基于虛擬儀器技術的遠程電子實驗平臺的設計與實現

邵曉娟，盧慶林

（陜西工業職業技術學院，陜西咸陽，712000）

基于虛擬儀器技術的遠程電子實驗平臺的設計與實現

邵曉娟，盧慶林

（陜西工業職業技術學院，陜西咸陽，712000）

為了解決實驗設備緊缺和教學質量問題，通過使用虛擬儀器和網絡技術研究并構建了基于虛擬儀器的遠程電子虛擬實驗平臺，經過測試能夠完成仿真和測控電子實驗教學任務，實現用戶遠程訪問、遠程控制、資源共享和數據共享。

LabVIEW；虛擬技術；遠程電子實驗；網絡技術

1 遠程虛擬實驗平臺的功能

遠程虛擬實驗平臺是以計算機網絡技術為支撐,計算機實時仿真為核心,主要具備以下功能特征：①開放性:通過網絡向遠程用戶開放,實現資源共享。用戶通過網絡可以自由地進入或退出實驗室,不受時、空的限制,使異地實驗,分布協作實驗成為可能。②可擴展性:隨著網絡技術的發展，儀器設備不斷更新，遠程虛擬實驗可不斷的對軟、硬件升級，增加新的實驗模塊。③可操作性:其所有軟硬件集成于一個系統，各組成部分可以互相操控，用戶通過網絡遠程操作設備時如進行本地實驗。④自主性:其能為用戶提供一些個性化的服務,定制使用虛擬儀器的方式,如通過設置來保護自己的數據資料等,體現用戶的自主性和控制性。⑤安全性:采用用戶鑒別注冊、權限驗證技術、文獻加密等技術手段保證系統的安全。該實驗系統能夠拒絕非法用戶進入實驗平臺，以及隨時中止合法用戶的不當操作,避免系統出錯。

2 遠程虛擬實驗平臺總體架構

目前,遠程虛擬實驗平臺的體系結構主要有兩種模式,一種是C/S模式，另一種是B/S模式。該平臺包括兩大組成部分。一是仿真實驗平臺，提供給用戶一系列模擬仿真實驗，供用戶學習儀器使用、基本理論的驗證等實驗知識，釆用B/S模式。二是測控實驗平臺,提供給用戶可以共享的硬件設備以及多種虛擬儀器。用戶通過網絡遠程操控設備,獲得實驗數據或對數據進行分析處理,采用C/S模式和B/S模式相結合的方式。

2.1 虛擬儀器的硬件結構系統

根據實驗平臺的設計及結合現有實驗條件,采用PC-DAQ方式構建平臺硬件系統，包括傳感器、信號調理設備、數據采集卡ART2953、NI-ELVIS實驗儀、應用服務器、Web服務器等。硬件框架如下圖所示。

圖1 虛擬實驗平臺硬件框架

硬件是虛擬儀器的基礎,主要進行被測信號的采集、傳輸、存儲處理和輸入/輸出設備等；接口設備即采集調理部件,包括PC總線的數據采集DAQ卡、串口總線儀器等標準總線儀器,完成被測信號的采集、放大和模數轉換。NI-ELVIS實驗儀提供

有函數信號發生器和可調電源,通過PCI連接器連到平臺工作站上實驗板則可用來搭建實驗電路。數據采集卡采用ART2953，它是一種基于 PC104 總線的數據采集卡，可直接和計算機的PC104 接口相連，構成實驗平臺、檢測中心等領域的數據采集、波形分析和處理系統。

2.2 虛擬儀器的軟件結構

LabVIEW 8.60作為系統的軟件開發平臺。美國國家儀器NI公司開發的 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,實驗室虛擬儀器工程平臺),是目前應用最廣、發展最快,功能最強的一款基于G語言的虛擬儀器軟件開發工具。遠程虛擬實驗平臺的軟件系統主要包括客戶端、Web服務器、應用程序服務器子系統三大部分。

