基于NI ELVIS的遠程虛擬實驗室的研究
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隨著虛擬儀器技術的不斷發(fā)展，其“軟件就是儀器”的優(yōu)勢得到發(fā)揮，而基于虛擬儀器技術的遠程虛擬實驗室以其成本低、效率高、突破時空限制等特點得到了廣泛認可和研究，分布式網絡測量體系有助于實現(xiàn)數據和儀器的遠程共享，為實驗教學和學生學習帶來便利。這里介紹的基于NI ELVIS的遠程虛擬實驗室能夠完成虛擬仿真實驗和遠程操作真實儀器，具有成本低，功能強，實用價值高等特點。
2 NI ELVIS和iLabs簡介
2．1 NIELVIS簡介
NI教學實驗虛擬儀器套件(NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，簡稱ELVIS)是在NI數據采集卡和圖形化開發(fā)環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，簡稱LabVIEW)編程的基礎上集成了實驗常用儀器功能的虛擬儀器套件。該套件通過軟硬件相結合搭建的虛擬儀器開發(fā)平臺。其中軟件部分包括集成的多種通用電路電子測試的軟儀器，如LabVIEW、NI―DAQ開發(fā)軟件等。該套件安裝在計算機軟件前面板(Soft Front Pannel，簡稱SFP)虛擬儀器。NI ELVIS加載了LabVIEW創(chuàng)建的軟件前面板儀器以及儀器的源代碼，通過修改Lab VIEW代碼來更改SFP的功能。NI ELVIS所集成的軟儀器功能：信號分析(示波器，動態(tài)信號分析，波特圖分析，阻抗分析儀等)；數字萬用表(測量電壓，電流，電阻，電感，二極管的極性等)；信號源(信號發(fā)生器和任意波型發(fā)生器，可手動調節(jié)，也可編程設置，并具有掃頻功能)；定時／數字量(頻率，計數器和數字I／O)；直流電源(標準+5 V，±15 V和可變調節(jié)的±12 V)。而硬件部分包括以數據采集卡為中心的數據采集系統(tǒng)，電路搭建平臺(面包板)和ELVIS工作臺。其中，數據采集系統(tǒng)用來測量和分析現(xiàn)實世界的物理量，利用轉換器和測試探針或者固定設備采集測量溫度、壓力、速度等不同類型的電信號，并將其送入計算機處理。該遠程虛擬實驗室采用基于PCI接口的采集卡PCI一6221，該數據采集卡具有16路模擬輸入、16位分辨率；采樣速率為250 KS／s；2路模擬輸出，更新速率為833 KS／s；24路數字I／0 (8路高速可達l MHz)；2個32位80 MHz計數器／定時器。而硬件電路的搭建平臺(面包板)和ELVIS工作臺的控制面板含有示波器、數字萬用表、可變電源等儀器，這些基本儀器作為ELVIS可操作的軟面板儀器，并通過連接器在ELVlS軟面板上顯示。面包板與工作臺相連，并搭建相關電路，允許實驗輸入輸出信號連接。圖1為ELVIS構成示意圖。
2．2 iLabs簡介
iLabs是由美國麻省理工學院(MIT)倡導的遠程網絡實驗室，即MIT公開共享其實驗室，即學生或教師通過互聯(lián)網訪問MIT真實的實驗室，使得高等院校之間能夠共享昂貴設備以及與實驗室有關的教學資料。iLabs的最終目標是創(chuàng)造豐富的網上實驗資源，使人們通過網絡共享實驗資源。目前iLabs實驗系統(tǒng)分為Batched Architecture和Interactive Architecture，前者針對儀器共享網絡實驗室，后者針對遠程控制實驗室，可以互動控制遠程實驗。該遠程虛擬實驗室采用Interactive Ar-chitecture實驗系統(tǒng)。
3 遠程虛擬實驗室設計方案
3．1 設計原理
iLabs網絡實驗室系統(tǒng)通過網絡服務將在線實驗室分成實驗室服務器(Lab Server)、實驗室客戶端(Lab Client)、服務代理端(Service Broker)等功能模塊，如圖2所示。
其中，實驗服務器是由實驗室管理員操作管理，同時它也是處理執(zhí)行真實在線實驗的硬件，主要用于控制和管理實驗儀器、采集和處理實驗數據。實驗客戶端是終端用戶計算機，為用戶提供實驗的交互式操作界面，通過瀏覽器訪問。服務代理端位于實驗室服務器和實驗室客戶端的中間，用于交換協(xié)調這二者之間的信息，用于提供Web接入服務、用戶認證管理、開放式交互實驗環(huán)境以及動態(tài)網頁生成，并提供存儲和管理服務。該實驗室Interactive Service Broker是一臺基于ASP2．O的IIS網頁服務器，后臺使用SQL Server 2000數據庫配合用戶管理、動態(tài)網頁生成以及實驗數據的存儲和管理。
3．2 硬件構成 _
該網絡實驗室為節(jié)約成本將Lab Server和Service Broker安裝在同一臺電腦上。其主要硬件包括一臺普通電腦為Web服務器；采集和傳輸實驗設備數據的數據采集卡PCI一6221；提取現(xiàn)場實驗設備影像的USB接口的攝像頭。NI ELVIS建立實驗模型，搭建實驗電路，構建小型電子電路系統(tǒng)。
3．3 設計實現(xiàn)
要實現(xiàn)虛擬儀器在網絡平臺上的應用，必須實現(xiàn)不同應用之間的數據共享。雖然TCP／IP,DDE等技術支持不同應用程序間的數據共享，但不能傳輸動態(tài)數據。NI公司提供的Data Socket是專門用于傳輸和發(fā)布動態(tài)數據的，簡化網絡計算機之間尤其是現(xiàn)場數據傳輸。DataSocket由DataSocketAPI與DataSocket Server兩部分組成。前者用于訪問網絡數據的接口，后者負責提供DSTP協(xié)議和管理底層網絡通信。DataSocket Server廣播數據需要發(fā)布者、DataSocketServer和訂閱者三種角色。發(fā)布者通過DataSocket API向DataSocketServer寫入數據，訂閱者通過DataSocket API從DataSocketServer讀取數據。利用DataSocket Server實現(xiàn)現(xiàn)場數據的網絡共享，如圖3所示。
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