（计算机应用技术专业论文）基于labwindowscvi网络虚拟仪器实验室的构建.pdf

济南人学硕士学位论文 摘要 对于高等工科院校来讲，实验教学起着相当重要的作用。近年来各大高校纷纷扩 招，学生人数急剧增加，实验室的设备和规模都难以满足需要，学生很少有亲自动手 的机会，这对调动学生积极性，培养创新精神，加强实践动手能力的培养都十分不利。 虚拟仪器实验教学系统正是在这样的需求下发展起来的。利用网络技术与虚拟仪器技 术相结合构建虚拟仪器实验室，从而实现远程测控、资源共享、数据共享，不仅可以 节省大量仪器设备的经费投入，而且为教学提供了一种全新的现代化教学手段。 本文提出了一个基于l a b w i n d o w s c v l 的远程虚拟实验室经济型构建方案，本方 案把远程同步教学与测控研究和模拟实验两方面结合起来，不仅搭建了功能齐全的实 验平台，而且克服了远程教学只有理论无法做实验的缺陷。 本文就国内外虚拟实验室的研究现状和关键实现技术进行了简略介绍，并结合课 题的目标及现有的资源情况，对c l i e n t s e r v e r 和b r o w s e r s e r v e r 两种网络模式进行 分析和比较，提出了一种全新高效的系统结构喵d a 模式，即客户端浏览器w e b 服务器数据库应用程序服务器结构，基于多层结构进行了功能的划分与整合，针对 虚拟仪器实验室本文所作的工作如下： 第一，开发相应的硬件实验模块。经过认真的理论研究分析，本文利用高性能 处理芯片f p g a 作为核心芯片针对大学实验开发了相应实验模块。 第二，应用l a b w i i l d o w s a ，i 开发了应用服务器程序，构建友好、逼真的人机 交互界面，包括与底层硬件之间的通信。 第三，使用j a v a 编程实现了网络管理服务器程序，采用“并发接收、顺序执行” 的服务策略进行实验室多用户的管理。 第四，引入s o l s e r v e r 作为本系统的数据库，用于存储用户的信息和服务器端 采集的历史数据及其信息。 第五，利用j a v aa p p l e t 开发客户端软件，多个j a v aa p p l e t 嵌入不同的w e b 页面，极大地简化了客户端的结构，用户只需要通过界面设置好参数然后确认发送即 可，同时可以通过浏览器的状态栏了解当前的连接以及运行状态。 论文在最终在网络上多台机器的环境下进行了测试，系统运行正常，客户端与服 务器端能够协调工作、无差别的进行网络通信，用户可以根据自己的需求进行实验。 关键词：l a b w i n d o w s c v i ；虚拟仪器实验室；数据库；多线程；d a t as o c k e t ；任意 i 基于l a b w i n d o w s c v i 网络虚拟仪器实验室的构建 波形发生器；j a v a ； 济南大学硕：卜学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n tt e a c h i n gi sp l a y i n gav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ec o l l e g eo fe n g i n e e r i n g s c i e n c e i nr e c e n ty e a r st h ec o l l e g e sa r ee x p a n d i n gt h ee n r o l l m e n t ，w h i c hl e a d st oas h a r p i n c r e a s ei nt h en u m b e ro fs t u d e n t s w h a t m o r e ，t h ee q u i p m e n ta n ds c a l eo fl a b o r a t o r y c a n tm e e tt h en e e d so ft h e m ，e s p e c i a l l yi n t h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n dv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n i q u ea n db u se q u i p m e n tc o u r s e s ，t h es t u d e n th a v el i t t l et od ot h e e x p e r i m e n tb yt h e m s e l v e s ，i ti sb a df o rr a i s i n gt h es t u d e n t se n t h u s i a s ma n dt h ea b i l i t yo f i n n o v a t i o na n dp r a c t i c e v i r t u a li n s t r u m e n te x p e r i m e n tt e a c h i n gs y s t e mi s d e v e l o p i n g u n d e rt h i sn e e d b u i l d i n gav i r t u a ll a ba d o p t e dt h en e t w o r k i n gt e c h n o l o g ya 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 