利用网络仿真实验开展继续教育之研究

吕太国

摘要：利用图形化编程软件Labview设计了一套演示利萨如图形的虚拟仪器，对虚拟仪器的界面和交互性进行了全面的仿真。借助于功能强大的LabVIew网络化工具和技术，以不同方案实现了该虚拟仪器的网络化，该演示仿真系统对于提高实验教学质量和效率、降低实验教学成本具有重要的意义。

关键词：Labview虚拟仿真；利萨如图形；web

中图分类号：G724文献标识码：A

一、引言

继续教育是提高劳动者素质、推进我国科技进步和国民经济高速发展的重要手段，是构建大众化、社会化终身教育体系的重要组成部分。随着网络的快速发展，教学领域越来越多地运用信息技术作为教学的辅助手段，通过网络学习接受继续教育的人数逐年增加，网络已经成为当代继续教育的必要手段之一，本文就如何设计网络虚拟仿真实验开展继续教育进行有益的探讨。

物理实验需要有相应的配套设备及其实验环境，但是在实际实验过程中有些实验设备比较复杂并且价格特别昂贵，这在很多地方限制了实验的进行。同时又由于在现实的实验中、往往同时存在着许多与定律无关的因素。对于这些无关因素，有时只能尽量减小它们对结果的影响，而不能彻底消除，因而对实验结果产生一定的影响。另外，由于高校招生规模的扩大，学生人数的增加与实验场地和仪器设备套数的局限形成了日益鲜明的矛盾，对于毕业后的学生或者社会人员进行继续教育难以提供条件和机会，解决这些矛盾成为当前实验教学改革刻不容缓的任务。随着计算机技术的突飞猛进，使得现代计算机具备了强大的多媒体和数据处理能力。用计算机软件来虚拟和仿真现实事物已经成为可能，并越来越广泛地应用到各个领域。利用计算机软件技术发展的成就，以软件仿真的形式设计制作各类物理实验课件，把部分知识性、理解性和验证性的实验教学内容在计算机上并且通过远程网络完成，不仅可以缓解实验场地、仪器设备紧张的矛盾，大大减轻传统实验教学的负担。而且软件的制作、维护和更新要比硬件设备容易得多，成本也低得多。所以，虚拟仪器技术应用于实验科研和远程继续教育，将给传统的实验教学注人新的活力。

网络的发展，拓展了虚拟仪器测试系统的应用范围，使之能通过网络实现远程测控的功能，构成网络虚拟仪器系统。它可以使信息采集、传输和处理一体化，使许多昂贵的测试设备得以共享。可对某些危险的、环境恶劣的不适合人员现场操作的测试作远程监控，将现场数据放在服务器中供用户使用。网络虚拟实验室是一个无墙的中心，通过计算机网络系统，研究人员或学生将不受时空的限制，随时随地与同行协作，共享仪器设备，共享数据和计算资源，学员可以得到教师的远程指导以及与同行相互研讨。

二、网络虚拟实验室种类

从众多的网络虚拟实验室来看，按其实现的功能可以把它们分成以下两类：纯软件仿真形式的网络虚拟实验室和直接操作远程实验室实验的网络虚拟实验室。

(一)纯软件仿真形式的网络虚拟实验室

这类实验室主要特点是不涉及具体的实验仪器硬件设备，只是利用软件来模拟演示实验。它是对实际物理设备及实验过程的仿真，可以通过网络来访问，其所有的内容都集中在服务器上，便于集中管理。

模拟仿真实验，主要完成验证型、原理演示型实验。设计虚拟仪器的过程与主要工作内容就是编制应用软件的过程。设计虚拟仪器必须有合适的软件工具，综合各种开发工具的特点，我们选择Lab－view作为开发平台。并且使用LabVIEW自带的网页发布功能，直接在Web服务器端生成嵌入实验平台的www网页，用户只需使用网页浏览器即可通过Internet访问网络虚拟实验室，进行虚拟仿真实验。

