基于虚拟仪器技术的远程电子实验平台的设计与实现

邵晓娟，卢庆林

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳，712000）

基于虚拟仪器技术的远程电子实验平台的设计与实现

邵晓娟，卢庆林

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳，712000）

为了解决实验设备紧缺和教学质量问题，通过使用虚拟仪器和网络技术研究并构建了基于虚拟仪器的远程电子虚拟实验平台，经过测试能够完成仿真和测控电子实验教学任务，实现用户远程访问、远程控制、资源共享和数据共享。

LabVIEW；虚拟技术；远程电子实验；网络技术

1 远程虚拟实验平台的功能

远程虚拟实验平台是以计算机网络技术为支撑,计算机实时仿真为核心,主要具备以下功能特征：①开放性:通过网络向远程用户开放,实现资源共享。用户通过网络可以自由地进入或退出实验室,不受时、空的限制,使异地实验,分布协作实验成为可能。②可扩展性:随着网络技术的发展，仪器设备不断更新，远程虚拟实验可不断的对软、硬件升级，增加新的实验模块。③可操作性:其所有软硬件集成于一个系统，各组成部分可以互相操控，用户通过网络远程操作设备时如进行本地实验。④自主性:其能为用户提供一些个性化的服务,定制使用虚拟仪器的方式,如通过设置来保护自己的数据资料等,体现用户的自主性和控制性。⑤安全性:采用用户鉴别注册、权限验证技术、文献加密等技术手段保证系统的安全。该实验系统能够拒绝非法用户进入实验平台，以及随时中止合法用户的不当操作,避免系统出错。

2 远程虚拟实验平台总体架构

目前,远程虚拟实验平台的体系结构主要有两种模式,一种是C/S模式，另一种是B/S模式。该平台包括两大组成部分。一是仿真实验平台，提供给用户一系列模拟仿真实验，供用户学习仪器使用、基本理论的验证等实验知识，釆用B/S模式。二是测控实验平台,提供给用户可以共享的硬件设备以及多种虚拟仪器。用户通过网络远程操控设备,获得实验数据或对数据进行分析处理,采用C/S模式和B/S模式相结合的方式。

2.1 虚拟仪器的硬件结构系统

根据实验平台的设计及结合现有实验条件,采用PC-DAQ方式构建平台硬件系统，包括传感器、信号调理设备、数据采集卡ART2953、NI-ELVIS实验仪、应用服务器、Web服务器等。硬件框架如下图所示。

图1 虚拟实验平台硬件框架

硬件是虚拟仪器的基础,主要进行被测信号的采集、传输、存储处理和输入/输出设备等；接口设备即采集调理部件,包括PC总线的数据采集DAQ卡、串口总线仪器等标准总线仪器,完成被测信号的采集、放大和模数转换。NI-ELVIS实验仪提供

有函数信号发生器和可调电源,通过PCI连接器连到平台工作站上实验板则可用来搭建实验电路。数据采集卡采用ART2953，它是一种基于 PC104 总线的数据采集卡，可直接和计算机的PC104 接口相连，构成实验平台、检测中心等领域的数据采集、波形分析和处理系统。

2.2 虚拟仪器的软件结构

LabVIEW 8.60作为系统的软件开发平台。美国国家仪器NI公司开发的 LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench,实验室虚拟仪器工程平台),是目前应用最广、发展最快,功能最强的一款基于G语言的虚拟仪器软件开发工具。远程虚拟实验平台的软件系统主要包括客户端、Web服务器、应用程序服务器子系统三大部分。

3 虚拟电子实验平台的设计与实现

本文利用LabVIEW8.60开发软件中的多个虚拟控件组建一个虚拟的电子实验平台。通过构建虚拟电子实验平台主要完成两类实验设计：一为数字电子实验，如基本门电路的逻辑功能测试实验、译码器实验、触发器实验、加法器实验和数据选择器实验。另为模拟电子实验，包括运算放大器、功率放大器等波形放大、分析测试。利用LabVIEW软件中的网络编程控件将该实验平台发布到校园网上,学生可以远程登录该网页完成电子实验任务。使用LabVIEW开发程序的过程：

3.1 方案设计

首先，按照设计要求，细分软件任务，采用“自上而下,逐层细分”的原则，将软件系统细分为几个功能模块，然后确定各模块的实现方案。如数电基础实验包括门电路功能测试、数据选择器、译码器、触发器等；模电有单级共射放大电路、场效应管放大器、负反馈放大电路电路、比例、求和电路、积分与微分电路、有源滤波电路、RC正弦波振荡电路、功率放大电路等。

3.2 前面板创建

根据实际中的仪器面板以及该虚拟仪器所要实现的功能来创建前面板。前面板可实现用户和所开发仪器的交互，用户通过前面板如现场操作一样对仪器操作，如下图所示。

图2 数字电子技术实验前面板

3.3 程序框图设计

设计程序框图主要是对节点、数据端口和连线的设计，即建立图形化的流程图。程序框图相当于源代码,它决定着仪器实现的功能,并通过前面板显示出来。根据开发软件所要实现的功能，选择合适的函数节点，或通过调用子VI(使用LabVIEW开发的应用程序,一般由一个或多个后缀为“VI”的文件构成)。使用连线板完成对控件、节点、子VI的正确连线。

3.4 程序调试

设计前面板和程序框图之后,还应通过多次调试程序,查找错误，改进功能，直到其能完全实现设计要求为止。调试程序方法主要有:查找语法错误、设置高亮执行程序、设置断点与单步执行方式、采用探针实时查看某根连线的数据值。

