基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵曉娟，盧慶林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽，712000）

基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵曉娟，盧慶林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽，712000）

為了解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備緊缺和教學(xué)質(zhì)量問題，通過使用虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究并構(gòu)建了基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程電子虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，經(jīng)過測(cè)試能夠完成仿真和測(cè)控電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程訪問、遠(yuǎn)程控制、資源共享和數(shù)據(jù)共享。

LabVIEW；虛擬技術(shù)；遠(yuǎn)程電子實(shí)驗(yàn)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能

遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐,計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)仿真為核心,主要具備以下功能特征：①開放性:通過網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程用戶開放,實(shí)現(xiàn)資源共享。用戶通過網(wǎng)絡(luò)可以自由地進(jìn)入或退出實(shí)驗(yàn)室,不受時(shí)、空的限制,使異地實(shí)驗(yàn),分布協(xié)作實(shí)驗(yàn)成為可能。②可擴(kuò)展性:隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，儀器設(shè)備不斷更新，遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)可不斷的對(duì)軟、硬件升級(jí)，增加新的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。③可操作性:其所有軟硬件集成于一個(gè)系統(tǒng)，各組成部分可以互相操控，用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作設(shè)備時(shí)如進(jìn)行本地實(shí)驗(yàn)。④自主性:其能為用戶提供一些個(gè)性化的服務(wù),定制使用虛擬儀器的方式,如通過設(shè)置來保護(hù)自己的數(shù)據(jù)資料等,體現(xiàn)用戶的自主性和控制性。⑤安全性:采用用戶鑒別注冊(cè)、權(quán)限驗(yàn)證技術(shù)、文獻(xiàn)加密等技術(shù)手段保證系統(tǒng)的安全。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠拒絕非法用戶進(jìn)入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以及隨時(shí)中止合法用戶的不當(dāng)操作,避免系統(tǒng)出錯(cuò)。

2 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體架構(gòu)

目前,遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)主要有兩種模式,一種是C/S模式，另一種是B/S模式。該平臺(tái)包括兩大組成部分。一是仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提供給用戶一系列模擬仿真實(shí)驗(yàn)，供用戶學(xué)習(xí)儀器使用、基本理論的驗(yàn)證等實(shí)驗(yàn)知識(shí)，釆用B/S模式。二是測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái),提供給用戶可以共享的硬件設(shè)備以及多種虛擬儀器。用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控設(shè)備,獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,采用C/S模式和B/S模式相結(jié)合的方式。

2.1 虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)及結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件,采用PC-DAQ方式構(gòu)建平臺(tái)硬件系統(tǒng)，包括傳感器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡ART2953、NI-ELVIS實(shí)驗(yàn)儀、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器等。硬件框架如下圖所示。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件框架

硬件是虛擬儀器的基礎(chǔ),主要進(jìn)行被測(cè)信號(hào)的采集、傳輸、存儲(chǔ)處理和輸入/輸出設(shè)備等；接口設(shè)備即采集調(diào)理部件,包括PC總線的數(shù)據(jù)采集DAQ卡、串口總線儀器等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器,完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。NI-ELVIS實(shí)驗(yàn)儀提供

有函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和可調(diào)電源,通過PCI連接器連到平臺(tái)工作站上實(shí)驗(yàn)板則可用來搭建實(shí)驗(yàn)電路。數(shù)據(jù)采集卡采用ART2953，它是一種基于 PC104 總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接和計(jì)算機(jī)的PC104 接口相連，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、檢測(cè)中心等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)。

2.2 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)

LabVIEW 8.60作為系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)。美國(guó)國(guó)家儀器NI公司開發(fā)的 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)),是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快,功能最強(qiáng)的一款基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件系統(tǒng)主要包括客戶端、Web服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器子系統(tǒng)三大部分。

