袁小平, 金 鵬, 蔣 碩, 劉雨冬

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221008)

虛擬仿真技術(shù)探索與實(shí)踐

基于LabVIEW的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與應(yīng)用

袁小平, 金 鵬, 蔣 碩, 劉雨冬

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221008)

構(gòu)建了基于LabVIEW環(huán)境的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室,該虛擬實(shí)驗(yàn)室由被測(cè)系統(tǒng)、硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)3部分構(gòu)成。平臺(tái)應(yīng)用了C/S架構(gòu),教師可以通過(guò)服務(wù)器端規(guī)劃以及管理課程實(shí)驗(yàn),而學(xué)生則可以通過(guò)客戶端登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成實(shí)驗(yàn),同時(shí)還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭來(lái)觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。結(jié)合模擬電子技術(shù)中運(yùn)算放大類(lèi)實(shí)驗(yàn)來(lái)闡述虛擬實(shí)驗(yàn)室在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室； LabVIEW； C/S架構(gòu)； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提升學(xué)生實(shí)踐素質(zhì)的一個(gè)重要途徑,在普通高等教學(xué)中占有重要的地位。隨著通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及虛擬儀器儀表技術(shù)的發(fā)展,虛擬遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生。

遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。一方面,它能節(jié)省大量教育經(jīng)費(fèi)；另一方面,它也使實(shí)驗(yàn)室在時(shí)間和空間上得到有效的延伸和利用。目前很多高校和科研單位已將基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于教學(xué)和科研[1]。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于可兼容多學(xué)科實(shí)驗(yàn),可設(shè)計(jì)特定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于實(shí)驗(yàn),而且便于維護(hù)升級(jí)、節(jié)省人力和財(cái)力。基于LabVIEW的虛擬遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值[2]。

1 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的組成

構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的核心思想是充分利用信息資源和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)媒體技術(shù),實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化和高效率。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

虛擬實(shí)驗(yàn)室由被測(cè)系統(tǒng)、硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)3個(gè)主要部分構(gòu)成。被測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)而搭建的實(shí)驗(yàn)電路；硬件平臺(tái)是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)；軟件平臺(tái)是虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心[3]。

硬件平臺(tái)由通用計(jì)算機(jī)和信號(hào)采集設(shè)備構(gòu)建。筆記本電腦、臺(tái)式機(jī)或者工作站等均可以用來(lái)作為通用計(jì)算機(jī)；信號(hào)采集設(shè)備可以選擇VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)、GPIB系統(tǒng)、串口系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集卡(例如DAQ系統(tǒng))等。軟件平臺(tái)分為操作系統(tǒng)層、儀器驅(qū)動(dòng)層以及應(yīng)用軟件層。操作系統(tǒng)可以是Windows系統(tǒng)、Linux系統(tǒng)等常用系統(tǒng)；儀器驅(qū)動(dòng)軟件是控制各種硬件設(shè)備接口的驅(qū)動(dòng)程序的集合,它建立在I/O接口操作軟件的基礎(chǔ)上,是連接應(yīng)用軟件和外圍硬件模塊的關(guān)鍵；應(yīng)用軟件包括設(shè)備廠商設(shè)計(jì)好的用于信號(hào)采集和顯示的儀器儀表程序以及用戶自己設(shè)計(jì)的虛擬面板程序[4]。

整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)采用C/S架構(gòu),加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中師生的溝通,并利用遠(yuǎn)程通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程觀測(cè)、遠(yuǎn)程理論指導(dǎo)等教學(xué)互動(dòng)。

2 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建

遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室分3部分構(gòu)建。

一是硬件平臺(tái)。它是完成實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集與分析處理。針對(duì)不同類(lèi)別的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),硬件平臺(tái)可以根據(jù)實(shí)際采用不同的硬件實(shí)現(xiàn)方案。

二是被測(cè)系統(tǒng)。被測(cè)系統(tǒng)的搭建與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)搭建方法基本相同,都是根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)并連接實(shí)驗(yàn)電路。

三是軟件平臺(tái)。用戶可以借助軟件平臺(tái),使用自己所需的虛擬儀器儀表或開(kāi)發(fā)新的虛擬實(shí)驗(yàn)面板,它是搭建虛擬實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵。

本虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件平臺(tái)采用基于Windows系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)系統(tǒng),它處理速度快、集成度高,適合于遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。因?yàn)楸粶y(cè)系統(tǒng)需要根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)原理、不同用戶的需求而設(shè)計(jì)，所以軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)成為虛擬遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的核心。本文構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件教學(xué)平臺(tái)是采用LabVIEW開(kāi)發(fā)的,分為服務(wù)器端(Server)和客戶端(Client)。該軟件平臺(tái)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件平臺(tái)的架構(gòu)

