（微电子学与固体电子学专业论文）基于虚拟仪器的在线实验系统研究.pdf

i 摘 要 利用现有的校园网， 构建网络化、 分布式的在线测试系统， 可以让学生在任何时候，从任何地点访问实验室，从而大大提高实验教学的伸缩性和适应性。基于虚拟仪器的在线实验系统是利用虚拟仪器技术和互联网技术的远程实验平台。 整个实验系统基于 c/s 模式，由客户端，实验管理服务器，互联网，实验单元和实验仪器单元五部分组成，整个平台具有良好的可扩展性，安全性，允许多用户，多实验同时进行。 在线实验系统使用虚拟仪器技术，以 labview 为主要编程语言，实现了“软件就是仪器”的功能。基于数据采集卡，通过编程实现了数字示波器、信号发生器、可控直流电源等传统仪器的功能。利用现有的网络设备，由服务器端完成数据采集和发送，客户端实现数据分析处理，实现了在线测试。目前在线实验系统已经开发模拟电子电路测试，数字电子电路测试和远程控制等电子工程学科的相关实验，所有实验都基于真实物理设备。 该平台尽量提供与本地实验具有相同的实验效果， 具有一定的开放性和先进性。该系统完成了在局域网，教育网及公众网内多用户多实验的测试，达到了网络在线实验的要求，为网络的实验室建设提供了实例。 关键词：在线实验，labview，虚拟仪器，客户端，c/s 模式 ii abstract use of the existing campus network, the networks and distributed online experiment system can allow students at any time, from any place to visit laboratories, thus greatly improving the teaching of flexibility and adaptability. the virtual instrument-based online experiment system is a remote platform using virtual instrument technology and internet technology. the system based on the client/service (c/s) model consisting of five units such as the client station, internet, laboratorial manage server, experiment unit and instrumentation unit, it has good expandability, and security, allowing multi-user, multi experiments simultaneously. the virtual instrument technology is used in the online experimental system, and labview is chose as the main programming language to realize the software is the instrument function. the functions of the traditional instruments such as the digital oscilloscope, the signal generator and the d.c power are realized by data acquisition card and designed by software. the data acquirement and transmission are achieved by the server in the system. the data processing is carried out by the client, and the online testing is fulfilled. the experiments for the major in electronic engineering such as analog electronic circuit tests, digital electronic circuit testing, remote control test have been developed in the online system. the system to provide the same experiment with the experimental results is open and advantage. multi-user and multi-experiment testing is finished in lan, education website and public website, and the requests of the online experiment are attained, which provides a typical example for the network lab establishment. keywords：online experiment labview virtual instrument client client/service (c/s) model 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪 论 伴随着计算机技术和网络技术的蓬勃发展，教学已经进入数字化时代，各种网络教学方式正处于百家争鸣、各展所长的时期。