3 虛擬電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文利用LabVIEW8.60開發(fā)軟件中的多個(gè)虛擬控件組建一個(gè)虛擬的電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過構(gòu)建虛擬電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要完成兩類實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：一為數(shù)字電子實(shí)驗(yàn)，如基本門電路的邏輯功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)、譯碼器實(shí)驗(yàn)、觸發(fā)器實(shí)驗(yàn)、加法器實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)選擇器實(shí)驗(yàn)。另為模擬電子實(shí)驗(yàn)，包括運(yùn)算放大器、功率放大器等波形放大、分析測(cè)試。利用LabVIEW軟件中的網(wǎng)絡(luò)編程控件將該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)布到校園網(wǎng)上,學(xué)生可以遠(yuǎn)程登錄該網(wǎng)頁(yè)完成電子實(shí)驗(yàn)任務(wù)。使用LabVIEW開發(fā)程序的過程：

3.1 方案設(shè)計(jì)

首先，按照設(shè)計(jì)要求，細(xì)分軟件任務(wù)，采用“自上而下,逐層細(xì)分”的原則，將軟件系統(tǒng)細(xì)分為幾個(gè)功能模塊，然后確定各模塊的實(shí)現(xiàn)方案。如數(shù)電基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括門電路功能測(cè)試、數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器、觸發(fā)器等；模電有單級(jí)共射放大電路、場(chǎng)效應(yīng)管放大器、負(fù)反饋放大電路電路、比例、求和電路、積分與微分電路、有源濾波電路、RC正弦波振蕩電路、功率放大電路等。

3.2 前面板創(chuàng)建

根據(jù)實(shí)際中的儀器面板以及該虛擬儀器所要實(shí)現(xiàn)的功能來創(chuàng)建前面板。前面板可實(shí)現(xiàn)用戶和所開發(fā)儀器的交互，用戶通過前面板如現(xiàn)場(chǎng)操作一樣對(duì)儀器操作，如下圖所示。

圖2 數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)前面板

3.3 程序框圖設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)程序框圖主要是對(duì)節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計(jì)，即建立圖形化的流程圖。程序框圖相當(dāng)于源代碼,它決定著儀器實(shí)現(xiàn)的功能,并通過前面板顯示出來。根據(jù)開發(fā)軟件所要實(shí)現(xiàn)的功能，選擇合適的函數(shù)節(jié)點(diǎn)，或通過調(diào)用子VI(使用LabVIEW開發(fā)的應(yīng)用程序,一般由一個(gè)或多個(gè)后綴為“VI”的文件構(gòu)成)。使用連線板完成對(duì)控件、節(jié)點(diǎn)、子VI的正確連線。

3.4 程序調(diào)試

設(shè)計(jì)前面板和程序框圖之后,還應(yīng)通過多次調(diào)試程序,查找錯(cuò)誤，改進(jìn)功能，直到其能完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求為止。調(diào)試程序方法主要有:查找語法錯(cuò)誤、設(shè)置高亮執(zhí)行程序、設(shè)置斷點(diǎn)與單步執(zhí)行方式、采用探針實(shí)時(shí)查看某根連線的數(shù)據(jù)值。

另外，測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)思路與仿真平臺(tái)相似，先設(shè)計(jì)各個(gè)虛擬儀器子VI，并完成本地調(diào)試。調(diào)試成功后,采用子面板插入技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)程序的動(dòng)態(tài)載入，設(shè)計(jì)完成測(cè)控平臺(tái)主界面程序。用戶進(jìn)入平臺(tái)后,通過平臺(tái)主界面提供的各個(gè)按鍵選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,在主界面顯示的虛擬實(shí)驗(yàn)屏幕上設(shè)置好所選儀器參數(shù)，或者采集NI-ELVIS上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，或者將虛擬儀器產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出到NI-ELVIS上，以完成實(shí)驗(yàn)。