(二)直接操作远程实验的网络虚拟实验室

这类实验室与前面一种最主要的区别在于控制对象是真实的实验设备。服务器端接受客户端的实验请求和实验参数，使用实验参数配置与之连接的实验仪器硬件设备，由实验仪器硬件设备进行实验，并将实验结果返回。客户端可以一边调整参数，一边观看实验的真实运行过程。这种实验室利用了有限的实验资源，而且收到了较好的效果，是目前网络虚拟实验室研究发展的一个重要方向。

根据应用情况与实际的条件选择基于计算机的虚拟仪器的仪器模块(VXI,总线、PCI总线、总线、GPIB仪器)，包括传感器、信号调理电路、数据采集、信号源等模块。硬件确定以后，主要确定软件功能模块，哪些仪器功能由软件实现，将软件功能划分为相对独立的模块，然后选择图形化的Lab-view软件平台编写相应的仪器前而板及程序框图。采用Labyiew编写虚拟仪器软件简化了程序设计，提高了效率。利用Labview和NI的数据采集卡可以实现了诸如数据采集、虚拟示波器、虚拟信号发生器、虚拟频谱分析仪等多种仪器功能。

从以上分析可见，远程操作实验的虚拟实验室具有许多优越性，但需要较多的投资，开发周期较长。而纯软件的虚拟实验室投资较少，实验可以任意扩充，形式可以丰富多彩，而且易于开发，具有很高的实用价值。

三、系统设计技术实现

(一)开发工具

在设计仿真实验时，首先要选择一个适宜的软件开发工具。目前广泛采用的虚拟仪器开发软件有LabVIEW和LabWindowsPCVI。这里采用Lab-VIEW，LabView是美国国家仪器公司推出的虚拟仪器软件平台，它是一种图形化的编程软件，即源程序是框图式的，没有严格的语法规则，易学易用，实验教学人员只需稍加学习就可以基本掌握，在测试、虚拟仪器领域已获得广泛应用。

LabView编程有两个界面，一个叫作前面板，对应仪器的操作面板，各种开关、旋钮、指示灯、显示屏、色彩、装饰条等均可直接用鼠标在前面板上拖动布置。布置好的前面板就是程序运行的界面，因此，可以容易地设计出美观的模拟真实仪器的界面。另一个编程界面叫后面板，后面板从形式上看是一些图标、连接线、运算符等。前面板上除装饰性的图和文字以外，各种开关、指示、显示屏等都对应后面板上一个图标，这些图标在后面板上通过连接线、运算符等连接起来，构成一定的关系。编程过程不再是代码组合，而成为图标的连接与组合。

LabView提供了丰富的软件资源供用户使用，除了前面板上的输入、输出控件以外，还有波形产生、波形分析、滤波器、控制、设计、仿真等大量算法可直接调用。此外，LabView还提供了C，MatLab，ActiveX，DLL等程序接口，大大提高了编程效率。

LabVIEW通过内建功能强大的TCP/IP及UDP协议技术、DataSocket技术、VI Server和web服务器技术，较好地实现了虚拟仪器的网络化

扩展。Web服务器是虚拟仪器由LAN向WAN扩展的，实现其网络化扩展极具价值的一环。使用Lab-VIEW的Web服务器，可以方便简单地实现在Web上发布LabVIEW程序；同时，网络上的计算机无需安装LabVIEw，就可以查看以HTML文件发布的Web网页，甚至通过网页控制程序的运行。使虚拟仪器Web化得以实现，借此建立起强大的网络化功能。

我们以LabVIEW内置的网页发布功能为基础，通过HTML设计网页，并使用Microsoft IIS5.0发布功能，直接在服务器端生成嵌入实验平台的www网页，用户只需使用网页浏览器进入相关站点，即可通过Intemet进行虚拟仿真实验。

(二)软件设计

利萨如图形演示仪是我们基于Labview平台制作的一个仿真程序，其前面板如图1所示。利萨如图形是由两个相互垂直的简谐振动在一定条件下合成的图形。在通常的演示实验中，一般采用信号发生器提供信号。我们在软件设计中，采用两个信号

