（测试计量技术及仪器专业论文）远程虚拟电子实验室系统的设计与开发.pdf

摘要 本文研究如何设计和建立基于网络的交互式虚拟实验平台和远程实验室环 境，并实现了一个能够完成模拟电路和数字电路的一系列电子学实验的远程虚 拟实验室系统。 本文介绍了一种如何创建基于i n t e r n e t 的远程虚拟实验室的通用方法。采 用l a b v i e w 应用程序开发环境对本地仪器进行控制，并通过g p i b 接口将可程控 仪器，例如：函数信号发生器、数字万用表和示波器等设备连接到计算机上。 本文所讨论的硬件平台的控制核心由m c s - 5 1 单片机担任，用分时总线控制模拟 实验测试点的切换和数字实验的输入输出。 为了实现通过i n t e r n e t 对仪器的远程控制，在w e b 服务器端和l a b v i e w 应 用程序之间，采用了双客户端服务器构造实现它们之间的通信。远程用户通过 i n t e r n e t 浏览器向w e b 服务器提交命令和参数，远程控制实际的仪器设备，同 时还可以实时地观察到实验结果。 该实验系统已初步建立，进一步改进实验系统的实现方法和所使用的相关技 术，可使整个系统更适于实现通过网络进行远程控制。 关键词：远程教育i n t e r n e t 虚拟实验室g p l bl a b v i e w 模拟和数字电路 a b s t r a c t t h i st h e s i ss t u d i e sh o wt od e s i g na n db u i l da ni n t e r a c t i r ew e b b a s e d v i r t u a ll a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t ar e m o t ee l e c t r o n i cv i r t u a ll a b o r a t o r y s y s t e m i s e s t a b l i s h e d ，b yw h i c hs t u d e n t s c a n c a r r yo u t as e r i e so f e x p e r i m e n t si n c l u d i n gb o t ha n a l o ga n dd i g i t a le l e c t r o n i c sc i r c u i t s t h i st h e s i sp r e s e n t sag e n e r a lm e t h o dt oc r e a t ei n t e r n e t b a s e dr e m o t e v i r t u a l l a b o r a t o r y l a b v l e wa p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t i s a d o p t e d f o r i m p l e m e n t a t i o no fl o c a l i n s t r u m e n tc o n t r 0 1 p r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t s s u c ha sf u n c t i o ng e n e r a t o r ，m u l t i m e t e r s ，a n do s c i l l o s c o p e sh a v eb e e n 1in k e dt ot h ec o m p u t e rt h r o u g h g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ( g p i b ) t h e c o n t r o lc o r eo ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sas i n g l ec h i pm i c y o c om c s 一5 1 ， a n da t i m e s h a r i n gb u si su s e dt os w i t c ht h et e s t p o i n t i n a n a l o g e x p e r i m e n ta n dt oc o n t r o lt h ei n p u ta n do u t p u to ft h ed i g i t a le x p e r i m e n t t o i m p l e m e n t r e m o t e c o n t r o lo fi n s t r u m e n t s t h r o u g hi n t e r n e t ，a d o u b l ec l i e n t s e r v e ri n t e r f a c eb e t w e e nw 1 删s e r v e ra n dl a b v i e wp r o g r a m w a se x p l o i t e d c o m m a n d sa n d p a r a m e t e r sc a nb es u b m i t t e dt ot h ew e bs e r v e r v i ai n t e r n e tb r o w s e r ，s ot h a tu s e r sc a nc o n t r o lr e m o t ei n s t r