yt or e a l i z et h ed i s t a n c et e s t i n ga n dc o n t r o l l i n ga n dr e s o u r c es h a r i n g c a l lr e d u c et h el a bi n s t r u m e n th a r d w a r ec o s ta n dp r o v i d ean e wm o d e mt e a c h i n gm e t h o d f o re d u c a t i o n t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r da ne c o n o m i cp r o j e c t ：b u i l d i n gav i r t u a ll a bb a s e do n l a b w i n d o w s c v i t h i sp r o j e c tn o to n l yc o m b i n e sr e m o t et e a c h i n ga n dt e s t i n ga n d c o n t r o l l i n gr e s e a r c hw i t he x p e r i m e n ts i m u l a t i o no n - l i n e ，b u t a l s oc o n s t r u c t e daf u l l y f u n c t i o n a le x p e r i m e n t a lp l a t f o r m w h a t sm o r e ，i to v e r c o m e dt h ed e f i c i e n c i e st h a ty o uc a n o n l ya c q u i r es o m et h e o r i e sb u th a v en ow a yt od oe x p e r i m e n t s ，b u tn o wj u s td oa sy o u w i s h t h ea u t h o rm a k e sab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h er e s e a r c hs t a t u sa n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e s b o t ha th o m ea n da b r o a di nt h i sf i e l d c o n s i d e r i n gt h et a r g e to ft h et a s ka n dt h ee x i s t i n g r e s o u r c e s ，t h ea u t h o rm a d ea l li n - d e p t ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h et w on e t w o r km o d e ： c l i e n t s e r v e ra n db r o w s e r s e r v e r , t h e np u tf o r w a r dan e wh i 曲e f f i c i e n c ys y s t e m a r c h i t e c t u r e - - - - - - b s d am o d e t h a ti s ：c l i e n ti n t e m e t e x p l o r e r w e bs e r v e r d a t a b a s e a p p l i c a t i o ns e r v e r w h a tt h ea u t h o rd o t or e a c ht h eg o a la sf o l l o w s ： f i r s t l y ：t h ec o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ed e s i g no ft h ee x p e r i m e n t a lm o d u l e a f t e rc a r e f u l t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ea u t h o rm a d eac o r ec o n t r o lb o a r dw i t hh i g l lc a p a b i l i t yp r o c e s s o r f p g aa tf i r s t ，t h e nd e s i g n e dt h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a lm o d u l e sw h i c hi sc o m b i n e d w i t hr e m o t et e a c h i n g t n 基于l a b w i n d o w s c v l 网络虚拟仪器实验室的构建 s e c o n d l y ：t h es o f t w a r ed e s i g no ft h es e r v e ra p p l i c a t i o n i nt h i ss t a g et h ea u