（机械电子工程专业论文）基于labview的虚拟实验室的研究与开发.pdf

一1 l j1， a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n t so fc o m p u t e rt e c h n o l o g i e s ，n e t w o r kt e c h n o l o g i e sa n dv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g i e s ，v i r t u a li n s t r u m e n tl a b o r a t o r y , w h i c hi san e we x p e r i m e n t a l e n v i r o n m e n t ，f o l l o w i n gt r a d i t i o n a ll a b o r a t o r y , h a sp l a y e da ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e i ns o c i a ld e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s s t e a c h i n gr e f o r mh a sg i v e nah i g h e rr e q u i r e m e n to n t h ea b i l i t yo fi n n o v a t i v ea n dc o m p r e h e n s i v ec a p a c i t yo fs t u d e n t s t e a c h i n gm o d e ， t e a c h i n gc o n t e n t ，a n dt e a c h i n gm e t h o do fe x p e r i m e n t a lt e a c h i n g , n e e d st ob er e f o r m e d a n di m p r o v e d t h eu r g e n tn e e do ft e a c h i n gr e f o r ma n dv i r t u a ll a b o r a t o r yt e c h n i q u e s d e v e l o p m e n tm a k et h ev i r t u a ll a b o r a t o r yi n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o n sf r o mt h e o r y f i r s t l y , p r e s e n t ea no v e r v i e wo ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，r e s e a r c hi d e a s ，t h e o r e t i c a l s t a r t i n gp o i n t ，t e c h n i c a lr o u t e so ft h et h e s i s ；i n t r o d u c et h ed e f i n i t i o n ，c l a s s i f i c a t i o n ， s t r e n g t h sa n dd e v e l o p m e n ts t a t u so fv i r t u a ll a b o r a t o r yi ne x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ；s t u d yt h e s t r u c t u r eo fc o m m o nv i r t u a ll a b o r a t o r ys y s t e ma n dg i v et h e t h ev i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e m a r c h i t e c t u r ea n d t e c h n o l o g yi m p l e m e n t a t i o n s e c o n d l y , i n t r o d u c e dt h ev i r t u a ll a b o r a t o r ys y s t e m sh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r e s y s t e m s g i v ead e t a i l e dd e s c r i p t i o na n de x p l a n a t i o nf o rt