u m e n t sa n d v i e wt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa tt h es a m et i m e t h er u d i m e n t a l s y s t e m o ft h e l a b o r a t o r y h a sb e e n c r e a t e d b y i m p r o v i n gt h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d sa n dt e c h n i q u e s ，t h es y s t e mw i1 1b e m o r es u i t a b l ef o rr e a l i z i n gr e m o t e c o n t r o lv i ai n t e r n e t k e y w o r d sr e m o t ee d u c a t i o n ，i n t e r n e t ，v i r t u a ll a b o r a t o r y ，l a b v i e w ，g p i b ， a n a l o g ya n dd i g i t a lc i r c u i t 第一章绪论 本章将阐明远程虚拟实验室的概念及其主要特点，开发应用于远程教育的 虚拟实验室的现实意义和应用前景，以及目前国内外的研究状况和开发所需的 关键技术和本文开展的工作。 1 1 远程虚拟实验室的概念及其特点 近些年来，计算机科学和微电子技术，以及网络技术的迅速发展和普及， 有力地推动了多年来发展相对缓慢的仪器技术的革新和进步【1 】。与此同时，仪 器的远程控制、实验信息的远程获取和传输也越来越重要，于是一种新型的， 基于计算机技术所形成的仪器种类虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 技 术出现。它不仅被广泛地应用在科学研究领域，而且使得新型远程教育模式的 实现成为可能。正是因为虚拟仪器具备卓越的技术性能，以及实现上的高度灵 活性和经济性，基于因特网技术和虚拟仪器技术的虚拟实验室已成为新世纪新 型的远程教育模式，而倍受人们的重视。它在改革传统教学方法、教育资源共 享、提高教学水平和节约投资等方面具有重要意义。 1 1 1 远程教育和虚拟实验室 早期的远程教育是函授教育，即以邮政通信和印刷技术为特征；后来出现了 由广播电台传播信息的广播大学；当电视普及以后，电视大学应运而生。在上 述三种远程教育方法中，以电视大学的教学方式最优。不仅能听到声音，而且 可以看到图像。我国从1 9 7 8 年开通了电视大学以来至今，已有数以百万计人接 受了这种教育。但是，电视大学作为一种教学方法，也有其不足之处。首先， 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 这种方式不灵活、不方便，授课须定点定时。其次，教学内容有局限性，文科 专业( 外语、财会、管理等) 和部分理科专业( 数学等) 适于电视大学。以实 验为不可缺的某些专业( 多数工科专业、部分理科专业) ，限于电视教学模式 的特点而不能充分实现或根本无法实现。近年来，随着计算机技术与通信技术 的迅速发展，出现了以多媒体系统为技术特征的现代远程教育模式，它能够交 互地同时处理、传输和管理文本、图形、图像、语音、视频、动画等多种形式 的媒体信息。多媒体远程教育系统在一定程度上弥补了电视大学的某些不足， 但仍不能实现实验操作。虚拟实验室的出现，不仅极大的弥补了远程教育模式 的局限和不足，而且还使得远程教育的方式方法更趋完善，成为教育发展史上 的又一个里程碑【”。 在近二十年的时间里，因特网在全球得到了迅速发展，已成为当今世界上覆 盖面最大、信息资源最丰富的计算机信息网络。作为远程教育的关键环节一一 教学信息的传递，因特网无疑具有明显的优势【孙。虚拟实验室正是建立在以因 特网为信息载体的基础上，它的产生向人们展示了信息时代的教育方式和科学 研究方式。 函授、广播、电视等远程教育模式的所有功能，在因特网上均能轻易实现。 只要建立一个教育网站，用户就不再受时空的限制，访问教育网站就能够接受 到远程教育。但如果仅限于此，那么还不能充分体现出因特网强大的信息传递 功能。只有大力发展基于因特网的虚拟仪器技术及虚拟实验室技术，才能将远 程教育提升到更高的层次上。 1 。1 。2 虚拟仪器和远程虚拟实验室的概念 ( 一) 虚拟仪器 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 是指通过应用程序将通用计算 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 机与功能化模块硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算 机，就像在操作自己定义，自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测量 的采集、分析、判断、显示和数据存储等【“。注意：这里所指的虚拟仪器和e d a 仿真软件中的虚拟仪器概念完全不同，它可以完全替代传统台式测量测试仪器。 而e d a 仿真软件中的虚拟仪器是纯软件的、仿真的。 电子测量仪器经历了由模拟仪器、带g p i b 接口的智能化仪器到全部可编程 虚拟仪器的发展历程，其中每次飞跃都是以计算机技术的进步为动力。