呂太國

摘要：利用圖形化編程軟件Labview設(shè)計了一套演示利薩如圖形的虛擬儀器，對虛擬儀器的界面和交互性進(jìn)行了全面的仿真。借助于功能強(qiáng)大的LabVIew網(wǎng)絡(luò)化工具和技術(shù)，以不同方案實現(xiàn)了該虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化，該演示仿真系統(tǒng)對于提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效率、降低實驗教學(xué)成本具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：Labview虛擬仿真；利薩如圖形；web

中圖分類號：G724文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、引言

繼續(xù)教育是提高勞動者素質(zhì)、推進(jìn)我國科技進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的重要手段，是構(gòu)建大眾化、社會化終身教育體系的重要組成部分。隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，教學(xué)領(lǐng)域越來越多地運(yùn)用信息技術(shù)作為教學(xué)的輔助手段，通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)接受繼續(xù)教育的人數(shù)逐年增加，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為當(dāng)代繼續(xù)教育的必要手段之一，本文就如何設(shè)計網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真實驗開展繼續(xù)教育進(jìn)行有益的探討。

物理實驗需要有相應(yīng)的配套設(shè)備及其實驗環(huán)境，但是在實際實驗過程中有些實驗設(shè)備比較復(fù)雜并且價格特別昂貴，這在很多地方限制了實驗的進(jìn)行。同時又由于在現(xiàn)實的實驗中、往往同時存在著許多與定律無關(guān)的因素。對于這些無關(guān)因素，有時只能盡量減小它們對結(jié)果的影響，而不能徹底消除，因而對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。另外，由于高校招生規(guī)模的擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)的增加與實驗場地和儀器設(shè)備套數(shù)的局限形成了日益鮮明的矛盾，對于畢業(yè)后的學(xué)生或者社會人員進(jìn)行繼續(xù)教育難以提供條件和機(jī)會，解決這些矛盾成為當(dāng)前實驗教學(xué)改革刻不容緩的任務(wù)。隨著計算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，使得現(xiàn)代計算機(jī)具備了強(qiáng)大的多媒體和數(shù)據(jù)處理能力。用計算機(jī)軟件來虛擬和仿真現(xiàn)實事物已經(jīng)成為可能，并越來越廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域。利用計算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展的成就，以軟件仿真的形式設(shè)計制作各類物理實驗課件，把部分知識性、理解性和驗證性的實驗教學(xué)內(nèi)容在計算機(jī)上并且通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)完成，不僅可以緩解實驗場地、儀器設(shè)備緊張的矛盾，大大減輕傳統(tǒng)實驗教學(xué)的負(fù)擔(dān)。而且軟件的制作、維護(hù)和更新要比硬件設(shè)備容易得多，成本也低得多。所以，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于實驗科研和遠(yuǎn)程繼續(xù)教育，將給傳統(tǒng)的實驗教學(xué)注人新的活力。

網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，拓展了虛擬儀器測試系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，使之能通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程測控的功能，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器系統(tǒng)。它可以使信息采集、傳輸和處理一體化，使許多昂貴的測試設(shè)備得以共享?？蓪δ承┪ｋU的、環(huán)境惡劣的不適合人員現(xiàn)場操作的測試作遠(yuǎn)程監(jiān)控，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)放在服務(wù)器中供用戶使用。網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室是一個無墻的中心，通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，研究人員或?qū)W生將不受時空的限制，隨時隨地與同行協(xié)作，共享儀器設(shè)備，共享數(shù)據(jù)和計算資源，學(xué)員可以得到教師的遠(yuǎn)程指導(dǎo)以及與同行相互研討。

二、網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室種類

從眾多的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室來看，按其實現(xiàn)的功能可以把它們分成以下兩類：純軟件仿真形式的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室和直接操作遠(yuǎn)程實驗室實驗的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室。

(一)純軟件仿真形式的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室

這類實驗室主要特點(diǎn)是不涉及具體的實驗儀器硬件設(shè)備，只是利用軟件來模擬演示實驗。它是對實際物理設(shè)備及實驗過程的仿真，可以通過網(wǎng)絡(luò)來訪問，其所有的內(nèi)容都集中在服務(wù)器上，便于集中管理。