2.1 待測(cè)系統(tǒng)的搭建

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)類(lèi)似,在進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)之前,需按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理等搭建實(shí)驗(yàn)電路。本文實(shí)驗(yàn)電路搭建于教學(xué)實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套件NI ELVIS之上。該套件可用于創(chuàng)新設(shè)計(jì)及原理驗(yàn)證類(lèi)實(shí)驗(yàn),其功能強(qiáng)大,集成了數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、示波器等12款常用實(shí)驗(yàn)儀器儀表,其緊湊的結(jié)構(gòu)是實(shí)驗(yàn)室及課堂教學(xué)的理想選擇[5]。圖3是根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求搭建的一系列典型實(shí)驗(yàn)電路,包括單橋、半橋、全橋電路對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，熱敏電阻測(cè)量溫度實(shí)驗(yàn)，熱電偶測(cè)量溫度實(shí)驗(yàn)和三軸加速度傳感器實(shí)驗(yàn)等。

圖3 典型實(shí)驗(yàn)電路

2.2 服務(wù)器端構(gòu)建

服務(wù)器端是構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵。服務(wù)器端主要完成的工作包括對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)的支持、數(shù)據(jù)采集和分析處理、排隊(duì)系統(tǒng)的管理與維護(hù)、實(shí)驗(yàn)列表的安排與管理，以及實(shí)時(shí)視頻信息的傳輸。所有的實(shí)驗(yàn)程序都是在服務(wù)器端運(yùn)行的,然后通過(guò)TCP/IP協(xié)議將程序的控件值量化后發(fā)布到特定的局域網(wǎng)或者公網(wǎng)內(nèi)。Server端程序運(yùn)行后會(huì)主動(dòng)監(jiān)聽(tīng)來(lái)自Client端的任務(wù)指令,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)請(qǐng)求、實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置等相關(guān)操作[6]。

在服務(wù)器端,管理教師可以查看實(shí)驗(yàn)隊(duì)列中等待的用戶和所開(kāi)放的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容列表。在該架構(gòu)中,管理教師具有高度的權(quán)限,可以分時(shí)段賦予不同班級(jí)學(xué)生訪問(wèn)服務(wù)器的權(quán)限,這樣可以減少學(xué)生的排隊(duì)時(shí)間,高效利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。因此,管理教師在根據(jù)課程實(shí)驗(yàn)要求搭建實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)硬件電路后，需開(kāi)啟服務(wù)器端,只有服務(wù)器端先運(yùn)行起來(lái),學(xué)生才能通過(guò)遠(yuǎn)程客戶端發(fā)送請(qǐng)求進(jìn)行相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。

2.3 客戶端構(gòu)建

客戶端是虛擬實(shí)驗(yàn)室的主體,服務(wù)器端的虛擬面板是針對(duì)實(shí)驗(yàn)教師設(shè)計(jì)的,而客戶端的虛擬面板是根據(jù)學(xué)生需要而設(shè)計(jì)的?？蛻舳怂柰瓿傻娜蝿?wù)就是用戶信息的采集、UI管理和數(shù)據(jù)的回傳讀取、實(shí)驗(yàn)界面顯示等。當(dāng)然，客戶端也可對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程操作,以改變實(shí)驗(yàn)輸入變量的值[7]。在這些過(guò)程中,所有的信息將會(huì)以控件的形式顯示在前面板上,只通過(guò)LabVIEW而不需要其他的驅(qū)動(dòng)支持,就可以進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)和實(shí)驗(yàn),大大簡(jiǎn)化了客戶端的設(shè)計(jì)。

本文中列舉的客戶端分為3個(gè)主要的部分,即登錄界面、實(shí)驗(yàn)隊(duì)列顯示界面以及實(shí)驗(yàn)界面。登錄界面和實(shí)驗(yàn)隊(duì)列顯示界面主要用于協(xié)助實(shí)驗(yàn)教師完成教學(xué)工作,學(xué)生通過(guò)授權(quán)的學(xué)號(hào)登錄虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)會(huì)記錄學(xué)生的身份信息、實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)以及實(shí)驗(yàn)完成情況，并給予實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定[8]。登錄管理VI界面如圖4所示,該VI中使用了大量的表格和簇來(lái)完成信息的存儲(chǔ)。

圖4 用戶登錄VI界面

為了使實(shí)驗(yàn)者在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中具有身臨其境的體驗(yàn),在設(shè)計(jì)客戶端實(shí)驗(yàn)面板時(shí),將實(shí)驗(yàn)原理圖、被測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物連線圖顯示在客戶端。此外,學(xué)生還可以利用遠(yuǎn)程攝像設(shè)備實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,使遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)者可以真實(shí)地觀察到實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這種客戶端的引入，既避免了傳統(tǒng)的純虛擬實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)類(lèi)仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程過(guò)于理論化、受限于理想模型、缺乏真實(shí)實(shí)驗(yàn)氛圍等缺陷,又為實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了有效的實(shí)現(xiàn)手段[9]。客戶端的實(shí)驗(yàn)界面如圖5所示。