t h o r c o n s t r u c ta ni n t e r f a c ew i t h f r i e n d l y a n d l i v i n ga p p a r e n c e t h e nc o m p l e t e t h e c o m m u n i c a t i o nw i t hh a r d w a r e t h i r d l y ：t h ed e s i g no ft h ea d m i n i s t r a t i o no fn e t w o r k su s i n gj a v a u s et h es t r a t e g y c o n c u r r e n t l yr e c e i v e ，o r d e r l yp e r f o r m ”t os o l v et h em a n a g e m e n to ft h em u l t i u s e r s f o u r t h l y ：t h ed e s i g no fd a t a b a s e t h ea u t h o ru s es q ls e r v e ra st h ed a t a b a s et os t o r e u s e ri n f o r m a t i o na n dh i s t o r i c a ld a t aa c q u i r e df o r mh a r d w a r e f i f t h l y ：t h es o f t w a r ed e s i g no fc l i e n t t h ea u t h o re m b e d d e dj a v aa p p l e ti nan u m b e r o fd i f f e r e n tw e bp a g e s ，t h eo n l yt h i n gt od oi s ：s e tu pp a r a m e t e r st h e np r e s st h eb u t t o n “c o n f i r m ”m e a n w h i l e ，y o uc a nl e a r nt h ec u r r e n tc o n n e c t i v i t ya n do p e r a t i n gs t a t ef r o mt h e s t a t u sb a r f i n m l y ，t h es o f t w a r ew a sr u n n i n go ns e v e r a lm a c h i n e s ，a n di tp r o v e dt ob eo k s y s t e m o p e r a t i n gn o r m a l l y , t h ec l i e n t sa n dt h es e v e rw o r k sc o o r d i n a t e l y , n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s w o r k su n d i f f e r e n t i a t e l y , a n dt h eu s e rc a nd ot h ee x p e r i m e n to nh i so w n r e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：l a b w i n d o w s c v i ；v i r t u a li n s t r u m e n tl a b ；d a t a b a s e ；m u l t i t h r e a d i n g ；d a t a s o c k e t ；a r b i t r a r yw a v eg e n e r a t i n gd e v i c e ；j a v a ： i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：删磁 日期：趟：笸 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或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 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将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、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：塑燃导师签名：槛日期：2 鲎笸 济南大学硕上学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 高等学校学科实验室既是进行科学研究的重要基地，又是培养学生的重要场所。 在电工电子类课程中，实验是一种重要的教学手段。学生通过做实验，可以加深对所 学知识的理解，增强学习的兴趣，提高动手能力，锻炼在实践中发现问题、分析问题 和解决问题的能力。因此，实验室建设是教学中的一项重要工作。 目前，高校的实验课程中往往采用一些传统的实验仪器与设备，如示波器，函数 发生器，万用表等等，还有一些针对性很强的专用实验设备( 包括软硬件) 。