基于LabVIEW的遠程虛擬實驗室建設(shè)與應(yīng)用

袁小平, 金 鵬, 蔣 碩, 劉雨冬

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221008)

虛擬仿真技術(shù)探索與實踐

基于LabVIEW的遠程虛擬實驗室建設(shè)與應(yīng)用

袁小平, 金 鵬, 蔣 碩, 劉雨冬

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221008)

構(gòu)建了基于LabVIEW環(huán)境的遠程虛擬實驗室,該虛擬實驗室由被測系統(tǒng)、硬件平臺和軟件平臺3部分構(gòu)成。平臺應(yīng)用了C/S架構(gòu),教師可以通過服務(wù)器端規(guī)劃以及管理課程實驗,而學(xué)生則可以通過客戶端登錄實驗平臺操作遠程實驗設(shè)備完成實驗,同時還可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭來觀察實驗過程和實驗現(xiàn)象。結(jié)合模擬電子技術(shù)中運算放大類實驗來闡述虛擬實驗室在模擬電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用。

遠程虛擬實驗室； LabVIEW； C/S架構(gòu)； 實驗教學(xué)

實驗教學(xué)是提升學(xué)生實踐素質(zhì)的一個重要途徑,在普通高等教學(xué)中占有重要的地位。隨著通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及虛擬儀器儀表技術(shù)的發(fā)展,虛擬遠程實驗室應(yīng)運而生。

遠程虛擬實驗是傳統(tǒng)教學(xué)實驗的有益補充。一方面,它能節(jié)省大量教育經(jīng)費；另一方面,它也使實驗室在時間和空間上得到有效的延伸和利用。目前很多高校和科研單位已將基于LabVIEW的虛擬實驗平臺用于教學(xué)和科研[1]。虛擬實驗平臺的優(yōu)勢在于可兼容多學(xué)科實驗,可設(shè)計特定實驗平臺用于實驗,而且便于維護升級、節(jié)省人力和財力。基于LabVIEW的虛擬遠程實驗是實驗教學(xué)改革的一個新的發(fā)展趨勢,具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值[2]。

1 遠程虛擬實驗室系統(tǒng)的組成

構(gòu)建虛擬實驗室的核心思想是充分利用信息資源和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)媒體技術(shù),實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化、遠程化和高效率。虛擬實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬實驗平臺結(jié)構(gòu)圖

虛擬實驗室由被測系統(tǒng)、硬件平臺和軟件平臺3個主要部分構(gòu)成。被測系統(tǒng)是根據(jù)不同實驗而搭建的實驗電路；硬件平臺是虛擬實驗平臺的基礎(chǔ)；軟件平臺是虛擬實驗平臺的核心[3]。

硬件平臺由通用計算機和信號采集設(shè)備構(gòu)建。筆記本電腦、臺式機或者工作站等均可以用來作為通用計算機；信號采集設(shè)備可以選擇VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)、GPIB系統(tǒng)、串口系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集卡(例如DAQ系統(tǒng))等。軟件平臺分為操作系統(tǒng)層、儀器驅(qū)動層以及應(yīng)用軟件層。操作系統(tǒng)可以是Windows系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)等常用系統(tǒng)；儀器驅(qū)動軟件是控制各種硬件設(shè)備接口的驅(qū)動程序的集合,它建立在I/O接口操作軟件的基礎(chǔ)上,是連接應(yīng)用軟件和外圍硬件模塊的關(guān)鍵；應(yīng)用軟件包括設(shè)備廠商設(shè)計好的用于信號采集和顯示的儀器儀表程序以及用戶自己設(shè)計的虛擬面板程序[4]。

整個虛擬實驗室系統(tǒng)采用C/S架構(gòu),加強實驗教學(xué)中師生的溝通,并利用遠程通信技術(shù)實現(xiàn)實驗的遠程操作、遠程觀測、遠程理論指導(dǎo)等教學(xué)互動。

