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基于Lab VIEW的虚拟实验室研究

2009年第12期(总第133期)
李志强(陕西科技大学,陕西 咸阳 712081)
 
  【摘 要】 虚拟实验室是指在计算机上应用虚拟现实技术来仿真实际实验的软件系统,主要功能由网络化虚拟仪器实现。重点探讨了由Lab VIEW为技术平台开发虚拟仪器,运用网络技术构建虚拟实验室的方法,使远程测量和控制成为可能,从而满足实验教学需要。
  【关键词】 虚拟实验室;Lab VIEW;虚拟仪器;网络化
 
1 概述
  随着以电脑多媒体和网络通讯为基础的现代化信息技术的发展,以其为基础的教育信息化在教学过程中已得到广泛应用,环境虚拟化成为教育信息化重要特征之一,教育环境虚拟化意味着教学活动可以在很大程度上脱离物理空间时间的限制,虚拟实验室就是其中之一[1]
  传统实验一般在实验室中完成,受实验设备数量、实验产品及耗材、指导教师和实验学时等因素的限制,使实验教学一般只能分组进行,实验过程中学生接触实验设备和仪器的机会很少,多数学生是在看实验而不是在做实验,教学效果很不理想。采用虚拟实验室可以有效缓解目前高校实验教学实践环节的设备数量有限、资金短缺、设备落后及更新缓慢等一系列问题。
 
2 虚拟实验室
  所谓虚拟实验室,就是利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情境,供实验人员观察与操纵其中的对象,使其获得体验或有所发现,且可以利用局域网或广域网进行远程信息交流。
  构建虚拟实验室功能的核心是虚拟仪器,配置具有远程测控能力网络化平台和数据采集平台的虚拟实验室,不仅为异地实验和学术交流提供了高效的平台,也为传统实验教学模式和学生学习方式带来巨大变化,通过远程客户端程序便可对虚拟仪器进行访问从而完成实验[2]
 
3 虚拟仪器
  所谓虚拟仪器是以通用计算机作为系统控制器,由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的计算机仪器系统[3],典型虚拟仪器结构如图1所示[4]。从构成上来说,就是在通用计算机平台上配备相应硬件和专用软件,自定义和设计仪器的的测试功能,虚拟仪器可完成各种测试系统通用任务,可实现丰富的功能,得到更高的性价比。
                     图1  典型的虚拟仪器结构
  虚拟仪器系统与传统仪器相比,具有功能由用户使用时自己定义,技术更新周期短,价格低廉、可复用与可重配置性强,开放、灵活,与网络及其他周边设备方便互联等优点。
 
4 虚拟实验室的构建方法
  虚拟实验室搭建在最基本的虚拟仪器平台上,包括数据采集和信号输出硬件模块、最基本的数据分析处理软件模块和计算机组成如图2所示[5],能够实现最常用的测试任务和控制功能。其常用构建方法有:
  (1)PC-DAQ系统:采用DAQ板和信号调理仪器为硬件与计算机硬件平台组成;
  (2)GPIB系统:采用GPIB标准总线仪器与计算机硬件平台组成;
  (3)VXI系统:采用VXI标准总线仪器与计算机硬件平台组成;
  (4)串口系统:采用Serial标准总线仪器与计算机硬件平台组成;
  (5)现场总线系统:采用Fieldbus标准总线仪器与计算机硬件平台组成。
  目前较为常用的是PC-DAQ、GPIB、VXI这三者的任意组合。
        图2  虚拟仪器平台构成[5]
 
5 虚拟仪器软件开发平台——Lab VIEW
5.1  Lab VIEW简介
  Lab VIEW是美国NI公司创立的一款功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具,其全称是实验室虚拟仪器工程平台,是一种基于G语言(图形化)的测试系统软件开发平台。Lab VIEW功能强大、灵活,集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能,还内置了能应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数,可以方便设计虚拟仪器,进而构建虚拟实验室。
5.2  Lab VIEW应用程序
  所有的Lab VIEW应用程序,即虚拟仪器,均包括前面板、流程图以及图标/联结器3部分。前面板就是图形用户界面,也就是虚拟仪器面板;流程图提供虚拟仪器的图形化源程序;图标/联结器使虚拟仪器具有层次化和结构化特征。图3为互相关分析实验的虚拟仪器前面板,可对任意两个不同频率、相位和幅值正弦信号的进行互相关实验,能方便的调整信号的幅值、频率及相位,并观察输入信号和其互相关函数的波形。图4为该虚拟仪器的流程图,通过“信号生成”函数生成两个正弦信号并对其进行互相关运算,以波形图表显示出互相关函数的波形,可见虚拟仪器能方便的实现信号发生器、示波器等传统仪器的功能。
 