中国高等教育信息化建设正处在飞跃发展的新时期，基于 internet 尤其是教育网、校园网的应用正受到前所未有的重视，中国传统高教工作模式也正进入到一个实质性的数字化变革时代。加快教育信息化建设的步伐，适应时代的需求，抢占未来教育发展的制高点，已经成为中国教育界的一致共识。与网络教学配套的网络实验教学却还在萌芽时期， 还无法与技术相对成熟的网络教学形成互补。另外，全国高校扩招带来的教学实验缺陷越发明显，尤其是实验设备的质量和数量的不足，无法为广泛的实验教学提供有效的支持，学生实验培养形势严峻1。2001 年，国家提出了积极开展网络实验室的建议，鼓励各大高等院校搭建网络实验室，实现资源的共享与互补。 1.1 在线实验系统的研究意义 校园信息化建设的大步前进，很多高校都建立了自己的计算机网络教学中心，用于学科专业网络教学。目前大多数学校的计算机网络中心还停留在网页、ftp 的水平：实验专用设备的种类、数量有限，设备趋于陈旧，跟不上业界技术发展的脚步，专家级师资力量和专业教材的匮乏也制约了学校的专业教学水平。 在线实验室系统（online experiment system）是基于飞速发展的 internet 网络，利用计算机自动控制技术、网络通信技术、仿真技术、多媒体技术、网络数据库技术以及web 技术等组成的网上远程自动控制系统， 以解决工科实验教学中实验装置网络远程控制及数据采集问题， 为高等工科院系实验教学实现在 internet 上的远程化提供一套完整的解决方案。在工科教学领域，尤其是在电子、通信、自控等学科领域的高等教育、职业教育和高级专业培训中，在线试验系统具有广阔的应用前景和发展空间，此技术成果成功的推广将会产生良好的社会效应和经济效应。目前，在线试验系统正逐步应用于高等教育的实验教学环节中。 2 在线实验方式是用于弥补普通教学中的实验教学环节的不足或者辅助实验教学的。在教学模式上，在线实验是综合利用计算机技术，完成在传统教学中无法实现的实验条件和实验内容，丰富实验教学内容，结合 internet 网络技术，突破传统的实验教学模式，提高实验教学质量。同时为实验教学远程化教育提供了新颖的思路。在线试验系统有以下几种特点： 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，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。 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。 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止。 远程教育的兴起，如何实现实验远程化教育是一个极大难题，网络实验系统将为远程教育的实验教学提供了一套完整的解决方案，促进远程教育的发展，具有很大的社会 3 效应。因为其是基于实现完全自动化网络实验而建立的教学系统，在实验过程中，系统将自主完成整个实验服务，可以无需实验室管理人员介入。接入网络实验系统的任何实验装置将提供 24 小时的全天候在线服务， 从而提高设备的利用率。 在线实验系统是基于internet 网络技术的产品，不仅为本校学生提供教学服务，同时也可以为没有设置资源和不具备建立实验教学硬件资源环境的大专院校和工矿企业提供远程教学环境，形成资源广泛共享。整体结构简单，按照面向对象设计，系统具有很高的重用性和开放性。实验按照两层结构配置，实验模块和具体实验，每个实验模块都是一个独立的项日，可以被单独开发、安装和卸载，所以实验规模可以随着我们今后的开发不断地被扩大。实验内容与实验系统相脱离，实验模块仅需要负责具体实验的内容，所有公共的东西都被置于实验框架之中，各个实验模块不必重复开发那些公共的元素，设计上达到了高度重用。 建立基于虚拟仪器的在线实验系统，强调“网络就是实验仪器”的概念，这一概念类似于虚拟仪器中的“软件就是仪器” 。网络(包括计算机和联网设备)在实验中可以充当以往由操作台和设备实现的角色。通过建立网络虚拟实验室，远程教育的学习者不必担心缺乏实验条件，也不必为实验到处奔波，他们通过网络中的基于虚拟仪器的虚拟实验环境，同样能够“身临其境”地观察实验现象和进行“实际”操作，甚至和异地的学习者合作进行实验。鉴于其开放性和共享性，资源的可重复利用率提高，系统组建时间缩短，功能易于扩展和管理，使学生的实验操作机会得以增加，实验范围和科目得以扩大，高新技术在教育领域内的优势可以充分发挥出来。 1.2 在线实验系统的研究进展 在线试验系统中的虚拟实验室及虚拟实验技术是近年来信息技术迅速发展的产物。虚拟实验室综合使用虚拟仪器，虚拟现实，数据库，网络和计算机实时控制等多种技术，为实验者营造虚拟的实验环境。 