基於虛擬儀器的網絡虛擬實驗室構建

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　周毅　供稿   收藏

    
應用領域： 院校

挑戰：構建基於Internet 的分佈式網絡虛擬實驗室體系，實現實驗數據和實驗設備的遠程共享。

應用方案： 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，構建基於Interntet 的分佈式網絡虛擬實驗室體系，實現實驗數據和實驗儀器遠程共享，爲高等院校學員提供專業實驗教學平臺，解決高教擴招帶來的教學資源緊張問
題。

使用產品： 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

    將虛擬儀器技術推向網絡應用，更能發揮其“軟件就是儀器”的優勢，更有助於形成分佈式的網絡測量體系，實現數據和儀器的遠程共享，從而爲實驗教學以及遠程測控服務。

    本網絡虛擬實驗室的使用BSDA 結構，由客戶端、Web 服務器、應用服務器以及實驗設備四個模塊組成。具備開發週期短，成本低的特點，同時又具有很強的兼容性和擴展性，能夠大大提高儀器的使用效率，避免不必要的重複投資，非常適用於高等院校實驗教學和科研，具有十分廣闊的應用前景。

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

    網絡虛擬實驗室是一個無牆的中心，通過計算機網絡系統，研究人員或學生將不受時空的限制，隨時隨地與同行協作，共享儀器設備，共享數據和計算資源，得到教師的遠程指導以及與同行相互研討。

    由於通過網絡虛擬實驗室能夠實現跨時空跨學科的儀器設備遠程共享，甚至遠程控制，滿足科研教學對分佈式實驗系統的要求，同時解決棘手的教學資源緊張問題，國外的很多科研院所也已經進行了相關的有益嘗試。如Carnegie-Mellon University 的卡內基梅隆虛擬實驗室（Carnegie Mellon‘s Virtual Lab） ， Johns Hopkins University 的虛擬工程與科學實驗室（A Virtual Engineering/Science Laboratory） ， 以及The University of Tennessee at Chattanooga 的網上工程實驗室（Engineering Laboratories on the Web）是其中的比較成功的範例。

    網絡虛擬實驗室大多使用的是CS（客戶端／服務端）結構，按其實現功能基本可分爲三類：

    ①軟件共享網絡虛擬實驗室。其特點爲，服務端共享本地的虛擬實驗室模擬軟件平臺，接受客戶端發送的實驗請求，分析和處理實驗參數，經過計算模擬最終將結果返回客戶端。整個系統不涉及具體的實驗儀器硬件設備，只是利用軟件模擬實驗的過程；

    ②儀器共享網絡虛擬實驗室。服務端同樣接受客戶端的實驗請求和實驗參數，使用實驗參數配置與之連接的實驗儀器硬件設備，由實驗儀器硬件設備進行實驗，並將實驗結果返回服務端，最後返回到用戶端，實現實驗儀器的共享，實驗數據的共享。

    ③遠程控制網絡虛擬實驗室。與儀器共享網絡虛擬實驗室最大的區別在於除了實驗儀器實驗數據的共享之外，其還要實現客戶端對實驗儀器設備的遠程控制。

2．網絡虛擬實驗室實現原理

    網絡虛擬實驗室的構建多使用BSDA（Browser/Server/Database＆ Application） 結構，即客戶端／服務器／數據庫／應用程序結構，其原理如圖1 所示。

    典型的網絡虛擬實驗室由客戶端、網頁服務器端、應用服務器端以及實驗儀器設備四部分組成。網頁服務器主要作用是提供Web接入服務、用戶認證管理、開放式交互實驗環境以及動態網頁的生成；應用服務器主要作用是控制和管理實驗儀器、採集和處理實驗數據；數據庫的主要作用則是配合用戶帳戶的管理、動態網頁的生成以及實驗數據的存儲和管理。

3． 網絡虛擬實驗室的構成

    本網絡虛擬實驗室，主要由模擬仿真和實時測量兩個部分組成，如圖2 所示。

    模擬仿真部分，主要完成驗證型、原理演示型實驗，使用LabVIEW 自帶的網頁發佈功能，直接在Web 服務器端生成嵌入實驗平臺的WWW網頁，用戶只需使用網頁瀏覽器即可通過Internet 訪問網絡虛擬實驗室，進行實驗。實時測量部分，主要完成儀器共享型、遠程控制型實驗，有一個多媒體輔助模塊，是對實際實驗平臺界面的虛擬呈現，讓學生在進入實時測量模塊之前來操作，用來檢驗學生的預習程度，讓學生預先了解實驗內容，熟悉具體的實驗步驟；另一個是實時測量模塊，它是實時測量部分的核心，負責本地實驗數據的採集，並按遠程用戶的操作要求進行分析、存儲以及顯
示，可使用LabVIEW 的網頁發佈功能來實現，也可使用基於LabVIEW 編程的Application Server模塊與客戶端API 模塊來實現網絡互連，數據通信，完成遠程實驗。

4．網絡虛擬實驗室的硬件結構

    我們使用的是以NI-PXI架爲核心的硬件體系，並以一臺Dell PowerEdge4600 爲Web服務器，如圖3 所示。

    Dell PowerEdge4600 爲Web 服務器配備了2 個IntelXeon 2.8GHz 處理器，2GB ECC DDR RAM，3×36GB SCSI RAID（冗餘磁盤陣列），以及Broadcom Gigabit NIC 千兆網卡，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PXI-1000B機箱，嵌入了PXI-8176 控制器， 以及PXI-6070E，PXI-6071E 多功能數據採集卡，用來實現高速的數模轉換、數模輸入輸出以及數據採集；PXI-5102 高性能示波器卡來完成信號的發生，提供穩定可靠的信號源；