h en i - e l v i s ，y l - 9 1 0s e n s o r i n t e g r a t e dl a b o r a t o r yb e n c h ，t h ev i r t u a le x p e r i m e n td e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t - l a b v m w , a n dv i r t u a l l a b o r a t o r ym a n a g e m e n ts y s t e mt e c h n o l o g yi m p l e m e n t a t i o n ；a n a l y z et h e s p e c i f i ca p p l i c a t i o no fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa n dr e a l t i m em e a s u r e m e n te x p e r i m e n t s a n di n t r o d u c et h e i rd e s i g np r i n c i p l e s ，m e t h o d s ，p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c ei nm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n gt e s t i n gt e a c h i n g f i n a l l y , s u m m a r i z e t h ev i r t u a l e x p e r i m e n tl a b o r a t o r y r e s e a r c hw o r ki nt h e d i s s e r t a t i o nb a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lc o n t e n ta n dt e c h n i q u e ，a n df u r t h e rg i v es o m e o u t l o o k si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；t e s t i n gt e c h n o l o g y ；l a b v i e w ；v i r t u a ll a b o r a t o r y ； 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 研究思路。1 1 2 1 本课题研究理论出发点1 1 2 2 本课题技术路线2 1 3 本课题研究的主要内容6 第二章虚拟实验室概述7 2 1 虚拟实验室的定义7 2 2 虚拟实验室的分类。7 2 3 虚拟实验室应用于实验教学的优势与特点。8 2 4 虚拟实验室教学应用现状。9 2 4 1 虚拟实验室教学应用举例与发展现状。9 2 4 2 虚拟实验室教学应用思考。1 0 第三章虚拟实验室体系结构研究及本虚拟实验室系统简介1 2 3 1 虚拟实验室体系结构研究1 2 3 1 1 客户机朋艮务器结构1 2 3 1 2 浏览器朋艮务器结构1 3 3 1 3 客户机服务器与浏览器朋艮务器结构的比较1 4 3 1 4 客户机n 务器浏览器结构1 5 3 2 本虚拟实验室系统简介1 5 3 2 1 本虚拟实验室概述1 5 3 2 2 本虚拟实验室的结构原理1 6 3 3 本虚拟实验系统的体系结构1 7 3 3 1 虚拟仪器客户端( c l i e n t ) 1 7 3 3 2 虚拟仪器服务器端( s e r v e r ) 1 7 3 3 3 远程浏览器端( b r o w s e r ) 1 7 3 4 本虚拟实验室的实验介绍1 8 第四章本虚拟实验室的硬件系统与软件系统1 9 4 1 本虚拟实验室的硬件系统1 9 4 1 1 服务器性能简介1 9 4 1 2u s b 摄像头性能简介2 0 4 1 3n i e l v i s 简介2 0 4 1 4y l - 9 1 0 传感器综合实验仪简介2 2 4 2 本虚拟实验室的软件系统2 3 4 2 1 本虚拟实验室实验开发环境l a b v i e w 2 3 4 2 2 本虚拟实验室系统的技术实现2 4 4 2 3 本虚拟实验室系统工作流程2 5 第五章机械工程测试实验教学中虚拟实验案例分析2 9 5 1 虚拟实验室中的模拟仿真实验2 9 5 1 1 典型信号的频谱分析实验2 9 5 1 2 采样定理与频谱混叠实验3 2 5 1 3 周期信号合成与分解实验3 5 5 2 虚拟实验室中的实时测量实验3 7 5 2 1n i e l v i s 传感器类实验3 7 5 2 2y l - 9 1 0 传感器类实验4 7 第六章总结与展望5 3 6 1j 总! ；占! ；：； 6 2 展望5 4 参考文献5 5 攻读硕士期间研究成果5 7 硕士研究生期间发表的学术论文：5 7 致谢5 8 学位论文独创性声明5 9 学位论文知识产权权属声明5 9 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论，弟一早瑁下匕， 实验是人类认识外部世界的重要手段，十六世纪初期开始萌芽，直到1 6 8 7 年， 艾萨克牛顿的自然哲学之数学原理一书的出版，标志着完整的实验思想体系与 方法论的形成【l 】1 2 l 。 