3 虛擬電子實驗平臺的設計與實現

本文利用LabVIEW8.60開發軟件中的多個虛擬控件組建一個虛擬的電子實驗平臺。通過構建虛擬電子實驗平臺主要完成兩類實驗設計：一為數字電子實驗，如基本門電路的邏輯功能測試實驗、譯碼器實驗、觸發器實驗、加法器實驗和數據選擇器實驗。另為模擬電子實驗，包括運算放大器、功率放大器等波形放大、分析測試。利用LabVIEW軟件中的網絡編程控件將該實驗平臺發布到校園網上,學生可以遠程登錄該網頁完成電子實驗任務。使用LabVIEW開發程序的過程：

3.1 方案設計

首先，按照設計要求，細分軟件任務，采用“自上而下,逐層細分”的原則，將軟件系統細分為幾個功能模塊，然后確定各模塊的實現方案。如數電基礎實驗包括門電路功能測試、數據選擇器、譯碼器、觸發器等；模電有單級共射放大電路、場效應管放大器、負反饋放大電路電路、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 前面板創建

根據實際中的儀器面板以及該虛擬儀器所要實現的功能來創建前面板。前面板可實現用戶和所開發儀器的交互，用戶通過前面板如現場操作一樣對儀器操作，如下圖所示。

圖2 數字電子技術實驗前面板

3.3 程序框圖設計

設計程序框圖主要是對節點、數據端口和連線的設計，即建立圖形化的流程圖。程序框圖相當于源代碼,它決定著儀器實現的功能,并通過前面板顯示出來。根據開發軟件所要實現的功能，選擇合適的函數節點，或通過調用子VI(使用LabVIEW開發的應用程序,一般由一個或多個后綴為“VI”的文件構成)。使用連線板完成對控件、節點、子VI的正確連線。

3.4 程序調試

設計前面板和程序框圖之后,還應通過多次調試程序,查找錯誤，改進功能，直到其能完全實現設計要求為止。調試程序方法主要有:查找語法錯誤、設置高亮執行程序、設置斷點與單步執行方式、采用探針實時查看某根連線的數據值。

另外，測控實驗平臺設計思路與仿真平臺相似，先設計各個虛擬儀器子VI，并完成本地調試。調試成功后,采用子面板插入技術實現各個程序的動態載入，設計完成測控平臺主界面程序。用戶進入平臺后,通過平臺主界面提供的各個按鍵選擇實驗項目,在主界面顯示的虛擬實驗屏幕上設置好所選儀器參數，或者采集NI-ELVIS上數據進行分析處理，或者將虛擬儀器產生數據輸出到NI-ELVIS上，以完成實驗。

4 遠程實驗平臺設計與實現

在 LabVIEW 中，網絡通信技術包括共享變量、DataSocket、TCP∕IP 、UDP 和遠程面板調用等。本文主要釆用遠程前面板技術實現客戶端瀏覽器對服務器上仿真實驗平臺VI的遠程查看和控制。測控實驗平臺遠程通信的實現主要用共享變量技術和LabVIEW的網頁發布技術。

4.1 仿真實驗平臺的設計與實現

4.1.1 服務器端設置：其主要完成服務器配置及VI程序的發布。具體方法如下:

（1）完成對Web Server配置選項、可見VI選項、瀏覽器訪問選項的設置。具體方法:打開要發布VI的前面板,選擇工具菜單/選項，從類別列表中選擇以下選項頁,完成設置。①選擇Web服務器:“配置”頁面,出現對話框,按圖配置好各項參數,以啟用Web服務器，發布前面板圖像及HTML文檔。其中，HTTP端口為Web服務器所用的TCP/IP端口。②選擇Web服務器:“可見VI”頁面,添加允許被遠程連接的VI，在可見VI輸入框中輸入通過Web服務器可見的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服務器:“瀏覽器”訪問頁面,添加允許訪問的瀏覽器地址,并給予其“允許查看的控制”權限。輸入“瀏覽器地址”時可用通配符“*”來指定一組瀏覽器地址并設置權限。最后選擇“確定”,完成Web Server配置。

