0 引言
隨著招生規(guī)模的不斷擴大,，國內普通高等院校實驗設備往往比較陳舊，不能及時更新,，從而無法跟上教育的飛速發(fā)展,。目前，高等工科院校仍沿用傳統(tǒng)的實驗教學方法,，實驗內容側重于理論驗證和模仿訓練,，缺乏對學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和綜合能力的提高。滯后的實驗設備和死板的實驗模式難以調動學生的主動性和創(chuàng)造性,，實驗教學處于應試教育,。而虛擬實驗室系統(tǒng)則主要依賴于軟件和較少的配套硬件，使實驗室的維護費用和工作量大大降低,。LabVIEW作為虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)的代表,，可以利用Internet進行虛擬實驗室的網絡發(fā)布，實現(xiàn)了資源共享,，避免了儀器重復添置,，滿足了用戶不再受時間、地點限制進行遠程的實時合作,，提高了用戶的學習效果,。
1 系統(tǒng)的總體目標
本系統(tǒng)的總體目標是設計并實現(xiàn)一個基于局域網的虛擬實驗平臺，該虛擬實驗平臺主要完成模擬電路和數(shù)字電路的仿真和數(shù)據(jù)采集等實驗,，使學生可以通過網絡完成大學相關課程的規(guī)定實驗,，突破地域和時間上的限制，達到網絡實驗教學的目的,。學生是虛擬實驗室的最終用戶,，每個用戶以自己的學號和密碼作為出入虛擬實驗室的通行證，登錄虛擬實驗室系統(tǒng)后,，可以在客戶端進行相關的實驗操作,。在虛擬實驗室中，用戶可以選擇實驗，選擇實驗儀器,，進行實驗仿真,、數(shù)據(jù)分析。
2 虛擬實驗室的設計與實現(xiàn)
系統(tǒng)采用GPIB(general purpose interface bus)儀器控制技術,，將可程控儀器連接到LabVIEW儀器控制服務器上,，實現(xiàn)儀器的本地控制，并利用網絡技術,，把所提供的實驗題目及內容放入建立的網站上,，遠程用戶只需利用網絡瀏覽器，就可以登錄到遠程實驗室的網絡服務器上,，進行實驗操作,，遠程控制實驗儀器。在遠程實驗室的主頁上,，還可以加入視頻攝像部分,。由視頻頭所采集的圖像可通過視頻壓縮傳輸技術傳送到網頁上，這樣用戶就可以看到自己所操縱的精密儀器,，直接從屏幕上看到實驗結果,。
2．1 網絡虛擬實驗室的硬件結構
整個遠程虛擬實驗室系統(tǒng)的硬件是由Web服務器、儀器控制服務器,、硬件實驗電路控制平臺,、GPIB可程控儀器以及視頻攝像頭組成的。硬件平臺主要由電源板,、89C51串口通信板,、低頻實驗板、數(shù)字實驗板,、實驗臺控制板組成,。電源板為整個實驗電路提供±5 V，±12 V和+18 V電壓,；串口通信板完成與上位機的串口通信,，并發(fā)送命令參數(shù)給實驗臺控制板,；實驗臺控制板進行具體的儀器測試點切換工作,；模擬實驗板和數(shù)字實驗板實現(xiàn)的是具體的實驗電路。
單片機串口通信板在硬件平臺中處于至關重要的地位,，它負責與LabVIEW服務器的串行口通信,、實驗數(shù)據(jù)字節(jié)的輸出和獲取、模擬實驗測試點的切換,。系統(tǒng)選用了AT89C51作核心控制器,。實驗臺控制板主要實現(xiàn)模擬實驗各輸入／輸出測試點的可控制切換。實現(xiàn)多個模擬實驗時，需要切換輸入信號輸入點和變更信號參數(shù),，還需要切換數(shù)字電壓表和示波器的測試點,。由于實驗系統(tǒng)需要實現(xiàn)遠程控制測試點的切換，所以模擬實驗板上相關測試點都必須引出接線點,，以便于與實驗臺控制板接口,。當增加實驗數(shù)目，也無需改動實驗臺控制板時,，只要從實驗板引出測試點和實驗臺控制板接口即可,。
2．2 遠程虛擬實驗室系統(tǒng)軟件設計
如圖1所示，整個遠程虛擬實驗室系統(tǒng)的軟件構成可分為以下幾個子系統(tǒng)：Web服務器子系統(tǒng),、本地儀器控制子系統(tǒng)和客戶端子系統(tǒng),。
