虚拟实验论文：基于LabVIEW的虚拟实验和远程实验室.doc

1、虚拟实验论文：基于LabVIEW的虚拟实验和远程实验室摘要：实验是理论与实际结合的桥梁，随着网络信息化的发展，网络实验教学应该紧随其后,但现在却是的薄弱环节，因而构建一个突破传统局限的、不受时间和地域限制的网络化虚拟实验室环境成为迫切需要解决的重要课题。本文详细介绍了虚拟实验室的功能、组成及特点，并借助于labview 这一软件平台来进行虚拟实验和远程虚拟实验室系统的设计，其中针对身份验证登录程序的设计与实现原理进行了详细的论述。关键词：labview；虚拟实验;远程虚拟实验室virtualexperimentandremotevirtuallab based on labviewsu lim

2、in ge xiaohan zuo mingxinabstract：experiments,as the bridge between theory study and the reality，with network informationization progressing , to establish an online lab and share the experiment resources via internet can enlarge the education scope. people can teach and learn“anytime and anywhere“

3、without the limitation of time and space 。after giving a brief introduction to the feature，structure and application of virtual lab,designing virtual experiment and remote virtual lab based on labview ,introducing the design and realization of verifying identity program。本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源

4、于网络key words:labview；virtual lab;remote virtual lab引言：目前，在各高校绝大多数实验室中，仍采用传统方式进行实验。实验过程往往简单，需要的仪器却比较复杂，为了保证人手一套，需要购置大量的仪器仪表，而经费短缺是很多高校面临的主要困难。因此提出建立“虚拟实验室”，既能保证教学效果,又能减少投资，简化实验系统.随着计算机技术、和多媒体技术的飞速发展，远程教育已经成为一种新的教育模式，由于各方面的原因，一些在传统实验室中进行的实验对于远程教育不利进行。近年来,由于计算机网络技术、仿真技术和虚拟现实技术快速的发展，由此一种基于网络的远程虚拟实验室应运而生

5、。1、虚拟实验1.1 虚拟实验室的概念及特点。 虚拟实验一般是通过虚拟实验室而进行的.所谓虚拟实验室，是指在网络环境下用虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验系统，包括相应实验室环境、有关的实验仪器设备等，实验对象以及实验信息资源等.网络虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是虚拟构想成的实验室。在虚拟实验室中,实验者有逼真的感觉，似乎是在真正的现实实验室里近距离进行现场操作。特点：与现实的实验室相比,虚拟实验室具有它自身特点，归纳起来有下面几个：仿真性。在虚拟现实技术支持下、虚拟实验室与真正的实验室同等完美、虚拟仪器与实际仪器功能相同，操作方法也一样，实验者在虚拟实验室里做实

6、验、训练技能和汲取知识,与在现实实验室里同样方便.开放性.虚拟实验室又可能给任何实验者在任何地点任何时间里广泛地提供赖以学习、工作和研究的实验场所。超时空性.可利用网络虚拟实验室，可以彻底打破空间的限制。可操作性。实验者可通过使用专门设备，用人类的自然技能实验对虚拟实验室的物体或事件进行操作。1。2 虚拟实验室的构建平台。建立一个虚拟实验室，大致需要2方面的工作:用虚拟仪器代替实际仪器；用仿真实验代替真实实验。这2个方面的工作都是以软件为核心，labview便是构建虚拟实验室的软件平台。labview是美国仪器公司（national instruments,ni）推出的一种基于“图形"

7、;方式的集成化程序开发环境，是目前国际上惟一的编译型图形化编程语言。labview程序由前面板（front panel）和流程图（block diagram）两部分构成。它的基本特点：具有良好的用户界面。其用户界面类似于传统仪器的面板，包括按钮、旋钮、图形显示元件、控制元件等.编程方式简单、直观。采用图形语言（g语言）、图标和连线代替问题文本形式编写程序.具有层次结构和模块化的特点.提供程序调试功能.1.3 仿真实验的开发.数字信号处理、信号与系统课程中设置了有关信号检测与分析的一系列实验,用到大量的仪器设备，并且其中有些设备价格昂贵。如果用labview进行仿真实验，则可以大大节省经费。针对