在教学上，实验教学是学生积极发挥主观能动性，进行科学研究与再创造的过 程，是从理论走向实践的桥梁，是高等院校理工教学中非常重要的环节。实验条件 的好坏直接影响到学生动手能力的提高、创新精神和综合素质的培养，同时也是反 映高校办学水平和科研水平的重要标志之一。随着高校扩招规模的加大，高校实验 室设备和规模已不能满足学生的实验需要，学生的实验时间和实验空间都受到限制。 随着网络技术的发展，远程教育不断发展与普及，网络实验教学却依然是其中的薄 弱环节，因而构建一个突破传统实验教学的模式的虚拟实验室成为高校亟待解决的 重要课题。虚拟实验室技术的发展和实验教学改革的迫切需要使得虚拟实验室在教 学中从理论走向了实际应用。 虚拟仪器技术是现代仪器发展史上的一场革命，对科学技术的发展和工业生产 产生了不可估量的影响，同时也给虚拟实验室发展带来了曙光【列。基于网络技术与 虚拟仪器技术构建虚拟实验室，一方面不仅使实验室的实验教学设备保持其先进性， 紧跟现代科学技术的发展步伐，而且最大限度地利用了实验资源，降低了实验成本， 提高了实验的使用率。另一方面可以使学生突破传统实验时间和空间的限制，通过 计算机远程完成各种实验，获得与真实实验一样的体会，丰富感性认识，加深对课 本内容的理解和掌握。然而国内一些起步比较早的著名高校往往动则上百万、上千 万资金构建一个虚拟实验室，令很多经费短缺的院校望而却步。因此，在充分利用 高校现有实验室资源的基础上，利用网络技术与虚拟仪器技术构建虚拟实验室力是 大多高校的可行之路。本文给出了一个以传统仪器与n i 仪器为基础的虚拟实验室经 济型构建方案。 1 2 研究思路 1 2 1 本课题理论出发点 本课题的理论出发点是混合式学习理论。混合式学习理论并不是一个新的理论 概念，在很多年f j 就已经被提出，它研究的是传统的教学手段、教学方式与新兴的 青岛人学硕十学位论文 多媒体和网络工具的有效结合。近年来，随着网络技术与多媒体技术的迅速发展， 各种先进的教学手段对传统教学产生了巨大的冲击和影响，计算机技术、网络技术 以及多媒体技术的作用范围之广、变革力量之大，令人惊叹。网络教学出现了前所 未有的热潮，甚至引发了学术界对“围墙大学 的一场学术争论。网络教学经验与 教训使持续了很久的学术争论终于尘埃落定，更多的学者丌始对先进技术的教学应 用开始了新的思考。此时，混合式学习理论再次被人提起，用来考虑传统教学与先 进技术的关系，更多的学者认为，单纯依靠先进的技术而完全抛弃传统教学是不科 学的片面的【4 1 。任何先进技术手段在教学上的应用，要考虑其先进的技术特点，但 同时也不能忽视其先进技术特点如何与传统的教学方式实现完美的“混合”。 不能偏激于某一方面，要辨证地看待这个问题才是教学思考的理性回归。从某 种角度上说，教育也是一门系统科学，当我们分析某种先进手段在教学上的具体应 用时，不仅要考虑它的技术应用，还要考虑其应用于教学是否是科学的、严谨的， 从而真正体现其教育价值，使其更好地为教学服务。本文中，我们在分析虚拟实验 室作为一种先进技术和传统实验教学方式结合在实验教学的应用的基础上，考虑虚 拟实验室作为一种研究方法融入传统实验教学方式的严谨性和科学性，以及虚拟实 验室作为一种科学的教学手段，如何在高校有限的实验资源基础上，体现其在实验 教学中的教育价值。 1 2 2 本课题技术路线 1 教学应用为虚拟实验室系统构建目标 ( 1 ) 易于开发与维护 因为虚拟实验室系统是面向教师与学生的，所以必须易于丌发与维护。本文设 计的虚拟实验室系统从系统科学角度出发，力求实现丌放性、动态性、集成性。开 放性是指本虚拟实验室采用模块化与层次化的设计思想，将所有实验系统组成模块， 并将所有程序模块开放给教师和学生，这样教师和学生就可以非常方便的进行模块 的重组和新实验的开发，并可以方便地进行模块定位检查维护实验室；动念性是指 教师和学生在实验的过程中，根据实验效果反馈与实际实验情况，及时地进行实验 的重新调整，来符合实际的教学与实验需要；集成性是指系统各个组成部分有效集 合在一起，在保证系统完整性的同时也保证了各个组成部分的灵活性，从而方便实 现系统的丌发与维护。 ( 2 ) 操作简便 在实验室教学中，重要的就是让学生在有限的实验时l 日j 内尽。, - , i l l 地掌握实验的 原理、实验操作，培养相关的科学研究素质l5 1 。