虚拟仪器 可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量 测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，因此可 以说“软件即仪器”。 ( 二) 远程虚拟实验室 虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) ，也称“合作实验室( c o l l a b o r a t o 啪”，这个 概念是由美国弗吉尼亚大学( u n i v e m i t yo fv i r g i n i a ) 的威廉沃尔夫( w i l l i a m w o l f ) 教授于1 9 8 9 年首先提出的，它描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环 境，致力于构筑一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境。在这 个环境里，用户可以非常有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备、 甚至人力等资源 5 1 。 联合国教科文组织( u n e s c o ) 于1 9 9 9 年5 月1 0 日至1 2 日在美国依阿华州 立大学召开的会议确定了关于“虚拟科学研究中心”和“虚拟研究实验室”科 研和教学模式的构想，此次会议将“虚拟实验室”定义为：以利用分散的信息 和通信技术来创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离 合作和实验的一种电子协作组。 所谓远程虚拟实验室是指在计算机系统中采用虚拟现实技术实现的各种远 程实验环境，实验者可以像在本地真实环境中一样完成各种预定的实验项目， 所取得的学习或训练效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果【6 】。教育 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 专家预测，在下一个世纪，远程实验室将成为虚拟现实技术最重要和最热门的 应用领域之。 远程虚拟实验室提出的初衷是为了方便科学研究工作，科研人员在远程即可 从事研究工作：使用仪器设备、共享数据资源、交流信息等。远程虚拟实验室 实质上是一个分布式计算机系统，在该系统中，配置有具有遥控、遥测能力的 网络化研究设备和数据采集平台，有支持协作活动的各种工具，建有可以支持 数据共享的数字式图书馆 _ ”。 加入到因特网的虚拟实验室可视为建立了一个可以演示、操纵、控制实验 的特殊网站。用户可以在任何时候，从任何地点访问虚拟实验室网站。它的建 立大大提高了实验教学的伸缩性和适应性。 1 1 3 远程虚拟实验室的功能特点 远程虚拟实验室具有传统实验室无法比拟的功能特点，从而决定了它在科 研、教育，特别是在远程教育中的良好应用前景嗍。 远程虚拟实验室具有以下特点： 透明性：远程虚拟实验室的所有数据库、硬件，甚至人员集成于一个系统， 使用标准的统一命令来实现功能服务，这种透明的结构决定了远程虚拟实验室 的透明特征。 资源共享性：建立远程虚拟实验室的宗旨之一就是为了做到资源共享。为 达到此目的，需要建立统一查询标准的电子图书馆、数据库、智能化检索系统、 应用软件库等，用户可以共享数据、软件、硬件等相关资源。这个特性能够减 少重复投资，大大节约投资成本。 互动操作性：远程虚拟实验室一旦开放，即具有互动性，远程用户同样可 以操作本地实验室，同时用户之间可以交流信息。开放远程用户程序需要有一 4 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 系列软硬件的支持，它们都是远程虚拟实验室的组成部分。 用户自主性：用户可以制定自己使用的虚拟仪器的方式，允许用户采取必 要的措施保护自己的数据、资料，用户具有充分的自主性。 扩展性：在当今的信息时代里，知识更新速度十分迅速，新型的、性能更 优的仪器设备更新周期越来越短。因此，远程虚拟实验室的硬件必需随时更新， 软件也要随时升级，服务功能也要随时增加。远程虚拟实验室本身具备的透明 性、共享性等特点，给性能升级、增加服务功能提供了低耗费的快速的可扩展 性。 安全性：安全性是开放的、透明的、资源共享的合作环境所必需的保障 条件，远程虚拟实验室采取必要的措施和技术手段维护系统软件、硬件以及用 户知识产权的安全。通常采用用户鉴别注册、权限验证技术，邮件、文献加密 技术等手段保证系统的安全性。具有安全措施的远程虚拟实验室系统能够做到 拒绝非法访问者进入远程虚拟实验室，也可以将合法访问者的不当操作及时中 i e 。 1 2 建立远程虚拟实验室的现实意义及应用前景 远程虚拟实验室是信息时代的产物，它在教育、科研等领域中具有广阔的 应用前景，是实验教学的一个新的发展方向。它必将促进教学观念与教学形式 的变革，也促进教学内容与教学方法的变革，是今后远程教育发展的主流与趋 势。 1 2 1 开发远程虚拟实验室的现实意义 实验是大学理工科教育的一个重要环节，很多学科都是以实验课程为基础 的，尤其是对于一些实践性较强的学科，实验对于培养学生的实际操作能力和 近程虚拟电子实验室系统的设计和开发 解决问题的能力是至关重要的，学生的大部分实践能力都是通过实验得到的。 组建远程虚拟实验室能够使用户在任何时候，从任何地点访问实验室，从而大 大提高了实验教学的伸缩性和适应性。 随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模扩大方针实施以来，学生规 模急剧膨胀的普通高等院校普遍陷入了实验教学的困境。