基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室構(gòu)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(shù)量和規(guī)模都難以滿足教學需要的現(xiàn)狀，充分利用虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室。從實驗室功能設(shè)計、構(gòu)建模式對實驗室功能設(shè)計進行闡述，進而對虛擬實驗室的實現(xiàn)從實驗室構(gòu)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(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室進行具體介紹。

關(guān)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(shù)兩種技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，完全繼承了傳統(tǒng)儀器的所有優(yōu)點，更超越了傳統(tǒng)儀器。虛擬儀器就是在計算機上增加相應(yīng)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(shù)變換器、數(shù)模變換器、數(shù)字輸入輸出等結(jié)合到一起，充分利用計算機的優(yōu)勢，可對數(shù)據(jù)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在院校的實驗室教學中也發(fā)揮著重要作用。

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多應(yīng)用從單機版程序轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。尤其在院校實驗室教學過程中，將虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)相結(jié)合，極大地提升了虛擬儀器的實驗應(yīng)用，從而使傳統(tǒng)實驗室成功地進入網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗室階段。

1 網(wǎng)絡(luò)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(yè)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(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。但是近年來學員數(shù)量不斷增加，現(xiàn)有的實驗室航海儀器裝備數(shù)量和規(guī)模都難以滿足需要。因此，航海儀器實驗室常常只能應(yīng)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(shè)計性實驗，難以有效提升實踐動手能力和培養(yǎng)創(chuàng)新精神。另外，專業(yè)實驗室一般僅對本專業(yè)的學員開放，不同專業(yè)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(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室是對傳統(tǒng)實驗教學模式的改革，為解決航海專業(yè)設(shè)備短缺的現(xiàn)狀提供了有效解決辦法。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室能夠突破傳統(tǒng)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(fā)展，從根本上解決了航海儀器裝備數(shù)量難以滿足實際需求的問題。

2 網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室的設(shè)計

在LabVIEW平臺上開發(fā)相應(yīng)的虛擬航海儀器，再利用LabVIEW自帶的網(wǎng)絡(luò)功能，在網(wǎng)絡(luò)實驗室網(wǎng)頁上發(fā)布虛擬航海儀器，用戶可以在網(wǎng)絡(luò)客戶端進行航海儀器實驗，對于實驗過程中產(chǎn)生的實驗室數(shù)據(jù)也可進行遠程數(shù)據(jù)采集[4]。

實驗室功能設(shè)計? 基于虛擬儀器技術(shù)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室，可以根據(jù)不同的實驗需求，利用不同的虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)不同功能型的虛擬實驗室：一類是軟件共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，即不涉及具體實驗硬件設(shè)備，只是利用軟件來模擬實驗過程;另一類是裝備共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，該類實驗室利用LabVIEW開發(fā)多個航海裝備模擬器，通過在客戶端操作模擬器將實驗數(shù)據(jù)傳遞給實驗硬件設(shè)備，并將實驗結(jié)果返回服務(wù)器端，再通過網(wǎng)絡(luò)返回用戶端。通過虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)建基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室，可以有效解決航海專業(yè)設(shè)備難以滿足專業(yè)學員實驗的問題。

C/S模式（客戶/服務(wù)器模式）? C/S（Client/Server）

模式是網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)，用一個服務(wù)器來充當數(shù)據(jù)庫的角色，客戶端通過網(wǎng)絡(luò)把實驗數(shù)據(jù)寫入服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫，其軟件設(shè)計包括三個方面：一是終端采集程序，二是遠程發(fā)布的程序，三是終端數(shù)據(jù)的接收程序。在LabVIEW平臺下，專門為測試數(shù)據(jù)安全快速的傳輸設(shè)置了DSTP協(xié)議。

B/S模式（瀏覽器/服務(wù)器模式）? B/S（Browser/Web Server）的體系結(jié)構(gòu)是對C/S結(jié)構(gòu)的延伸，是為了方便用戶在網(wǎng)絡(luò)客戶端發(fā)布數(shù)據(jù)，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(wù)器端軟件，就可以實現(xiàn)遠程監(jiān)視客戶端的數(shù)據(jù)變化。其特點是需要在服務(wù)器端完成程序開發(fā)，不需要在客戶端進行程序的開發(fā)和維護。B/S組網(wǎng)模式如圖2所示。B/S模式結(jié)構(gòu)在虛擬Internet上主要實現(xiàn)WWW服務(wù)、FTP服務(wù)、SMTP服務(wù)。