4 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在 LabVIEW 中，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)包括共享變量、DataSocket、TCP∕IP 、UDP 和遠(yuǎn)程面板調(diào)用等。本文主要釆用遠(yuǎn)程前面板技術(shù)實(shí)現(xiàn)客戶端瀏覽器對(duì)服務(wù)器上仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)VI的遠(yuǎn)程查看和控制。測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程通信的實(shí)現(xiàn)主要用共享變量技術(shù)和LabVIEW的網(wǎng)頁(yè)發(fā)布技術(shù)。

4.1 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1.1 服務(wù)器端設(shè)置：其主要完成服務(wù)器配置及VI程序的發(fā)布。具體方法如下:

（1）完成對(duì)Web Server配置選項(xiàng)、可見VI選項(xiàng)、瀏覽器訪問選項(xiàng)的設(shè)置。具體方法:打開要發(fā)布VI的前面板,選擇工具菜單/選項(xiàng)，從類別列表中選擇以下選項(xiàng)頁(yè),完成設(shè)置。①選擇Web服務(wù)器:“配置”頁(yè)面,出現(xiàn)對(duì)話框,按圖配置好各項(xiàng)參數(shù),以啟用Web服務(wù)器，發(fā)布前面板圖像及HTML文檔。其中，HTTP端口為Web服務(wù)器所用的TCP/IP端口。②選擇Web服務(wù)器:“可見VI”頁(yè)面,添加允許被遠(yuǎn)程連接的VI，在可見VI輸入框中輸入通過Web服務(wù)器可見的VI名稱,添加至可見VI列表。若輸入“*”表示允許訪問所有VI。③選擇Web服務(wù)器:“瀏覽器”訪問頁(yè)面,添加允許訪問的瀏覽器地址,并給予其“允許查看的控制”權(quán)限。輸入“瀏覽器地址”時(shí)可用通配符“*”來指定一組瀏覽器地址并設(shè)置權(quán)限。最后選擇“確定”,完成Web Server配置。

（2）使用“Web發(fā)布工具”發(fā)布子VI。選擇菜單“工具/Web發(fā)布工具”,打開發(fā)布頁(yè)面,選擇要發(fā)布的VI及查看模式，鍵入生成HTML文檔的標(biāo)題、頁(yè)眉、頁(yè)腳等內(nèi)容，選擇網(wǎng)頁(yè)保存目錄及

文件名，完成VI的發(fā)布。

4.1.2 客戶機(jī)端設(shè)置：完成服務(wù)器端的設(shè)置后,客戶機(jī)通過簡(jiǎn)單設(shè)置快捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器內(nèi)存中VI的查看和控制。若沒有LabVIEW的客戶機(jī)需安裝LabVIEW運(yùn)行引擎, 一般客戶端是安裝有Windows操作系統(tǒng)和支持ActiveX瀏覽器的PC機(jī)，通過Internet與Web服務(wù)器相連。用戶通過網(wǎng)頁(yè)瀏覽的方式訪問遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)站點(diǎn)，完成正確登錄后，選擇所要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。若要遠(yuǎn)程控制VI，需使用Web瀏覽器輸入服務(wù)器發(fā)布VI時(shí)生成的URL,就可看到VI的遠(yuǎn)程前面板,通過鼠標(biāo)右擊前面板任何地方,在彈出快捷菜單中可選擇控制。安裝有LabVIEW客戶機(jī)可通過LabVIEW作為客戶端查看和控制遠(yuǎn)程前面板。需新建一個(gè)VI,并選擇“操作/連接遠(yuǎn)程前機(jī)板”,就可打開連接遠(yuǎn)程前面板對(duì)話框?？梢苑奖愕貙?shí)現(xiàn)用戶與服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信，監(jiān)控、接收服務(wù)器端的數(shù)據(jù),并進(jìn)行分析和處理。

