網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　摘 要： 本文介紹了一種基于Web技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建方法。這種方法能夠節(jié)省資金，使實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間及空間的限制。依靠這種基于Web的實(shí)驗(yàn)室，用戶僅需配置標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，以及LabVIEW的運(yùn)行引擎Run-Time Engine，就可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)的訪問以及操作。本設(shè)計(jì)在LabVIEW環(huán)境下，利用Remote Panels技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于C/S結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程訪問及控制，通過仿真實(shí)驗(yàn)與遠(yuǎn)程操作的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了綜合性的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。
　　關(guān)鍵詞： 虛擬實(shí)驗(yàn)室 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái) Remote Panels技術(shù) C/S結(jié)構(gòu)
　　
　　1.引言
　　所謂虛擬儀器，就是在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，用戶根據(jù)需求來定義和設(shè)計(jì)儀器的測(cè)試功能，其實(shí)質(zhì)是充分利用計(jì)算機(jī)的最新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能［１］。虛擬儀器系統(tǒng)的構(gòu)成有多種方式，主要取決于系統(tǒng)所采用的硬件和接口方式，其基本構(gòu)成如圖1所示［２］。
　　虛擬儀器包括硬件和軟件兩個(gè)基本要素。硬件的主要功能是獲取真實(shí)世界中的被測(cè)信號(hào)，可分為兩類［３］：一類是滿足一般科學(xué)研究與工程領(lǐng)域測(cè)試任務(wù)要求的虛擬儀器，最簡單的是基于PC總線的插卡式儀器，也包括帶GPIB接口和串行接口的儀器；另一類是用于高可靠性的關(guān)鍵任務(wù)，如航空、航天、國防等應(yīng)用的高端VXI儀器。
　　LabVIEW是美國國家儀器公司（NI）的產(chǎn)品，是一種基于圖形編程語言的開發(fā)環(huán)境G語言，主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域［６］。LabVIEW是一個(gè)開放式的開發(fā)環(huán)境，用戶可以將其與任何測(cè)量硬件輕松連接。
　　虛擬實(shí)驗(yàn)就是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，以Web為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，將一系列軟件和硬件有機(jī)結(jié)合起來，通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊、拖動(dòng)和鍵盤操作等，按照實(shí)驗(yàn)要求和實(shí)驗(yàn)過程組裝成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
　　2.網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
　　網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的仿真現(xiàn)實(shí)中現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與儀器技術(shù)的結(jié)合。網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)降低了科研成本，節(jié)省了研究經(jīng)費(fèi)并且提高了使用效率。它突破了傳統(tǒng)教學(xué)模式受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，提高教學(xué)效率。
　　2.1網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
　　基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室一般采用C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)式構(gòu)建，其主要分為兩類——基于Internet的C/S結(jié)構(gòu)以及基于Web的C/S結(jié)構(gòu)。
　　針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于高校教育上的特點(diǎn)，我們采用了基于Web的分布式C/S結(jié)構(gòu)。Web的C/S模式，也即通常意義上的B/S（Browser/Server）模式，客戶機(jī)上無需安裝專門的客戶端軟件，只要有標(biāo)準(zhǔn)的Web瀏覽器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的訪問，不過其缺點(diǎn)在于不適合大量數(shù)據(jù)的傳輸。由于將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主體部分集中到了服務(wù)器端，對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)以及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的增加也只需在服務(wù)器端進(jìn)行。這樣不僅使系統(tǒng)的維護(hù)工作大大減輕，而且當(dāng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目增加時(shí)，只需要對(duì)服務(wù)器端進(jìn)行更新，使系統(tǒng)具有高擴(kuò)展性和適應(yīng)性［３］。
　　2.2Remote Panels技術(shù)
　　從LabVIEW 6.1開始，LabVIEW集成了Remote Panels技術(shù)，允許用戶直接在客戶端計(jì)算機(jī)上打開并操作位于服務(wù)器端計(jì)算機(jī)上的VI的前面板，甚至可以將LabVIEW VIs的前面板窗口嵌入到一個(gè)網(wǎng)頁中并在網(wǎng)頁中直接操作它，這是一種軟件操作界面共享方式。
　　LabVIEW的Remote Panels不僅可以觀看，而且可以在LabVIEW的環(huán)境中或?yàn)g覽器上加以控制 。這個(gè)強(qiáng)大的功能讓開發(fā)人員可以輕松地創(chuàng)建遠(yuǎn)程應(yīng)用程序，使用戶在周末的時(shí)候坐在家中的計(jì)算機(jī)前輕松地監(jiān)控辦公室、實(shí)驗(yàn)室甚至生產(chǎn)線上的各種情況。
　　2.3遠(yuǎn)程訪問原理
　　網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要針對(duì)大學(xué)物理、數(shù)字電子，模擬電子、電學(xué)、磁學(xué)、傳感器原理等方面。學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)登陸本仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以在線做理工類仿真實(shí)驗(yàn)。在網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)上，學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)，運(yùn)行在服務(wù)器端的平臺(tái)仿真程序根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行仿真，并實(shí)時(shí)返回仿真結(jié)果。主要原理圖如圖2：