建立基于网络的远程 虚拟实验室是当前缓解这些困境的良好途径，在当前建立远程虚拟实验室具有 重要的现实意义： 1 ) 可降低科研成本和节省研究经费，并能够充分发挥现有科学仪器的作 用，提高使用效率，尤其是通过联网后能实现大型科学仪器的资源共享， 避免了大型仪器设备的重复添置、购买和浪费： 2 ) 突破了传统教学模式受时间、地点的限制，并且可以利用网络教育提高 教学效率； 3 ) 实验内容确定后，通过调用不同的软件，即可完成不同的实验，因而用 户可以自行选择实验系统及测试仪器： 4 ) 虚拟实验系统的控制者一计算机具有开放性，因而容易实现网络及其它 。部件相互间的连接： 5 ) 组建系统的效率高，由于硬件和软件的标准化、规范化，用户往往只需 经历一次组建工作； 远程虚拟实验室系统的开发可以有效克服实验仪器数量和质量的不足以及 实验场地、课时数的限制，使更多的精密仪器设备为更多的人所共享。这样可 以充分地利用仪器资源，使有限的资金发挥更大的作用。远程虚拟实验室的建 设对目前正在兴起的远程教育有重要意义，必将成为其中重要的一环。 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 1 2 2 远程虚拟实验室的应用前景 因特网上的虚拟实验室在远程教育中具有良好的应用前景： ( 1 ) 计算机网络的迅速普及为远程教育提供了有利条件 目前我国上网计算机已超过二千万台，而且还将以每年增加2 0 的速度增 长。这个庞大的网络为远程虚拟实验室的普及和发展提供了便利条件。 ( 2 ) 远程虚拟实验室的性能优势 与传统实验室相比，虚拟实验室性能更为优秀，组建虚拟实验室必须考虑 到选用当今世界上性能优秀、仪器齐全的一流设备，这些设备并不是所有院校 都能拥有的，而虚拟实验室却能够提供给用户使用一流的设备。甚至象电子显 微镜、天文望远镜、逻辑分析仪、大型核装置等这些昂贵、难以接触到的仪器 设备，用户也能够通过访问虚拟实验室来进行学习和使用。开发用于远程教育 的虚拟实验室的重点放在电子、电工、机械、土木、环境等学科更为现实。而 象天体物理、核物理、海洋、分子生物学等学科的虚拟实验室用于远程科研较 为适宜。 ( 3 ) 远程虚拟实验室的低成本特点有利于其发展 远程教育通过计算机网络实现教育资源共享，某一学科的先进教学方法和 卓越的实验条件可以为校内外的各学科广泛使用，从而可以节省许多基础设施 的低水平重复建设和仪器设备重复引进的资金投入，有利于从整体上改善办学 条件和提高教学水平。远程虚拟实验室在信息高速公路的运行，必然带来人们 观念的更新和实验室革命。 ( 4 ) 教学方式灵活、方便 基于因特网的虚拟实验室远程教育模式不同于传统的面对面的统、死板 的教学模式，它能够灵活地提供给用户( 学生) 不同的实验教学内容，用户( 学 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 生) 可以根据实际情况确定学习内容和安排学习进展，从而可以最大限度的满 足用户( 学生) 的不同需要。这样，既可以普及知识，又能够提高、更新知识。 此外，远程教育不受时间、地域的限制，用户( 学生) 只要通过计算机网络便 可以及时获得知识。 ( 5 ) 我国国情适合于发展网上远程教育 我国人口众多，国民平均知识水平相对落后于发达国家。在知识经济时代 和科教兴国方针的指引下，国民中蕴藏着接受高层次教育和知识更新的迫切需 求。由于客观条件的限制，能够进入高等院校接受教育的人数毕竟有限。网上 的远程教育可以满足人们渴望获得知识的要求，为因特网上虚拟实验室远程教 育的发展提供了广阔前景。 随着虚拟仪器和网络技术的迅猛发展和c e m e t ( 中国教学科研网) 的建立， 在我国开展远程虚拟实验室研究的条件已经成熟。目前已有百余所高等院校连 入c e m e t ，并且通过多条国际通道直接连入i n t e m e t 。c e m e t 已经建成了一批网 络资源和应用系统，该网为我国科研发展起到了积极的推动作用，已经成为提 高教学质量和科研水平的重要基础设施。c e m e t 只是一个基础设施建设，只有 在其上开发丰富的资源，提供多种服务， 用，才能真正从根本上促进信息交流、 程虚拟实验室的目的所在。 才能真正实现其对科研和教育的促进作 资源共享和科研合作。这也正是建立远 1 3 远程虚拟实验室在国内外的研究现状 远程虚拟实验室概念的提出至今仅有十余年的时间，但因其诱人的应用前 景，各国均在大力开发，已经取得了一些进展。 目前，远程虚拟实验室在发达国家已十分普及。美国作为当今的科技强国， 为继续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其重视信息技术的研究，已将虚 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 拟实验室列入其科研发展的战略规划。在1 9 9 1 年底，美国科学基金会、美国国 家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通讯部组成了一个“全国( 科学) 合作实验室委员会”，其任务是调查科学家对信息技术的需求，协调科研合作 关系，组织并实施具体的信息技术开发。此后，美国联邦政府投入资金在海洋 学、天体物理学和分子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程， 开展了一系列探索性研究并取得实质性进展。美国一些政府部门，如能源部， 正在制定计划将其所属的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。