2 遠程虛擬實驗室的構(gòu)建

遠程虛擬實驗室分3部分構(gòu)建。

一是硬件平臺。它是完成實驗的基礎(chǔ),借助計算機強大的運算能力來完成數(shù)據(jù)的采集與分析處理。針對不同類別的虛擬實驗平臺,硬件平臺可以根據(jù)實際采用不同的硬件實現(xiàn)方案。

二是被測系統(tǒng)。被測系統(tǒng)的搭建與傳統(tǒng)實驗搭建方法基本相同,都是根據(jù)實驗需求設(shè)計并連接實驗電路。

三是軟件平臺。用戶可以借助軟件平臺,使用自己所需的虛擬儀器儀表或開發(fā)新的虛擬實驗面板,它是搭建虛擬實驗室的關(guān)鍵。

本虛擬實驗室的硬件平臺采用基于Windows系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)系統(tǒng),它處理速度快、集成度高,適合于遠程虛擬實驗教學(xué)。因為被測系統(tǒng)需要根據(jù)不同實驗原理、不同用戶的需求而設(shè)計，所以軟件平臺的設(shè)計成為虛擬遠程實驗室構(gòu)建的核心。本文構(gòu)建的虛擬實驗室軟件教學(xué)平臺是采用LabVIEW開發(fā)的,分為服務(wù)器端(Server)和客戶端(Client)。該軟件平臺的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件平臺的架構(gòu)

2.1 待測系統(tǒng)的搭建

與傳統(tǒng)的實驗教學(xué)類似,在進行課程實驗之前,需按照實驗?zāi)康摹嶒炘淼却罱▽嶒炿娐贰１疚膶嶒炿娐反罱ㄓ诮虒W(xué)實驗室虛擬儀器套件NI ELVIS之上。該套件可用于創(chuàng)新設(shè)計及原理驗證類實驗,其功能強大,集成了數(shù)字萬用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器等12款常用實驗儀器儀表,其緊湊的結(jié)構(gòu)是實驗室及課堂教學(xué)的理想選擇[5]。圖3是根據(jù)實驗要求搭建的一系列典型實驗電路,包括單橋、半橋、全橋電路對比驗證實驗，熱敏電阻測量溫度實驗，熱電偶測量溫度實驗和三軸加速度傳感器實驗等。

圖3 典型實驗電路

2.2 服務(wù)器端構(gòu)建

服務(wù)器端是構(gòu)建虛擬實驗室的關(guān)鍵。服務(wù)器端主要完成的工作包括對硬件驅(qū)動的支持、數(shù)據(jù)采集和分析處理、排隊系統(tǒng)的管理與維護、實驗列表的安排與管理，以及實時視頻信息的傳輸。所有的實驗程序都是在服務(wù)器端運行的,然后通過TCP/IP協(xié)議將程序的控件值量化后發(fā)布到特定的局域網(wǎng)或者公網(wǎng)內(nèi)。Server端程序運行后會主動監(jiān)聽來自Client端的任務(wù)指令,實現(xiàn)實驗任務(wù)請求、實驗參數(shù)配置等相關(guān)操作[6]。

在服務(wù)器端,管理教師可以查看實驗隊列中等待的用戶和所開放的實驗內(nèi)容列表。在該架構(gòu)中,管理教師具有高度的權(quán)限,可以分時段賦予不同班級學(xué)生訪問服務(wù)器的權(quán)限,這樣可以減少學(xué)生的排隊時間,高效利用虛擬實驗平臺。因此,管理教師在根據(jù)課程實驗要求搭建實驗所需的實驗硬件電路后，需開啟服務(wù)器端,只有服務(wù)器端先運行起來,學(xué)生才能通過遠程客戶端發(fā)送請求進行相應(yīng)實驗。

