基于虛擬儀器的網絡化航海儀器實驗室構建研究

韓云東 苑志江 高明月 王驍 郎豐旺

摘? 要 針對航海實驗室存在的航海裝備數量和規模都難以滿足教學需要的現狀，充分利用虛擬儀器技術和網絡技術，構建基于虛擬儀器的網絡化航海儀器實驗室。從實驗室功能設計、構建模式對實驗室功能設計進行闡述，進而對虛擬實驗室的實現從實驗室構成、工作流程展開討論，最后通過虛擬回聲測深儀實驗實例，對網絡化航海儀器實驗室進行具體介紹。

關鍵詞 虛擬實驗室;虛擬儀器;LabVIEW;航海儀器

中圖分類號：G482? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）04-0013-03

Navigation Instrument Network Laboratory based on Virtual Instrument//Han Yundong， YUAN Zhijiang， GAO Mingyue， WANG Xiao， LANG Fengwang

Abstract In view of the current situation that the number and scale of

the navigation equipment in the navigation laboratory are difficult to

meet the needs of teaching， the virtual instrument technology and network technology are fully used to build a network navigation instrument laboratory based on virtual instrument. This paper expounds the function design of the laboratory from the function design and construction mode of the laboratory， and then discusses the realization of the virtual laboratory from the composition and workflow. Finally， it introduces the navigation instrument network laboratory based on virtual instrument through the example of virtual

echo sounder experiment.

Key words virtual laboratory; virtual instrument; LabVIEW; navi-gation instrument

0 引言

虛擬儀器是計算機和儀器技術兩種技術深層次結合的產物，完全繼承了傳統儀器的所有優點，更超越了傳統儀器。虛擬儀器就是在計算機上增加相應的硬件和軟件，把計算機的處理器、存儲器、顯示器和儀器的模數變換器、數模變換器、數字輸入輸出等結合到一起，充分利用計算機的優勢，可對數據進行大量計算和存儲，具有很強的靈活性和可塑性，在很多工程領域得到廣泛應用，在院校的實驗室教學中也發揮著重要作用。

隨著計算機技術和網絡技術的不斷發展，很多應用從單機版程序轉變為網絡化應用。尤其在院校實驗室教學過程中，將虛擬儀器技術和網絡化技術相結合，極大地提升了虛擬儀器的實驗應用，從而使傳統實驗室成功地進入網絡化虛擬實驗室階段。

1 網絡化航海儀器實驗室的需求分析

航海儀器實驗教學在航海專業課教學中占有十分重要的地位，通過航海儀器實驗可以加深學生對所學理論知識的理解，增強學習興趣，提高發現問題、分析問題和解決問題的能力。但是近年來學員數量不斷增加，現有的實驗室航海儀器裝備數量和規模都難以滿足需要。因此，航海儀器實驗室常常只能應付學員做一些最簡單的示教性實驗，學員很少有機會去反復操作裝備，更少有機會去做設計性實驗，難以有效提升實踐動手能力和培養創新精神。另外，專業實驗室一般僅對本專業的學員開放，不同專業之間的交流很少，不利于學員知識面的擴展。

基于虛擬儀器的網絡化航海儀器實驗室是對傳統實驗教學模式的改革，為解決航海專業設備短缺的現狀提供了有效解決辦法。構建網絡化航海儀器實驗室能夠突破傳統模式的局限性，促使實驗教學由實物實驗教學向虛擬實驗教學、遠程虛擬實驗教學發展，從根本上解決了航海儀器裝備數量難以滿足實際需求的問題。

2 網絡化航海儀器實驗室的設計

在LabVIEW平臺上開發相應的虛擬航海儀器，再利用LabVIEW自帶的網絡功能，在網絡實驗室網頁上發布虛擬航海儀器，用戶可以在網絡客戶端進行航海儀器實驗，對于實驗過程中產生的實驗室數據也可進行遠程數據采集[4]。

實驗室功能設計? 基于虛擬儀器技術設計網絡化航海儀器實驗室，可以根據不同的實驗需求，利用不同的虛擬儀器技術實現不同功能型的虛擬實驗室：一類是軟件共享網絡虛擬實驗室，即不涉及具體實驗硬件設備，只是利用軟件來模擬實驗過程;另一類是裝備共享網絡虛擬實驗室，該類實驗室利用LabVIEW開發多個航海裝備模擬器，通過在客戶端操作模擬器將實驗數據傳遞給實驗硬件設備，并將實驗結果返回服務器端，再通過網絡返回用戶端。通過虛擬儀器技術和網絡技術的結合，構建基于虛擬儀器的網絡化航海儀器實驗室，可以有效解決航海專業設備難以滿足專業學員實驗的問題。