Web服務器是整個系統(tǒng)的核心部分。通過Web服務器,，用戶可以訪問Web站點,、控制儀器，并獲得實驗結果,。公共網關接口(CGI)和傳輸控制協(xié)議(TCP)是客戶端與Web服務器以及Web服務器與實驗室服務器之間的主要通信方法,。在本地控制子系統(tǒng)中，作為控制儀器的PC機上裝有通用接口總線(GPIB)接口和一塊網卡,。儀器控制服務器通過已建立起的TCP／IP通道獲得來自Web服務器控制儀器的命令字符串,。進而啟動儀器工作，完成測試任務,?？蛻舳俗酉到y(tǒng)是嵌入在Web服務器中。當用戶登錄到Web服務器上后,，用戶可以瀏覽虛擬實驗室站點,，獲得所提供實驗的概括介紹以及詳細說明。
2．3 虛擬實驗室的交互過程
開始實驗操作時,，遠程用戶通過瀏覽器進入遠程虛擬實驗室系統(tǒng)網站的登錄頁面,，如圖2所示。
當Web服務器接收到來自客戶端的有效CGI(common gateway interface)請求后,，從表單中獲取相應的實驗參數(shù),，進而向儀器控制服務器提交調用VI的請求。運行于儀器控制服務器上的G Web Server接收到請求后,，建立起與客戶端TCP／IP連接,，調用相應的VI程序：首先調用串口通信程序，即通過串口向硬件實驗平臺發(fā)送控制指令,；然后啟動儀器控制VI模塊,，使其通過GPIB接口卡調用相關儀器設備，對實驗電路進行測試；最后將實驗測試結果以CGI響應的方式回傳到Web服務器,，由Web服務器端的CGI程序刷新客戶端顯示,，完成了整個實驗的操作過程。
3 系統(tǒng)設計技術實現(xiàn)
系統(tǒng)的整體設計采用Application Server＆API結構,。Application Server＆API結構使用LabVIEW編程,，以其內置TCP／IP模塊為基礎，構造一個Application Server應用服務器端和一個API用戶終端,，由TCP／IP模塊完成網絡互連,，數(shù)據(jù)通信以及容錯處理。該結構要求API用戶終端將Application Server應用服務器端板卡采集的實驗數(shù)據(jù)下載到本地終端來分析,、計算,、顯示以及存儲，除了對網絡帶寬,、穩(wěn)定性有很高的要求之外,，對API用戶終端的計算機性能也有很高的要求，適用于遠程軟件共享和儀器共享型實驗,。主程序框圖結構如圖3所示,，客戶端API模塊先向服務端發(fā)送用戶信息和實驗請求，經服務端驗證通過,，建立TCP連接,；然后服務端接受客戶端實驗參數(shù)并在進行實驗儀器初始化；服務端采集實驗數(shù)據(jù)并通過TCP／IP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包,，客戶端接受共享實驗數(shù)據(jù),。
下面以周期信號時域特性的測量實驗為例，介紹ApplicationServer＆API結構LabVIEW編程的實現(xiàn)方法,。
用戶首先進入的是一個多媒體仿真界面,，實驗采樣數(shù)據(jù)，同步顯示波形,；采集完全部實驗數(shù)據(jù),，服務器發(fā)結束信息，然后斷開網絡聯(lián)接,，完成實驗,。圖4顯示的是客戶端在遠端實測的實驗室周期信號的時域特性，用戶可以選擇保存按鈕,，將實驗數(shù)據(jù)以需要的格式保存,，進行相應的運算，還可以生成實驗報告,，最終完成實驗。
4 結語
本文以虛擬儀器為平臺設計了網絡虛擬實驗室系統(tǒng)，通過用戶登陸界面,，嵌入一些虛擬實驗儀器設備,。實現(xiàn)了利用計算機網絡進行實驗儀器操作的模擬和測量，并在電子科學學院進行了演示,，取得了很好的效果,。該網絡虛擬實驗室較以往的虛擬實驗室實現(xiàn)了網絡化，達到了資源共享,，避免了儀器重復添置和資源浪費,，使學生做實驗不再受時間和地點的限制。具有開發(fā)周期短,，使用效率高,，可擴展性強，成本低廉的特點,，是解決目前高教擴招帶來的資源緊張問題的一種行之有效的途徑,。隨著計算機技術的不斷發(fā)展和網絡技術的不斷完善，虛擬實驗室會有更好的應用前景,。