基于Labview的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)

蔡鍔+孫林

（長安大學(xué)汽車學(xué)院 陜西·西安 710064）

摘 要 針對目前高等工科院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的需求，本文結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建了一種基于Labview的網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件采用NI公司PXI總線平臺設(shè)備，軟件采用客戶端/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)，服務(wù)器和客戶端之間采用Datasocket技術(shù)進(jìn)行通信。系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐表明，硬件設(shè)備性能可靠，軟件系統(tǒng)功能靈活。

關(guān)鍵詞 網(wǎng)絡(luò)化 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 虛擬儀器 Labview

中圖分類號：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.08.015

Development of Network Virtual Instrument

Laboratory System Based on Labview

CAI E， SUN Lin

（School of Automobile， Chang'an University， Xi'an， Shaanxi 710064）

Abstract： To satisfy the reformation requirement of experiment teaching in colleges of engineering， in this paper， a Laboratory System combining the virtual instrument technology with network technology is developed. The PXI platform devices of NI Company are applied in this system. Based on C/S framework， the system software is designed， and the communication between server and client is carried on by the Datasocket technology. Educational practice of the system shows that the devices have the reliable performance， and the software function is flexible.

Keywords： network; experiment teaching; virtual Instrument; labview

0 引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高等院校本科教學(xué)中占有重要地位，它對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)發(fā)揮著重要作用。過去實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在如下弊端：學(xué)生過分依賴教師，實(shí)驗(yàn)中重知識、重驗(yàn)證，缺乏創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶褪侄蔚穆浜笠呀?jīng)成為制約高等學(xué)校本科教育改革的重要問題之一。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)結(jié)合起來，從而構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺①②③已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個方向，國外一些大學(xué)已經(jīng)建立了諸如化學(xué)工程、機(jī)械工程等網(wǎng)絡(luò)虛擬工程實(shí)驗(yàn)室，相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）通過多媒體手段，能顯著提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)互動性，將過去相對封閉的教學(xué)模式變?yōu)殚_放的教學(xué)模式;（2）相對于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)場地和時間的諸多限制問題，能夠?qū)崿F(xiàn)有限實(shí)驗(yàn)資源的高效共享，降低了實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本;（3）采用模塊化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，易于增加實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)成本。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于客戶端/服務(wù)器（CS）架構(gòu)，選用JSP網(wǎng)站開發(fā)語言構(gòu)建系統(tǒng)平臺。采用基于虛擬儀器技術(shù)的Labview編程語言，開發(fā)多種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目模塊，利用Labview自帶的DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信。選用Sqlserver數(shù)據(jù)庫開發(fā)數(shù)據(jù)存儲平臺，完成相關(guān)信息及實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的存取。本系統(tǒng)通過引入用戶認(rèn)證和預(yù)約機(jī)制，實(shí)現(xiàn)硬件資源的高效分時共享。該系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由核心服務(wù)器、本地?cái)?shù)據(jù)采集儀器、遠(yuǎn)程客戶端及數(shù)據(jù)庫等幾部分組成。

圖1 網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)系統(tǒng)框圖

圖2 網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件組成

1.2 硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室要求系統(tǒng)硬件在無人狀態(tài)下仍能長期穩(wěn)定工作，從而最大限度的利用硬件系統(tǒng)資源，因此本系統(tǒng)硬件選用了NI公司的具有高可靠性和穩(wěn)定性能的PXI總線架構(gòu)產(chǎn)品，以一臺高性能計(jì)算機(jī)作為核心服務(wù)器，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)選用PXIe-1073機(jī)箱，它內(nèi)置了MXIe控制卡，通過MXIe技術(shù)和服務(wù)器進(jìn)行連接，這種方案在充分利用高性能計(jì)算機(jī)的同時，能有效降低了硬件成本。PXI機(jī)箱共包含了5個PXI采集卡插槽，本硬件系統(tǒng)包含了PXIe-4492、PXIe-6366以及PXIe-4330三塊采集卡，剩余插槽便于日后的系統(tǒng)擴(kuò)展。

本系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)采集卡說明如下。PXIe-4492是自帶電流激勵的8通道同步數(shù)據(jù)采集卡，主要完成實(shí)驗(yàn)中振動加速度值、聲音信號的測量。PXIe-6366是多功能通用數(shù)據(jù)采集卡，主要完成實(shí)驗(yàn)中電壓值、電流值以及數(shù)字信號等的測量和輸出。PXIe-4330是8通道可編程電橋輸入采集卡，主要完成應(yīng)變信號的測量。系統(tǒng)硬件的詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。從表1可以看出，本系統(tǒng)包含的硬件能夠完成大多數(shù)模擬電路、數(shù)字電路、傳感器信號處理技術(shù)以及材料力學(xué)等課程信號采集的需求，當(dāng)需要進(jìn)行硬件擴(kuò)展時，不但能對剩余插槽進(jìn)行擴(kuò)展，并且利用PXI總線的級聯(lián)特性能夠?qū)崿F(xiàn)更多PXI機(jī)箱以及采集卡通道的擴(kuò)展。