圖5 客戶端實(shí)驗(yàn)界面

3 模擬電子技術(shù)的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)

模擬電子技術(shù)是電子信息類(lèi)及其相關(guān)專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程。模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)既可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,又能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力,在眾多實(shí)驗(yàn)課程中占據(jù)重要地位。

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,儀器的功能單一。基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)需要函數(shù)發(fā)生器、示波器、萬(wàn)用表等多種儀器設(shè)備,而且實(shí)驗(yàn)電路接線繁瑣,影響了實(shí)驗(yàn)室的使用效率。與傳統(tǒng)儀器不同的是:遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室具有集成度高、虛擬儀表豐富、虛擬儀器(VI)種類(lèi)齊全等特點(diǎn),可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室模擬電子技術(shù)類(lèi)實(shí)驗(yàn)的不足之處[10]。筆者結(jié)合模擬電子技術(shù)中常見(jiàn)的運(yùn)算放大類(lèi)實(shí)驗(yàn)，闡述虛擬實(shí)驗(yàn)室在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

了解單橋、半橋、全橋電路工作原理,它們的特點(diǎn)以及相互之間的關(guān)系。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在系統(tǒng)中,由于采集到的信號(hào)很微弱,因此有必要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大。

本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容就是在同一輸入信號(hào)的基礎(chǔ)上,用調(diào)理電路對(duì)惠斯通電橋進(jìn)行調(diào)零并放大,觀察各電橋的輸出、分析其關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中使用的單橋、半橋、全橋電路如圖6—圖8所示[11-12]。

圖6 單橋調(diào)理電路

圖7 半橋調(diào)理電路

圖8 全橋調(diào)理電路

3.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1) 在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上按電橋調(diào)理電路搭建被測(cè)系統(tǒng),輸入信號(hào)來(lái)自NI ELVIS的函數(shù)發(fā)生器,輸出信號(hào)接至NI ELVIS的虛擬示波器信號(hào)輸入口。

(2) 在LabVIEW平臺(tái)上根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)前面板以及程序設(shè)計(jì)框圖,其中程序設(shè)計(jì)框圖如圖9所示。

(3) 完成該VI,計(jì)算出半橋與單橋輸出的比值、全橋與單橋輸出的比值,比較單橋、半橋和全橋的輸出關(guān)系。

圖9 實(shí)驗(yàn)程序框圖

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在單橋、半橋與全橋電路中均使用了滑動(dòng)變阻器作為橋臂,用于補(bǔ)償由于阻值誤差導(dǎo)致的電橋初始偏移。電橋的輸出經(jīng)過(guò)差分放大電路進(jìn)行100倍的放大,將毫伏級(jí)別的差分輸出放大至伏特級(jí)別,提高測(cè)量的靈敏度。

根據(jù)VI前面板顯示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知:半橋電路的輸出大約為單橋電路的2倍,而全橋電路的輸出大約為單橋電路的4倍。

4 結(jié)語(yǔ)

遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室是以計(jì)算機(jī)硬件為基礎(chǔ),使用特定的軟件工具構(gòu)建的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)中調(diào)用了一系列虛擬儀器(VI)來(lái)模擬和再現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

通過(guò)近幾年來(lái)的實(shí)踐,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等課程開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，建立了基于LabVIEW的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究提供了有力的支撐,教學(xué)效果顯著。

虛擬遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思想旨在“虛擬指導(dǎo)現(xiàn)實(shí),形象表現(xiàn)抽象”,使實(shí)驗(yàn)對(duì)象能不受傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件的限制,通過(guò)一個(gè)具有豐富信息的交互式界面平臺(tái)來(lái)實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,以輔助完成實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室必將廣泛應(yīng)用于各學(xué)科的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

References)

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Construction and application of remote virtual laboratory based on LabVIEW

Yuan Xiaoping, Jin Peng, Jiang Shuo, Liu Yudong

(School of Information and Electrical Engineering ,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

A remote virtual laboratory based on LabVIEW environment is constructed, which is composed of monitored system, hardware platform and software platform. This platform applies the C/S architecture, teachers can arrange and manage curriculum experiment through the server, and students can complete experiment by using client system to operate the remote experiment equipment. At the same time, students can also observe the experiment process and experimental phenomena with the network camera. The application of virtual laboratory in the analog electronic technology experiment is described.

remote virtual laboratory; LabVIEW; C/S framework; experimental teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.028

2016-08-10

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目(TAPP)資助；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)教學(xué)成果培育項(xiàng)目“面向卓越工程師創(chuàng)新能力培養(yǎng)的電子技術(shù)系列實(shí)踐課程改革”

袁小平(1966—),男,江蘇揚(yáng)州,博士,教授,國(guó)家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心主任,主要研究方向?yàn)殡娮酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能儀表與故障診斷.

E-mail：xpyuankd@163.com

TP393.09; G642.423

: A

: 1002-4956(2016)12-0114-04