6 网络化虚拟实验室
  虚拟实验室网络化是将虚拟仪器技术、计算机技术和网络技术相结合,其主要功能由网络化虚拟仪器实现[3]。利用网络技术将这些虚拟仪器连接起来就组成一个网络化虚拟实验室。通过虚拟实验室的网络化,使学生实验不需来到实验室,只需通过Internet进入网络中的虚拟实验室,即可像在现实中一样进行实验。
图3  虚拟仪器前面板
图4  虚拟仪器流程图
6.1  网络化虚拟仪器
  网络化虚拟仪器是由计算机、测量板卡和专用软件组成的具有IP地址的网络化测量仪器[3],只需在虚拟仪器原有基础上增加远程通讯功能,使其具有测量仪器和网络服务器的双重功能,从而具有由网络接受命令、提供远程测量服务、返回测量结果的功能。
6.2  网络化虚拟实验室体系结构
  目前一般采用Browser/Server(浏览器/服务器)结构,B/S结构实际上是一种“瘦客户/胖服务器”模式。客户机无需安装复杂的客户端软件,只要有浏览器即可,主要的应用程序在服务器上。采用B/S结构就将虚拟仪器前面板在Web页面上实现,通过Web服务器处理相关的操作要求。构建结构如图5所示,用户界面完全通过Web浏览器实现,仅处理部分事务逻辑;Web服务器处理主要事务逻辑,其主要作用是提供Web接入服务、开放式交互实验环境以及动态网页的生成;仪器控制服务器主要负责仪器的控制、实验数据的采集和管理;数据分析服务器负责数据的分析和处理,并将数据处理的结果传送给数据库服务器进行保存,也可以将处理结果通过Web回传到客户端。
图 5  基于B/S模式虚拟实验室结构
6.3  Lab VIEW网络开发技术
  Lab VIEW提供了Data Socket、Web服务器和TCP、UDP协议三个网络功能。在Lab VIEW平台上开发完成虚拟仪器,利用Lab VIEW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Web网页,客户端只需使用网页浏览器即可通过网络访问Data Socket服务器,由其完成数据交换,从而远程控制虚拟实验室进行实验。
 
7 虚拟实验室对教学实践的意义
7.1  有效减少部分实验仪器购置、降低实验成本
  传统仪器价格相对较贵、功能单一、占用空间大、更换也不方便。虚拟实验室只需一些基本的硬件设施,然后借助计算机和软件就可以实现传统实验仪器功能,既可减少实验室资金的投入及建设数量,又可以提高实验室的利用率,同时能有效降低实验成本,减少实验耗材用量。
7.2  满足实验教学不断提出的新要求,满足更多更新的测试要求[6]
  传统实验仪器技术更新周期长,一般需要5~10年时间,且使用功能由厂商定义,无法满足更多更新的教学实验,而采用虚拟仪器技术能够通过软件更新及时保持技术前瞻性,用户可以方便的定义仪器功能,适应不断发展的教学实验要求,给学生展现先进的实验手段。
7.3  使实验不受时间、空间的限制
  通过使用网络,学生可以不必到实验室进行实验,在互联网上就可以进行多数的实验,从而避免以往实验受时间、空间等客观条件的限制,学生需要分组分时完成的弊端,大大提高学生实验的水平和提高学生学习兴趣。
7.4  实现“实物试验”难于开设的试验
  教学中很多试验的实物比较昂贵,难于进行破坏性试验及综合性试验,使用虚拟实验室可以实现对其在完全相同条件下的模拟试验。
7.5  可作为实际实验的有效补充
  虚拟实验与实际操作实验相互补,通过虚拟实验,学生既可以学习现代化先进实验技术,又能培养实验技能及科研能力。
 
8 结论
  虚拟实验室技术以先进的计算机技术为基础,采用软硬件结合、功能模块重组配置的方式[7],已逐渐成为高校实验教学模式发展的潮流,它能够充分利用现有资源和网络,实现各资源合理有效的配置,推动了实验方式的改革。通过虚拟实验室平台进行实验室教学,能使高校的实验教学内容紧跟时代的发展,有效增加实验教学平台适用性和实验技术课扩展性,能使高校培养出具有创新能力和创新意识的各种人才。总之,开发和利用虚拟仪器进而构建虚拟仪器实验室,是高校实验教学改革的一个新的发展方向。
 
参考文献
[1]薛琳,章学静.基于Web的虚拟实验室技术及其应用[J].北京联合大学学报(自然科学版),2009,(6):11-13.
[2]刘海波,杨祥,毕晓峰.基于网络化虚拟仪器技术的虚拟实验室构建[J].通化师范学院报,2009,(2):66~67.
[3]陈劲松.构建网络虚拟实验室的关键技术研究[J].自动化仪表,2008,(l1):43~45.
[4]雷振山等.LabVIEW8.2基础教程[M].北京:中国铁道出版社,2008,2,1~2.
[5]王伯雄等.工程测试技术[M].北京:清华大学出版社,2006,1,393~409.
[6]李继容,李霆.实验室中引入虚拟仪器教学的研究[J].仪表技术,2004,(4):56~57.
[7]曹旭帆.综合类院校的虚拟实验室建设研究[J].福建电脑,2009,(6):176~177.
[8]张建碧.虚拟实验室的教学应用[J].科技信息,2009,(1):208.
 
李志强(1976-),陕西科技大学讲师,主要从事包装测试、包装数据库和运输包装等方面的教学和研究。
   
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