目前，越来越多 的科学家正投身于构筑一个覆盖全美国的虚拟实验室的工作中来。 作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国， 从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究已处于领先地 位。虚拟仪器系统及其图形编程语言( l 曲v i e w ) 已成为各大学理工科学生的 一门必修课，其普及程度是相当广泛的。国外的些大学已组建了远程虚拟实 验室。德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室f 9 】；西班牙大学电子系开发 了电子仪器虚拟工作平台【1o 】；意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室【1 1 1 ； 新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验【1 2 】。 在国内，远程虚拟实验室的建设也得到了应有的重视，目前，已有部分高 校初步建立了远程虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动 机检测系统：华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网 上公开展示，供远程教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制 了“航空电台二线综合测试仪”，将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统； 复旦大学、上海交通大学、广州暨南大学等一批高校，也开发了一批新的虚拟 仪器系统用于教学和科研 1 3 1 。 9 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 1 4 开发远程虚拟实验室的关键技术和方法 开发远程虚拟实验室所涉及到的主要关键技术有：g p i b 仪器控制技术、 i n t e r n c t 网络技术和串口通信技术等多种技术，本节内容在第三章还将进一步详 细阐述。 1 4 1g p l b 仪器控制技术 通用接口总线( g p i b - - g e n e r a l p u r p o s e i n t e r f a c e b u s ) 技术可以说是虚拟仪 器技术发展的第一阶段。g p i b 犹如一座金桥，把可编程仪器与计算机紧密地联 系起来，从此电子测量由独立地手工操作单台仪器向组成大规模自动测试系统 的方向迈进。 g p i b 又称i e e e 4 8 8 标准接口总线，是传统测试仪器在数字接口方面的延伸 和扩展，三十多年来得到了广泛的应用。并成为仪器领域的一种国际标准。尽 管近年来面临着v x i 等新型接口标准的激烈竞争，但配备g p i b 接口的仪器至 今仍然在测量仪器领域占据着统治地位，并成为通用综合测试系统的主要组成 部分。 g p i b 是一种8 位并行数字通讯接口，数据传输速率达i m b s 以上。g p i b 有i e e e 4 8 8 1 - - t 9 8 7 ( 1 9 9 4 ) 和i e e e 4 8 8 2 1 9 9 2 两个标准。在使用2 4 芯g p i b 连 接器时，其中1 6 条为信号线，另8 条为接地返回线。该1 6 条信号线构成了g p i b 总线，又分为8 条双向数据线、3 条信号交换线和5 条通用控制线。数据线既可 传送设备命令( 7 位) ，又可传送地址和数据( 8 位) 。3 条信号交换线为：n r f d ( 数据未准备好) 、n d a c ( 未接受数据) 和d a v ( 数据有效) 。5 根控制线 为：a t n ( 注意信号) 、i f c ( 接口清零) 、r e n ( 远地使能) 、s r q ( 服务请 求) 和e o i ( 结束或标识) 。 1 0 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 经由g p i b 这种标准总线接口，不同厂家生产的各种不同的仪器设备可以 被容易地组合成一个完整统一的测试系统，其中，g p i b 系统控制器一通常是 配有g p i b 接口适配器( g p i bi n t e r f a c ea d a p t e r ) 的通用计算机控制系统中的 所有仪器设备，指令其完成各自不同的测量工作，并对其传回的测量数据进行 各种分析、处理工作，达到综合测试的目的。通过深入了解g p i b 总线及仪器的 各项性能指标并充分利用其功能特点，灵活地运用基于虚拟仪器的软件设计方 法，可以在不增加硬件成本的基础上，经济、有效地提高g p i b 测试系统的性能。 给定计算机运算能力和必要的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器的关键 在于应用软件。基于软件在虚拟仪器中的作用，美商国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ，简称n i ) 提出了“软件即仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 的口号，而其l a b v i e w 也不能不被提及，它提供了虚拟仪器的图形编程环境， 在这个软件环境中提供的一种像数据流一样的编程模式。 