網絡虛擬實驗室仿真實驗平臺的設計

　　摘 要： 本文介紹了一種基于Web技術的虛擬實驗室仿真實驗平臺的構建方法。這種方法能夠節省資金，使實驗不受時間及空間的限制。依靠這種基于Web的實驗室，用戶僅需配置標準的網絡瀏覽器，以及LabVIEW的運行引擎Run-Time Engine，就可通過網絡實現對實驗的訪問以及操作。本設計在LabVIEW環境下，利用Remote Panels技術實現了基于C/S結構的遠程訪問及控制，通過仿真實驗與遠程操作的結合，實現了綜合性的虛擬實驗環境。
　　關鍵詞： 虛擬實驗室 仿真實驗平臺 Remote Panels技術 C/S結構
　　
　　1.引言
　　所謂虛擬儀器，就是在通用計算機平臺上，用戶根據需求來定義和設計儀器的測試功能，其實質是充分利用計算機的最新技術來實現和擴展傳統儀器的功能［１］。虛擬儀器系統的構成有多種方式，主要取決于系統所采用的硬件和接口方式，其基本構成如圖1所示［２］。
　　虛擬儀器包括硬件和軟件兩個基本要素。硬件的主要功能是獲取真實世界中的被測信號，可分為兩類［３］：一類是滿足一般科學研究與工程領域測試任務要求的虛擬儀器，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鍵任務，如航空、航天、國防等應用的高端VXI儀器。
　　LabVIEW是美國國家儀器公司（NI）的產品，是一種基于圖形編程語言的開發環境G語言，主要用于儀器控制、數據采集、數據分析、數據顯示等領域［６］。LabVIEW是一個開放式的開發環境，用戶可以將其與任何測量硬件輕松連接。
　　虛擬實驗就是指利用計算機技術與網絡通訊技術，以Web為實現平臺，將一系列軟件和硬件有機結合起來，通過鼠標的點擊、拖動和鍵盤操作等，按照實驗要求和實驗過程組裝成一個完整的實驗系統。
　　2.網絡虛擬實驗系統
　　網絡虛擬實驗系統是基于網絡的仿真現實中現場操作實驗的計算機應用系統，它實現的基礎是計算機技術、網絡技術與儀器技術的結合。網絡虛擬實驗系統降低了科研成本，節省了研究經費并且提高了使用效率。它突破了傳統教學模式受時間、地點的限制，提高教學效率。
　　2.1網絡虛擬實驗系統的體系結構
　　基于網絡的虛擬實驗室一般采用C/S（Client/Server）結構式構建，其主要分為兩類——基于Internet的C/S結構以及基于Web的C/S結構。
　　針對虛擬實驗室應用于高校教育上的特點，我們采用了基于Web的分布式C/S結構。Web的C/S模式，也即通常意義上的B/S（Browser/Server）模式，客戶機上無需安裝專門的客戶端軟件，只要有標準的Web瀏覽器就可以實現對虛擬實驗室的訪問，不過其缺點在于不適合大量數據的傳輸。由于將實驗系統的主體部分集中到了服務器端，對系統的維護以及實驗項目的增加也只需在服務器端進行。這樣不僅使系統的維護工作大大減輕，而且當實驗項目增加時，只需要對服務器端進行更新，使系統具有高擴展性和適應性［３］。
　　2.2Remote Panels技術
　　從LabVIEW 6.1開始，LabVIEW集成了Remote Panels技術，允許用戶直接在客戶端計算機上打開并操作位于服務器端計算機上的VI的前面板，甚至可以將LabVIEW VIs的前面板窗口嵌入到一個網頁中并在網頁中直接操作它，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的環境中或瀏覽器上加以控制 。這個強大的功能讓開發人員可以輕松地創建遠程應用程序，使用戶在周末的時候坐在家中的計算機前輕松地監控辦公室、實驗室甚至生產線上的各種情況。
　　2.3遠程訪問原理
　　網絡實驗室仿真實驗平臺，主要針對大學物理、數字電子，模擬電子、電學、磁學、傳感器原理等方面。學生利用網絡登陸本仿真實驗平臺，可以在線做理工類仿真實驗。在網絡仿真平臺上，學生自己動手設置實驗參數，運行在服務器端的平臺仿真程序根據實驗原理進行仿真，并實時返回仿真結果。主要原理圖如圖2：
　　實驗者可以通過瀏覽器觀察模擬實驗過程，通過鼠標的點擊以及拖曳動作來操作和控制虛擬的實驗過程。在本文所介紹的過程控制虛擬實驗室系統中，學生通過瀏覽器就可以觀察到參數的調節對控制過程產生的各種影響，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習興趣和效率。本系統的開發為用戶訪問遠程虛擬實驗室提供了技術支持，通過計算機網絡把實驗過程、方法，以及實驗結果迅速而直觀的展示給遠程用戶。