（2）使用“Web發布工具”發布子VI。選擇菜單“工具/Web發布工具”,打開發布頁面,選擇要發布的VI及查看模式，鍵入生成HTML文檔的標題、頁眉、頁腳等內容，選擇網頁保存目錄及

文件名，完成VI的發布。

4.1.2 客戶機端設置：完成服務器端的設置后,客戶機通過簡單設置快捷地實現對服務器內存中VI的查看和控制。若沒有LabVIEW的客戶機需安裝LabVIEW運行引擎, 一般客戶端是安裝有Windows操作系統和支持ActiveX瀏覽器的PC機，通過Internet與Web服務器相連。用戶通過網頁瀏覽的方式訪問遠程實驗平臺站點，完成正確登錄后，選擇所要進行的實驗。若要遠程控制VI，需使用Web瀏覽器輸入服務器發布VI時生成的URL,就可看到VI的遠程前面板,通過鼠標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客戶機可通過LabVIEW作為客戶端查看和控制遠程前面板。需新建一個VI,并選擇“操作/連接遠程前機板”,就可打開連接遠程前面板對話框。可以方便地實現用戶與服務器端的網絡通信，監控、接收服務器端的數據,并進行分析和處理。

4.2 測控實驗平臺設計與實現

測控實驗平臺遠程通信的實現主要用共享變量技術和LabVIEW本身的網頁發布技術。用戶遠程登錄測控平臺, 使用虛擬儀器處理遠程信號,并將信號通過共享變量技術讀取到本地PC機上。不僅對每個共享變量進行配置，還要通過共享變量實現遠程計算機之間的數據傳遞。通過其屬性對話框,選擇“網絡發布”。將服務器上測控平臺每個VI的共享變量作為網絡發布的數據源, 將客戶機VI的共享變量通過網絡路徑“綁定”這些數據源,服務器上處理的數據就可實時傳遞至客戶機。然后配置并啟動Web服務器,并將測控平臺前面板發布到Web服務器中,這樣客戶機通過瀏覽器或連接至遠程前面板方式,就能遠程訪問測控平臺,完成實驗。

測試結果表明,該虛擬實驗平臺運行穩定,人機操作界面友好,系統擴展性強,較易維護，不僅成本低，登陸方便自由，突破傳統實驗模式，為異地實驗提供了平臺,不再受傳統面對面的實驗模式的限制,且可以節約大量重復投資,有利于改善辦學條件,提高教學效果,在改革傳統教學方法、提高教學質量、教育資源共享、節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程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2010.

[2] 孫春暉等.基于虛擬儀器的高職電子遠程實驗平臺設計與實現[D]. 南京理工大學碩士論文，2012.

[3] 戴成梅，戴成建.基于 LabVIEW 的電工電子網絡虛擬實驗室研究與開發[J].實驗室研 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 基于流媒體的移動學習平臺服務器端

通過Android客戶端的Apache HttpClient向Servlet發出響應請求，并通過Servlet將其請求轉交給業務層，并通過DAO接口實現與數據庫之間的連接和交互，從而使得用戶通過Android客戶端獲取相關的結果。

6 結束語

通過上述的設計，采用J2EE開發語言，實現了基于流媒體技術的大學生英語移動學習平臺在Android設備終端的使用，并可有效的提高大學生學習英語的熱情，具有很強的針對性和實用性。

參考文獻

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[3] 姚昱旻.基于 Android 的移動學習終端平臺的開發與研究[D].中南大學,2008

作者簡介

楊洋，女，1985.3.28,陜西省商洛市，助教，研究方向:外國語言學及應用語言學，英語教學

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