实验者的指令通过网络发送给实际的设备或者仿真对象，实验的结果以图表，示意图，动画等形式反馈给用户，以达到与在普通实验室中实验相同的效果。学生可以在计算机终端自助浏览、学习有关实验内容并进行实验。通过虚拟实验系统可以解除传统实验所无法克服的场地和时间的限制，同时大大地提高设备的利用率，有效地降低实验成本，在相同经费的情况下，提供更加丰富的实验内容，更加先 4 进的实验设施。 1.2.1 国外状况国外状况 与在线实验系统密切相关的是虚拟实验室的发展，随着虚拟仪器技术的出现，使在线实验系统的研究逐渐成为了各国教育机构研究的重点。首先提出虚拟实验室概念的是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 1991 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信部组成了一个“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了实质性进展。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2。 德国的汉诺威大学3建立了虚拟自动化实验室； 西班牙大学电子系4开发了电子仪器虚拟工作平台； 意大利帕瓦多大学5建立了远程虚拟教育实验室。 基于 pc 的仪器已经广泛应用于美国的大学中6。而以虚拟仪器为代表的设备则广泛应用于气象服务中7、电力诊断8、远程自动诊断和监控9、机器人远程控制10、位置控制和同步操作11、农作物的精密浇灌12、声学的远程数据采集和控制13等领域。随着虚拟仪器技术的发展，尤其是分布式技术已经发展得非常迅猛，基于虚拟仪器的在线实时测量实验室的另一个同一概念虚拟实验室（virtual laboratory）14，亦称为“合作实验室(collaboratory)”15，是由美国弗吉尼亚大学（university of virginia）的 kouzes r t，myers j d，和 wulf w a 教授提出于 1989 年首先提出的，是指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、仪器设备及人力等资源。采用网络与分布式测量控制技术，测量控制专业人员定量分析了以太网的传输延迟情况，并且在实现传统设备远程访问的同时不断推出智能的网络化仪器，希望推动仪器设备的网络化控制与数据采集。 labview 很好的满足了广大开发者的要求16。科学和工程教育需要通过实验室的实验来让学生获得更广的和实用的知识，远程实验的有教学助手（teaching assistance） 5 的功能，也有报告准备支持（report preparation support）的功能17。大学中广泛使用的模块化编程语言用于远程控制以及网络操作18。 labview 不仅可以控制单个的仪器， 还能同时对多个仪器进行控制和操作19。henry j 使用 labview 实现 24 小时全天候的控制实验室20。moros r21通过多媒体文本，交互式仿真和通过标准网页浏览器进行观测/控制真实实验室实验的界面。pniower j c22使用 labview 控制硬件，通过 html 语言作为表面接口技术，还利用了视频连接，完成了远程操作实际的仪器在工程教学中的应用。rochester inst of technology 的 chung e c 通过远程控制和使用 labview 图形化编程语言搭建了集成电路测试的远程实验室23。 the behrend college 使用 labview 应用于电子工程技术的学士学位教育中24。使用 labview 自带的 web 发布技术完成控制分析和实时测量25。texas a&m university 的 steidley c 和 bachnak r 利用 labview 进行数据采集，存储和处理，并且通过一个数字摄像头实现对实验现场环境的显示建立了一个远程科研教学的虚拟实验室26。lin h c 通过 labview 和微处理器（intel 8051）对动力系统进行远程谐波测量和监视。现场的服务器 pc 可以收集实时波形信息，传输给客户端 pc 进行，通过因特网实现在线谐波分析。完全谐波变形（thd）的进程被客户端记录在数据库中，可以方便地查找。试验结果已经证明这套系统实现远程采集，而且效果很好27。通过网络使用虚拟仪器还用于心电图的检测并完成相关的调查28。 随着 internet 技术发展，大学教育已经拓展到通过远程班级的形式让学生和成人也有接受高等教育的机会。de magistris m 通过使用 matlab 构建虚拟实验室，并将其引入到了电磁学的教学中，也取得了良好的效果29。ying l 等人提出了 w-lab 的架构，使用双 c/s 结构，使用 labview 通过分布式的网络技术架构的 w-lab 既是虚拟实验室又是远程实验室，既高效又节约30。还有不少研究人员对 weblab 进行了研究31-34。georgia institute of technology 的 swanson d k 将 weblab 应用于教学中取得了较好的效果32。 