　　實(shí)驗(yàn)者可以通過瀏覽器觀察模擬實(shí)驗(yàn)過程，通過鼠標(biāo)的點(diǎn)擊以及拖曳動(dòng)作來操作和控制虛擬的實(shí)驗(yàn)過程。在本文所介紹的過程控制虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中，學(xué)生通過瀏覽器就可以觀察到參數(shù)的調(diào)節(jié)對(duì)控制過程產(chǎn)生的各種影響，使得他們很方便的觀察到不同的控制效果并很容易地掌握控制原理，極大地提高了他們的學(xué)習(xí)興趣和效率。本系統(tǒng)的開發(fā)為用戶訪問遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室提供了技術(shù)支持，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把實(shí)驗(yàn)過程、方法，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果迅速而直觀的展示給遠(yuǎn)程用戶。
　　下面以磁化曲線為例介紹仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。
　　3.磁化曲線
　　3.1基本原理
　　如果在由電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中放入鐵磁物質(zhì)，則磁場(chǎng)將明顯增強(qiáng)，此時(shí)鐵磁物質(zhì)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度比沒放入鐵磁物質(zhì)時(shí)電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大百倍，甚至在千倍以上。鐵磁物質(zhì)內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有如下的關(guān)系：B=μH
　　對(duì)于鐵磁物質(zhì)而言，磁導(dǎo)率μ并非常數(shù)，而是隨的變化而變化的物理量，即μ=f（H），為非線性函數(shù)。所以B與H也是非線性關(guān)系，如圖3所示：
　　鐵磁材料的磁化過程為：其未被磁化時(shí)的狀態(tài)稱為去磁狀態(tài)，這時(shí)若在鐵磁材料上加一由小到大變化的磁化場(chǎng)，則鐵磁材料內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B也隨之變大。但當(dāng)H增加到一定值（Hs）后，B幾乎不再隨著H的增加而增加，說明磁化達(dá)到飽和，如圖3中的OS段曲線所示。從未磁化到飽和磁化的這段磁化曲線稱為材料的起始磁化曲線?？梢钥闯?，鐵磁材料的B和H不是直線，即鐵磁材料的磁導(dǎo)率μ=B/H不是常數(shù)。
　　3.2設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)
　　當(dāng)U = 0，0.2，0.4，0.6 ...3.0 V時(shí)，根據(jù)前面板中的電路圖計(jì)算出U，U，H和B，作出B-H曲線即磁化曲線，如圖4。
　　由磁化曲線的程序框圖，即圖5可知，本設(shè)計(jì)主要是由兩個(gè)公式節(jié)點(diǎn)、各種運(yùn)算控件，Build XY Graph控件和圖形控件XY Graph組成。與Waveform Graph一樣，XY Graph也是一次性完成波形顯示刷新。不同的是，XY波形記錄控件在波形顯示的同時(shí)還反映測(cè)量點(diǎn)X、Y值的變化，所以它的輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由兩組數(shù)據(jù)大包（bundle）構(gòu)成的簇，簇的每一對(duì)數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)一個(gè)顯示數(shù)據(jù)點(diǎn)的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)［４］。
　　由數(shù)組控件得到一串?dāng)?shù)組U，經(jīng)過公式節(jié)點(diǎn)中運(yùn)算處理后得到B的一串?dāng)?shù)組以及H的一串?dāng)?shù)組。經(jīng)Build XY Graph捆綁后由XY Graph輸出波形。
　　4.基于Web的交互型虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)
　　4.1Web服務(wù)器設(shè)置
　　發(fā)布一個(gè)站點(diǎn)基本上是將站點(diǎn)上的文件提制到一個(gè)目的地，讓其他人可以訪問站點(diǎn)［５］。在發(fā)布站點(diǎn)之前，應(yīng)該測(cè)試站點(diǎn)的各項(xiàng)操作都能正常工作，來確認(rèn)站點(diǎn)已準(zhǔn)備好發(fā)布。有一個(gè)好的方法可以確認(rèn)您的站點(diǎn)已準(zhǔn)備就緒，那就是在Web瀏覽器上進(jìn)行預(yù)覽并且瀏覽站點(diǎn)，檢查所有文件的狀態(tài)。這就需要通過配置IIS服務(wù)器來構(gòu)建測(cè)試Web應(yīng)用程序的環(huán)境。最后，將測(cè)試成功的Web應(yīng)用程序發(fā)布到Internet上［６］。
　　IIS默認(rèn)的Web文件存放于系統(tǒng)根目錄中的%system%?搖Inetpubwwroot中，如果主頁就放在這個(gè)目錄下，出于安全考慮，微軟建議用NTFS格式化使用IIS的驅(qū)動(dòng)器。
　　4.2主頁及仿真實(shí)驗(yàn)頁面設(shè)計(jì)
　　主頁界面如下圖6所示，頁面右下角是在線聊天程序。訪問此張頁面的人都可以進(jìn)行相互地聊天，教師也可以在線指導(dǎo)學(xué)生更好地完成實(shí)驗(yàn)以及在線答疑，使網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的交互性有了很大的提高。
　　在各個(gè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁中也可加入另一些美化框圖或程序來完善頁面，具體方法與設(shè)計(jì)網(wǎng)頁一樣。
　　教師要介紹虛擬實(shí)驗(yàn)室在網(wǎng)絡(luò)部分的構(gòu)建方法，包括Web服務(wù)器和LabVIEW服務(wù)器的設(shè)置，以及VI的嵌套實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)頁設(shè)計(jì)。
　　5.結(jié)語
　　本文設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分：一部分是仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)，另一部分是通過Web的網(wǎng)頁形式來調(diào)用此仿真平臺(tái)。
　　虛擬實(shí)驗(yàn)室雖然能很大程度地輔助教學(xué)，但并不代表可以代替真的實(shí)驗(yàn)室。若學(xué)生要有真實(shí)的控制儀器的經(jīng)驗(yàn)，便需要在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)室里做實(shí)驗(yàn)。如果某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)只是集中于設(shè)計(jì)、解決問題的過程，而不是要求學(xué)生對(duì)儀器的親自控制，這時(shí)就可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室。
　　
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　　 注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請(qǐng)以PDF格式閱讀”