基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室構(gòu)建

將虛擬儀器技術(shù)推向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，更能發(fā)揮其“軟件就是儀器”的優(yōu)勢，更有助于形成分布式的網(wǎng)絡(luò)測量體系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和儀器的遠程共享，從而為遠程測控服務(wù)。本文介紹網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的使用BSDA結(jié)構(gòu)，由客戶端、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器以及實驗設(shè)備四個模塊組成，具備開發(fā)周期短，成本低的特點，同時又具有很強的兼容性和擴展性，能夠大大提高儀器的使用效率。

圖1：網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室構(gòu)成原理圖。

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室是一個無墻的中心，通過計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，研究人員或?qū)W生將不受時空的限制，隨時隨地與同行協(xié)作，共享儀器設(shè)備，共享數(shù)據(jù)和計算資源，得到教師的遠程指導(dǎo)以及與同行相互研討。

由于通過網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室能夠?qū)崿F(xiàn)跨時空跨學(xué)科的儀器設(shè)備遠程共享，甚至遠程控制，滿足科研教學(xué)對分布式實驗系統(tǒng)的要求，同時解決棘手的教學(xué)資源緊張問題，國 外的很多科研院所也已經(jīng)進行了相關(guān)的有益嘗試。如Carnegie-Mellon大學(xué)的卡Carnegie Mellon虛擬實驗室，Johns Hopkins大學(xué)的虛擬工程與科學(xué)實驗室，以及Tennessee大學(xué)的網(wǎng)上工程實驗室是其中的比較成功的范例。

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室大多使用的是CS（客戶端／服務(wù)端）結(jié)構(gòu)，按其實現(xiàn)功能基本可分為三類：

1. 軟件共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。其特點為，服務(wù)端共享本地的虛擬實驗室模擬軟件平臺，接受客戶端發(fā)送的實驗請求，分析和處理實驗參數(shù)，經(jīng)過計算模擬最終將結(jié)果返回客戶端。整個系統(tǒng)不涉及具體的實驗儀器硬件設(shè)備，只是利用軟件模擬實驗的過程；

圖2：網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的組成原理圖。

2.儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。服務(wù)端同樣接受客戶端的實驗請求和實驗參數(shù)，使用實驗參數(shù)配置與之連接的實驗儀器硬件設(shè)備，由實驗儀器硬件設(shè)備進行實驗，并將實 驗結(jié)果返回服務(wù)端，最后返回到用戶端，實現(xiàn)實驗儀器的共享，實驗數(shù)據(jù)的共享。

3. 遠程控制網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。與儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室最大的區(qū)別在于除了實驗儀器實驗數(shù)據(jù)的共享之外，它還要實現(xiàn)客戶端對實驗儀器設(shè)備的遠程控制。

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室實現(xiàn)原理

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的構(gòu)建多使用瀏覽器/服務(wù)器/數(shù)據(jù)和應(yīng)用(BSDA，Browser/Server/Database＆Application)結(jié)構(gòu)，其原 理如圖1所示，典型的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室由客戶端、網(wǎng)頁服務(wù)器端、應(yīng)用服務(wù)器端以及實驗儀器設(shè)備四部分組成。網(wǎng)頁服務(wù)器主要作用是提供Web接入服務(wù)、用戶認 證管理、開放式交互實驗環(huán)境以及動態(tài)網(wǎng)頁的生成；應(yīng)用服務(wù)器主要作用是控制和管理實驗儀器、采集和處理實驗數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫的主要作用則是配合用戶帳戶的管 理、動態(tài)網(wǎng)頁的生成以及實驗數(shù)據(jù)的存儲和管理。

本網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，主要由模擬仿真和實時測量兩個部分組成，如圖2所示。模擬仿真部分，主要 完成驗證型、原理演示型實驗，使用LabVIEW自帶的網(wǎng)頁發(fā)布功能，直接在Web服務(wù)器端生成嵌入實驗平臺的WWW網(wǎng)頁，用戶只需使用網(wǎng)頁瀏覽器即可通 過互聯(lián)網(wǎng)訪問網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，進行實驗。