华盛顿大学deshpande s g.博士等开发了架设于internet网络的实时交互式虚拟教室多媒体远程教学系统。充分跟踪当前数字多媒体音视频流压缩研究进展，并研究了基于联合双边平衡图像专家组（jbig）图像编码技术的针对电子幻灯片的高压缩率算法。并开发了一系列相应的工具包，自动生成同步多媒体综合语言（smil）报告，以便记录和查阅35。 6 callaghan m j 教授在一个三年的远程教育项目基金的支持下 （基于因特网的远程嵌入式系统实验室，distance internet-based embedded system experimental laboratory， diesel）提出了一种 c/s 架构的远程合作实验方法。从单用户结构研究出发，提升到多合作者网络结构方法，并提出了多用户合作实验协议层结构36。 aktan b 构建了用于控制工程实验室的远程学习，在俄勒冈州立大学工程学学院，开发并展示了一个有创新性的实时并可远程控制的工程教学实验室。远程实验室使用网络来使用户接近平时的实验室设备。另外，远程电源控制，网络可靠性和安全性被集成到实验的硬件和软件设计中。远程的学生能够实时开发，编写，调试和运行实验室的实验控制器。学生能够从一个远程工作站实时观看实验，听见实验室里的声音，并可与实验室其他用户互动，学生能在任何地方通过网络有效地使用实验室37。 arpaia p 建立了将测量实验领域用于教学目的的远程实验室，学生可以通过网络建立自动测量系统并做真实的实验，该实验室是独立于网络标准之外的，学生仅仅只需要一个常用的 internet 网络浏览器就可以使用。 此外， 多个用户可以同时使用同一套测量系统。允许分布在各个地方的学生使用各种不同地域的测量资源，这样，各个地域的不同测量领域的远程实验室就可以构成一个完整的教育系统38。 在 blekinge 理工学院的远程实验室中，使用了客户机服务器架构。学生在他的计算机上完成各项设定，然后将这些设定发送到一个实验室的服务器上。这个服务器完成了请求的测量后将得到的数据传回学生。整个过程仅需一到两秒钟。许多客户机可以同时进行实验。在校的大学生学习一般课程时可以使用这个实验室。他们通过计算机中心或大学外任何地方都可以登陆实验室。由于只有少量的字节需要传输，56kbit 的调制解调器就可以胜任39。 asumadu j a 则建立了一种基于 “远程连线和测量实验室” （rwmlab）提出了新的构架方法，通过分布式的因特网控制本地的多层布线板，如图 1-1和图 1-2所示。rwmlab的特色是矩阵开关、 数据采集、 数据处理分析以及图形界面操纵仪器。 rwmlab的主要期望是进行对电路板的实时远程连线和采集真实的数据而不是用模拟的数据。这种基于网络的方法更有弹性而且可以自动的将实验数据发送到所有联网的用户40。 7 图 1-1 rwmlab 仪器架构图 图 1-2 rwmlab 连线图 密歇根大学asumadu j a和tanner r等教授建立了基于网页的电工电子远程连线测量实验室（rwmlab）仪器架构，包含矩阵开关、数据采集、数据处理和分析、图形化用户界面以及本地多电路实验板，虽然他们使用了 labview 的网页发布功能只能允许一个人控制实验，对我们建立综合实时网络实验室远程实验控制与实验切换具有现实的指导意义41。 维吉尼亚大学电子计算机工程系 fisher j 建立了 internet 远程控制实验室，开发了信号发生器/示波器实验、5 个模拟电路基础实验、5 个数字电路基础实验42。其远程仪器控制如图 1-3所示。 8 图 1-3 远程实验仪器控制图 overstreet j w 基于因特网的可远程访问的虚拟仪器设计在 polytechnic 大学的控制工程实验室运用到实时测量实验中。这些仪器可以通过网络随意的下载，并且远程访问者可以在任何地点和任何时间访问实验室仪器。这种因特网远程访问控制实验室的理论是建立在一种客户机/服务器计算机结构上的。服务器位置靠近实验，接受客户机程序发送的控制信号。客户机程序远程计算出参考波形和传输的系统响应上的控制信号。远程访问者可以选择传输协议，异步和同步采样转换，利用批量或递归数据传输模式，并且观察实验测试延迟。其方法与其他以前提出的方法不同的是它对于客户机程序来讲更具有弹性和稳定性，自从远程访问者编辑以及控制器在本地执行以来。问题涉及到因特网传输造成的网路可靠性，动态延迟，并行用户访问，以及有限的寻址处理能力43。 在亚洲，新加坡国立大学（the national university of singapore）电子与计算机工程系从 1999 年开始基于 internet 远程控制实验及虚拟实验室技术的研究，先后实现了频率调制、示波器、直升机仿真、机器人足球等六个远程控制实验，ko c c 和 chen b m 等人开发了实际可以控制的示波器界面， 已经通过 1000 多人的测试， 取得了良好的效果44, 45。 虚拟实验室不仅弥补了远程教育模式的局限和不足，还使得远程教育的方式方法更趋完善。将虚拟实验室与远程教育结合在一起，基于网络技术和虚拟仪器技术的虚拟实 9 验室己成为新型的远程教育模式。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。 