因此，应用于教学的虚拟实验窀系 统必须具备操作简便性，避免学生把有限的时问浪费在整个仪器的熟悉过程中。本 2 第一章绪论 文构建的虚拟实验室系统，全部由计算机软面板来代替传统实验室中的仪器面板， 学生通过鼠标、键盘以及相关的输入操作来对设备进行远程控制，软面板的布置格 局可以根据操作内容不同、面向的学生群体不同，来进行不同形式的展现，界面友 好，方便学生在实验中操作和运用1 6 j 。 ( 3 ) 价格低廉 针对有限的教育资源来说，任何先进手段和教学方法的引入，必须考虑成本问 题。价格低廉、节省和利用已有资源以及提高利用率是构建本虚拟实验室需要考虑 的部分。本虚拟实验室的开发性、动态性、集成性、软硬件模块可共享重组、以及 将原有传统设备接入虚拟实验室系统等特性，一方面保证了系统开发的灵活性，另 一方面极大地提高了资源利用率，节省了实验室资源。 2 以虚拟仪器技术为核心技术 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 的概念最早是由美国国家仪器( n i ) 公司提出， 并推出第一批实用成果。虚拟仪器是由计算机硬件、模块化仪器硬件和用于数据处 理、通讯控制及可视化图形用户界面的软件组成的一种由计算机操纵的模块化仪器 测控系统。也就是说，虚拟仪器在计算机统一硬件平台的基础上，配置相应的模块 化硬件( 如d a q 卡、g p i b 卡、v i x 等) 和专用软件( 如l a b v i e w 、v e e 等) ，形 成不仅具备传统仪器的基本功能，又具备传统仪器所不具备的新型功能的高档低价 仪器。它在利用软件建立友好仪器面板( 即软面板) 的基础上，充分利用现代计算 机强大的运算、存储、调用等功能，通过图形化编程语言控制仪器的运行，完成对 信号的采集、处理、分析存储等。这样就使传统仪器的功能和面板软件化，形成了 一台充分利用计算机硬件资源，功能强大的虚拟仪器系统。“软件就是仪器”本质地 刻画了虚拟仪器的特征【。 ( 1 ) 虚拟仪器的体系结构 从构成要素上讲，虚拟仪器是由计算机硬件、应用软件和专用仪器硬件组成的。 从构成方式上讲，则有以d a q 板卡和信号调理部分硬件组成的p c d a q 测试系统， 以g p i b 、v x i 、串行总线、现场总线等标准总线组成的g p i b 系统、v x i 系统、串 口系统和现场总线系统等多种形式。虚拟仪器系统的体系结构如图1 1 所示。 3 青岛人学硕十学位论文 测控对象 i 现 v x l串g p i b 信号 图 场 仪 行 接口 调理 像 总 器 口 仪器 l 采 线仪集 设 器 数据 卡 备 g p l b p l c 采集 d s p 接r - j 譬 d a q l j ：业自动化软件测链与分析软 ：，l ：传统编程语言 b r i d g ev i e w ； l a bv i e w ：v i s u a lc + + ： l o c k o u t ： l a bw i n d o w s c v i ：v i s u a lb a s i c ： c o m p o n e n t ；c o m p o n e n tw o r k sh i q ； c + + b u i l d e r ；, w o r k ； v i r t u a lb e n c hi v i ； d e l p h i 等： p c i ：作站 图1 1 虚拟仪器的典型体系结构 无论哪种虚拟仪器系统都是将硬件仪器搭建到个人p c 机或工作站等各种计算 机平台上，辅以应用软件而构成的。因此，虚拟仪器的发展已经与计算机技术的发 展步伐完全同步。计算机运算能力及必要的仪器硬件确定后，构建和使用虚拟仪器 的关键在于应用软件。n l 研制的v i 软件丌发平台l a b v i e w 提供了测控仪器的图形 化编程环境。在这个编程环境下，工程师可以采用一种直观的数据流编程模式束轻 松编写测控程序。这种编程模式不仅大大的缩短了v i 控制软件的丌发周期，而且使 用户可以轻松地建立自己的测试方案【8 l 。 ( 2 ) 虚拟仪器的优势及发展方向 虚拟仪器的突出优势不仅可以充分利用计算机的硬件组建功能灵活的虚拟仪 器，更重要的是它可以根据不同的接口总线和使用目的，组建不同规模的自动化测 试系统。虚拟仪器通过与不同接口总线的通讯，可以与带总线接口的各种电子仪器 或者各种插件单元调配并组建成为规模不同的自动化测试系统i 引。与传统的仪器相 比，虚拟仪器主要有四大优势： 1 ) 性能高 虚拟仪器是以p c 机硬件作为基础，所以完全“继承”了计算机的最新技术优势， 包括功能卓越的处理器和文件i 0 ，使得虚拟仪器能够在完成数据存储的同时，也 能实时的对数据进行高效准确的分析。 4 第一章绪论 2 ) 扩展性强 虚拟仪器的关键是软件，得益于软件的灵活性，在虚拟仪器的更新调整过程中， 我们只需更新计算机或测试硬件，就可以以最少的硬件投资和极少的、甚至无需软 件的升级即可改进或重新组建整个测试系统。