基于虚拟仪器的网络化航海仪器实验室构建研究

韩云东 苑志江 高明月 王骁 郎丰旺

摘  要 针对航海实验室存在的航海装备数量和规模都难以满足教学需要的现状，充分利用虚拟仪器技术和网络技术，构建基于虚拟仪器的网络化航海仪器实验室。从实验室功能设计、构建模式对实验室功能设计进行阐述，进而对虚拟实验室的实现从实验室构成、工作流程展开讨论，最后通过虚拟回声测深仪实验实例，对网络化航海仪器实验室进行具体介绍。

关键词 虚拟实验室;虚拟仪器;LabVIEW;航海仪器

中图分类号：G482    文献标识码：B

文章编号：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

虛拟仪器是计算机和仪器技术两种技术深层次结合的产物，完全继承了传统仪器的所有优点，更超越了传统仪器。虚拟仪器就是在计算机上增加相应的硬件和软件，把计算机的处理器、存储器、显示器和仪器的模数变换器、数模变换器、数字输入输出等结合到一起，充分利用计算机的优势，可对数据进行大量计算和存储，具有很强的灵活性和可塑性，在很多工程领域得到广泛应用，在院校的实验室教学中也发挥着重要作用。

随着计算机技术和网络技术的不断发展，很多应用从单机版程序转变为网络化应用。尤其在院校实验室教学过程中，将虚拟仪器技术和网络化技术相结合，极大地提升了虚拟仪器的实验应用，从而使传统实验室成功地进入网络化虚拟实验室阶段。

1 网络化航海仪器实验室的需求分析

航海仪器实验教学在航海专业课教学中占有十分重要的地位，通过航海仪器实验可以加深学生对所学理论知识的理解，增强学习兴趣，提高发现问题、分析问题和解决问题的能力。但是近年来学员数量不断增加，现有的实验室航海仪器装备数量和规模都难以满足需要。因此，航海仪器实验室常常只能应付学员做一些最简单的示教性实验，学员很少有机会去反复操作装备，更少有机会去做设计性实验，难以有效提升实践动手能力和培养创新精神。另外，专业实验室一般仅对本专业的学员开放，不同专业之间的交流很少，不利于学员知识面的扩展。

基于虚拟仪器的网络化航海仪器实验室是对传统实验教学模式的改革，为解决航海专业设备短缺的现状提供了有效解决办法。构建网络化航海仪器实验室能够突破传统模式的局限性，促使实验教学由实物实验教学向虚拟实验教学、远程虚拟实验教学发展，从根本上解决了航海仪器装备数量难以满足实际需求的问题。

2 网络化航海仪器实验室的设计

在LabVIEW平台上开发相应的虚拟航海仪器，再利用LabVIEW自带的网络功能，在网络实验室网页上发布虚拟航海仪器，用户可以在网络客户端进行航海仪器实验，对于实验过程中产生的实验室数据也可进行远程数据采集[4]。

实验室功能设计  基于虚拟仪器技术设计网络化航海仪器实验室，可以根据不同的实验需求，利用不同的虚拟仪器技术实现不同功能型的虚拟实验室：一类是软件共享网络虚拟实验室，即不涉及具体实验硬件设备，只是利用软件来模拟实验过程;另一类是装备共享网络虚拟实验室，该类实验室利用LabVIEW开发多个航海装备模拟器，通过在客户端操作模拟器将实验数据传递给实验硬件设备，并将实验结果返回服务器端，再通过网络返回用户端。通过虚拟仪器技术和网络技术的结合，构建基于虚拟仪器的网络化航海仪器实验室，可以有效解决航海专业设备难以满足专业学员实验的问题。

C/S模式（客户/服务器模式）  C/S（Client/Server）

模式是网络通信中常用的一种模型，如图1所示。该模式由多个客户端（即实验室终端）来采集测深仪等航海装备的实验数据，用一个服务器来充当数据库的角色，客户端通过网络把实验数据写入服务器端的数据库，其软件设计包括三个方面：一是终端采集程序，二是远程发布的程序，三是终端数据的接收程序。在LabVIEW平台下，专门为测试数据安全快速的传输设置了DSTP协议。