1.2.2 国内概况国内概况 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。很多学校从虚拟仪器技术的研究出发，不断改善其性能，并逐渐实现了网络化的访问，形成了一定规模的虚拟实验室。 西安交通大学电气学院刘君华教授领导的小组， 1998 开始将虚拟仪器技术结合到教学中。 2001 年建立了采用浏览器/服务器 (browser/server， 简称 b/s)组网模式的基于 web的远程测控网络模型。 客户端只需安装浏览器 ， 就可在网上学习和使用带有各种工业标准总线的仪器。虚拟仪器的开发采用 visa 规范，因此当更换系统中的硬件设备时，不用重新编写仪器的驱动软件， 从而实现了硬件的可互换性及软件的复用性46。 还采用 c/s结构研究了基于 pxi 的分布式网络化测控系统47。 大连理工大学电子系唐祯安教授领导的远程教育与虚拟实验室项目，采用labview 应用程序开发实现通过 internet 对仪器的远程控制，在 web 服务器端和labview 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 internet 浏览器向 web 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。建立了远程实验系统。设计了基于 internet 的远程虚拟实验室系统48和模拟电子线路的远程实验室系统49。 国防科技大学航天与材料工程学院， 推动以 vxi 总线和虚拟仪器为代表的新技术在国防科研试验任务中的应用，开设“自动化测试与虚拟仪器技术”课程，面向总装部从事测试系统设计、仪器控制、数据采集、实时监测与显示、数据分析等任务的科技人员，帮助他们把握自动化测试领域技术发展新动向，提高他们运用新技术的能力，在总装备部产生广泛的影响，受到各级领导与学员的高度评价50。 国防科技大学机电工程与自动化学院王跃科教授领导的小组提出了一套较为合理的建设远程虚拟实验室的软件解决方案，以 microsoft windows nt 为网络操作系统，microsoft sql server 为后台数据库，通过 iis4 .0 来组建 web 站点。采用 asp 访问服务器上的课件和数据库中的数据， 并使用多种工具进行教学实验课件的开发和网上发布51。还分析创建基于网络的分布式远程实验系统的关键技术，提出了由中心服务器，实验服 10 务器，标定服务器组成的具有开放互联能力的分布式远程实验系统体系结构。并将其应用到传感器震动测试平台远程实验系统中52-57。 山西太原的中北大学将计算机网络技术、数据库技术与虚拟仪器技术相结合，用于实验教学系统中，实现虚拟仪器的远程控制、远程访问、远程使用。利用动态服务器网页(active server pages，asp)技术实现了实验系统的网上教学、网络化管理，使用户通过网络可在任何地方学习实验、预约实验、网络讨论、提交实验报告.该系统功能齐全、操作方便，能够培养学生的实践能力和创新精神，有利于实验教学和管理水平的提高58。 浙江大学的朱善安教授等从2003年即开始了远程测控技术的研究， 提出了netlab用于工程教育的模型59， 采用 com/dcom 技术实现组态、 分布式控制功能， 调用 matlab函数与 matlab 交换数据，构建了一种基于 com 的可组态先进控制实验平台60。基于物理设备的采用 c/s 结构的远程实验系统。客户端将用户建立的元件组态图经过正确性检测后传送至控制端，控制端构建实际电路进行实验并返回实验结果61。 电子科技大学的熊静琪等针对目前基于pc机的开放式数控系统的特点和web技术的优势，对通过 web 进行数控系统的远程测控进行了有意义的探索，分析了所采用的关键技术，针对远程控制的特点，对系统的安全性和交互性作了重点介绍并具体实现62。 南京航空航天大学的姚正军教授领导的小组研究开发了基于 vrml 的金属材料与热处理虚拟实验系统，在软件内容上以金属材料与热处理的相关典型实验为主，既适用于高等院校的实验教学和科研，也可为工程技术人员提供功能强大的技术参考和支持。在系统设计上采用 b/s 结构的网络模式，运用数据库、虚拟现实和多媒体技术实现了模拟实验的功能，具有交互性好、实验沉浸感强的特点。该实验系统涵盖内容广泛，适用性好，经过试用取得了较好的效果63。 近年来国内虚拟实验室技术的研究正出于上升期，很多学校也都开展了相关技术的研究，并在不同的方面取得进展64。湘潭工学院在以虚拟实验为主流方向的实验室改革使很快走出了实验教学的困境，效果显著，改革获得了成功65。三峡大学通过动态调用，使用 labview 作为交互界面实现了倒立摆的远程控制66。哈尔滨工业大学使用 http 技术建立了分布式远程气压检测的虚拟仪器系统67。浙江大学使用 labview 和网页发布技术实现了基于虚拟仪器的汽车检测68。重庆大学机械工程系测试中心秦树人教授基于 11 m 技术开发了振动测量网络虚拟实验室69。 综合国内外状况，通过研究发现，虚拟实验室近年的发展不再是单一技术模式的，而是多种技术的融合，将虚拟现实、计算机仿真、远程实验控制等融合在一起。