8、这2门课程开发的仿真实验有：典型信号的相关分析：用于分析典型信号在不同频率、不同相位下的相关性。替代的仪器有：信号发生器、同频检测仪、双踪示波器。典型信号傅立叶变换：用于分析正弦信号、方波、三角波、 经傅立叶变换后的谐波频率及幅值。替代的仪器有：谐波分析仪、双踪示波器。相关分析的应用：以频谱分析和相关分析的方法分析带噪声信号的主频。替代的仪器有:信号发生器、同频检测仪、双踪示波器、频谱分析仪、白噪声发生器。数字滤波器设计：掌握用各种数字滤波算法消除不同的噪声,并比较滤波效果。加窗效果比较：在虚拟系统中，输入周期信号和非周期信号，比较不同窗函数的加窗效果。举例如下:正弦加高斯白噪声滤波前后的图形

9、图1 程序的前面板 其中右上边是滤波前的图形，右下边是滤波后的图形图1 程序框图2、远程实验室2。1 远程虚拟实验室的概念,一般有两种解释：将internet与虚拟仪器组成一个基于web的虚拟实验室，使远端的学员可以不受空间、时间的限制，利用浏览器在自己的计算机进行各种虚拟实验，学习掌握各种虚拟仪器的工作原理及操作使用方法。将实际的虚拟仪器与internet结合组成远程虚拟仪器系统，将中心实验室的虚拟仪器和远端学员计算机上的“虚拟仪器”通过internet联系起来，建成网络实验系统.这种方式由于只需传送小量的数据与文本，完全能在现有的网络条件下进行，从而为远程教育如电大、网校解决实验教学难的问

10、题提供一种全新的解决方案。2。2 虚拟实验的主要功能：实验功能：这是虚拟实验室的核心功能.每一个典型实验结构包括：实验仪器设备、实验内容步骤、实验目的原理和实验报告。安全功能：安全性是开放、透明、资源共享的合作环境所必需的保障条件.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。保存功能：保存功能是指用户在实验结束后,可以将实验结果保存下来。或用户开始实验后临时有事离开，而实验尚未结速，可将当前的实验状态保存下来。下次实验时,可接着进行而无需重新操作。成绩管理功能：在远程教育中，学生做完实验后，能够将实验报告提交给教师.教师对学生完成实验的情况进行记载,并给出相应的

11、反馈意见。 2.3 远程虚拟实验室系统的设计。根据远程虚拟实验室的主要功能，可将虚拟实验按操作型、演示型实验、实验指导及测评三种方式进行，围绕这三种实验方式，系统设计了五大功能模块：登陆管理、操作型实验、实验指导及测评、演示型实验、数据库,如图示:登陆管理模块：主要包括身份验证、实验内容的选择.身份验证是指将网络输入与网络数据库中的内容比较,接收合法的教师和学生，拒绝非法用户。进入系统后，学习者有选择地进入各个实验类别，如进入操作型实验、演示型实验或实验测评.操作型实验：学生或教师进入实验系统后，从实验管理库中选择好实验项目，然后根据实验项目选择实验器件，再在虚拟实验平台中，对各种元器件进行操

12、作，包括对元器件的大小、位置、状态进行调整；对于一些大型实验，由于操作时间较长，实验者可以利用实验过程存储模块把实验现状保存下来以便以后继续进行或者与其他实验者进行协同实验。实验指导及测评：在这种实验方式下，学生课进行单独实验方式下的所有操作，并且可以将实验名称、实验说明及所有操作过程存储于网络数据库服务器中，教师可以从数据库中选择指定学生的指定实验过程进行浏览、评阅,并将成绩计入数据库服务器的相应表格中。教师在这种实验方式中只能浏览选定的实验，不能进行自己的实验过程。另外还设计了一个基于文本的电子白板,教师和学生可以通过它实现在线实时交流。演示型实验：教师在演示实验课中进行单独实验方式下的所

