基于Labview的网络化虚拟仪器实验系统开发

蔡锷+孙林

（长安大学汽车学院 陕西·西安 710064）

摘 要 针对目前高等工科院校实验教学改革的需求，本文结合虚拟仪器技术和网络技术，构建了一种基于Labview的网络化虚拟实验室系统。系统硬件采用NI公司PXI总线平台设备，软件采用客户端/服务器（C/S）架构，服务器和客户端之间采用Datasocket技术进行通信。系统的教学实践表明，硬件设备性能可靠，软件系统功能灵活。

关键词 网络化 实验教学 虚拟仪器 Labview

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2015.08.015

Development of Network Virtual Instrument

Laboratory System Based on Labview

CAI E， SUN Lin

（School of Automobile， Chang'an University， Xi'an， Shaanxi 710064）

Abstract： To satisfy the reformation requirement of experiment teaching in colleges of engineering， in this paper， a Laboratory System combining the virtual instrument technology with network technology is developed. The PXI platform devices of NI Company are applied in this system. Based on C/S framework， the system software is designed， and the communication between server and client is carried on by the Datasocket technology. Educational practice of the system shows that the devices have the reliable performance， and the software function is flexible.

Keywords： network; experiment teaching; virtual Instrument; labview

0 引言

实验教学在高等院校本科教学中占有重要地位，它对于培养学生创新能力和提高学生的综合素质发挥着重要作用。过去实验教学中存在如下弊端：学生过分依赖教师，实验中重知识、重验证，缺乏创新，实验模式和手段的落后已经成为制约高等学校本科教育改革的重要问题之一。随着计算机和网络技术的快速发展，将网络技术和虚拟仪器技术结合起来，从而构建基于网络的虚拟实验系统平台①②③已经成为实验教学改革的一个方向，国外一些大学已经建立了诸如化学工程、机械工程等网络虚拟工程实验室，相对于传统实验教学模式，网络化虚拟实验系统主要有如下优点：（1）通过多媒体手段，能显著提高了实验教学互动性，将过去相对封闭的教学模式变为开放的教学模式;（2）相对于传统实验中实验场地和时间的诸多限制问题，能够实现有限实验资源的高效共享，降低了实验设备成本;（3）采用模块化的实验教学平台，易于增加实验项目，进一步降低实验成本。

1 系统设计

1.1 总体方案

该系统设计基于客户端/服务器（CS）架构，选用JSP网站开发语言构建系统平台。采用基于虚拟仪器技术的Labview编程语言，开发多种实验项目模块，利用Labview自带的DataSocket技术实现数据远程通信。选用Sqlserver数据库开发数据存储平台，完成相关信息及实验相关数据的存取。本系统通过引入用户认证和预约机制，实现硬件资源的高效分时共享。该系统框图如图1所示，系统主要由核心服务器、本地数据采集仪器、远程客户端及数据库等几部分组成。

图1 网络化虚拟实验系统系统框图

图2 网络化虚拟实验系统硬件组成

1.2 硬件设计

网络化的虚拟实验室要求系统硬件在无人状态下仍能长期稳定工作，从而最大限度的利用硬件系统资源，因此本系统硬件选用了NI公司的具有高可靠性和稳定性能的PXI总线架构产品，以一台高性能计算机作为核心服务器，其硬件结构如图2所示。系统选用PXIe-1073机箱，它内置了MXIe控制卡，通过MXIe技术和服务器进行连接，这种方案在充分利用高性能计算机的同时，能有效降低了硬件成本。PXI机箱共包含了5个PXI采集卡插槽，本硬件系统包含了PXIe-4492、PXIe-6366以及PXIe-4330三块采集卡，剩余插槽便于日后的系统扩展。

本系统所采用的数据采集卡说明如下。PXIe-4492是自带电流激励的8通道同步数据采集卡，主要完成实验中振动加速度值、声音信号的测量。PXIe-6366是多功能通用数据采集卡，主要完成实验中电压值、电流值以及数字信号等的测量和输出。PXIe-4330是8通道可编程电桥输入采集卡，主要完成应变信号的测量。系统硬件的详细技术指标如表1所示。从表1可以看出，本系统包含的硬件能够完成大多数模拟电路、数字电路、传感器信号处理技术以及材料力学等课程信号采集的需求，当需要进行硬件扩展时，不但能对剩余插槽进行扩展，并且利用PXI总线的级联特性能够实现更多PXI机箱以及采集卡通道的扩展。