为使用者提供更灵活的使用方式，可以从多角度接受实验内容。 虚拟仪器技术已经广泛的应用于各种领域，并且都取得了较好的评价，其基于计算机技术的特性，使得虚拟仪器具有了良好的网络化特性，因此很多的高校都将虚拟仪器用于了网络实验室领域的研究中。从国内外的网络虚拟实验室的发展情况来看，在线实验系统选择虚拟仪器技术作为开发平台是可行的，并且在今后的一段时期内也是网络实验室的发展趋势。 1.3 本文所做的工作 本文结合虚拟仪器技术、网络实验系统，尤其是在线实验系统的发展，研究了由客户端、互联网、远程实验服务器、实验单元、实验仪器单元 5 部分组成的在线实验系统的体系结构。利用美国国家仪器公司（ni）公司的 labview 图形化编程语言，采用虚拟仪器技术，通过 c/s 模式构建了在线测试系统。使用数据采集卡实现数字示波器、信号发生器、可控直流电源等传统仪器的功能。由服务器端完成数据采集和发送，客户端实现数据分析处理，实现了在线测试。该系统完成了在局域网，教育网及公众网内多用户多实验的测试，达到了网络在线实验的要求，为网络的实验室建设提供了实例。 本文以下部分就基于虚拟仪器的在线实验系统进行综合的介绍。 第一章介绍了在线实验系统的优势以及国内外的研究进展。 第二章简介了基于虚拟仪器的在线实验系统的体系结构，主要讨论在线实验系统硬件结构和软件的 c/s 结构。 第三章具体介绍基于虚拟仪器的在线实验系统的实现过程，介绍了虚拟仪器技术，分析客户端、互联网、远程实验服务器、实验单元、实验仪器单元五个部分的结构和关系，介绍了通过 labview 程序实现的过程。 第四章介绍了具体实验和测试结果，对在线实验系统的解决方案进行了详细的说明。 12 第五章为总结和展望，介绍了为在线实验系统的测试结果以及所做的一些探索性的工作，最后给出了在线实验系统功能提升的一些建议。 13 2 在线试验系统体系结构 体系结构就是用于定义一个系统的结构及系统成员间相互关系的一套规则。体系结构是研究网络实验系统的基70，体系结构决定了网络实验系统的发展和研究内容71-74。信息技术的高速发展推动了应用程序体系结构不断更新，从单机时代的主机/终端模式、文件服务器时代的共享数据模式、客户机/服务器时代的 c/s 模式、电子商务时代的 b/s网络模式，到目前最先进的三层甚至多层模式，应用程序的体系结构已经发生了巨大的变化75。 2.1 在线实验系统的总体结构 基于虚拟仪器的在线实验系统由以下 5 个部分组成，图 2-1 描述了系统的总体体系结构。 1、客户端：在联网的个人计算机上执行。它们可以是远程拨号或者大学校园实验室的个人计算机。它们的主要软件是普遍存在的网络浏览器，或者专用的客户端软件。 2、互联网：一般是指局域网、教育网或者公众网。主要是为了保证实验数据实时传输时的网络带宽。 3、实验管理服务器：用来提供访问实验单元的通道。一般由一个或多个服务器来完成对各个实验单元通道的选择和判断。 4、实验单元：由实验服务器提供的可供操作的实验单元。通过运用设计实验单元的效果，可以通过每个服务器支持一个或者更多的实验。 5、实验仪器单元：用于管理实验的仪器和提供实时测量的仪器机构。一般构建于实验服务器中，在基于虚拟仪器的在线测试系统中使用的是高精度的数据采集卡和开发的虚拟仪器软件来实现多种仪器的功能。 14 图 2-1 在线实验系统体系结构图 2.2 硬件结构 硬件部分主要由实验服务器、实验仪器，互联网，和客户端计算机组成。其中主要的实验管理服务器由一台 dell 服务器承担。实验仪器单元则主要由虚拟仪器来担当。互联网则是基于实验室现有的局域网，然后再扩展至校园网和公众网。客户端则是由普通的个人用计算机即可担当。 2.2.1 仪器控制服务仪器控制服务 仪器控制服务的主要作用是驱动真实的仪器设备。通过连接 www 服务的仪器控制服务接口，接收仪器运行参数，设置仪器状态，启动仪器运行，将仪器运行的结果返回给 www 服务。 仪器控制服务可以同 www 服务处于同一台服务器上，也可以分处于不同的服务器通过网络连接起来。将仪器控制服务同 www 服务分处不同的服务器上，虽然在网络传输上具有一定的延时，但是这种方式专事专机，有利于提高单个服务的运行时间，特别是接受大量服务请求或实验运行时间较长时。同时这种方式扩展性强，增加新设备对系统运行的影响小。 15 开发仪器驱动程序， 可以使用vc、 vb、 labview等开发工具。 这些工具中labview作为一种专门用于虚拟仪器开发的工具， 包含各种类型仪器的驱动， 特别是它支持 visa和 ivi 标准，使得开发的仪器驱动程序具有较强的通用性。 2.2.2 实验管理服务器实验管理服务器 实验服务器采用 dell 的专业服务器 poweredge4600，配置为：两个 xeon 2g 核心处理器 cpu，1g ddr 内存，3 个 72g 的 scsi 硬盘，目前使用 windows 2003 server 作为服务器的操作系统，使用 labview 7.0 作为实验管理服务器的主服务程序。 2.2.3 实验仪器单元实验仪器单元 虚拟仪器的概念是 1986 年由 ni 公司首先提出的。 