　　下面以磁化曲線為例介紹仿真實驗平臺的設計。
　　3.磁化曲線
　　3.1基本原理
　　如果在由電流產生的磁場中放入鐵磁物質，則磁場將明顯增強，此時鐵磁物質中的磁感應強度比沒放入鐵磁物質時電流產生的磁感應強度增大百倍，甚至在千倍以上。鐵磁物質內部的磁場強度H與磁感應強度B有如下的關系：B=μH
　　對于鐵磁物質而言，磁導率μ并非常數，而是隨的變化而變化的物理量，即μ=f（H），為非線性函數。所以B與H也是非線性關系，如圖3所示：
　　鐵磁材料的磁化過程為：其未被磁化時的狀態稱為去磁狀態，這時若在鐵磁材料上加一由小到大變化的磁化場，則鐵磁材料內部的磁場強度H與磁感應強度B也隨之變大。但當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。可以看出，鐵磁材料的B和H不是直線，即鐵磁材料的磁導率μ=B/H不是常數。
　　3.2設計思想及實現
　　當U = 0，0.2，0.4，0.6 ...3.0 V時，根據前面板中的電路圖計算出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，本設計主要是由兩個公式節點、各種運算控件，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還反映測量點X、Y值的變化，所以它的輸入數據結構是由兩組數據大包（bundle）構成的簇，簇的每一對數據都對應一個顯示數據點的X坐標和Y坐標［４］。
　　由數組控件得到一串數組U，經過公式節點中運算處理后得到B的一串數組以及H的一串數組。經Build XY Graph捆綁后由XY Graph輸出波形。
　　4.基于Web的交互型虛擬實驗室設計
　　4.1Web服務器設置
　　發布一個站點基本上是將站點上的文件提制到一個目的地，讓其他人可以訪問站點［５］。在發布站點之前，應該測試站點的各項操作都能正常工作，來確認站點已準備好發布。有一個好的方法可以確認您的站點已準備就緒，那就是在Web瀏覽器上進行預覽并且瀏覽站點，檢查所有文件的狀態。這就需要通過配置IIS服務器來構建測試Web應用程序的環境。最后，將測試成功的Web應用程序發布到Internet上［６］。
　　IIS默認的Web文件存放于系統根目錄中的%system%?搖Inetpubwwroot中，如果主頁就放在這個目錄下，出于安全考慮，微軟建議用NTFS格式化使用IIS的驅動器。
　　4.2主頁及仿真實驗頁面設計
　　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行相互地聊天，教師也可以在線指導學生更好地完成實驗以及在線答疑，使網絡虛擬實驗室的交互性有了很大的提高。
　　在各個實驗網頁中也可加入另一些美化框圖或程序來完善頁面，具體方法與設計網頁一樣。
　　教師要介紹虛擬實驗室在網絡部分的構建方法，包括Web服務器和LabVIEW服務器的設置，以及VI的嵌套實現和網頁設計。
　　5.結語
　　本文設計主要分為兩個部分：一部分是仿真平臺的設計，另一部分是通過Web的網頁形式來調用此仿真平臺。
　　虛擬實驗室雖然能很大程度地輔助教學，但并不代表可以代替真的實驗室。若學生要有真實的控制儀器的經驗，便需要在真實的實驗室里做實驗。如果某項實驗只是集中于設計、解決問題的過程，而不是要求學生對儀器的親自控制，這時就可以利用虛擬實驗室。
　　
　　參考文獻：
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　　［2］馬宏斌，楊波.虛擬實驗室管理系統實現技術.信息技術報［J］.2005，（2）:78-81.
　　［3］蔣英.對虛擬現實技術構建虛擬實驗室的初淺認識.實驗室科學［J］.2006，（3）:67.
　　［4］吳曉男.高校虛擬實驗室的構建［J］.國外電子測量技術，2006，（10）:23-25.
　　［5］袁太文，羅世勇，李迅波.Web分布式虛擬實驗室的研究與實現［J］.中國測試技術，2005，（6）:34.
　　［6］David Kahaner. Japanese Activities in Virtual Reality［J］.Computer Graphics and Applications，Vo1.14.No.1，Jan 1994：75-78.
　　 注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”