随着最新科技的出现，虚拟仪器可以 被集成到现有的测量设备，以最少的时间和成本完成仪器的更新换代。 3 ) 开发时间短 在驱动程序和应用层面上，现在高效的软件构架可以与计算机、仪器仪表和通 信方面的最新技术结合。高效的软件构架在方便用户操作的同时，还提供了灵活性 和强大功能，我们可以轻松的配置、创建、发布、维护、修改低成本、高性能的虚 拟仪器。 4 ) 无缝集成 虚拟仪器从本质上来说是一个集成的软硬件概念。随着测试领域面临的重大挑 战一测试成本不断增加、测试系统越来越庞杂以及对测试投资的保护越来越重要， 测试工程师需要集成多个测量设备来完成某个测试任务。对于传统仪器，连接和集 成这些不同设备需要耗费大量的时间和精力。虚拟仪器的软硬件平台采用标准的i o 接口，我们可以轻松的将多个测量设备集成到单个系统，从而大大的减少了任务的 复杂性。 同时，随着网络技术与计算机总线技术的发展，虚拟仪器将产生一次新的革命， 网络化虚拟仪器将对单个虚拟仪器的三大基本功能( 信号采集、信号分析及图形化 显示) ，以网络的形式连接起来，从而实现资源的极大共享，“网络就是仪器”也j 下 在逐步成为现实【1 0 j 。 3 计算机为控制中心 计算机技术的快速发展及应用水平对于各个领域的发展起到了深刻的代表性和 决定性意义。本文虚拟实验室构建中，以计算机为控制中心，从而提高整个系统的 应用水平，这也是虚拟实验室和传统实验室的重要区别。 ( 1 ) 计算机功能强大 计算机的功能强大主要体现在强大的运算能力，有效的控制方式、强大的数据 存储能力和辨识能力。所有这些优异的特性可以保证虚拟实验室的整体技术水平的 先进性、精确性以及设备控制达到理想效果。 ( 2 ) 计算机普及范围广、价格低廉 随着计算机技术的发展，计算机已经在人们的工作、学习和生活中得到极大的 普及，并且随着计算机技术和工业制造水平的不断发展，计算机价格越来越低。针 对现在高校有限的实验投资来说，以计算机为控制中心的虚拟实验室实验教学不仅 可以节省实验资源，而且帮助虚拟实验室在实验教学中得到有效的实施与运行。 5 青岛人学硕士学位论文 4 以软硬件结合方式为系统组成方式 充分利用软件技术是虚拟实验室的巨大优势所在，也是虚拟实验室区别于传统 实验系统的技术特点。在虚拟实验室中运用软硬件结合的方式不仅可以保留传统仪 器的优势，而且可以充分发挥通过软件编程来改变仪器性能和控制实验操作的特点， 通过软件和硬件结合，优势互补的方式来实现整个虚拟实验室模块化和层次化的设 计思想【1 l 】【1 2 j 。这种设计思想能够保证整个虚拟实验室的纵向可定位性和横向可重组 性，既保证了虚拟实验室系统的整体性，又体现了灵活开放性的特点。这使得实验 项目的丌发设计变得非常容易，保证了教师和学生能够轻松地加入到实现思路设计 和系统重构中来，成为实验的主体，参与整个实验项目从设计到构建，再到实际操 作。 5 以i n t e r a c t 作为虚拟实验室系统的网络化平台 i n t e r a c t 是世界上最大的计算机互联网络，它具有传输速度快、合理分布式结构、 优异的异步交换机制。目前，它正在以更快的传输速度、更有效的结构和机制在各 个领域得到了广泛的应用。因此，我们选择i n t e r a c t 作为系统的网络化平台，既保证 了虚拟实验室系统的网络化在技术上的完备性，又保证了虚拟实验室结构上的合理 性，使得多通道同步数据采集、分布式数据处理以及远距离仪器控制等技术顺利使 用，使得本虚拟实验室得以成功构建。 1 3 本课题研究的主要内容 本文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 虚拟实验室概述。主要阐述了虚拟实验室的含义、特点、分类、发展历程 以及虚拟实验室在教学上的应用现状 ( 2 ) 整体虚拟实验系统的搭建。整个虚拟实验室采用c s b ( 客户机服务器 浏览器) 结构，包括三个不同的模块：应用服务器、网页服务器、实验室客户端。 ( 3 ) 虚拟实验室管理系统丌发。采用j a v a 、s q ls e r v e r2 0 0 0 ，开发虚拟实验室 管理系统。 ( 4 ) 主要针对工程测试课程的软件共享型实验开发。以l a b v i e w 为开发平 台，结合工程测试课程，丌发各种软件共享实验。 ( 5 ) 将传统y l 9 1 0 型传感器综合实验平台连接到虚拟实验室系统，开发硬件 共享型远程实验。 ( 6 ) 针对工程测试课程中其它传感器类远程可视实验的开发。以l a b v i e w 和 n i e l v i s ( t , 接拟仪器技术教学和实验室套件) 为丌发平台，搭建各类传感器实验，并 通过摄像头实现远程可视控制实验。 6 第二章虚拟实验室概述 2 1 虚拟实验室的定义 第二章虚拟实验室概述 虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) 是以计算机硬件和软件技术作为支撑，通过软 件集成开发环境实现的一种虚拟实验环境，通过软件丌发一系列虚拟实验组件来仿 真和再现整个实验环境，实验设备和实验过程，使实验者可以脱离传统实验的束缚， 互动地感受实验的信息，从而在更方便与更快捷的条件下，以近似真实的方式完成 整个实验过程。