2.3 客戶端構(gòu)建

客戶端是虛擬實驗室的主體,服務(wù)器端的虛擬面板是針對實驗教師設(shè)計的,而客戶端的虛擬面板是根據(jù)學(xué)生需要而設(shè)計的。客戶端所需完成的任務(wù)就是用戶信息的采集、UI管理和數(shù)據(jù)的回傳讀取、實驗界面顯示等。當然，客戶端也可對實驗進行一些簡單的遠程操作,以改變實驗輸入變量的值[7]。在這些過程中,所有的信息將會以控件的形式顯示在前面板上,只通過LabVIEW而不需要其他的驅(qū)動支持,就可以進行遠程訪問和實驗,大大簡化了客戶端的設(shè)計。

本文中列舉的客戶端分為3個主要的部分,即登錄界面、實驗隊列顯示界面以及實驗界面。登錄界面和實驗隊列顯示界面主要用于協(xié)助實驗教師完成教學(xué)工作,學(xué)生通過授權(quán)的學(xué)號登錄虛擬實驗平臺進行實驗,系統(tǒng)會記錄學(xué)生的身份信息、實驗時長以及實驗完成情況，并給予實驗成績評定[8]。登錄管理VI界面如圖4所示,該VI中使用了大量的表格和簇來完成信息的存儲。

圖4 用戶登錄VI界面

為了使實驗者在遠程實驗中具有身臨其境的體驗,在設(shè)計客戶端實驗面板時,將實驗原理圖、被測系統(tǒng)的實物連線圖顯示在客戶端。此外,學(xué)生還可以利用遠程攝像設(shè)備實時觀察實驗現(xiàn)象,使遠程實驗者可以真實地觀察到實驗進展和實驗現(xiàn)象。這種客戶端的引入，既避免了傳統(tǒng)的純虛擬實驗或計算機類仿真實驗過程過于理論化、受限于理想模型、缺乏真實實驗氛圍等缺陷,又為實現(xiàn)異地遠程化的實驗教學(xué)提供了有效的實現(xiàn)手段[9]。客戶端的實驗界面如圖5所示。

圖5 客戶端實驗界面

3 模擬電子技術(shù)的遠程虛擬實驗

模擬電子技術(shù)是電子信息類及其相關(guān)專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程。模擬電子技術(shù)實驗既可以加強學(xué)生對理論知識的理解,又能夠培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力,在眾多實驗課程中占據(jù)重要地位。

在傳統(tǒng)實驗教學(xué)中,儀器的功能單一。基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)實驗需要函數(shù)發(fā)生器、示波器、萬用表等多種儀器設(shè)備,而且實驗電路接線繁瑣,影響了實驗室的使用效率。與傳統(tǒng)儀器不同的是:遠程虛擬實驗室具有集成度高、虛擬儀表豐富、虛擬儀器(VI)種類齊全等特點,可以很好地彌補傳統(tǒng)實驗室模擬電子技術(shù)類實驗的不足之處[10]。筆者結(jié)合模擬電子技術(shù)中常見的運算放大類實驗，闡述虛擬實驗室在模擬電子技術(shù)實驗中的應(yīng)用。

3.1 實驗?zāi)康?/p>

了解單橋、半橋、全橋電路工作原理,它們的特點以及相互之間的關(guān)系。

3.2 實驗內(nèi)容

在系統(tǒng)中,由于采集到的信號很微弱,因此有必要對采集的信號進行調(diào)理放大。

本實驗的內(nèi)容就是在同一輸入信號的基礎(chǔ)上,用調(diào)理電路對惠斯通電橋進行調(diào)零并放大,觀察各電橋的輸出、分析其關(guān)系。實驗中使用的單橋、半橋、全橋電路如圖6—圖8所示[11-12]。

圖6 單橋調(diào)理電路

圖7 半橋調(diào)理電路

圖8 全橋調(diào)理電路

3.3 實驗過程

(1) 在開發(fā)平臺上按電橋調(diào)理電路搭建被測系統(tǒng),輸入信號來自NI ELVIS的函數(shù)發(fā)生器,輸出信號接至NI ELVIS的虛擬示波器信號輸入口。

