基于虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建

將虛擬儀器技術(shù)推向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，更能發(fā)揮其“軟件就是儀器”的優(yōu)勢(shì)，更有助于形成分布式的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和儀器的遠(yuǎn)程共享，從而為遠(yuǎn)程測(cè)控服務(wù)。本文介紹網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的使用BSDA結(jié)構(gòu)，由客戶端、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備四個(gè)模塊組成，具備開(kāi)發(fā)周期短，成本低的特點(diǎn)，同時(shí)又具有很強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性，能夠大大提高儀器的使用效率。

圖1：網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成原理圖。

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)無(wú)墻的中心，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，研究人員或?qū)W生將不受時(shí)空的限制，隨時(shí)隨地與同行協(xié)作，共享儀器設(shè)備，共享數(shù)據(jù)和計(jì)算資源，得到教師的遠(yuǎn)程指導(dǎo)以及與同行相互研討。

由于通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)崿F(xiàn)跨時(shí)空跨學(xué)科的儀器設(shè)備遠(yuǎn)程共享，甚至遠(yuǎn)程控制，滿足科研教學(xué)對(duì)分布式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的要求，同時(shí)解決棘手的教學(xué)資源緊張問(wèn)題，國(guó) 外的很多科研院所也已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的有益嘗試。如Carnegie-Mellon大學(xué)的卡Carnegie Mellon虛擬實(shí)驗(yàn)室，Johns Hopkins大學(xué)的虛擬工程與科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，以及Tennessee大學(xué)的網(wǎng)上工程實(shí)驗(yàn)室是其中的比較成功的范例。

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室大多使用的是CS（客戶端／服務(wù)端）結(jié)構(gòu)，按其實(shí)現(xiàn)功能基本可分為三類(lèi)：

1. 軟件共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。其特點(diǎn)為，服務(wù)端共享本地的虛擬實(shí)驗(yàn)室模擬軟件平臺(tái)，接受客戶端發(fā)送的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，分析和處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算模擬最終將結(jié)果返回客戶端。整個(gè)系統(tǒng)不涉及具體的實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)備，只是利用軟件模擬實(shí)驗(yàn)的過(guò)程；

圖2：網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的組成原理圖。

2.儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。服務(wù)端同樣接受客戶端的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求和實(shí)驗(yàn)參數(shù)，使用實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置與之連接的實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)備，由實(shí)驗(yàn)儀器硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí) 驗(yàn)結(jié)果返回服務(wù)端，最后返回到用戶端，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器的共享，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享。

3. 遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室。與儀器共享網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室最大的區(qū)別在于除了實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享之外，它還要實(shí)現(xiàn)客戶端對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)原理

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建多使用瀏覽器/服務(wù)器/數(shù)據(jù)和應(yīng)用(BSDA，Browser/Server/Database＆Application)結(jié)構(gòu)，其原 理如圖1所示，典型的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室由客戶端、網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器端、應(yīng)用服務(wù)器端以及實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備四部分組成。網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器主要作用是提供Web接入服務(wù)、用戶認(rèn) 證管理、開(kāi)放式交互實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的生成；應(yīng)用服務(wù)器主要作用是控制和管理實(shí)驗(yàn)儀器、采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫(kù)的主要作用則是配合用戶帳戶的管 理、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的生成以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。

本網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，主要由模擬仿真和實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分組成，如圖2所示。模擬仿真部分，主要 完成驗(yàn)證型、原理演示型實(shí)驗(yàn)，使用LabVIEW自帶的網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能，直接在Web服務(wù)器端生成嵌入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的WWW網(wǎng)頁(yè)，用戶只需使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器即可通 過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3：網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)的硬件結(jié)構(gòu)。

實(shí)時(shí)測(cè)量部分，主要完成儀器共享型、遠(yuǎn)程控制型實(shí)驗(yàn)，有一個(gè)多媒體輔助模塊，是對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面的虛擬呈現(xiàn)，讓學(xué)生在進(jìn)入實(shí)時(shí)測(cè)量模塊之前來(lái)操作，用來(lái)檢 驗(yàn)學(xué)生的預(yù)習(xí)程度，讓學(xué)生預(yù)先了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉具體的實(shí)驗(yàn)步驟；另一個(gè)是實(shí)時(shí)測(cè)量模塊，它是實(shí)時(shí)測(cè)量部分的核心，負(fù)責(zé)本地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，并按遠(yuǎn)程用戶 的操作要求進(jìn)行分析、存儲(chǔ)以及顯示，可使用LabVIEW的網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可使用基于LabVIEW編程的 Application Server模塊與客戶端API模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)通信，完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。