在虚拟实验室中，实验设备、实验对象或被真实的再现，或被形象 的模拟，整个实验过程完全由实验者根据自己的需要控制，并且可以方便地对实现 数据进行分析处理1 1 3 j i l 引。联合国教科文组织( u n e s c o ) 将虚拟实验室定义为：为 了实现远程协作、实验研究或其他创新活动，通过分布式信息技术产生并且发布结 果的电子工作室【1 引。所以有些人也把虚拟实验室称为网络实验室。 2 2 虚拟实验室的分类 虚拟实验室的分类根据应用方向的不同多种多样，但按其功能可以把它们分成 两大类，如图2 1 所示。 ( 1 ) 纯软件仿真虚拟实验室 纯软件仿真虚拟实验室是以图片、文字、动画、仿真等形式进行原理性验证、 实验内容等方面的讲解与演示，或是通过仿真实验来进行操作学习，不涉及真实的 实验仪器硬件设备，只是利用软件来进行模拟实验【1 6 l 。它仅仅是对实际的物理设备 及实验过程的仿真，可以通过网络来访问，它的所有内容都集中于服务器，便于集 中管理。 图2 1 虚拟实验室的分类 ( 2 ) 直接操作远程实验的虚拟实验室1 1 7 】1 1 8 】 这类实验室与第一类虚拟实验室的最主要区别在于所控制的对象是真实的实验 7 青岛人学硕士学位论文 设备。它包括两类，第一类是仪器共享型虚拟实验室，即服务器只能接收客户端的 实验请求与实验参数，实验硬件设备接收参数并开始实验，最后将实验结果返回给 用户。在这类实验中用户可以实现仪器共享，实验数据共享，但是不能够对实验设 备进行远程互动控制。第二类是远程控制型虚拟实验室，它与仪器共享型虚拟实验 室最大的区别在于用户不仅可以实现实验仪器和实验数据的共享，同时还可以实现 客户端对实验设备的远程控制。用户可以实时地调整参数，控制和观看真实的实验 过程。直接操作远程控制型实验室不仅利用了有限的实验资源，更重要的是给了用 户真实实验一样的体会，实验效果好，是目前虚拟实验室研究发展的一个重要方向。 由以上分析可知，纯软件仿真的虚拟实验室投资较少，实验可以任意扩充，形 式也可以多种多样，而且易于开发，但是实验效果与真实实验相差较大。直接操作 远程实验室实验效果好，但需要投资较大，开发周期长。结合二者的优缺点，本文 设计了一种基于l a b v i e w 与传统实验仪器，可以同时完成纯软件仿真虚拟实验与 远程控制虚拟实验的低成本虚拟实验室。 2 3 虚拟实验室应用于实验教学的优势与特点 与传统实验室教学相比，虚拟实验室应用于实验教学具有无可比拟的优越性和 特点。 ( 1 ) 实验室成本低，实验室使用效率高。虚拟实验室不需要专门的实验场地、 实验设备、实验原料。建立虚拟实验室仅需要配置好各种i 0 接口设备与相应的虚 拟仪器软件即可完成。创建的虚拟实验室可以根据教学要求及学生需要有针对性地 设计原理验证性实验和真实实验，避免了学习的盲目性，提高实验效率。同时可以 利用网络技术将虚拟实验室与互联网相连接，学生可以全天2 4 小时进行远程实验， 大大提高了实验室的使用效率1 1 9 1 。 ( 2 ) 虚拟实验室可以充分借助计算机技术的发展，高效地完成数据测量自动化， 如数据采集自动化、数据处理自动化、数据保存自动化等等，并且由于实验结果本 身是数字化的，这便更有利于异地远程检测、处理、保存。 ( 3 ) 虚拟实验室提供了丌放式实验教学环境，使得实验设备、实验结果都得到 共享，实验不再受时问、空间和次数上的限制，只要通过互联网便可随时随地进行 实验或与实验有关的活动。整个校园实验室网络、甚至全世界的实验室资源都可以 构成一个超大型、多功能的虚拟实验室，供更多学生使用。这是传统的实验室根本 无法实现的。 ( 4 ) 虚拟实验室的资源扩展性更强。虚拟实验室基于虚拟仪器技术，采用虚拟 仪器代替传统仪器，使得在组建和改变仪器的功能和性能方面更加灵活方便，更能 适应当代迅速发展的科学技术对测试仪器不断提出的更新扩展与性能的要求。当测 8 第二章虚拟实验室概述 试对象及测试要求发生改变时，只需在原来的基础上改变软件，就可实现测试仪器 的更新与升级。 ( 5 ) 有利于培养学生的创新意识与创新能力，发挥学生的自主能动性。实验是 教学活动中必不可少的环节，学生只有通过足够的原理验证性实验和一定数量的综 合性实验，才能真正理解和掌握该学科的理论知识，增强处理实际测试问题的能力。 在传统的实验教学中，存在教学资金投入有限，实验教学仪器相对落后等问题，导 致实验教学内容陈1 日，无法和现代科学技术的发展程度相联系，学生的知识体系在 深度和广度上的构建受到影响；由于实验系统的构建模式不够完善，实验项目的开 展受到影响，限制了学生参与实验的丌发和独立操作，学生在实验课程学习中不是 整个实验过程的主体，而仅仅是停留在根据老师的演示和讲解，根据实验讲义上的 操作步骤进行简单的模仿，学生的动手能力和创新思维能力没有得到有效的训练和 培养。