程
    开始实验操作时，远程用户通过浏览器进入远程虚拟实验室系统网站的登录页面，如图2所示。

    当Web服务器接收到来自客户端的有效CGI(common gateway interface)请求后，从表单中获取相应的实验参数，进而向仪器控制服务器提交调用VI的请求。运行于仪器控制服务器上的G Web Server接收到请求后，建立起与客户端TCP／IP连接，调用相应的VI程序：首先调用串口通信程序，即通过串口向硬件实验平台发送控制指令；然后启动仪器控制VI模块，使其通过GPIB接口卡调用相关仪器设备，对实验电路进行测试；最后将实验测试结果以CGI响应的方式回传到Web服务器，由Web服务器端的CGI程序刷新客户端显示，完成了整个实验的操作过程。

3 系统设计技术实现
    系统的整体设计采用Application Server＆API结构。Application Server＆API结构使用LabVIEW编程，以其内置TCP／IP模块为基础，构造一个Application Server应用服务器端和一个API用户终端，由TCP／IP模块完成网络互连，数据通信以及容错处理。该结构要求API用户终端将Application Server应用服务器端板卡采集的实验数据下载到本地终端来分析、计算、显示以及存储，除了对网络带宽、稳定性有很高的要求之外，对API用户终端的计算机性能也有很高的要求，适用于远程软件共享和仪器共享型实验。主程序框图结构如图3所示，客户端API模块先向服务端发送用户信息和实验请求，经服务端验证通过，建立TCP连接；然后服务端接受客户端实验参数并在进行实验仪器初始化；服务端采集实验数据并通过TCP／IP协议发送数据包，客户端接受共享实验数据。

    下面以周期信号时域特性的测量实验为例，介绍ApplicationServer＆API结构LabVIEW编程的实现方法。
    用户首先进入的是一个多媒体仿真界面，实验采样数据，同步显示波形；采集完全部实验数据，服务器发结束信息，然后断开网络联接，完成实验。图4显示的是客户端在远端实测的实验室周期信号的时域特性，用户可以选择保存按钮，将实验数据以需要的格式保存，进行相应的运算，还可以生成实验报告，最终完成实验。

4 结语
    本文以虚拟仪器为平台设计了网络虚拟实验室系统，通过用户登陆界面，嵌入一些虚拟实验仪器设备。实现了利用计算机网络进行实验仪器操作的模拟和测量，并在电子科学学院进行了演示，取得了很好的效果。该网络虚拟实验室较以往的虚拟实验室实现了网络化，达到了资源共享，避免了仪器重复添置和资源浪费，使学生做实验不再受时间和地点的限制。具有开发周期短，使用效率高，可扩展性强，成本低廉的特点，是解决目前高教扩招带来的资源紧张问题的一种行之有效的途径。随着计算机技术的不断发展和网络技术的不断完善，虚拟实验室会有更好的应用前景。