一个传 统的实验要使用多种仪器，而且不同实验所用的仪器也不尽相同，如果开设综合性实 验则所需仪器、设备更多，如此多的仪器不仅价格昂贵，体积大，而且相互连接也十 分麻烦。如果能够开发出一套通用的实验仪器，使之尽可能的适用于多种实验教学， 将大大节约实验经费，产生可观的经济效益【1 1 。 随着科学技术的发展，计算机技术、仪器技术和通信技术的结合开创了仪器仪表 新的里程碑虚拟仪器技术。所谓虚拟仪器，就是基于计算机的数字化测量测试仪 器，即在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测 试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。它功能强大，可实现示波器、逻辑分 析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器的功能，配以专用探头和软件还可检测特 定系统的参数；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统设备的使用习惯， 用户不经培训即可迅速掌握操作规程：它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构 成自动测量系统，而且可以和控制设备构成自动控制系统。 在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电流表 是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术在测绘系 统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处 理十分困难。而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量时常常感到捉襟见肘，手 足无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆放着纷乱的仪器，交错的线缆和繁多待 测器件。然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整洁的桌面，条理的操作，不 但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动 数据处理。其方便之极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的 基于l a b w i n d o w s c v i 网络虚拟仪器实验室的构建 实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价 格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域 具有很强的生命力和十分广阔的前景。在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更 为广阔。环顾当今社会，信息技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、 集成化。无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概 念就是用专用的软硬件配合计算机实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。因 此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量 场合。测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。数据的拾取、存储、处理、 分析一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可 行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间是很宽广的。 虚拟仪器技术的优势就在于可由用户自己定义自己专用的仪器系统【2 】，且功能灵 活，构建容易，所以它的应用范围极为广泛。构建虚拟实验系统已经十分方便和容易。 如果把这些基于软件开发的虚拟实验系统和传统的基于实验室的物理环境结合起来， 就可以在发挥各自效益的同时有效地提高教学效果，培养学生的工程实践能力。本文 正是在这种背景下进行的。 1 2 国内外研究现状 虚拟实验室的概念是在1 9 8 9 年提出的，初衷是为了方便科研人员可以远程从事 研究工作、使用仪器设备、共享数据资源和交流信息等。虚拟实验室概念的提出至今 仅为十余年的时间，但因其诱人的应用前景，各国均在大力开发，而且己经取得了一 些进展。 美国为了保持其在科技上的领先地位，在国内各大高校进行着虚拟实验教学系统 的研究。例如麻省理工学院于1 9 8 8 年开发并投入使用的w e b l a b 在线实验室，由设 备检测器( 一个h p 4 1 5 5 b 半导体参数分析仪) 和一台计算机( 实现双重任务：设备控制 器和w e b 服务器) 构成，要检验的设备安放在连接到设备检测器的测试固定设备上， 设备和计算机之间的通信通过g p i b 接口实现。学生在实验时只需要通过浏览器的“设 备 菜单选择仪器设备，便可以检测到该仪器设备的状况，操作十分简单。卡耐基梅 隆大学的虚拟实验室还提供了视频器，学生在远程控制仪器设备的同时，还能看到现 场所发生的一切。在其它国家，例如德国r u h r 大学的网络虚拟实验室，是一个有关 控制工程的学习系统，新加坡国立大学开发了远程示波器实验和压力容器实验等。 