学生通过虚拟实验室，在网络环境下丌展创新性实验和综合性实验，彻底摆 脱了传统实验条件的束缚，在更广、更深的知识领域内探索。学生可以根据自己的 教学进度、教学内容自主的选择实验时间、实验内容，这样学生既是实验学习的组 织者又是参与者，真正成为学习的主体l 删。 2 4 虚拟实验室教学应用现状 2 4 1 虚拟实验室教学应用举例与发展现状 1 9 8 9 年，美国v i r g i n i a 大学的教授w i l l i a mw u l f 最早提出了虚拟实验室的概 念。基于虚拟仪器技术的虚拟实验室由于其成本低、效率高，不受时空限制等优点 得到了国内国外越来越过的学者与科研机构的认可。同时也给传统实验教学模式带 来了重大的变革，使学生的实验方法发生了巨大变化。目前，国外虚拟实验室的研 究和创建已经基本成熟，并被广泛应用于实验教学中。世界许多大学都在进行有关 虚拟实验室的研刭2 1 j 。 美国m i c i g a n 大学化工系建立的v r i c h e l ( v i r t u a lr e a l i t yi nc h e m i c a le n g i n e e r l a b o r t o r y ) 虚拟实验室将虚拟实验室技术应用在化学工程教育领域，设计多个化学虚 拟实验，并通过国际互联网对用户丌放，允许用户通过互联网在虚拟实验室进行交 互实验；美国卡耐基一梅隆大学的虚拟实验室，将计算机控制的示波器、函数发生 器等仪器连接到网络，学生可以远程控制操作；麻省理工学院与微软公司合作的i l a b 项目也是致力于虚拟实验室的研究；西班牙大学电子系基于虚拟仪器技术建立了电 子仪器工作网络平台；新加坡困立大学丌发了远程虚拟示波器实验和压力容器实验 1 2 2 j ；德国r u h r 大学建立了一个有关控制工程的网络虚拟实验室，通过各虚拟设备的 仿真特性和直观的三维实验场景视觉效果，实现对虚拟实验的交互式操作。 o 青岛人学硕士学位论文 相比国外发达国家对虚拟实验室的研究，国内在这方面所开展的工作还不多， 研究尚处在起步阶段。但是，目前国内虚拟实验室的建设受到国家和高校的足够重 视，国内一些起步较早，实力雄厚的院校初步建立了虚拟实验室。如中国科技大学 建立的大学物理虚拟实验室，把虚拟实验用在教学演示与物理实验方面，取得了非 常好的效果，它是全国第一套真正意义上的虚拟实验教学软件。它通过基于计算机 的虚拟仪器代替传统意义上的仪器设备，不仅价格便宜，而且操作简单，维修方便； 华中理工大学机械学院建立一个工程测试虚拟实验室，学生可以通过网络来进行工 程测试领域的仿真实验；清华大学利用虚拟仪器技术建立了汽车发动机虚拟检测系 统，取得了非常好的效果；南京大学建立了分析化学虚拟实验室，可以通过虚拟仪 器对实验进行虚拟操作；浙江大学的“大学工程化学实验系统v l a b s ”基于网络虚 拟现实技术，建立了一系列工科化学网络仿真实验。此外西安交通大学、大连理工 大学、上海交通大学、西北工业大学等大学也建立了自己的虚拟实验室，以方便学 生学习和实验。 目前，虚拟实验室正向网络化、专业化、真实化的方向发展。 随着网络技术的发展，虚拟实验室正在从本地化向网络化转变的过程中，这样 就可以更大限度的共享资源、加大信息交流，避免实验室重复建设。同时虚拟实验 室将会普及到各个专业中去，变得更加专业化，技术含量也会越来越高。快速发展 的计算机技术、网络技术、软件技术将会使虚拟实验室的实验内容更加丰富，实验 效果更加逼真、实验操作交互性更强。 但是构建一个虚拟实验室的成本较高，例如，国内在虚拟实验室方面研究进展 迅速的浙江大学和华中科技大学。浙江大学的电工电子虚拟实验室是国家9 8 5 振兴 计划项目，投资达1 0 0 多万，以研制适合理工科电工电子类实验教学为目标。自策 划至今，每年有2 0 多位师生为之努力。该实验室包括4 大类1 0 组近3 0 个具体实验 【2 3 1 。华中科技大学电子科学与技术系于2 0 0 1 年与美国国家仪器( n i ) 共建“中美 v i 联合实验室”收到n l 公司9 8 0 万元的软硬件捐赠，并获得教育部“跨学科分布 式网络合作实验教学互动基地建设项目 拨款。创建虚拟实验室所需的巨大财力、 物力，让很多经费紧张的院校望而却步，因此，如何建立一个充分利用实验室原有 资源、成本低、实用性强、功能多，应用广泛的虚拟实验室具有非常重要的意义。 2 4 2 虚拟实验室教学应用思考 根据前文对虚拟实验室的定义及相关描述，以及虚拟实验室教学应用举例，我 们应该在充分利用虚拟实验室技术优势的基础上，从实验教学的现状出发，着重从 以下几个方面进行思考。 1 资源丌放 1 0 第二章虚拟实验室概述 从虚拟实验室的技术角度看，由于计算机的控制作用以及系统网络化功能使得 系统软件程序模块、实验项目设计模块、数据采集处理模块等内容开放。这些内容 的开放，使得有效的实验资源全部开放给学生，从而可以利用系统软件程序模块和 实验项目设计模块自主地开发实验项目，并利用数据分析模块对实验数据进行分析， 从而获得规律性认识，充分锻炼学生的创造能力和总结能力。 