圖3：網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗的硬件結(jié)構(gòu)。

實時測量部分，主要完成儀器共享型、遠程控制型實驗，有一個多媒體輔助模塊，是對實際實驗平臺界面的虛擬呈現(xiàn)，讓學(xué)生在進入實時測量模塊之前來操作，用來檢 驗學(xué)生的預(yù)習(xí)程度，讓學(xué)生預(yù)先了解實驗內(nèi)容，熟悉具體的實驗步驟；另一個是實時測量模塊，它是實時測量部分的核心，負責(zé)本地實驗數(shù)據(jù)的采集，并按遠程用戶 的操作要求進行分析、存儲以及顯示，可使用LabVIEW的網(wǎng)頁發(fā)布功能來實現(xiàn)，也可使用基于LabVIEW編程的 Application Server模塊與客戶端API模塊來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)通信，完成遠程實驗。

網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的硬件結(jié)構(gòu)

我們使用的是以NI-PXI構(gòu)架為核心的硬件體系，并以一臺Dell PowerEdge4600為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，如圖3所示。Dell PowerEdge4600為Web服務(wù)器配備了2個Intel Xeon 2.8GHz處理器，2GB ECC DDR RAM，3×36GB SCSI RAID（冗余磁盤陣列），以及Broadcom 千兆網(wǎng)卡，充分滿足多線程、大流量、高帶寬的使用要求。

應(yīng)用服務(wù)器使用的是一臺PXI-1000B機箱，嵌入了PXI-8176控制器，以及PXI-6070E，PXI-6071E多功能數(shù)據(jù)采集卡，用來實現(xiàn)高速的 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)模輸入輸出以及數(shù)據(jù)采集；PXI-5102高性能示波器卡來完成信號的發(fā)生，提供穩(wěn)定可靠的信號源；PXI-2501矩陣模塊用來實現(xiàn)不同測 量元器件之間的自動切換，以滿足遠程用戶不同的測量要求，實現(xiàn)測量的多樣性；PXI-1422圖像采集卡用來完成PCB板、IC芯片的圖像提取，滿足電路 檢查、IC設(shè)計的需要；PXI-7344運動控制卡用來實現(xiàn)電機伺服系統(tǒng)的參數(shù)提取，狀態(tài)跟蹤等。

圖4：模擬仿真實驗原理圖。

一臺SCXI-1000機箱，嵌入了SCXI-1320和SCXI-1125信號調(diào)理模塊，用來對微電子系統(tǒng)，微電流電壓信號的放大、降噪、濾波，保持整個 體系的高精確度。一臺最新的NI-ELVIS用于實驗?zāi)Ｐ偷慕?，搭建實驗電路，?gòu)建小型的電子電路系統(tǒng)，實現(xiàn)電子電路實驗的遠程共享。

系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)

1. 模擬仿真部分

模擬仿真部分，我們以LabVIEW內(nèi)置的網(wǎng)頁發(fā)布功能為基礎(chǔ)，通過HTML設(shè)計網(wǎng)頁，并使用Microsoft IIS 5.0發(fā)布功能，直接在服務(wù)器端生成嵌入實驗平臺的WWW網(wǎng)頁，用戶只需使用網(wǎng)頁瀏覽器進入我們的站點，即可通過互聯(lián)網(wǎng)進行實驗，其原理如圖4所示。

LabVIEW 內(nèi)置的Remote Panel Connection Manager用來對用戶的使用情況進行監(jiān)控與調(diào)度，NI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器按照遠端實驗操作者制定的實驗數(shù)據(jù)，分析、計算數(shù)據(jù)最后顯示實驗曲線以及實驗結(jié)果，并 將實驗結(jié)果嵌入生成的HTML網(wǎng)頁中，用戶只需使用瀏覽器即可實時顯示實驗數(shù)據(jù)以及實驗曲線，以及完成報告生成等后續(xù)工作。

2. 實時測量部分

圖5：實時測量部分Browser NI Web Server結(jié)構(gòu)原理圖。

實時測量部分，我們使用了兩種實現(xiàn)方案，用來滿足不同情況下用戶對遠程實驗的要求：一種是瀏覽器和NI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器結(jié)構(gòu)，另一種是應(yīng)用服務(wù)器API結(jié)構(gòu)。使用PXI-1000B機箱以及嵌入的PXI板卡來作為NI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器。

