邵曉娟，盧慶林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽，712000）

基于虛擬儀器技術(shù)的遠(yuǎn)程電子實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

邵曉娟，盧慶林

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽，712000）

為了解決實驗設(shè)備緊缺和教學(xué)質(zhì)量問題，通過使用虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究并構(gòu)建了基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程電子虛擬實驗平臺，經(jīng)過測試能夠完成仿真和測控電子實驗教學(xué)任務(wù)，實現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程訪問、遠(yuǎn)程控制、資源共享和數(shù)據(jù)共享。

LabVIEW；虛擬技術(shù)；遠(yuǎn)程電子實驗；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1 遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺的功能

遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺是以計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程用戶開放,實現(xiàn)資源共享。用戶通過網(wǎng)絡(luò)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(xié)作實驗成為可能。②可擴展性:隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，儀器設(shè)備不斷更新，遠(yuǎn)程虛擬實驗可不斷的對軟、硬件升級，增加新的實驗?zāi)K。③可操作性:其所有軟硬件集成于一個系統(tǒng)，各組成部分可以互相操控，用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作設(shè)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(wù),定制使用虛擬儀器的方式,如通過設(shè)置來保護自己的數(shù)據(jù)資料等,體現(xiàn)用戶的自主性和控制性。⑤安全性:采用用戶鑒別注冊、權(quán)限驗證技術(shù)、文獻加密等技術(shù)手段保證系統(tǒng)的安全。該實驗系統(tǒng)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(dāng)操作,避免系統(tǒng)出錯。

2 遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺總體架構(gòu)

目前,遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺的體系結(jié)構(gòu)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(xué)習(xí)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(shè)備以及多種虛擬儀器。用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操控設(shè)備,獲得實驗數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)進行分析處理,采用C/S模式和B/S模式相結(jié)合的方式。

2.1 虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

根據(jù)實驗平臺的設(shè)計及結(jié)合現(xiàn)有實驗條件,采用PC-DAQ方式構(gòu)建平臺硬件系統(tǒng)，包括傳感器、信號調(diào)理設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡ART2953、NI-ELVIS實驗儀、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)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(chǔ),主要進行被測信號的采集、傳輸、存儲處理和輸入/輸出設(shè)備等；接口設(shè)備即采集調(diào)理部件,包括PC總線的數(shù)據(jù)采集DAQ卡、串口總線儀器等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器,完成被測信號的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換。NI-ELVIS實驗儀提供

有函數(shù)信號發(fā)生器和可調(diào)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(shù)據(jù)采集卡采用ART2953，它是一種基于 PC104 總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接和計算機的PC104 接口相連，構(gòu)成實驗平臺、檢測中心等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)。

2.2 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)

LabVIEW 8.60作為系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺。美國國家儀器NI公司開發(fā)的 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,實驗室虛擬儀器工程平臺),是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快,功能最強的一款基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。遠(yuǎn)程虛擬實驗平臺的軟件系統(tǒng)主要包括客戶端、Web服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器子系統(tǒng)三大部分。

3 虛擬電子實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

本文利用LabVIEW8.60開發(fā)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(gòu)建虛擬電子實驗平臺主要完成兩類實驗設(shè)計：一為數(shù)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(fā)器實驗、加法器實驗和數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)編程控件將該實驗平臺發(fā)布到校園網(wǎng)上,學(xué)生可以遠(yuǎn)程登錄該網(wǎng)頁完成電子實驗任務(wù)。使用LabVIEW開發(fā)程序的過程：

3.1 方案設(shè)計

首先，按照設(shè)計要求，細(xì)分軟件任務(wù)，采用“自上而下,逐層細(xì)分”的原則，將軟件系統(tǒng)細(xì)分為幾個功能模塊，然后確定各模塊的實現(xiàn)方案。如數(shù)電基礎(chǔ)實驗包括門電路功能測試、數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器、觸發(fā)器等；模電有單級共射放大電路、場效應(yīng)管放大器、負(fù)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(chuàng)建

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

圖2 數(shù)字電子技術(shù)實驗前面板

3.3 程序框圖設(shè)計

設(shè)計程序框圖主要是對節(jié)點、數(shù)據(jù)端口和連線的設(shè)計，即建立圖形化的流程圖。程序框圖相當(dāng)于源代碼,它決定著儀器實現(xiàn)的功能,并通過前面板顯示出來。根據(jù)開發(fā)軟件所要實現(xiàn)的功能，選擇合適的函數(shù)節(jié)點，或通過調(diào)用子VI(使用LabVIEW開發(fā)的應(yīng)用程序,一般由一個或多個后綴為“VI”的文件構(gòu)成)。使用連線板完成對控件、節(jié)點、子VI的正確連線。

3.4 程序調(diào)試

設(shè)計前面板和程序框圖之后,還應(yīng)通過多次調(diào)試程序,查找錯誤，改進功能，直到其能完全實現(xiàn)設(shè)計要求為止。調(diào)試程序方法主要有:查找語法錯誤、設(shè)置高亮執(zhí)行程序、設(shè)置斷點與單步執(zhí)行方式、采用探針實時查看某根連線的數(shù)據(jù)值。