本实验室系统中采用的均是带有g p i b 接口卡的且支持标准通用命令的h p 公司的可程控仪器，例如有：信号发生器、示波器和数字万用表等。通过l a b v i e w 虚拟仪器开发平台，本地的p c 机通过g p i b 实现对仪器的远程控制。 1 4 2i n t e r n e t 网络技术 为了实现通过i n t e r n e t 对仪器的远程控制，采用的、 n n ，技术有；传输控 制协议( t c p ) 、公共网关接i ( c g i ) 、超文本传输协议( h t t p ) 、超文本标识语言 ( h t m u 等 1 4 】。 ( i ) t c p 协议 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o e o l i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 协议是i n t e r a c t 网络 进行信息传输和网络互联所使用的协议。随着i n t e m e t 的飞速发展，t c p i p 已 成为事实上的国际标准和工业标准已被广泛的应用于各大学和政府机构。t c p 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 面向连接，提供了一种可靠的数据流服务。t c p 可以在众多的网络上工作，可 以提供虚拟电路服务和面向数据流传输服务。在一个分组可能发生丢失、破坏、 重复、延迟或失序情况下，t c p 服务可提供一种可靠的进程间通信机制，协议 可以自动纠正各种差错。为建立连接，采用客户服务器( c s ) 模型，客户是连接 的发起方，服务器是连接的接收方。建立连接时，客户发送一请求报文，服务 器愿意接收，则发回一个响应报文，成功建立连接。 ( 1 i ) 公共网关接口c g i c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 是一种在服务器与外部脚本或程序之间进 行交互的方法。该接口确切地说是一个网关，它通过从服务器上接收信息，并 创建一个子过程，用于为c g i 脚本处理或存储这部分信息。 简单的来说一个c g i 的实现是这样的：首先用户在浏览器中通过表单( f o r m ) 向服务器发送信息，服务器会根据客户端在进行请求时所采用的方法，收集由 客户提供的信息，并将信息发送给c g i 脚本。然后c g i 脚本进行信息处理并将 结果以标准输出形式返回信息给服务器，最后由服务器把输出结果返回给客户 端。 ( i i i ) h t t p 协议 h t t p 协议( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l 超文本传输协议) 是进入w o r l d w i d ew e b ( w w w ) 的协议。为了简化用户访问i n t e r n e t 上信息的途径，需要一个 通用的协议，h t t p 应运而生。它是一个通用的、无国晃的、面向对象的协议， 位于i n t e r n e t 协议栈的应用层里。w e b 客户机和服务器是用h t t p 来传输文档的。 个h t t p 请求是从客户机发送到服务器的，请求方法表示了请求类型。它起到 一个命令的作用，这个命令施加到u r l ( u n i v e r s a lr e s o u r c el o c a t i o n ) 所指的 对象上。大部分h t t p 服务器目前支持的方法有三种：g e t ，p o s t 或h e a d 。而将 信息提供给c g i 脚本的途径则取决于所使用的方法。 ( i v ) s t m l 语言 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 超文本标置语言h t m l ( h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e ) 目前广泛用于w e b 上， 其功能是描述文档的逻辑结构和各部分的属性。主页( h o r n e p a g e ) 是以h t m l 格 式写成的，h t i v i l 不是所见即所得的，不过h t m l 非常易学易用，它以标签( t a g ) 标示及排列各对象。而标签本身则以“ ”号标识，标签内的内容称为 元素( e l e m e n t ) ，元素代表了标签的意义。 1 4 3 串口通信技术 为了实现l a b v i e w 服务器与硬件实验电路控制板的通讯，本实验系统采用 了串行口通信的协议和规范。 串行通信指的是数据一位一位地依次传送。计算机的串行通信也有单工通 信、半双工通信和全双工通信之分。串行口通信线要求有良好的屏蔽，以防干 扰，可用网状屏蔽线，将屏蔽层接公共地，实现良好屏蔽。 在本实验系统中，以单片机为控制中心得实验电路控制板与l a b v i e w 服务 器的通讯遵循r s 一2 3 2 c 串行口标准。串行口电平转换使用了t d a x 2 3 2 芯片。 1 4 4 本文的工作 本文研究的是一个远程虚拟电子实验室系统，该系统由客户端、w e bs e r v e r 、 l a b v i e w 仪器控制服务器及实验室可程控仪器等组成。远程用户登录到实验室的 w e bs e r v e r 后，后续的实验过程由l a b v i e w 服务程序控制。服务程序控制仪器， 并把实验测量参数传送给硬件实验电路控制平台。实验结束后。服务程序将测 量结果生成页面，直接返回到客户端。 