網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件結(jié)構(gòu)

我們使用的是以NI-PXI構(gòu)架為核心的硬件體系，并以一臺(tái)Dell PowerEdge4600為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，如圖3所示。Dell PowerEdge4600為Web服務(wù)器配備了2個(gè)Intel Xeon 2.8GHz處理器，2GB ECC DDR RAM，3×36GB SCSI RAID（冗余磁盤(pán)陣列），以及Broadcom 千兆網(wǎng)卡，充分滿足多線程、大流量、高帶寬的使用要求。

應(yīng)用服務(wù)器使用的是一臺(tái)PXI-1000B機(jī)箱，嵌入了PXI-8176控制器，以及PXI-6070E，PXI-6071E多功能數(shù)據(jù)采集卡，用來(lái)實(shí)現(xiàn)高速的 數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)模輸入輸出以及數(shù)據(jù)采集；PXI-5102高性能示波器卡來(lái)完成信號(hào)的發(fā)生，提供穩(wěn)定可靠的信號(hào)源；PXI-2501矩陣模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同測(cè) 量元器件之間的自動(dòng)切換，以滿足遠(yuǎn)程用戶不同的測(cè)量要求，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的多樣性；PXI-1422圖像采集卡用來(lái)完成PCB板、IC芯片的圖像提取，滿足電路 檢查、IC設(shè)計(jì)的需要；PXI-7344運(yùn)動(dòng)控制卡用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)伺服系統(tǒng)的參數(shù)提取，狀態(tài)跟蹤等。

圖4：模擬仿真實(shí)驗(yàn)原理圖。

一臺(tái)SCXI-1000機(jī)箱，嵌入了SCXI-1320和SCXI-1125信號(hào)調(diào)理模塊，用來(lái)對(duì)微電子系統(tǒng)，微電流電壓信號(hào)的放大、降噪、濾波，保持整個(gè) 體系的高精確度。一臺(tái)最新的NI-ELVIS用于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?，搭建?shí)驗(yàn)電路，構(gòu)建小型的電子電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子電路實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程共享。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1. 模擬仿真部分

模擬仿真部分，我們以LabVIEW內(nèi)置的網(wǎng)頁(yè)發(fā)布功能為基礎(chǔ)，通過(guò)HTML設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)，并使用Microsoft IIS 5.0發(fā)布功能，直接在服務(wù)器端生成嵌入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的WWW網(wǎng)頁(yè)，用戶只需使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器進(jìn)入我們的站點(diǎn)，即可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其原理如圖4所示。

LabVIEW 內(nèi)置的Remote Panel Connection Manager用來(lái)對(duì)用戶的使用情況進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)度，NI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器按照遠(yuǎn)端實(shí)驗(yàn)操作者制定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析、計(jì)算數(shù)據(jù)最后顯示實(shí)驗(yàn)曲線以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并 將實(shí)驗(yàn)結(jié)果嵌入生成的HTML網(wǎng)頁(yè)中，用戶只需使用瀏覽器即可實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)曲線，以及完成報(bào)告生成等后續(xù)工作。

2. 實(shí)時(shí)測(cè)量部分

圖5：實(shí)時(shí)測(cè)量部分Browser NI Web Server結(jié)構(gòu)原理圖。

實(shí)時(shí)測(cè)量部分，我們使用了兩種實(shí)現(xiàn)方案，用來(lái)滿足不同情況下用戶對(duì)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的要求：一種是瀏覽器和NI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器結(jié)構(gòu)，另一種是應(yīng)用服務(wù)器API結(jié)構(gòu)。使用PXI-1000B機(jī)箱以及嵌入的PXI板卡來(lái)作為NI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器。