2 组织形式丌放 虚拟实验室将实验资源、实验项目等网络化，因此实验的内容、实验地点以及 实验时间等组织形式是开放的、可选择的。针对目前实验教学需要跨学科、多项实 验需要同时进行的现状要求，虚拟实验室开放的组织形式为实验教学模式的改革提 供了技术基础。 3 对象丌放 虚拟实验室的网络化功能可以根据不同实验对象设置不同的身份，不同实验者 各取所需，实现学习与交流的目的。 青岛大学硕十学位论文 第三章虚拟实验室体系结构研究及本虚拟实验室系统简介 构建基于i n t e m e t 的分布式虚拟实验室有多种方法，但它们的基本思想和体系结 构基本一致，本章首先对常见的虚拟实验室体系结构进行了介绍和讨论，然后介绍 本虚拟实验室系统及其结构和开发方法。 3 1 虚拟实验室体系结构研究 3 1 1 客户机月艮务器结构 客户机朋艮务器( c l i e n t s e r v e r ，简称c s ) 结构出现在8 0 年代末，9 0 年代成熟 起来的技术，它将应用程序分为客户机和服务器两部分。在c s 结构中，客户机与 服务器c u p 共享，协同处理，通过网络传输客户的请求命令与服务器的响应命令及 数据。这种体系结构将一个应用程序分为两个部分，然后由多台计算机分别执行， 它们有机结合在一起，共同完成整个系统的任务，这样就可以最大限度的利用系统 的软件和硬件资源l 矧。 客户机服务器结构的主要特点是：基本运行关系体现为“请求响应”的应答模 式、消息交换是主要通信方式、基于过程的服务访问、服务集中在特定的服务器。 典型c s 结构虚拟仪器系统如图3 1 所示。 客户机服务器 图3 1 基于c s 结构的虚拟仪器系统结构图 从简单的单机系统到复杂网络系统，任何一个应用系统都包括三部分：表示层、 功能层、数据层。表示层的主要功能是实现用户的交互；功能层的主要功能是进行 具体的数据运算和处理；数据层的主要功能是实现对数据库的查询、修改、插入、 更新等，同时也包括数据的采集与仪器控制等【2 5 1 。由上图可见，基于c s 结构的虚 拟实验室被设计为两层模式，也就是把表示层与功能层均放在了客户端，数据层和 数据库( 也包括仪器设备) 放在了服务器端，从而造成了“胖客户瘦服务器”的模 型，大量的应用程序集中在客户端，而服务器仅仅起到了一个管理的作用。这样如 1 2 第三章虚拟实验室体系结构研究及本虚拟实验室系统简介 果对应用程序进行更新或者维护，就必须对每个客户端进行大量的操作，工作量繁 琐而巨大，成本很高。除此之外，由于客户端与服务器直接连接在一起，服务器部 分系统资源被消耗用来处理与客户端的连接工作，当大量客户端同时发出请求时， 就会发生客户端请求堆积现象，这会导致系统整体运行效率的降低，甚至全面崩溃； c s 结构虚拟实验室唯一在线的数据库服务器成为系统可靠性的重大隐患。 3 1 2 浏览器n t 务器结构 浏览器月畏务器( b r o w s e r s e r r o r ) 结构是随着i n e r n e t 技术的发展而发展起来的， 它是对客户机朋艮务器结构模式的一种改进。在本质上，它也是一种客户机服务器结 构，它是一种由传统的两层客户机服务器结构发展而来的三层客户机月艮务器结构在 w e b 上的典型应用。在这种结构模式下，用户可以通过浏览器向分布在网络上的许 多服务器发送请求命令，客户机上只需要安装很少的配置软件，而更多的工作由服 务器来负担，对数据库的访问与应用程序的执行都集中在服务器上来完成【2 6 1 。浏览 器月艮务器结构如图3 2 所示。 浏览器 功能服 务器仪器服务器 图3 2 基于b ，s 结构的虚拟仪器系统结构图 在浏览器朋艮务器三层体系结构下，表示层、功能层、数据层被分割成相对独立 的单元，原来传统的两层客户机朋艮务器结构被三层的浏览器朋艮务器结构所代替，这 样使得客户机的压力极大的减轻，把负荷均匀的分配给远程服务器。这种体系结构 不仅把客户机从繁重的负担和高性能的要求中解放出来，同时由于客户机把事务处 理逻辑部分交给了服务器来完成，不再负责数据处理计算等事务，而只负责显示部 分，使得客户机一下子“苗条 了许多，也就是“瘦客户机胖服务器 ，从而使得 程序维护人员不再奔波于各个客户机之间，而主要把精力集中在服务器的更新维护 工作上。这种各层之间相互独立的三层结构，使得任何一层的改变不再影响其他各 层的功能，这就从根本上弥补了传统客户机服务器结构的缺陷，是应用系统体系结 构中一次重大的变革。 1 3 青岛人学硕十学位论文 3 1 3 客户机n t 务器与浏览器i l l 务器结构的比较 客户端, i l l 务器结构一般用于局域网，而浏览器月艮务器结构是建立在互联网的基 础上，二者的主要区别表现在： ( 1 ) 安全性要求不同：客户机朋艮务器结构一般用于局域网内固定的客户群， 因此信息安全控制能力强，而浏览器朋艮务器结构是建立在互联网的基础一i - _ ，面向的 是未知的