图4 网络虚拟实验系统功能结构图

2 软件设计

网络化虚拟实验系统的总体软件方案如图3所示。系统采用C/S架构，系统划分为表现层、领域层和数据层三个层次。分为客户端和服务器端，客户端与服务器端通过校园局域网进行连接，它们之间采用Labview自带的Datasocket网络技术进行连接和数据交换。其中，实验预约管理以及仿真和实时测量实验的数据处理和访问集中在客户端中，而硬件设备的核心控制和实验数据保存集中在服务器端，这种架构能充分利用客户端和服务器端的PC处理能力。

根据系统的功能需求分析，软件系统以数据库为核心，整个软件系统可划分为五个功能模块：用户注册和管理模块、实验教学管理模块、远程实验模块、远程实验预约和数据库管理模块。细化各模块的功能，构建系统的功能结构如图4所示。用户注册和管理模块实现系统用户的管理和维护，即完成添加、修改、删除用户等基本操作。其中用户设置模块可以设置用户的类型和权限，该模块只有系统管理员有使用权限。

（a）系统硬件实物图

（b）信号处理技术模块网页发布图

图5 网络虚拟实验系统应用

远程实验模块包含仿真实验和实时测量两部分，其中仿真实验部分提供给学生进行实验前熟悉实验仪器和熟悉实验步骤。实时测量部分通过认证客户端的请求，利用Datasocket技术控制硬件进行数据实时本地采集，所采集数据存储在本地服务器中，并通过Labview的网页发布技术进行客户端的数据显示。根据系统采用的硬件，本软件系统共设置了模拟电子、数字电子、测试技术、信号处理技术及材料力学等实验课程的相关测量实验。

学生完成网上虚拟实验时，首先通过远程预约模块进行预约模拟仿真实验，然后通过用户注册和认证后，进行模拟仿真实验，利用Labview强大的人机交互能力，本模块根据不同的实验需求设计了多种虚拟仪器界面，如针对模拟电子实验，设计了模拟信号发生器、示波器，典型运算放大电路，典型晶体管放大电路等。针对信号处理技术实验，设计了任意波形发生器、典型滤波模块、功率谱分析模块等。在模拟仿真实验环节中，学生通过了解实验内容，可以熟悉具体的实验步骤，并在预习通过的基础上，在约定时间内完成实时操作实验。

本系统的实时测量模块由本地服务器进行控制，通过Labview的Datasocket技术，实现服务器端和客户端之间的数据交换，接受客户端的采集请求，从而控制本地数据采集设备进行工作，所采集数据存储在本地服务器的数据库中。当接收到客户端的数据读取要求时，通过Labview的网页发布功能，由服务器进行网页发布，实现采集数据的回放显示。本系统还设置了实验教学辅助管理模块。实验完成后，由学生通过实验报告提交模块完成实验报告的上传，教师评阅后给出实验成绩，并且学生通过实验成绩查询模块可进行成绩查询。

3 系统应用

本系统的数据采集设备的实物照片如图5所示，图5（a）为硬件实物图，包含了PXIe-1073机箱和PXIe-4492采集卡以及相应的接线BNC端子。图5（b）为信号处理技术模块中的信号分析功能面的网页发布界面，学生利用该界面，通过和服务器端数据库进行交互通信，不但能实现采集数据的查询和回放功能，而且能实现采集数据的时域指标计算、频谱分析，1/3倍频程分析等常见信号分析处理功能。

4 结论

本文通过构建基于labview的网络化虚拟实验系统，不但降低了实验教学相关设备的购置费用，而且能显著提高了实验课的教学水平和质量。初步的教学实践表明，系统硬件设备工作稳定可靠，软件功能灵活、易于扩展，学生的实验课学习积极性和效率都得到了显著的提高。

注释

① 王亚丽，黄勇坚.LabVIEW在电子线路实验教学中的应用.电子技术，2010.10：69-71.

② 戴一平.LabVIEW平台在教育技术学科实验教学中的应用分析.现代教育技术，2012.8：113-117.

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.实验室研究与探索，2011.2：74-79.