圖4 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體軟件方案如圖3所示。系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，系統(tǒng)劃分為表現(xiàn)層、領(lǐng)域?qū)雍蛿?shù)據(jù)層三個層次。分為客戶端和服務(wù)器端，客戶端與服務(wù)器端通過校園局域網(wǎng)進(jìn)行連接，它們之間采用Labview自帶的Datasocket網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交換。其中，實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理以及仿真和實(shí)時測量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理和訪問集中在客戶端中，而硬件設(shè)備的核心控制和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存集中在服務(wù)器端，這種架構(gòu)能充分利用客戶端和服務(wù)器端的PC處理能力。

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求分析，軟件系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為核心，整個軟件系統(tǒng)可劃分為五個功能模塊：用戶注冊和管理模塊、實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理模塊、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)K、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)預(yù)約和數(shù)據(jù)庫管理模塊。細(xì)化各模塊的功能，構(gòu)建系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。用戶注冊和管理模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)用戶的管理和維護(hù)，即完成添加、修改、刪除用戶等基本操作。其中用戶設(shè)置模塊可以設(shè)置用戶的類型和權(quán)限，該模塊只有系統(tǒng)管理員有使用權(quán)限。

（a）系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

（b）信號處理技術(shù)模塊網(wǎng)頁發(fā)布圖

圖5 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)K包含仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)時測量兩部分，其中仿真實(shí)驗(yàn)部分提供給學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前熟悉實(shí)驗(yàn)儀器和熟悉實(shí)驗(yàn)步驟。實(shí)時測量部分通過認(rèn)證客戶端的請求，利用Datasocket技術(shù)控制硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時本地采集，所采集數(shù)據(jù)存儲在本地服務(wù)器中，并通過Labview的網(wǎng)頁發(fā)布技術(shù)進(jìn)行客戶端的數(shù)據(jù)顯示。根據(jù)系統(tǒng)采用的硬件，本軟件系統(tǒng)共設(shè)置了模擬電子、數(shù)字電子、測試技術(shù)、信號處理技術(shù)及材料力學(xué)等實(shí)驗(yàn)課程的相關(guān)測量實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生完成網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)時，首先通過遠(yuǎn)程預(yù)約模塊進(jìn)行預(yù)約模擬仿真實(shí)驗(yàn)，然后通過用戶注冊和認(rèn)證后，進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，利用Labview強(qiáng)大的人機(jī)交互能力，本模塊根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)了多種虛擬儀器界面，如針對模擬電子實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了模擬信號發(fā)生器、示波器，典型運(yùn)算放大電路，典型晶體管放大電路等。針對信號處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了任意波形發(fā)生器、典型濾波模塊、功率譜分析模塊等。在模擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，學(xué)生通過了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以熟悉具體的實(shí)驗(yàn)步驟，并在預(yù)習(xí)通過的基礎(chǔ)上，在約定時間內(nèi)完成實(shí)時操作實(shí)驗(yàn)。

本系統(tǒng)的實(shí)時測量模塊由本地服務(wù)器進(jìn)行控制，通過Labview的Datasocket技術(shù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端和客戶端之間的數(shù)據(jù)交換，接受客戶端的采集請求，從而控制本地?cái)?shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行工作，所采集數(shù)據(jù)存儲在本地服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)接收到客戶端的數(shù)據(jù)讀取要求時，通過Labview的網(wǎng)頁發(fā)布功能，由服務(wù)器進(jìn)行網(wǎng)頁發(fā)布，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的回放顯示。本系統(tǒng)還設(shè)置了實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助管理模塊。實(shí)驗(yàn)完成后，由學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)報告提交模塊完成實(shí)驗(yàn)報告的上傳，教師評閱后給出實(shí)驗(yàn)成績，并且學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)成績查詢模塊可進(jìn)行成績查詢。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的實(shí)物照片如圖5所示，圖5（a）為硬件實(shí)物圖，包含了PXIe-1073機(jī)箱和PXIe-4492采集卡以及相應(yīng)的接線BNC端子。圖5（b）為信號處理技術(shù)模塊中的信號分析功能面的網(wǎng)頁發(fā)布界面，學(xué)生利用該界面，通過和服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互通信，不但能實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的查詢和回放功能，而且能實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的時域指標(biāo)計(jì)算、頻譜分析，1/3倍頻程分析等常見信號分析處理功能。

4 結(jié)論

本文通過構(gòu)建基于labview的網(wǎng)絡(luò)化虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不但降低了實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)設(shè)備的購置費(fèi)用，而且能顯著提高了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)水平和質(zhì)量。初步的教學(xué)實(shí)踐表明，系統(tǒng)硬件設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，軟件功能靈活、易于擴(kuò)展，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)積極性和效率都得到了顯著的提高。

注釋

① 王亞麗，黃勇堅(jiān).LabVIEW在電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.電子技術(shù)，2010.10：69-71.

② 戴一平.LabVIEW平臺在教育技術(shù)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用分析.現(xiàn)代教育技術(shù)，2012.8：113-117.

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).實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011.2：74-79.