13、有操作，并且可以将实验的所有操作过程存储于网络数据库服务器中供学生调阅。学生在演示实验中可以从数据库中选择指定的实验过程进行浏览、学习，学生在这种实验方式中只能观察选定的实验,不能进行自己的实验过程。数据库：主要包括器件库和实验管理库，实验管理库可对数据库服务器中的用户表、实验表、成绩表等数据表进行操作,以完成实验管理、学生成绩管理等工作。举例如下：登陆管理模块:由于身份验证的主体程序由labview编程，因此考虑labview与数据库的连接方法。本例使用的是通过第三方开发的免费labview数据库访问的工具包labsql来实现对数据库的访问.labsql是一个源代码开放的、免费的、面向多数据

14、库的、跨平台的labview数据库访问工具包，支持windows操作系统中任何基于odbc的数据库，包括access，sql server,oracle,sybase等，可执行各种查询，对记录进行各种操作.labsql工具包的下载网址是http：/。身份验证主体程序的前面板和后面板框图设计下面介绍后面板框图的各部分的设计思路：首先设计一个子程序subuersvi实现与数据库identity.mdb的连接，并且返回users表中的数据,以数组的类型存放。由于users中只有name（用户名）和password（登陆密码)两个字段，因此，subusersvi返回的数组users为一个二维数组第一列

15、为name,第2列为password，这样可以利用索引提取数组中的元素。利用“索引数组元素"函数index array。vi输出每个用户的信息。主体程序附加上登陆按钮进行条件判断的调用,就可以完全实现身份验证的功能了。图2 上为身份验证程序的后面板，下为身份验证程序的前面板在用户登陆成功后,就可以选择远程实验室中提供的一个实验。点击相应的网页，实验介绍及说明，进行实验并观察实验结果。2.4 远程虚拟实验室系统的实现模式。远程虚拟实验室系统的基础平台：远程虚拟实验室系统是在虚拟现实技术支持下的一种异构的问题解决环境,它使得处于不同位置的学习者可以同时对一个实验项目进行实验工作，同时在虚

16、拟实验室用共享软件仿真来模拟的虚拟设备或者操纵远程的虚拟实验室共用设备，这要求使得它易于在web上得以实现。基于如此可利用web的浏览器、服务器(b/s）计算模式作为远程虚拟实验的一种基础平台。核心服务器端通过虚拟现实技术对各实验环境进行仿真，接收来自客户端的实验操作请求，根据客户端不同的实验请求，调整仪器的状态,模拟产生实验的现象，输出对应的实验数据，并对整个系统进行统一调度；学习者在客户端进行实验，其中实验过程中的数据和实验结果数据在核心服务器的统一调度下存放于数据库服务器中。结束语：虚拟实验室技术是一个随着网络和虚拟仪器等技术发展而不断进步的,从其概念的提出到现在虽然有很多成功的应用。随

17、着计算机网络及虚拟现实等技术的发展,远程虚拟实验室增强并扩展了实验教学的功能，既可实现传统实验室无法完成的实验，解决学校购置实验设备的经费问题，又可使远程教育的教学实验课的开设成为可能，为学生提供了一种崭新的实验方式。远程虚拟实验室还需要添加大量的实验内容，使之成为一个真正完整的实验室。相信虚拟实验室具有的效率高、低成本、资源共享等特点，将很快使其替代现有的传统实验室,成为实验室建设的发展方向和主流。参考文献1 邓焱，王磊等。编著labview测试技术与仪器应用m。机械工业出版社2 李小波.基于labview的虚拟实验室研究 煤矿机械j。2004, (9)3 徐有栋。基于labview的虚拟实验和远程实验室j。2005, 54 胡惟文,曹斌芳.基于labview的虚拟实验室研究j.中国科技信息2005, （23)5 李萍,朱巧明。基于labview的