B/S模式（浏览器/服务器模式）  B/S（Browser/Web Server）的体系结构是对C/S结构的延伸，是为了方便用户在网络客户端发布数据，客户端只需在本机上安装，通用浏览器、IP地址直接访问该服务器端软件，就可以实现远程监视客户端的数据变化。其特点是需要在服务器端完成程序开发，不需要在客户端进行程序的开发和维护。B/S组网模式如图2所示。B/S模式结构在虚拟Internet上主要实现WWW服务、FTP服务、SMTP服务。

3 网络化航海仪器實验室实现

网络化航海仪器实验室构成  基于虚拟仪器的网络化航海仪器实验室采用B/S模式，由客户端、网页服务器端、应用服务器端、DAQ设备、实际装备和数据库六部分组成，如图3所示。其中，数据库用来生产包含实验模拟器的动态网页，并对实验数据进行存储和管理;网页服务器是根据客户端的实验请求，生成动态网页并提供开放式交互实验环境;应用服务器则是对虚拟航海仪器进行控制和管理，并实时采集和处理实验数据。

网络化航海仪器实验室工作流程  客户端通过TCP/IP协议访问Web服务器，获得实验原理的多媒体演示以及各种实验仪器的图形化用户界面（GUI），通过GUI向Web服务器发出远程实验的各种请求;Web服务器实时分析收到的请求，合理地分配硬件资源，并将请求转发给远程数据服务器;远程数据服务器上配备LabVIEW虚拟仪器软件平台和相关的GPIB/PXI数据采集、信号调理硬件，开始实时采集航海装备的数据，并将数据信号载入服务器中建立的SQL数据库，完成对数据库中信号的分析处理，最后将结果通过Web服务器发送回不同的客户端，以数值、曲线、表格、图像和报告等形式呈现给用户，完成远程实验。

虚拟回声测深仪实验  以网络化工程实验室中的远程虚拟回声测深仪实验为例，在该实验中，以回声测深仪的测深原理为基础，在NI公司的数据采集卡的基础上，利用LabVIEW编程语言构建虚拟回声测深仪所需要的数据采集系统、深度解算系统、深度显示系统、深度数据保存系统和危险深度报警系统，并对存在误差进行分析补偿，这些共同构成虚拟回声测深仪。虚拟仪器系统硬件以PCI6014卡和实验面包板为基础构建，软件采用LabVIEW编程实现，能够模拟实现测深仪的全部功能，并增加了保存、读取历史数据功能。

虚拟回声测深仪的界面主要构成包括模拟回声测深仪信号发生器、初始值设置部分、显示部分、STOP按键，如图4所示。其中，模拟回声测深仪信号发生器包括深度、海区、月份、底质、频率、幅值的选择;初始值设置部分包括相对应的海区、月份、工作状态以及危险深度的选择设置;显示部分包括深度数字显示、深度Chart实时显示、回波信号的实时显示、深度圆盘显示及相对应的量程转换和量程展开以及深度保存。

4 结论

通过构建基于虚拟仪器的网络化航海仪器实验室，可以构成一个跨时空、跨学科、跨平台的网络化专业实验室，实现航海装备、实验仪器的远程实验和数据共享，在有限的实验装备资源条件下为学员提供充分的航海专业实验课程。基于虚拟仪器的网络化航海仪器实验室具有开发周期短、可扩展性强、使用效率高等优点，是解决专业实验室装备资源紧张问题的有效途径。因此，网络化专业实验室在远程实验、教育和培训中具有良好的应用前景。■

参考文献

[1]崔凤英，樊春玲，周春丽.基于专业认证的虚拟仪器课程教学改革与探讨[J].中国教育技术装备，2019（14）：86-87，90.

[2]周南权，全晓莉.基于LabVIEW的数字电路虚拟实验系统设计[J].电子测试，2018（22）：14-16.

[3]张雪侠，付安英，商莹.基于虚拟仪器的电子实验室的研究[J].电子设计工程，2017（6）：170-172.

[4]张文广，岳明桥，陈克坚.基于Lab Windows/CVI的虚拟仪器实验系统设计[J].仪表技术，2018（7）：14-17.

3345501908289