在国内，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虚 2 济南人学硕士学位论文 拟实验室。例如：华中科技大学的电子虚拟实验室，构建了基于i n t e r n e t 的网络虚拟 实验室体系，实现了实验数据和实验仪器的远程共享；西安交通大学电气工程学院配 合现代测试技术这门课程，建立了网络虚拟仪器实验室；清华大学利用虚拟实验 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。 1 3 本科题的意义 与传统实验相比，构建网络虚拟实验室的意义在于： 1 打破了传统实验的“动手 概念，实验操作和信号的分析、处理、存储、分析和 其它管理集中交由实验管理机和本地计算机来处理。由于充分利用计算机技术，完善 了数据的传输、交换等性能，使得实验系统变得更加灵活、简单。 2 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) 在实验中充当了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。 3 可由用户自己选择时间、上机地点和内容，强调学习的主动性和研究性。远程实 验的出现，彻底打破了传统实验由教师设计、学生操作的模式，给了学生一个充分发 挥自己能力和想象力的空间。 4 鉴于远程实验的开放性和共享性，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 4 课题研究的来源和内容 本课题是山东省教育厅投资建设基金项目“虚拟仪器实验室的研究及应用 的一 部分。课题的主要目标是利用虚拟仪器、i n t e r n e t 等技术，结合项目中的综合教学平 台，构建基于w e b 的虚拟仪器实验室系统，为学生提供本地和远程两种访问机制的 实验项目。 课题的主要研究工作是围绕三个方面进行的：首先，针对本科电子信息类课程要 求，开发必备的硬件实验模块。其次，设计开发网虚拟仪器系统的结构与功能，构建 网络虚拟仪器实验室的软件平台。最后，实现虚拟仪器实验室的网络化，使软硬件资 基于l a b w i n d o w s c v i 网络虚拟仪器实验室的构建 源通过网络共享，并对网络实验室的用户进行有效管理。课题的开展主要包括以下几 个步骤： 1 系统结构的研究 比较当前虚拟仪器实验室的实现技术，同时结合本课题硬件环境及网络的需求， 对系统进行了详细的总体分析，并提出了基于b s d a 模式的系统结构及技术解决方 案。 2 硬件环境的设计 硬件部分采用高性能处理芯片f p g a 对实验模块以及各个附加功能模块进行开 发、设计。 3 软件部分的设计 软件部分的设计主要分为应用程序服务器端虚拟仪器实验模块的设计、虚拟仪器 实验室网络管理服务器的建设和客户端软件的开发。在应用程序服务器端，采用虚拟 仪器开发环境l a b w i n d o w s c 对每个实验模块以及各个附加功能模块进行开发，并 将这些模块集成起来，形成一个虚拟实验系统。在网络管理服务器端的建设中，结合 j a v a 语言，利用j b u i l d e r9 0 工具开发了一个a p p l i c a t i o n 。客户端软件则是由多个 j a v a a p p l e t 组成，不同的a p p l e t 提供不同的功能，这些功能是与虚拟仪器实验相对 应的。 4 人机交互界面设计 人机交互界面设计在整个系统的设计中至关重要。作为整个系统与用户直接交流 的终端，人机交互界面的结构必须能体现非常强的用户友好性，特别在虚拟实验室的 设计中，为了使用户能更有效地进行实验，系统真实性和便利性的要求将更高。在这 部分的研究工作中，以界面功能和用户友好为出发点，设计了科学合理的人机交互界 面和网站平台，使访问者能够更好的深入到实验中去。 济南人学硕士学位论文 第二章虚拟仪器、虚拟实验室概述 2 1 虚拟仪器的概念及特点 仪器是人们进行研究和生产的辅助工具，在计算机出现之前，仪器的功能都是通 过硬件来实现。随着计算机技术的发展，仪器的许多功能都可以由计算机完成，如逻 辑判断、人机交流等。因此，虚拟仪器是仪器技术和计算机技术发展的产物，是研究 人员更好用、更方便的工具。 虚拟仪器( v l r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 的概念，是n i 公司于1 9 8 6 年提出的。 所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上，根据任务的需要来定义和设计仪 器的功能，其实质是软硬件结合，虚实结合的产物，是充分利用最新的计算机技术来 实现和扩展传统仪器功能。虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器，组织仪器 系统，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的。 虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件 工程方法，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向。虚拟仪器是一个开放式 的结构，它以通用计算机为核心，通过配置接口设备如数据采集卡、总线仪器、总线 仪器模块、串口总线仪器等实现信号的获取与控制，还可以用数字信号处理器实现信 号的处理，加上实现不同测量功能的软件对采集获得的信号数据进行分析处理及显 示，从而实现仪器的功能。 