另外，測控實驗平臺設(shè)計思路與仿真平臺相似，先設(shè)計各個虛擬儀器子VI，并完成本地調(diào)試。調(diào)試成功后,采用子面板插入技術(shù)實現(xiàn)各個程序的動態(tài)載入，設(shè)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(shè)置好所選儀器參數(shù)，或者采集NI-ELVIS上數(shù)據(jù)進行分析處理，或者將虛擬儀器產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出到NI-ELVIS上，以完成實驗。

4 遠(yuǎn)程實驗平臺設(shè)計與實現(xiàn)

在 LabVIEW 中，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)包括共享變量、DataSocket、TCP∕IP 、UDP 和遠(yuǎn)程面板調(diào)用等。本文主要釆用遠(yuǎn)程前面板技術(shù)實現(xiàn)客戶端瀏覽器對服務(wù)器上仿真實驗平臺VI的遠(yuǎn)程查看和控制。測控實驗平臺遠(yuǎn)程通信的實現(xiàn)主要用共享變量技術(shù)和LabVIEW的網(wǎng)頁發(fā)布技術(shù)。

4.1 仿真實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1.1 服務(wù)器端設(shè)置：其主要完成服務(wù)器配置及VI程序的發(fā)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(shè)置。具體方法:打開要發(fā)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(shè)置。①選擇Web服務(wù)器:“配置”頁面,出現(xiàn)對話框,按圖配置好各項參數(shù),以啟用Web服務(wù)器，發(fā)布前面板圖像及HTML文檔。其中，HTTP端口為Web服務(wù)器所用的TCP/IP端口。②選擇Web服務(wù)器:“可見VI”頁面,添加允許被遠(yuǎn)程連接的VI，在可見VI輸入框中輸入通過Web服務(wù)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(wù)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(quán)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(shè)置權(quán)限。最后選擇“確定”,完成Web Server配置。

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

文件名，完成VI的發(fā)布。

4.1.2 客戶機端設(shè)置：完成服務(wù)器端的設(shè)置后,客戶機通過簡單設(shè)置快捷地實現(xiàn)對服務(wù)器內(nèi)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(tǒng)和支持ActiveX瀏覽器的PC機，通過Internet與Web服務(wù)器相連。用戶通過網(wǎng)頁瀏覽的方式訪問遠(yuǎn)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(yuǎn)程控制VI，需使用Web瀏覽器輸入服務(wù)器發(fā)布VI時生成的URL,就可看到VI的遠(yuǎn)程前面板,通過鼠標(biāo)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(yuǎn)程前面板。需新建一個VI,并選擇“操作/連接遠(yuǎn)程前機板”,就可打開連接遠(yuǎn)程前面板對話框?？梢苑奖愕貙崿F(xiàn)用戶與服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信，監(jiān)控、接收服務(wù)器端的數(shù)據(jù),并進行分析和處理。

4.2 測控實驗平臺設(shè)計與實現(xiàn)

測控實驗平臺遠(yuǎn)程通信的實現(xiàn)主要用共享變量技術(shù)和LabVIEW本身的網(wǎng)頁發(fā)布技術(shù)。用戶遠(yuǎn)程登錄測控平臺, 使用虛擬儀器處理遠(yuǎn)程信號,并將信號通過共享變量技術(shù)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(xiàn)遠(yuǎn)程計算機之間的數(shù)據(jù)傳遞。通過其屬性對話框,選擇“網(wǎng)絡(luò)發(fā)布”。將服務(wù)器上測控平臺每個VI的共享變量作為網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的數(shù)據(jù)源, 將客戶機VI的共享變量通過網(wǎng)絡(luò)路徑“綁定”這些數(shù)據(jù)源,服務(wù)器上處理的數(shù)據(jù)就可實時傳遞至客戶機。然后配置并啟動Web服務(wù)器,并將測控平臺前面板發(fā)布到Web服務(wù)器中,這樣客戶機通過瀏覽器或連接至遠(yuǎn)程前面板方式,就能遠(yuǎn)程訪問測控平臺,完成實驗。

測試結(jié)果表明,該虛擬實驗平臺運行穩(wěn)定,人機操作界面友好,系統(tǒng)擴展性強,較易維護，不僅成本低，登陸方便自由，突破傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ?，為異地實驗提供了平臺,不再受傳統(tǒng)面對面的實驗?zāi)Ｊ降南拗?且可以節(jié)約大量重復(fù)投資,有利于改善辦學(xué)條件,提高教學(xué)效果,在改革傳統(tǒng)教學(xué)方法、提高教學(xué)質(zhì)量、教育資源共享、節(jié)約投資等方面都具有十分重要的意義。

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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(xué)習(xí)平臺服務(wù)器端

通過Android客戶端的Apache HttpClient向Servlet發(fā)出響應(yīng)請求，并通過Servlet將其請求轉(zhuǎn)交給業(yè)務(wù)層，并通過DAO接口實現(xiàn)與數(shù)據(jù)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(guān)的結(jié)果。

6 結(jié)束語

通過上述的設(shè)計，采用J2EE開發(fā)語言，實現(xiàn)了基于流媒體技術(shù)的大學(xué)生英語移動學(xué)習(xí)平臺在Android設(shè)備終端的使用，并可有效的提高大學(xué)生學(xué)習(xí)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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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(xué)及應(yīng)用語言學(xué)，英語教學(xué)

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