另外，测控实验平台设计思路与仿真平台相似，先设计各个虚拟仪器子VI，并完成本地调试。调试成功后,采用子面板插入技术实现各个程序的动态载入，设计完成测控平台主界面程序。用户进入平台后,通过平台主界面提供的各个按键选择实验项目,在主界面显示的虚拟实验屏幕上设置好所选仪器参数，或者采集NI-ELVIS上数据进行分析处理，或者将虚拟仪器产生数据输出到NI-ELVIS上，以完成实验。

4 远程实验平台设计与实现

在 LabVIEW 中，网络通信技术包括共享变量、DataSocket、TCP∕IP 、UDP 和远程面板调用等。本文主要釆用远程前面板技术实现客户端浏览器对服务器上仿真实验平台VI的远程查看和控制。测控实验平台远程通信的实现主要用共享变量技术和LabVIEW的网页发布技术。

4.1 仿真实验平台的设计与实现

4.1.1 服务器端设置：其主要完成服务器配置及VI程序的发布。具体方法如下:

（1）完成对Web Server配置选项、可见VI选项、浏览器访问选项的设置。具体方法:打开要发布VI的前面板,选择工具菜单/选项，从类别列表中选择以下选项页,完成设置。①选择Web服务器:“配置”页面,出现对话框,按图配置好各项参数,以启用Web服务器，发布前面板图像及HTML文档。其中，HTTP端口为Web服务器所用的TCP/IP端口。②选择Web服务器:“可见VI”页面,添加允许被远程连接的VI，在可见VI输入框中输入通过Web服务器可见的VI名称,添加至可见VI列表。若输入“*”表示允许访问所有VI。③选择Web服务器:“浏览器”访问页面,添加允许访问的浏览器地址,并给予其“允许查看的控制”权限。输入“浏览器地址”时可用通配符“*”来指定一组浏览器地址并设置权限。最后选择“确定”,完成Web Server配置。

（2）使用“Web发布工具”发布子VI。选择菜单“工具/Web发布工具”,打开发布页面,选择要发布的VI及查看模式，键入生成HTML文档的标题、页眉、页脚等内容，选择网页保存目录及

文件名，完成VI的发布。

4.1.2 客户机端设置：完成服务器端的设置后,客户机通过简单设置快捷地实现对服务器内存中VI的查看和控制。若没有LabVIEW的客户机需安装LabVIEW运行引擎, 一般客户端是安装有Windows操作系统和支持ActiveX浏览器的PC机，通过Internet与Web服务器相连。用户通过网页浏览的方式访问远程实验平台站点，完成正确登录后，选择所要进行的实验。若要远程控制VI，需使用Web浏览器输入服务器发布VI时生成的URL,就可看到VI的远程前面板,通过鼠标右击前面板任何地方,在弹出快捷菜单中可选择控制。安装有LabVIEW客户机可通过LabVIEW作为客户端查看和控制远程前面板。需新建一个VI,并选择“操作/连接远程前机板”,就可打开连接远程前面板对话框。可以方便地实现用户与服务器端的网络通信，监控、接收服务器端的数据,并进行分析和处理。

4.2 测控实验平台设计与实现

测控实验平台远程通信的实现主要用共享变量技术和LabVIEW本身的网页发布技术。用户远程登录测控平台, 使用虚拟仪器处理远程信号,并将信号通过共享变量技术读取到本地PC机上。不仅对每个共享变量进行配置，还要通过共享变量实现远程计算机之间的数据传递。通过其属性对话框,选择“网络发布”。将服务器上测控平台每个VI的共享变量作为网络发布的数据源, 将客户机VI的共享变量通过网络路径“绑定”这些数据源,服务器上处理的数据就可实时传递至客户机。然后配置并启动Web服务器,并将测控平台前面板发布到Web服务器中,这样客户机通过浏览器或连接至远程前面板方式,就能远程访问测控平台,完成实验。

测试结果表明,该虚拟实验平台运行稳定,人机操作界面友好,系统扩展性强,较易维护，不仅成本低，登陆方便自由，突破传统实验模式，为异地实验提供了平台,不再受传统面对面的实验模式的限制,且可以节约大量重复投资,有利于改善办学条件,提高教学效果,在改革传统教学方法、提高教学质量、教育资源共享、节约投资等方面都具有十分重要的意义。

[1] 陈锡辉,张银辉.LABVIEW8.60程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2010.

[2] 孙春晖等.基于虚拟仪器的高职电子远程实验平台设计与实现[D]. 南京理工大学硕士论文，2012.

[3] 戴成梅，戴成建.基于 LabVIEW 的电工电子网络虚拟实验室研究与开发[J].实验室研 究与探索，2011.

邵晓娟，女，陕西榆林人，讲师，硕士，研究方向：控制工程

卢庆林，男，教授，硕士，研究方向：电气控制

图3 基于流媒体的移动学习平台服务器端

通过Android客户端的Apache HttpClient向Servlet发出响应请求，并通过Servlet将其请求转交给业务层，并通过DAO接口实现与数据库之间的连接和交互，从而使得用户通过Android客户端获取相关的结果。

6 结束语

通过上述的设计，采用J2EE开发语言，实现了基于流媒体技术的大学生英语移动学习平台在Android设备终端的使用，并可有效的提高大学生学习英语的热情，具有很强的针对性和实用性。

参考文献

[1] 金旭东．基于 J2ME 的移动娱乐应用的研究与实现[学位论文] ．浙江大学计算机科学与技术学院，2006

[2] JAVA 开发网［EB/OL］.http://www.cjsdn.com/

[3] 姚昱旻.基于 Android 的移动学习终端平台的开发与研究[D].中南大学,2008

作者简介

杨洋，女，1985.3.28,陕西省商洛市，助教，研究方向:外国语言学及应用语言学，英语教学

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