虚拟仪器是用计算机应用程序实现仪器的功能，而不是用硬件实现，这是与传统 仪器的最大区别。另外，虚拟仪器技术与计算机测控技术有所不同，主要是两者的着 重点有区别，计算机测控技术着重计算机的硬件和各种标准协议，虚拟仪器技术则是 着重仪器的功能，并充分利用了计算机测控技术。 虚拟仪器在以下几个方面具有传统仪器所无可比拟的特点： 1 虚拟仪器的功能、性能、指标可由用户定义，即可以根据用户的不同要求对同一 仪器的功能、性能、指标进行修改或增删，彻底打破了传统仪器一经设计制造完成后， 其功能、性能、指标不可改变的封闭性、单一性。 2 可以将多种仪器的功能、性能、指标等以软件的形式集成在一个“功能软件库 虚拟仪器库内，通过它们的不同组合以及与各种不同类型的硬件接口搭配，使得 在一台个人计算机上就可实现各种仪器的不同功能，大大提高了仪器功能的灵活性， 甚至可以进行非常复杂的测试工作，如配以专用探头和软件可以检测特定系统的参 5 基于l a b w i n d o w s c v i 网络虚拟仪器实验室的构建 数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、心电参数【3 】等多种数据。 3 由于计算机具有强大的图形界面功能和数据运算功能，因此虚拟仪器的操作简单 直观，符合传统设备的使用习惯。数据分析及数据处理、结果与图形曲线的显示功能 也非常强大。 4 集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设 备构成自动控制系统。随着计算机技术在测控领域的广泛应用，传统的仪器设备缺乏 相应的计算机接口，因而配合数据采集和数据处理十分困难，而且，传统仪器在对多 种数据测量时纷乱繁杂，而在集成的虚拟测量系统中，不仅可以从繁复的仪器堆中解 放出来，而且还可以实现自动测量、自动记录、自动数据处理。 5 可以在同一总线系统的仪器之间或通过网络进行数据交换，实现资源共享，进行 远程操作，用数据库管理数据。 6 开发周期短、成本低、维护方便，易于应用新理论、新算法和新技术，实现仪器 的换代升级。 7 测量精度高，测量范围宽并且性能稳定，可靠性高。 8 智能程度高，具有自学习和决策能力。 2 2 虚拟仪器的发展历史、现状及趋势 测量仪器发展至今，大体可分为四代模拟仪器、数字化仪器、智能仪器和虚拟仪 器。 第一代模拟仪器，这类仪器在某些实验室仍能看到，如指针式万用表、晶体管电 压表等。它们的基本结构是电磁机械式的，借助指针来显示最终结果。 第二代数字化仪器，这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这 类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于 快速响应和较高准确度的测量。 第三代智能仪器，这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试又具有一定的数据 处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称为智能仪器。它的功能块全部都是以硬件 或固化的软件的形式存在，无论是开发还是应用，都缺乏灵活性。 第四代虚拟仪器，它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物【1 6 1 ， 是传统仪器观念的一次巨大变革。 虚拟仪器技术是测控技术领域出现的一项突破性进展，是当今计算机辅助测试 ( q 玎) 的一项重要技术。虚拟技术的开发和应用的活跃源于1 9 8 6 年美国n i 公司设 6 济南人学硕十学位论文 计的l a b v i e w ，n i 公司无论是在软件开发平台还是在虚拟仪器产品上都处于领先水 平。在软件体系结构的各个层次上，形成了完整的设备驱动程序、系统开发平台、使 用支持软件、应用软件包相互支撑的格局。在产品方面，公司能够提供丰富的产品、 插卡式数据采集产品、信号调理产品、总线产品、总线产品、图像采集产品等，均处 于世界领先地位。目前，世界上陆续由数百家公司，如即h p 公司、t e k t r o n i x 公司、 r a c a l 公司等相继推出了多种总线系统多达数百个品种的虚拟仪器。作为仪器领域中 最新兴的技术，虚拟仪器的研究、开发在国内已经过了起步阶段。9 0 年代中期以来， 国内重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交大等高校及中科泛华公司等单位在研究开发 虚拟仪器产品和引进、消化美国n l 公司和h p 公司产品方面作了一系列的有益的工 作，并取得了一批瞩目的成果。如北京中科泛华公司，在测控软件开发平台、数据采 集产品、工业现场总线、g p i b 产品、v x i 系统、p x i 系统等产品的推广与应用方面 具备一定的规模，形成了以现代测控技术和计算机技术为核心的测控系统开发、集成 的专业技术公司。 虚拟仪器现正处于发展阶段，它可以看作是面向对象思想在测试仪器领域的发 展。这种思想使得虚拟仪器在开发上变得简单，操作上简单直观，大大地发展了现代 测试仪器的设计方法和技术，拓宽了测试应用领域。目前，已经相继出现了一些虚拟 仪器开发平台，并正在逐渐建立统一的虚拟仪器标准【刀。 v i 技术走的是一条标准化、开放性、多厂商的技术路线，经过1 0 多年发展，正 沿着总线与驱动程序的标准化、硬软件的模块化、硬件模块的即插即用化、编程平台 的图形化等方向发展。 