该系统的核心部分由l a b v i e w 虚拟仪器开发平台编写。l a b v i e w 程序实现了 通过c g i 传递实验参数，进行本地仪器控制，并制定了一套简单的串口通讯协 议，完成了单片机的串口通讯功能。同时，搭建了硬件实验电路控制平台，接 受来自l a b v i e w 仪器控制服务器的发送过来的命令和数据，完成实验测试点的 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 切换工作。 本文在第二章介绍了整个系统的软硬件构成。在第三章详细讲述了系统所 使用到的关键技术。文章最后，给出了本实验系统的具体实现。 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 第二章远程虚拟电子实验室的系统组成 本章主要介绍远程虚拟电子实验室系统的整体架构，包括主要设备的连接 方式、系统互联的内部机制，以及所使用的相关技术的简要介绍。 2 1 远程虚拟电子实验室系统的功能概述 采用g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 仪器控制技术，将可程控仪 器连接到l a b v i e w 仪器控制服务器上，实现仪器的本地控制。并利用网络技术， 把所提供的电子实验题目及内容放入建立的网站上，远程用户只需利用网络浏 览器，就可以登录到远程实验室的网络服务器上，进行实验操作，远程控制实 验仪器。 事先在主页上开列出所有可提供的实验题目，在相应的题目中显示该实验的 有关内容，并同时提供具体的仪器设置。当用户选择了具体的某个实验后，首 先可利用所提供的实验内容进行实验预习，然后开始实验操作。用户可以根据 具体实验的要求详细地设置仪器，使仪器的状态变为用户所需要的。当一切准 备工作就绪后，用户便可提交自己的设置。远程实验室的网络服务器在接受到 用户所提交的信息后，利用在服务器上所运行的客户请求翻译软件，将用户的 请求翻译成相应的指令，并调用位于网络服务器之后的实验室服务器以及在其 上运行的l a b v i e w 虚拟仪器软件开发平台。由l a b v i e w 应用程序启动相应的仪 器设备，并根据用户的要求对仪器进行配置，然后开始测试用户所选择的实验 电路的相关数据。测试完毕后，将所测得的实验数据先通过g p i b 总线传回实验 室服务器，再传到网络服务器上。通过相应的翻译软件，回传给用户，并实时 地显示到网页上。这样就完成了网络虚拟实验室操作的整个过程【”】。 在远程实验室的主页上，还可以加入视频摄像部分。由视频头所采集的图 垩望垒垫皇三壅墼塞墨竺竺堡生塑茎垄 像可通过视频压缩传输技术传送到网页上，这样用户就可以看到自己所操纵的 精密仪器，直接从屏幕上看到实验结果1 6 1 。 2 2 远程虚拟电子实验室系统的总体结构 远程虚拟电子实验室中的计算机通过g p i b 接口及总线连接各种实际的仪器 设备，如函数信号发生器、数字万用表以及数字存储示波器等【n 1 。当远程用户 通过i n t e r n e t 网登录到实验室的服务器后，就可以对这些仪器设备进行控制操 作。视频摄像头同时可以拍摄到仪器的状态及实验数据和波形，使用户能够更 直观、更形象的观察到自己所进行的实验操作及测量到的实验结果。这样，用 户便不再受时间、地点的限制，只要有一台计算机，通过i n t e r n e t 网就可以利 用所提供的精密仪器设备来完成实验操作。 本实验室系统中采用的均是带有g p i b 接口卡的且支持标准通用命令的h p 公司的可程控仪器，通过l a b v i e w 虚拟仪器开发平台，用户唯一要做的就是发 送命令字符串送给具有不同g p i b 端口号的仪器，相应的仪器可做出相应的动作， 执行用户的命令。通过数据采集卡，还可以收集数据，作为进一步的分析和处 理。 为了实现通过i n t e r n e t 网对仪器的远程控制，采用的w w w 技术有：传输控 制协议( w c e ) 、公共网关接口( c g i ) 、超文本标识语言( h t m l ) 和j a v a 语言等。 在w e b 页上，用户可设置仪器状态参数，并提交自己的请求。w w w 服务器接收到 用户请求后，运行c g i 程序，并传递仪器状态参数给c g i 程序。由c g i 程序建 立起与实验室服务器之间的t c p 连接，并将仪器参数传送给l a b v i e w 。由在仪器 控制服务器上运行的l a b v l e w 去控制本地仪器，发送命令字符串给相应的仪器， 设置仪器状态。t c p 连接释放后，由c g i 程序返回信息给远程用户。这样，就完 成了通过i n t e r n e t 对仪器的远程控制。 2 2 1 系统硬件构成 本实验系统主要实现了大学电子课程中的基本实验一模拟电路和数字电路 实验。如图2 1 所示，整个远程虚拟电子实验室系统的硬件是由w e b 服务器、 仪器控制服务器、硬件实验电路控制平台、g p i b 可程控仪器以及视频摄像头组 成的。 图2 1 远程虚拟电子实验室系统硬件框图 f i g 2 1h a r d w a r ed i a g r a mo f r e m o t ev i r t u a le l e c t r o n i cl a b o r a t o r ys y s t e m 1 。w e b 服务器 w e b 服务器采用m m 公司的服务器。它通过网卡连入i n t e m e t 或c e m e t ( 中 国教育和科研网) ，其上驻留用于与用户交互、进行远程虚拟实验的网页和a s p ( 动态服务器主页) 程序。