(2) 在LabVIEW平臺上根據(jù)實驗需求設(shè)計前面板以及程序設(shè)計框圖,其中程序設(shè)計框圖如圖9所示。

(3) 完成該VI,計算出半橋與單橋輸出的比值、全橋與單橋輸出的比值,比較單橋、半橋和全橋的輸出關(guān)系。

圖9 實驗程序框圖

3.4 實驗結(jié)果

在單橋、半橋與全橋電路中均使用了滑動變阻器作為橋臂,用于補償由于阻值誤差導(dǎo)致的電橋初始偏移。電橋的輸出經(jīng)過差分放大電路進行100倍的放大,將毫伏級別的差分輸出放大至伏特級別,提高測量的靈敏度。

根據(jù)VI前面板顯示的實驗數(shù)據(jù)可知:半橋電路的輸出大約為單橋電路的2倍,而全橋電路的輸出大約為單橋電路的4倍。

4 結(jié)語

遠程虛擬實驗室是以計算機硬件為基礎(chǔ),使用特定的軟件工具構(gòu)建的虛擬實驗環(huán)境。實驗中調(diào)用了一系列虛擬儀器(VI)來模擬和再現(xiàn)真實的實驗環(huán)境、實驗設(shè)備和實驗過程。

通過近幾年來的實踐,中國礦業(yè)大學(xué)在模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等課程開放性實驗教學(xué)活動中，建立了基于LabVIEW的遠程虛擬實驗平臺,為實驗室開放、創(chuàng)新性實驗教學(xué)和研究提供了有力的支撐,教學(xué)效果顯著。

虛擬遠程實驗室的設(shè)計思想旨在“虛擬指導(dǎo)現(xiàn)實,形象表現(xiàn)抽象”,使實驗對象能不受傳統(tǒng)實驗條件的限制,通過一個具有豐富信息的交互式界面平臺來實時獲取實驗數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象,以輔助完成實驗。虛擬實驗室必將廣泛應(yīng)用于各學(xué)科的教學(xué)實驗中。

References)

[1] National Instruments.LabVIEW user manual[M].Texas:National Instruments,2003:2-46.

[2] 李玲,王非.基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高校實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2014,12(3):37-39,46.

[3] 劉民岷,楊平,吳浩文.高校虛擬實驗平臺的設(shè)計及實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(3):386-389.

[4] 詹惠琴,古軍.基于虛擬儀器:一種全新概念的儀器[J].電子制作,2008(4):6-10.

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[11] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ):模擬部分 [M].6版.北京:高等教育出版社,2013..

[12] 李淑明.模擬電子技術(shù)實驗·設(shè)計·仿真[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2010.

Construction and application of remote virtual laboratory based on LabVIEW

Yuan Xiaoping, Jin Peng, Jiang Shuo, Liu Yudong

(School of Information and Electrical Engineering ,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

A remote virtual laboratory based on LabVIEW environment is constructed, which is composed of monitored system, hardware platform and software platform. This platform applies the C/S architecture, teachers can arrange and manage curriculum experiment through the server, and students can complete experiment by using client system to operate the remote experiment equipment. At the same time, students can also observe the experiment process and experimental phenomena with the network camera. The application of virtual laboratory in the analog electronic technology experiment is described.

remote virtual laboratory; LabVIEW; C/S framework; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.028

2016-08-10

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項目(TAPP)資助；中國礦業(yè)大學(xué)教學(xué)成果培育項目“面向卓越工程師創(chuàng)新能力培養(yǎng)的電子技術(shù)系列實踐課程改革”

袁小平(1966—),男,江蘇揚州,博士,教授,國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心主任,主要研究方向為電子系統(tǒng)設(shè)計、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能儀表與故障診斷.

E-mail：xpyuankd@163.com

TP393.09; G642.423

: A

: 1002-4956(2016)12-0114-04