随着计算机网络技术、多媒体技术、分布式技术等的飞速发展，融合了计算机技 术的v i 技术，其内容会更加丰富。例如，美国泰克公司、h p 公司以及n i 公司等均 已开发出或正在致力于开发通过网进行远程测试的开发工具。网络化的虚拟仪器是仪 器技术未来的发展主流。专家预测未来的几年内，我国将有大部分的仪器为虚拟仪器， 大批的企业用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。虚拟仪器技术是现 代电子测量仪器发展的主潮流，必将在更多、更广的领域得到应用、普及。 2 3 虚拟仪器的构成及系统结构 虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口和仪器物理硬件。目 前较为常用的硬件接口部分包括数据采集卡系统g p i b 仪器控制系统、v x i 仪器系统 及其组合。虚拟仪器系统是一个基于计算机的开放系统，可以很方便的与外设、网络 7 基于l a b w i n d o w s c v i 网络虚拟仪器实验室的构建 或其他应用程序连接。除信号的采集和部分处理功能由虚拟仪器硬件部分完成外，其 他主要功能都由虚拟仪器的软件完成，即软件是虚拟仪器的核心。虚拟仪器的软件主 要由硬件驱动程序、数据处理分析软件和图形化用户界面部分组成。 ( 1 ) 硬件驱动程序：是虚拟仪器软件的最底层部分，是真正对仪器硬件实现通信和 控制的软件层。驱动程序主要实现对测试信号的采集和控制。 ( 2 ) 数据分析处理软件：实现对测试数据的分析、处理和管理，除了实现将驱动程 序与用户界面联系起来之外，还将自身的处理数据和来自硬件的信息传给用户界面， 同时也接受图形化用户界面的数据和命令。 ( 3 ) 图形化用户界面( g u i ，g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) ：是用户与计算机实现交互的 虚拟仪器面板，除实现用户对整个测试过程的监控外，还实现测试结果的表达和波形 显示等功能，它处于虚拟仪器的最上层。 虚拟仪器系统的软件结构如图2 1 所示： 纹器控制巍顿软什f g u i ) 教彩分叛处群软竹 p x iiiv x iiig p i bllp c d a o 图2 1 虚拟仪器系统的软件结构 2 4 虚拟仪器系统引入实验教学 现代教育技术【9 】是指运用现代教育理论( 包括学习理论、教学理论和传播理论等) 和现代信息技术( 包括计算机技术、多媒体技术、网络技术、数字音像技术、卫星传 播技术、虚拟现实仿真技术等) ，通过对教与学的过程和教与学的资源的设计、开发、 应用、管理和评价，以实现教学优化的理论和实践。现代教育技术在教学中的应用方 式主要有以下几种： ( 1 ) 基于多种媒体组合技术的课堂教学方式； ( 2 ) 基于卫星通信技术的广电远距离教学方式； ( 3 ) 基于单台计算机的个别化交互学习方式； ( 4 ) 基于网络技术的远程教学方式； r 济南大学硕士学位论文 ( 5 ) 基于虚拟现实技术的模拟训练教学方式。 现代教育技术在理论教学中的应用较为成熟，而在实践教学中的应用相对比较滞 后。运用现代教育技术建立全方位( 课内与课外) 、多层次( 虚拟与现实) 、多模式( 演 示与设计) 的实践教学环境，将会使学生的实践操作技能和技术应用技能得到全面的 提高。 实验是教学活动中一个必不可少的过程，尤其是对于理工学科体系的一些学科， 例如机械、物理、化学、计算机组成结构等等实践性很强的学科，实验教学环节对学 好这些课程更是至关重要。学生只有通过足够的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，才能获得一定的综合测试技能和实验能 力，并初步具有处理实际测试工作的能力。因此，充实实验内容，增开综合性实验项 目，进一步加强实验室建设，不断改革实验教学是十分必要的。众所周知，仪器是实 验的基础，要保证这些综合性测试实验的开设质量，就要同时购置多套先进而昂贵的 仪器。一个传统的实验要使用多种仪器，而且不同实验所用的仪器也不尽相同，如果 开设综合性实验所需仪器更多，这么多的仪器不仅价值昂贵，体积大，占用空间多， 而且相互连接也十分麻烦。如何更合理地配置教育资源，解决好资金投入与人才培养 之间的矛盾，是学校开展实验教育经常需要考虑而又是伤脑筋的问题。 由于虚拟仪器的硬件是以通用微型计算机为基础的，而计算机是进行现代远程教 学的普遍工具，因此我国普通高校和远程教育机构的实验室一般都拥有相当数量的通 用计算机，只要购买一定的仪器模板以及相应的软件，就可以构成足够数量的虚拟仪 器供学生使用。另一方面，在同一台计算机上，通过操作者的不同的定义，可以虚拟 出不同的仪器，各仪器之间还可以通过不同的窗口进行切换，因此实验室无需配备各 种传统仪器，可以通过软件设计使虚拟仪器和实验室设备不断更新。学生在计算机上 操纵各种虚拟仪器进行实验，就如同是在操作传统仪器一样有效，与在真实实验室的 现场实验做出的实验结果是一样的。这样，使用基于虚拟仪器系统的虚拟实验来代替 实际现场实验，能很好地解决上述实验教学的矛盾，而且又符合现代测试技术和实验 技术的发展方向。 虚拟仪器引入实验教学具有必要性、可行性和优越性，基于虚拟仪器系统的虚拟 实验是我国普通高校和远程高等教育的实验教学中易于构建、可以推广的模式【2 4 】。