瀏覽器和NI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器結(jié)構(gòu)是在模擬仿真實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，在NI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上連接相應(yīng)的DAQ、SCXI硬件，它再與實際的實驗儀器連接，用來實現(xiàn)遠程客戶端 與實驗儀器的數(shù)據(jù)通信，完成實驗儀器的遠程共享，其原理如圖5所示。該結(jié)構(gòu)適用于瘦客戶體系，客戶端無需計算分析數(shù)據(jù)，只需安裝因特網(wǎng)瀏覽器接收服務(wù)端傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)流，即可進行實驗，方便簡單，效率高，但是對服務(wù)器的運算能力、帶寬以及多線程狀態(tài)下的穩(wěn)定性等指標(biāo)要求比較高；同時由于每一時刻只允許一位用戶 掌握控制權(quán)，所以比較適用于遠程控制型實驗。

應(yīng)用服務(wù)器和API結(jié)構(gòu)使用LabVIEW編程，以其內(nèi)置TCP/IP模塊為基 礎(chǔ)，構(gòu)造一個應(yīng)用服務(wù)器端和一個API用戶終端，由TCP/IP模塊完成網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)通信以及容錯處理。應(yīng)用服務(wù)器用來采集傳輸實驗數(shù)據(jù)，管理用戶，記 錄用戶使用情況；而API用戶終端則提供操作者GUI界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、分析運算以及顯示存儲等，其原理如圖6所示。

該結(jié)構(gòu)要求API用戶終端將應(yīng)用服務(wù)器端板卡采集的實驗數(shù)據(jù)下載到本地終端來分析、計算、顯示以及存儲，除了對網(wǎng)絡(luò)帶寬、穩(wěn)定性有很高的要求之外，對API用戶終端的計算機性能也有很高的要求，適用于遠程軟件共享和儀器共享型實驗，可以實現(xiàn)多用戶廣播式共享實驗數(shù)據(jù)。

測試實驗為例

下面以半導(dǎo)體晶體管直流特性測試實驗為例，介紹應(yīng)用服務(wù)器和API結(jié)構(gòu)LabVIEW編程的實現(xiàn)方法。用戶首先進入的是一個多媒體仿真界面，用來檢驗預(yù)習(xí)狀 況，并熟悉實際的儀器操作。如圖7所示，借助一套實際儀器的圖形面板，我們使用LabVIEW模擬了晶體管直流特性測試曲線，用戶使用旋鈕以及各種開關(guān)， 可以像操作實際儀器一般，了解實驗的具體內(nèi)容和步驟。

圖6：實時測量部分Application Server API結(jié)構(gòu)原理圖。

完成模擬之后，可以按下進入測量按鈕，進入實時測量面板，如圖8所示。面板上方的工具欄是相關(guān)的模式選擇、參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)存儲等操作，中央的是實驗曲線的 顯示界面。主程序框圖結(jié)構(gòu)如圖9所示，客戶端API模塊先向服務(wù)端發(fā)送用戶信息和實驗請求，經(jīng)服務(wù)端驗證通過，建立TCP連接；服務(wù)端然后接受客戶端實驗 參數(shù)并在進行實驗儀器初始化；服務(wù)端采集實驗數(shù)據(jù)并通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包，客戶端接受實驗采樣數(shù)據(jù)，并按一定數(shù)據(jù)格式插入測量數(shù)組，同步顯示波 形；采集完全部實驗數(shù)據(jù)，服務(wù)器發(fā)結(jié)束信息，然后斷開網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，完成實驗。

圖8顯示的是客戶端在遠端實測的CCMS實驗室本地晶體管的Ic－Vce曲線圖，圖10顯示晶體管放大倍數(shù)β的計算值，并實時顯示β－Ib曲線，用戶可以選擇保存按鈕，將實驗數(shù)據(jù)以需要的格式保存，進行相應(yīng)的運算，使用HIQ生成實驗報告，最終完成實驗。

效果與結(jié)論

我們已經(jīng)建立起以電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為基礎(chǔ)的十幾套實驗系統(tǒng)，初步構(gòu)成了一個跨時空、跨學(xué)科、跨平臺的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室雛形，實現(xiàn)了實驗儀器的遠程共享以及遠 程實驗。以NI虛擬儀器平臺為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，開發(fā)周期短，使用效率高，可擴展性強，成本低廉，是解決目前資源緊張問題的一種行之有效的途徑。