瀏覽器和NI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器結(jié)構(gòu)是在模擬仿真實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，在NI網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上連接相應(yīng)的DAQ、SCXI硬件，它再與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)儀器連接，用來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端 與實(shí)驗(yàn)儀器的數(shù)據(jù)通信，完成實(shí)驗(yàn)儀器的遠(yuǎn)程共享，其原理如圖5所示。該結(jié)構(gòu)適用于瘦客戶體系，客戶端無(wú)需計(jì)算分析數(shù)據(jù)，只需安裝因特網(wǎng)瀏覽器接收服務(wù)端傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)流，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，方便簡(jiǎn)單，效率高，但是對(duì)服務(wù)器的運(yùn)算能力、帶寬以及多線程狀態(tài)下的穩(wěn)定性等指標(biāo)要求比較高；同時(shí)由于每一時(shí)刻只允許一位用戶 掌握控制權(quán)，所以比較適用于遠(yuǎn)程控制型實(shí)驗(yàn)。

應(yīng)用服務(wù)器和API結(jié)構(gòu)使用LabVIEW編程，以其內(nèi)置TCP/IP模塊為基 礎(chǔ)，構(gòu)造一個(gè)應(yīng)用服務(wù)器端和一個(gè)API用戶終端，由TCP/IP模塊完成網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)通信以及容錯(cuò)處理。應(yīng)用服務(wù)器用來(lái)采集傳輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，管理用戶，記 錄用戶使用情況；而API用戶終端則提供操作者GUI界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取、分析運(yùn)算以及顯示存儲(chǔ)等，其原理如圖6所示。

該結(jié)構(gòu)要求API用戶終端將應(yīng)用服務(wù)器端板卡采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下載到本地終端來(lái)分析、計(jì)算、顯示以及存儲(chǔ)，除了對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、穩(wěn)定性有很高的要求之外，對(duì)API用戶終端的計(jì)算機(jī)性能也有很高的要求，適用于遠(yuǎn)程軟件共享和儀器共享型實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)多用戶廣播式共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例

下面以半導(dǎo)體晶體管直流特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)為例，介紹應(yīng)用服務(wù)器和API結(jié)構(gòu)LabVIEW編程的實(shí)現(xiàn)方法。用戶首先進(jìn)入的是一個(gè)多媒體仿真界面，用來(lái)檢驗(yàn)預(yù)習(xí)狀 況，并熟悉實(shí)際的儀器操作。如圖7所示，借助一套實(shí)際儀器的圖形面板，我們使用LabVIEW模擬了晶體管直流特性測(cè)試曲線，用戶使用旋鈕以及各種開(kāi)關(guān)， 可以像操作實(shí)際儀器一般，了解實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容和步驟。

圖6：實(shí)時(shí)測(cè)量部分Application Server API結(jié)構(gòu)原理圖。

完成模擬之后，可以按下進(jìn)入測(cè)量按鈕，進(jìn)入實(shí)時(shí)測(cè)量面板，如圖8所示。面板上方的工具欄是相關(guān)的模式選擇、參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等操作，中央的是實(shí)驗(yàn)曲線的 顯示界面。主程序框圖結(jié)構(gòu)如圖9所示，客戶端API模塊先向服務(wù)端發(fā)送用戶信息和實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，經(jīng)服務(wù)端驗(yàn)證通過(guò)，建立TCP連接；服務(wù)端然后接受客戶端實(shí)驗(yàn) 參數(shù)并在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器初始化；服務(wù)端采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包，客戶端接受實(shí)驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)，并按一定數(shù)據(jù)格式插入測(cè)量數(shù)組，同步顯示波 形；采集完全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，服務(wù)器發(fā)結(jié)束信息，然后斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，完成實(shí)驗(yàn)。

圖8顯示的是客戶端在遠(yuǎn)端實(shí)測(cè)的CCMS實(shí)驗(yàn)室本地晶體管的Ic－Vce曲線圖，圖10顯示晶體管放大倍數(shù)β的計(jì)算值，并實(shí)時(shí)顯示β－Ib曲線，用戶可以選擇保存按鈕，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以需要的格式保存，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，使用HIQ生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最終完成實(shí)驗(yàn)。

效果與結(jié)論

我們已經(jīng)建立起以電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)為基礎(chǔ)的十幾套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，初步構(gòu)成了一個(gè)跨時(shí)空、跨學(xué)科、跨平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室雛形，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)儀器的遠(yuǎn)程共享以及遠(yuǎn) 程實(shí)驗(yàn)。以NI虛擬儀器平臺(tái)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)發(fā)周期短，使用效率高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，成本低廉，是解決目前資源緊張問(wèn)題的一種行之有效的途徑。