4.2 測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

測(cè)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)遠(yuǎn)程通信的實(shí)現(xiàn)主要用共享變量技術(shù)和LabVIEW本身的網(wǎng)頁(yè)發(fā)布技術(shù)。用戶遠(yuǎn)程登錄測(cè)控平臺(tái), 使用虛擬儀器處理遠(yuǎn)程信號(hào),并將信號(hào)通過共享變量技術(shù)讀取到本地PC機(jī)上。不僅對(duì)每個(gè)共享變量進(jìn)行配置，還要通過共享變量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞。通過其屬性對(duì)話框,選擇“網(wǎng)絡(luò)發(fā)布”。將服務(wù)器上測(cè)控平臺(tái)每個(gè)VI的共享變量作為網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的數(shù)據(jù)源, 將客戶機(jī)VI的共享變量通過網(wǎng)絡(luò)路徑“綁定”這些數(shù)據(jù)源,服務(wù)器上處理的數(shù)據(jù)就可實(shí)時(shí)傳遞至客戶機(jī)。然后配置并啟動(dòng)Web服務(wù)器,并將測(cè)控平臺(tái)前面板發(fā)布到Web服務(wù)器中,這樣客戶機(jī)通過瀏覽器或連接至遠(yuǎn)程前面板方式,就能遠(yuǎn)程訪問測(cè)控平臺(tái),完成實(shí)驗(yàn)。

測(cè)試結(jié)果表明,該虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定,人機(jī)操作界面友好,系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng),較易維護(hù)，不僅成本低，登陸方便自由，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，為異地?shí)驗(yàn)提供了平臺(tái),不再受傳統(tǒng)面對(duì)面的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降南拗?且可以節(jié)約大量重復(fù)投資,有利于改善辦學(xué)條件,提高教學(xué)效果,在改革傳統(tǒng)教學(xué)方法、提高教學(xué)質(zhì)量、教育資源共享、節(jié)約投資等方面都具有十分重要的意義。

[1] 陳錫輝,張銀輝.LABVIEW8.60程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

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[3] 戴成梅，戴成建.基于 LabVIEW 的電工電子網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室研究與開發(fā)[J].實(shí)驗(yàn)室研 究與探索，2011.

邵曉娟，女，陜西榆林人，講師，碩士，研究方向：控制工程

盧慶林，男，教授，碩士，研究方向：電氣控制

圖3 基于流媒體的移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)服務(wù)器端

通過Android客戶端的Apache HttpClient向Servlet發(fā)出響應(yīng)請(qǐng)求，并通過Servlet將其請(qǐng)求轉(zhuǎn)交給業(yè)務(wù)層，并通過DAO接口實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接和交互，從而使得用戶通過Android客戶端獲取相關(guān)的結(jié)果。

6 結(jié)束語

通過上述的設(shè)計(jì)，采用J2EE開發(fā)語言，實(shí)現(xiàn)了基于流媒體技術(shù)的大學(xué)生英語移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)在Android設(shè)備終端的使用，并可有效的提高大學(xué)生學(xué)習(xí)英語的熱情，具有很強(qiáng)的針對(duì)性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

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[2] JAVA 開發(fā)網(wǎng)［EB/OL］.http://www.cjsdn.com/

[3] 姚昱旻.基于 Android 的移動(dòng)學(xué)習(xí)終端平臺(tái)的開發(fā)與研究[D].中南大學(xué),2008

作者簡(jiǎn)介

楊洋，女，1985.3.28,陜西省商洛市，助教，研究方向:外國(guó)語言學(xué)及應(yīng)用語言學(xué)，英語教學(xué)

Design and implementation of remote electronic experimental platform based on Virtual Instrument Technology

Shao Xiaojuan,Lu Qinglin
（Shaanxi Polytechnic Institute，Xianyang，712000,China）

In order to solve the problem of shortage of equipment and teaching quality of experimental, through the use of virtual instrument technology and computer network technology research and construct electronic remote virtual experiment platform based on virtual instrument,after testing can complete simulation and control of electronic experimental teaching task,realize the sharing of remote access,remote control,resource sharing and data.

LabVIEW;virtual technology;remote electronic experimental;network technology