C/S模式（客戶/服務器模式）? C/S（Client/Server）

模式是網絡通信中常用的一種模型，如圖1所示。該模式由多個客戶端（即實驗室終端）來采集測深儀等航海裝備的實驗數據，用一個服務器來充當數據庫的角色，客戶端通過網絡把實驗數據寫入服務器端的數據庫，其軟件設計包括三個方面：一是終端采集程序，二是遠程發布的程序，三是終端數據的接收程序。在LabVIEW平臺下，專門為測試數據安全快速的傳輸設置了DSTP協議。

B/S模式（瀏覽器/服務器模式）? B/S（Browser/Web Server）的體系結構是對C/S結構的延伸，是為了方便用戶在網絡客戶端發布數據，客戶端只需在本機上安裝，通用瀏覽器、IP地址直接訪問該服務器端軟件，就可以實現遠程監視客戶端的數據變化。其特點是需要在服務器端完成程序開發，不需要在客戶端進行程序的開發和維護。B/S組網模式如圖2所示。B/S模式結構在虛擬Internet上主要實現WWW服務、FTP服務、SMTP服務。

3 網絡化航海儀器實驗室實現

網絡化航海儀器實驗室構成? 基于虛擬儀器的網絡化航海儀器實驗室采用B/S模式，由客戶端、網頁服務器端、應用服務器端、DAQ設備、實際裝備和數據庫六部分組成，如圖3所示。其中，數據庫用來生產包含實驗模擬器的動態網頁，并對實驗數據進行存儲和管理;網頁服務器是根據客戶端的實驗請求，生成動態網頁并提供開放式交互實驗環境;應用服務器則是對虛擬航海儀器進行控制和管理，并實時采集和處理實驗數據。

網絡化航海儀器實驗室工作流程? 客戶端通過TCP/IP協議訪問Web服務器，獲得實驗原理的多媒體演示以及各種實驗儀器的圖形化用戶界面（GUI），通過GUI向Web服務器發出遠程實驗的各種請求;Web服務器實時分析收到的請求，合理地分配硬件資源，并將請求轉發給遠程數據服務器;遠程數據服務器上配備LabVIEW虛擬儀器軟件平臺和相關的GPIB/PXI數據采集、信號調理硬件，開始實時采集航海裝備的數據，并將數據信號載入服務器中建立的SQL數據庫，完成對數據庫中信號的分析處理，最后將結果通過Web服務器發送回不同的客戶端，以數值、曲線、表格、圖像和報告等形式呈現給用戶，完成遠程實驗。

虛擬回聲測深儀實驗? 以網絡化工程實驗室中的遠程虛擬回聲測深儀實驗為例，在該實驗中，以回聲測深儀的測深原理為基礎，在NI公司的數據采集卡的基礎上，利用LabVIEW編程語言構建虛擬回聲測深儀所需要的數據采集系統、深度解算系統、深度顯示系統、深度數據保存系統和危險深度報警系統，并對存在誤差進行分析補償，這些共同構成虛擬回聲測深儀。虛擬儀器系統硬件以PCI6014卡和實驗面包板為基礎構建，軟件采用LabVIEW編程實現，能夠模擬實現測深儀的全部功能，并增加了保存、讀取歷史數據功能。

虛擬回聲測深儀的界面主要構成包括模擬回聲測深儀信號發生器、初始值設置部分、顯示部分、STOP按鍵，如圖4所示。其中，模擬回聲測深儀信號發生器包括深度、海區、月份、底質、頻率、幅值的選擇;初始值設置部分包括相對應的海區、月份、工作狀態以及危險深度的選擇設置;顯示部分包括深度數字顯示、深度Chart實時顯示、回波信號的實時顯示、深度圓盤顯示及相對應的量程轉換和量程展開以及深度保存。

4 結論

通過構建基于虛擬儀器的網絡化航海儀器實驗室，可以構成一個跨時空、跨學科、跨平臺的網絡化專業實驗室，實現航海裝備、實驗儀器的遠程實驗和數據共享，在有限的實驗裝備資源條件下為學員提供充分的航海專業實驗課程。基于虛擬儀器的網絡化航海儀器實驗室具有開發周期短、可擴展性強、使用效率高等優點，是解決專業實驗室裝備資源緊張問題的有效途徑。因此，網絡化專業實驗室在遠程實驗、教育和培訓中具有良好的應用前景。■

參考文獻

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[3]張雪俠，付安英，商瑩.基于虛擬儀器的電子實驗室的研究[J].電子設計工程，2017（6）：170-172.

[4]張文廣，岳明橋，陳克堅.基于Lab Windows/CVI的虛擬儀器實驗系統設計[J].儀表技術，2018（7）：14-17.

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