远程用户可以用w e b 浏览器访问此服务器，通过浏 览器与w e b 服务器进行交互，从而按步骤完成远程实验操作。 2 仪器控制服务器 仪器控制服务器置于实验室内，主要用于进行本地仪器控制，上面运行着 l a b v i e w 的gw e b s e r v e r ，用来接收来自w c b 服务器的有效请求，并执行相应 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 的服务程序。通过g p i b 卡控制测试仪器，通过r s - - 2 3 2 串行接口控制硬件平 台，完成实验搭建和结果参数测试并将实验结果和数据回传给w e b 服务器， 由w e b 服务器处理后反馈给用户端。 3 硬件实验电路控制平台 硬件实验电路控制平台用来实现一组模拟和数字实验，通过r s - - 2 3 2 串行 口接收来自仪器控制服务器的有效控制指令，并根据指令来选通测试仪器和切 换测试点，从而完成相应的操作或相应实验过程，并返回适当指令或实验结果。 4 g p i b 可程控仪器 g p i b 可程控仪器包括：h p 3 3 1 2 0 a 函数任意波形信号发生器，h p 3 4 4 0 1 a 数字万用表和h p 5 4 6 1 6 b 数字存储示波器，具体仪器的实验特性介绍如下： ( 1 ) i - i p 3 3 1 2 0 a 函数，任意波形信号发生器 h p 3 3 1 2 0 a 是一台高度稳定的，高性能的函数，任意波形信号发生器。它的 实验特性有： 提供l o 种标准波形，正弦波和方波可达1 5 m h z 。 可用4 0 m s a s 的速度和4 个1 6 ，0 0 0 点的波形存储构建任意波形。 提供的是纯净的信号：t h d s e r i a l 程序库中包含对串行通讯 操作的一些功能模块： s e r i a lp o r ti n i tv i 模块用于初始化所选择的串行接口。f l o wc o n t r o l 设置握手方式的参数。b u f f e rs i z e 设置程序分配的输入输出缓冲区的大小。 p o r tn u m b e r 决定通讯接口地址。b a u dr a t e ，d a t ab i t s ，s t o pb i t s 和p a r i t y 等设置通讯参数。 s e r i a lp o r tw r i t ev i 模块把s t r i n g t o w r i t e 中的数据写到p o r tn u m b e r 指定的串行接口中。 b y t e sa ts e r i a lp o r tv i 模块计算由p o r tn u m b e r 指定串行接口的输 入缓冲区存放的字节个数，并将该数值保存于b y t ec o u n t 中。 s e r i a lp o r tr e a dv i 模块是从p o r tn u m b e r 指定的串行接口中读取 r e q u e s t e db y t ec o u n t 指定的字符个数。 在下面的实例中，实现从一台串行仪器中读取测量值。首先，用s e r i a lp o r t i n i t 模块初始化串行接口，然后，用s e r i a lp o r tw r i t e 模块把命令参数发送 给仪器，接着用b y t e sa ts e r i a lp o r t 模块查明在串行输入缓冲区中已经读入 的字节个数，最后用s e r i a lp o r tr e a d 模块读取仪器数据。 图3 2 从一台串行接e l 仪器中读取测量值的方框图程序 f i g 3 2t h eb l o c kd i a g r a mo f r e a d i n gd a t af r o ms e r i a lp o r ti n s t r u m e n t 2 i e e e - - 4 8 8 ( g p i b ) 概述 g p i i j 程序库中包括i e e e 一4 8 8 2 应用程序和传统的g p i b 应用程序。 g p i b 4 8 8 2 应用程序中增加了i e e e - - 4 8 8 2 兼容性具有i e e e - - 4 8 8 2 的功能。 惠普公司在6 0 年代末和7 0 年代初开发了g p i b 通用仪器控制接口总线标准。 i e e e 国际组织在1 9 7 5 年对g p i b 进行了标准化，由此g p i b 变成了i e e e - - 4 8 8 标准。术语g p i b ，h p i b 和i e e e - - 4 8 8 都是同义词瞄1 。如图3 3 所示，计算机 通过g p 8 接口卡和总线来实现对g p i b 仪器的控制。g f i b 原始目的是对测试仪 器进行计算机控制。然而，现如今g p i b 的用途已经十分广泛，它还应用于计算 机与计算机之间的通讯，以及对扫描仪和图像记录仪的控制。 远程虚拟电子实验室系统的设计和开发 图3 3 计算机与仪器通过g p i b 总线连接的示意图 f i g 3 3 d i a g r a m o f c o m p u t e r a n d i n s t r u m e n t l i n k e d t h r o u g h g p i b 每台设备，包括计算机接口卡，必须有一个0 到3 0 之间的g p i b 地址。一 般接口卡的g p i b 地址设置为0 ，仪器的g p i b 地址从l 到3 0 。g p i b 有一个控者 ( 一般为计算机) 来控制总线，在总线上传送控制仪器的命令和数据。控者寻 址一个讲者，一