    PXI-2501 矩陣模塊用來實現不同測量元器件之間的自動切換，以滿足遠程用戶不同的測量要求，實現測量的多樣性；PXI-1422 圖像採集卡用來完成PCB 板、IC芯片的圖像提取，滿足電路檢查、IC設計的需要；PXI-7344 運動控制卡用來實現電機伺服系統的參
數提取，狀態跟蹤等。

    一臺SCXI-1000 機箱，嵌入了SCXI-1320 和SCXI-1125信號調理模塊，用來對微電子系統，微電流電壓信號的放大、降噪、濾波，保持整個體系的高精確度。

    一臺最新的NI-ELVIS用於實驗模型的建立，搭建實驗電路，構建小型的電子電路系統，實現電子電路實驗的遠程共享。

5．系統設計技術實現

5.1 模擬仿真部分

    模擬仿真部分，我們以LabVIEW 內置的網頁發佈功能爲基礎，通過HTML 設計網頁，並使用Microsoft IIS 5.0發佈功能，直接在服務器端生成嵌入實驗平臺的WWW 網頁，用戶只需使用網頁瀏覽器進入我們的站點，即可通過Internet 進行實驗，其原理如圖4 所示。

    LabVIEW 內置的Remote Panel Connection Manager 用來對用戶的使用情況進行監控與調度，NI Web Server 按照遠端實驗操作者制定的實驗數據，分析、計算數據最後顯示實驗曲線以及實驗結果，並將實驗結果嵌入生成的HTML 網頁中，用戶只需使用瀏覽器即可實時顯示實驗數據以及實驗曲線，以及完成報告生成等後續工作。

5.2 實時測量部分

    實時測量部分，我們使用了兩種實現方案，用來滿足不同情況下用戶對遠程實驗的要求：一種是Browser & NI Web Server 結構，另一種是Application Server & API 結構。使用PXI-1000B機箱以及嵌入的PXI 板卡來作爲NI Web Server 與Application Server。

    Browser & NI Web Server結構是在模擬仿真實現的基礎上，在NI Web Server 上連接相應的DAQ、SCXI 硬件，其再與實際的實驗儀器連接，用來實現遠程客戶端與實驗儀器的數據通信，完成實驗儀器的遠程共享，其原理如圖5所示。

    該結構適用於瘦客戶體系，客戶端無需計算分析數據，只需安裝因特網瀏覽器接收服務端傳輸的數據流，即可進行實驗，方便簡單，效率高，但是對服務器的運算能力、帶寬以及多線程狀態下的穩定性等指標要求比較高；同時由於每一時刻只允許一位用戶掌握控制權，所以比較適用於遠程控制型實驗。

    Application Server & API結構使用LabVIEW 編程，以其內置TCP/IP 模塊爲基礎，構造一個Application Server應用服務器端和一個API 用戶終端，由TCP/IP 模塊完成網絡互連，數據通信以及容錯處理。Application Server 用來採集傳輸實驗數據， 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，實現數據的獲取、分析運算以及顯示存儲等，其原理如圖6 所示。

    該結構要求API 用戶終端將Application Server 應用服務器端板卡採集的實驗數據下載到本地終端來分析、計算、顯示以及存儲，除了對網絡帶寬、穩定性有很高的要求之外，對API 用戶終端的計算機性能也有很高的要求，適用於遠程軟件共享和儀器共享型實驗，可以實現多用戶廣播式共享實驗數據。

    下面以半導體晶體管直流特性測試實驗爲例， 介紹Application
Server & API 結構LabVIEW 編程的實現方法。

    用戶首先進入的是一個多媒體仿真界面，用來檢驗預習狀況，
並熟悉實際的儀器操作。如圖7 所示，藉助一套實際儀器的圖形面板， 我們使用LabVIEW 模擬了晶體管直流特性測試曲線，用戶使用旋鈕以及各種開關，可以像操作實際儀器一般，瞭解實驗的具體內容和步驟。

    完成模擬之後，可以按下進入測量按鈕，進入實時測量面板，如圖8 所示。面板上方的工具欄是相關的模式選擇、參數設置以及數據存儲等操作，中央的是實驗曲線的顯示界面。

    主程序框圖結構如圖9 所示，客戶端API 模塊先向服務端發送用戶信息和實驗請求，經服務端驗證通過，建立TCP 連接；服務端然後接受客戶端實驗參數並在進行實驗儀器初始化；服務端採集實驗數據並通過TCP/IP 協議發送數據包，客戶端接受實驗採樣數據，並按一定數據格式插入測量數組，同步顯示波形；採集完全部實驗數據，服務器髮結束信息，然後斷開網絡聯接，完成實驗。

    圖8顯示的是客戶端在遠端實測的CCMS 實驗室本地晶體管的Ic－Vce 曲線圖，圖10 顯示晶體管放大倍數β的計算值，並實時顯示β－Ib曲線，用戶可以選擇保存按鈕，將實驗數據以需要的格式保存，進行相應的運算，使用HIQ 生成實驗報告，最終完成實驗。

6．效果與結論

    在NI 院校計劃的扶持之下，我們獲得了強大的技術支持。已經建立起以電子科學與技術專業爲基礎的十幾套實驗系統，初步構成了一個跨時空、跨學科、跨平臺的網絡虛擬實驗室雛形，爲本系本科生提供專業實驗課程，並在華中大武昌分校區進行了互聯網演示，實現了實驗儀器的遠程共享以及遠程實驗，收到了很好的效果。以NI 虛擬儀器平臺爲基礎的網絡虛擬實驗室，開發週期短，使用效率高，可擴展性強，成本低廉，是解決目前高教擴招帶來的資源緊張問題的一種行之有效的途徑。