ni 公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用“软件就是仪器”来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的极为重要的位置，但并不排斥测试硬件平台的重要性。虚拟仪器可以取代测量技术传统领域的各类仪器，在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而比较适合当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测试测量需求76。比较典型的虚拟仪器总线方式有 pci（peripheral component interconnect） 、pxi（pci extension for instrumentation） 、vxi（vmebus extension for instrumentation） 、cfp（compact field point） 、usb（universal serial bus） 、ieee1394（fire wire）等。 将虚拟仪器通过网络相连，实现远程操作、数据采集与分析的系统。它可以大大提高实验仪器的使用率，只要拥有一台计算机，而且连上了 internet，就可以进入网络实验室，完成要做的实验，并获得相应的实验数据。网络实验室的建设是一个系统工程，它包括建立虚拟仪器系统、数据分析系统、计算机网络系统和网络实验室管理系统等。图 2-2 是组成网络实验室的原理图。远程实验用户通过 pc 机登录进入 internet，利用 web浏览器访问网络实验室站点。通过网络实验室管理系统进入网络实验室，选择相应的实验项目后进入虚拟仪器控制台，完成相应的实验。 16 图 2-2 基于物理设备的分布式网络实验室的原理图 虚拟仪器系统是构成该系统的主要部分， 每台虚拟仪器都由 pc 机、 软件系统、 a/d和 d/a 转换器、控制器、传感器等组成，通过计算机网络与网络实验室管理系统相连构成计算机仪器系统。 图 2-3 是虚拟仪器构成的基本框图， 它打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工作模式，体现了“软件就是仪器”的思想。当实验者通过虚拟仪器控制面板发出实验操作指令，输入实验参数，虚拟仪器向物理仪器传输操作指令及实验参数，物理仪器接收指令和参数后执行操作，完成相应的实验内容。最后将实验所获得的数据通过虚拟仪器、计算机网络返回到远程实验用户，实验者既可以自行分析处理这些数据，也可将数据直接交给网络实验室的数据处理系统进行分析处理。 图 2-3 虚拟仪器构成的基本框图 虚拟仪器从概念的提出到日前技术的日趋成熟。大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的。 第一阶段利用计算机增强传统仪器的功能。由于 gpib 总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过 gpib 和 rs-232 同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器。随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪远程实验用户 计算机网络 虚拟实验室管理系统 虚拟仪器 数据分析 实际实验仪器 测控对象 信号调理 数据图像采集卡gpib 接口仪器gpib 接口卡串行口仪器/plc vxi 仪器现场总线（field，canbus）设备其它计算机硬件labview labwindows/cvicomponent workspc 机/工作站 17 器成为一种趋势。这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进。 第二阶段开放式的仪器构成。仪器硬件上出现了两大技术进步：一是插入式计算机数据处理卡；二是 vxi 仪器总线标准的确立。这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别。 第三阶段虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用。软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来。许多行业标准在硬件和软件领域得以产生，几个虚拟仪器平台己经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具。发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键。 在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标志， 一是 vxi 总线标准的建立和推广； 二是图形化编程语言的出现和发展。前者从仪器的硬件框架上实现了设计先进的分析与测量仪器所必须的总线结构，后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而非程序代码的编程方式，两者统一形成了虚拟仪器的基础规范77。 