另 外，在远程教育的环境中，通过虚拟仪器提供的手段还可以进一步使得一些实验现象 能通过计算机在网络中模拟，从而在网络中建立一个虚拟的实验环境，通过网络中的 基于l a b w i n d o w s c v i 网络虚拟仪器实验室的构建 基于虚拟仪器的虚拟实验环境，同样能够“身临其境 的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。这对现代远程教育具有十分重要的意 义。 2 5 虚拟实验室的概念、发展现状及分类 “合作实验室( c o l l a b o r a t o r y ) ，是虚拟实验室的最初提法，用以描述一个计算 机网络化的虚拟实验室环境【1 8 】。它致力于构筑一个综合不同工具和技术的电子化、网 络化的科学研究集成环境。在这个环境里，科学家们可以非常有效地利用地理上分布 的各种资源( 数据、信息、设备、人力) 来从事科研活动。在其间，科研人员不管其地 理位置分布如何，都能共同从事研究，与同事们相互交流，使用仪器，共享数据和资 源，在数字式图书馆中存取信息，共同撰写研究报告等。虚拟实验室的所有技术支持 都旨在增强科学家、仪器设备和数据等资源之间的交互交融，以提高科研效率，降低 科研成本，为发展高新科学技术提供强有力的技术保障，最终促进人类社会的进步。 随着以计算机和网络为代表的现代信息技术快速得进入到人们的学习工作生活当中， 以多媒体网络教学和远程教育为代表的先进的教育方式，成为人类学习的重要方式之 一。服务于网络教育的虚拟实验室m ，更符合人们对虚拟实验室的一般理解。 分析的角度不同，虚拟实验室的分类也就不同，根据用途来分，虚拟实验室大致 可以分为用于科学合作研究和用于教学的虚拟实验室两类。用于科学合作研究的虚拟 实验室其主要目的是为了提供一个计算机网络化的虚拟实验环境，由此科技人员可有 效的利用地理上分布的各种资源来从事科研活动，其最大特点就是协作，它为科技人 员的异地交流提供了一个平台。有了虚拟实验室，科技人员就能方便的实现数据共享、 软件共享，亦能实现远程仪器控$ u 1 5 , 1 9 ，还可随时进行远程学术交流等等。用于教学 的虚拟实验室大致可分为两种类型： ( 1 ) 基于虚拟仪器的实验室。即直接由各种虚拟仪器代替物理设备所构成的实验室， 构建该类实验室较为简单，易于实现。如虚拟示波器、数字万用表、信号发生器等虚 拟仪器构成的实验室，成本低，易于管理。 ( 2 ) 基于网络的远程虚拟实验室。这类实验室构成相对复杂些，所需技术较多，但 由于其有广阔的应用前景，这种形式也是教育方式发展的一个趋势，且现今计算机技 术、网络技术发展迅速为其提供了必要的物质技术条件。 济南人学硕士学位论文 第三章网络虚拟实验室的方案研究及确定 3 1 网络虚拟实验室的设计方法 3 1 1 国内外的开发方法 目前网络虚拟实验室研究还处于萌芽阶段，国内外已经有很多大学进行了这方面 的研究，总结他们所使用的技术，大致有以下几类【冽： ( 1 ) 使用j a v a 进行开发 j a v a 是由s u n 公司推出的、伴随着i n t e m e t 发展而出现的一种网络编程语言。s u n 公司将j a v a 描述为一种具有简单性、面向对象性、动态性、分布性、可移植性、多 进程、平台无关性、高性能、稳定性、健壮性和安全性的语言。由于它具有这些特点， 使得它已经成为跨平台应用软件开发的一种规范，在世界范围内广泛流行。为了使开 发出来的虚拟实验室更加逼真，更具动感，采用j a v a 语言来开发虚拟实验场景，但 利用j a v a 技术难以实现3 d 效果，一般采用j a v a + v r m l 混合编程。这一点对于构 建网络虚拟实验室系统来说也是非常关键的。 ( 2 ) 使用a c t i v e x 控件进行开发 a c t i v e x 技术是m i c r o s o f t 为适应网络发展的需要而将o l e 技术在i n t e m e t 上的 重定义，可以利用v b 、v c + + 、d e l p h i 、b u i l d e r 等任何一种支持c o m 规范的开发工 具来进行a c t i v e x 控件的开发。a c t i v e x 技术使得一个大的工程项目可以划分成小块 的组件，完成了每个组成部分之后集成起来就可以得到最终的项目；允许不同软件开 发的组件在网上互相进行操作；本地的组件可以和网络上的组件进行通信。在网络虚 拟实验室的开发过程中，一个实验仪器可以在多个实验环境中重复使用，这种代码复 用性对于持续开发过程尤为重要。 ( 3 ) 使用v r m l 进行开发 v r m l 是第二代w e b 上的关键技术，是一种三维场景的描述性语言，也是在 i n t e m e t 网上实现虚拟现实的关键性技术。它的基本原理是用文本信息描述三维场景， 在i n t e r n e t 上传输，在本地机上由v r m l 的浏览器解释生成三维场景，解释生成的标 准规范即是v r m l 规范。正是这种思想使得在i n t e m e t 上传输很少的数据，就可以在 w e b 上实现三维虚拟场景浏览成为可能。可见，将v r m l 融合到网络虚拟实验室的 开发过程中，丰富了媒体表现形式、协同工作角色的可视化管理、改善了协同环境的 基于l a b w i n d o w s c v i 网络虚拟仪器实验室的构建 用户界面、增强了协同环境的交互性。 ( 4 ) 使用q u i c k t i m ev r 进行开发 q u i c k t i m ev r ( 以下简称q t v r ) 是一种实景建模的虚拟现实技术。和传统虚拟 现实技术相比，咖不需要特殊的硬件和附属设备，在普通的p c 机或m a c i n t o s h 机上即可实现虚