3 網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室實現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室構(gòu)成? 基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室采用B/S模式，由客戶端、網(wǎng)頁服務(wù)器端、應(yīng)用服務(wù)器端、DAQ設(shè)備、實際裝備和數(shù)據(jù)庫六部分組成，如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)庫用來生產(chǎn)包含實驗?zāi)M器的動態(tài)網(wǎng)頁，并對實驗數(shù)據(jù)進行存儲和管理;網(wǎng)頁服務(wù)器是根據(jù)客戶端的實驗請求，生成動態(tài)網(wǎng)頁并提供開放式交互實驗環(huán)境;應(yīng)用服務(wù)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(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室工作流程? 客戶端通過TCP/IP協(xié)議訪問Web服務(wù)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(wù)器發(fā)出遠程實驗的各種請求;Web服務(wù)器實時分析收到的請求，合理地分配硬件資源，并將請求轉(zhuǎn)發(fā)給遠程數(shù)據(jù)服務(wù)器;遠程數(shù)據(jù)服務(wù)器上配備LabVIEW虛擬儀器軟件平臺和相關(guān)的GPIB/PXI數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理硬件，開始實時采集航海裝備的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信號載入服務(wù)器中建立的SQL數(shù)據(jù)庫，完成對數(shù)據(jù)庫中信號的分析處理，最后將結(jié)果通過Web服務(wù)器發(fā)送回不同的客戶端，以數(shù)值、曲線、表格、圖像和報告等形式呈現(xiàn)給用戶，完成遠程實驗。

虛擬回聲測深儀實驗? 以網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)，在NI公司的數(shù)據(jù)采集卡的基礎(chǔ)上，利用LabVIEW編程語言構(gòu)建虛擬回聲測深儀所需要的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、深度解算系統(tǒng)、深度顯示系統(tǒng)、深度數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)和危險深度報警系統(tǒng)，并對存在誤差進行分析補償，這些共同構(gòu)成虛擬回聲測深儀。虛擬儀器系統(tǒng)硬件以PCI6014卡和實驗面包板為基礎(chǔ)構(gòu)建，軟件采用LabVIEW編程實現(xiàn)，能夠模擬實現(xiàn)測深儀的全部功能，并增加了保存、讀取歷史數(shù)據(jù)功能。

虛擬回聲測深儀的界面主要構(gòu)成包括模擬回聲測深儀信號發(fā)生器、初始值設(shè)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(fā)生器包括深度、海區(qū)、月份、底質(zhì)、頻率、幅值的選擇;初始值設(shè)置部分包括相對應(yīng)的海區(qū)、月份、工作狀態(tài)以及危險深度的選擇設(shè)置;顯示部分包括深度數(shù)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(yīng)的量程轉(zhuǎn)換和量程展開以及深度保存。

4 結(jié)論

通過構(gòu)建基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室，可以構(gòu)成一個跨時空、跨學科、跨平臺的網(wǎng)絡(luò)化專業(yè)實驗室，實現(xiàn)航海裝備、實驗儀器的遠程實驗和數(shù)據(jù)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(yè)實驗課程。基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化航海儀器實驗室具有開發(fā)周期短、可擴展性強、使用效率高等優(yōu)點，是解決專業(yè)實驗室裝備資源緊張問題的有效途徑。因此，網(wǎng)絡(luò)化專業(yè)實驗室在遠程實驗、教育和培訓中具有良好的應(yīng)用前景。■

參考文獻

[1]崔鳳英，樊春玲，周春麗.基于專業(yè)認證的虛擬儀器課程教學改革與探討[J].中國教育技術(shù)裝備，2019（14）：86-87，90.

[2]周南權(quán)，全曉莉.基于LabVIEW的數(shù)字電路虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測試，2018（22）：14-16.

[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(shè)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(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)，2018（7）：14-17.

3345501908289