发生模块代替真正的信号发生器产生信号，分别作为x轴和y轴输入信号，然后通过一显示模块把合成的波形显示出来。该虚拟演示仪器可以同时显示两信号源分别产生的波形和两波形合成的利萨如图形。在仪器的前面板上我们可以任意设置信号的频率、初位相、振幅。利用此虚拟仪器还可以演示多种波形的合成：正弦波、余弦波、方形波、锯齿波和三角波以及它们之间的相互垂直合成，可以实现用真实的仪器实现的各种演示。而且可以验证利萨如图形的各种特点，使实验变的简单易行。

(三)网络发布与访问

使用LabVIE w的web服务器在web上发布LabVIEW程序，可以使本地或远程计算机浏览或者控制Server端中的Remote Panels。

在LabVIEW6.1中设定并使用Remote Panels需要两个步骤：

(1)在LabVIEW Web Server端的计算机上开启LabVIEW Web Server服务。

(2)在Client端计算机上连接并运行Remote Panels。

在web上发布LabVIEw程序有多种方式，但是使用每种方式之前都必须首先在发布程序的机器上打开Web服务器，而且有必要了解一些有关Web服务器的设置，这些设置可以通过Tools－>Options…菜单项，打开选项对话框后进行。

在Web上发布HTML(Hypertext Markup Language，超文本链接标示语言)文件的方法是首先生成一个HTML文件，文件中包括程序前面板和文本说明，这个文件保存以后，在发布程序的机器上运行Web服务器，网络上的任何计算机不管是否安装了LabVIEW，只要按规定的格式在Web浏览器中输入URL，就可以查看保存的Web页。一个程序发布多个不同的网页，各个机器可以分别浏览。

在发布程序的机器上运行Web Server以后，就可以在Client端访问Web Server上的Remote Pan－els程序了。根据client端安装的软件的不同，有不同的访问方式。

1、在Web上浏览程序前面板

这是在web上浏览程序的最简单的方式。适宜Clmnt端只有浏览器的情况。

在发布程序的机器上运行web服务器以后，网络上的任何计算机不管是否安装了LabVIEW，只要按规定的格式在Web浏览器中输入URL，就可以查看Web服务器所在计算机内存中程序的前面板。

2、在Web上浏览HTML文件

在Client端只有浏览器的情况下，如果在WebServer中生成了HTML文件并运行Web服务器，只要按规定的格式在在Client端web浏览器中输入URL，就可以查看保存在Web服务器中的Web页。如果发布网页的程序在计算机内存中，则Web页中包括程序的前面板图像；否则将只有文本内容。

3、通过网页浏览器在网页中操作R,emote Panels

通过在Client端计算机上安装免费的Lab-VIEW6，1 Run-Time Engine或LabVIEW5，1来实现对Remote Panels的控制操作。LabVIEW6，1的Remote Panels不仅可以观看，而且可以在Lab-VIEW的环境中或浏览器上加以控制，这个功能强大的工具让许多开发人员可以轻松地创建远程应用程序。

四、结束语

传统的继续教育形式诸如函授教学、课堂面授、广播电视教学等在现实的实验教学过程中受到时间、空间、仪器等条件的限制，难以达到理想的教学效果。所以在现代信息社会中，利用网络和虚拟仪器技术开发远程仿真实验成为改革继续教育方式的必然要求。这种教学方式实现了跨地域、跨时间的测量，实现了实验的高度自动化、智能化，缩短了研究时间。它不仅可以给学员带来一种如临现场的亲身感受，加强学员的感性认识，提高了学习兴趣和学习效果。同时，利用网上虚拟仿真实验开展继续教育，既可以节约购买实验仪器的成本，又不受学习时间地点的制约。因此在网络普及的现代信息社会，利用网上虚拟仿真实验开展继续教育是一个不错的选择。

【责任骗辑姜雪】