在线实验系统所使用的虚拟仪器主要由数据采集卡和虚拟仪器程序组成。本实验系统用到的主要的数据采集卡硬件为 ni 公司的 pci6014e 数据采集卡和 ccms 中心自主搭建的几组针对性的实验测试平台组成。 2.2.4 互联网互联网 互联网则主要研究由以 ieee 802.3，100 base-t 标准为基础的局域网，使用标准realtek rtl8139(a) pci fast ethernet adapter 10m100m 自适应网卡和 afs（阿尔法） 1024、1016、1008（级联共 48 口）路由器，使用高速第 5 类双绞线（100m） ，连接成交换式星形拓扑 （star topology） 网络。 还组建了基于 tp-link wireless 路由器的无线网 （符合 ieee802.11g 标准, tl-wr541g， 54m 无线宽带路由器） ； 整个局域网通过 ieee 802.3，100 base-t 标准接入本校教育网路由器。 2.2.5 客户端客户端 对于客户端的应用程序，由于使用的式基于 labview 7.0 开发的可执行程序，所以不管用户使用何种操作平台（包括 windows 98，me，nt，2000，xp，2003、linux、unix）均可执行。 18 2.3 软件结构 在线实验系统是建立在高速发展的互联网基础上的一种异构的实验问题解决环境，它使得处于不同地域的学习者可以同时对一个实验项目进行实验工作。和其他领域相同的是，实验工具和技术是独立于各自领域的，不同之处在于在网络实验室中并不是直接操纵真实存在的仪器和设备，而是通过互联网远程控制实验室的仪器，再辅以必要的客户端软件，通过改变软件界面上的参数来改变仪器的工作状态。按照实现的体系结构分类，在线实验系统的软件结构可以分为 c/s(客户端/服务器)结构和 b/s(浏览器/服务器)结构，并且不同的结构下的实现方式也不同。 2.3.1 c/s(客户端客户端/服务器服务器)结构结构 客户机/服务器(client/server，简称 c/s)模式是指两个系统或两个进程的关系，客户机请求服务器系统为之完成工作，服务器提供客户要求的服务。大多数情况下应根据请求者与被请求者的关系来确定那一方是客户机和那一方是服务器。 从计算机体系结构的观点， 可以把 c/s 结构的概念分解为 “硬件的 c/s 结构” 和 “软件的 c/s 结构” 。硬件的 c/s 结构是指给定的处理任务在两台或多台机器之间进行分配，其中客户机用来提供用户接口，硬件服务器提供可供客户机使用的各种资源。把提供服务的一方称为硬件服务器。如：打印服务器、文件服务器等。软件的 c/s 结构是指一个软件系统或应用系统按照逻辑功能分成若干个组成部分，再根据相对角色的不同，将其分别定义为客户软件和服务器软件。客户软件能够请求服务器软件提供服务。服务器软件则专门用于处理客户请求的软件，软件服务器常提供数据库服务、远程过程调用、应用程序服务等类型的服务。图 2-4 显示了仪器控制的 c/s 结构图78 19 图 2-4 仪器远程控制的 c/s 结构图 c/s 结构是一种两层结构的系统：第一层在客户端结合了表示与业务逻辑，即负责处理用户的输入与输出并完成事务的逻辑处理；第二层通过网络结合了数据库服务器或服务程序。它将多个复杂的网络应用的用户交互界面和业务应用处理与数据访问及处理相分离， 服务器与客户端之间通过消息传递机制进行对话， 由客户端发出请求给服务器，服务器进行相应的处理后经传递机制送回客户端。 20 交互性强是 c/s 固有的一个优点。在 c/s 结构中，客户端有一套完整的应用程序，在出错提示、在线帮助等方面都有强大的功能；其次，c/s 结构通过将任务合理分配到client 端和 server 端，既降低了系统的通讯开销，又可以充分利用两端硬件环境的优势，因此这种模式具有强壮的数据操纵和事务处理能力；又由于 c/s 是配对的点对点的结构模式，采用适于局域网的安全性较好的网络协议，所以保证了数据的安全性和完整性，它可以将大量计算功能由前台转移到后台处理，既可以大大提高系统处理速度，也可以提高数据访问的正确性。但随着网络规模的日益扩大，应用程序的复杂程度不断提高，逐渐也暴露了一些缺点：开发成本较高；移植困难；用户界面风格不一；使用繁杂；不利于推广；维护复杂；升级麻烦；客户端与后台服务器数据交换频繁；且数据量大，当大量用户访问时，易造成网络拥塞；新技术不能轻易应用，因为一个软件平台及开发工具一旦选定，不可能轻易更改。 c/s 模式的控制系统一般建立在专用的网络上，适用于小范围里的网络环境，局域网之间再通过专门服务器提供连接和数据交换服务，该种控制系统一般面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力比较强。 在 c/s 结构中，客户进程请求服务器进程，由服务器进程执行完任务后，将结果返回给客户，这是最基本的 c/s 模式。它采用客户应用进程与服务器应用进程共同去实现应用系统的用户界面处理、业务逻辑、数据处理等功能。用户界面表示由客户应用进程实现，业务逻辑由客户和服务器联合完成，数据服务由服务器进程承担。 基本 c/s 模式已经得到了广泛的使用，但在大型应用系统与用户需求变化较大的系统中，这种结