模擬仿真實驗，主要完成驗證型、原理演示型實驗。設(shè)計虛擬儀器的過程與主要工作內(nèi)容就是編制應(yīng)用軟件的過程。設(shè)計虛擬儀器必須有合適的軟件工具，綜合各種開發(fā)工具的特點(diǎn)，我們選擇Lab－view作為開發(fā)平臺。并且使用LabVIEW自帶的網(wǎng)頁發(fā)布功能，直接在Web服務(wù)器端生成嵌入實驗平臺的www網(wǎng)頁，用戶只需使用網(wǎng)頁瀏覽器即可通過Internet訪問網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室，進(jìn)行虛擬仿真實驗。

(二)直接操作遠(yuǎn)程實驗的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室

這類實驗室與前面一種最主要的區(qū)別在于控制對象是真實的實驗設(shè)備。服務(wù)器端接受客戶端的實驗請求和實驗參數(shù)，使用實驗參數(shù)配置與之連接的實驗儀器硬件設(shè)備，由實驗儀器硬件設(shè)備進(jìn)行實驗，并將實驗結(jié)果返回?？蛻舳丝梢砸贿呎{(diào)整參數(shù)，一邊觀看實驗的真實運(yùn)行過程。這種實驗室利用了有限的實驗資源，而且收到了較好的效果，是目前網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室研究發(fā)展的一個重要方向。

根據(jù)應(yīng)用情況與實際的條件選擇基于計算機(jī)的虛擬儀器的儀器模塊(VXI,總線、PCI總線、總線、GPIB儀器)，包括傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、信號源等模塊。硬件確定以后，主要確定軟件功能模塊，哪些儀器功能由軟件實現(xiàn)，將軟件功能劃分為相對獨(dú)立的模塊，然后選擇圖形化的Lab-view軟件平臺編寫相應(yīng)的儀器前而板及程序框圖。采用Labyiew編寫虛擬儀器軟件簡化了程序設(shè)計，提高了效率。利用Labview和NI的數(shù)據(jù)采集卡可以實現(xiàn)了諸如數(shù)據(jù)采集、虛擬示波器、虛擬信號發(fā)生器、虛擬頻譜分析儀等多種儀器功能。

從以上分析可見，遠(yuǎn)程操作實驗的虛擬實驗室具有許多優(yōu)越性，但需要較多的投資，開發(fā)周期較長。而純軟件的虛擬實驗室投資較少，實驗可以任意擴(kuò)充，形式可以豐富多彩，而且易于開發(fā)，具有很高的實用價值。

三、系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)

(一)開發(fā)工具

在設(shè)計仿真實驗時，首先要選擇一個適宜的軟件開發(fā)工具。目前廣泛采用的虛擬儀器開發(fā)軟件有LabVIEW和LabWindowsPCVI。這里采用Lab-VIEW，LabView是美國國家儀器公司推出的虛擬儀器軟件平臺，它是一種圖形化的編程軟件，即源程序是框圖式的，沒有嚴(yán)格的語法規(guī)則，易學(xué)易用，實驗教學(xué)人員只需稍加學(xué)習(xí)就可以基本掌握，在測試、虛擬儀器領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用。

LabView編程有兩個界面，一個叫作前面板，對應(yīng)儀器的操作面板，各種開關(guān)、旋鈕、指示燈、顯示屏、色彩、裝飾條等均可直接用鼠標(biāo)在前面板上拖動布置。布置好的前面板就是程序運(yùn)行的界面，因此，可以容易地設(shè)計出美觀的模擬真實儀器的界面。另一個編程界面叫后面板，后面板從形式上看是一些圖標(biāo)、連接線、運(yùn)算符等。前面板上除裝飾性的圖和文字以外，各種開關(guān)、指示、顯示屏等都對應(yīng)后面板上一個圖標(biāo)，這些圖標(biāo)在后面板上通過連接線、運(yùn)算符等連接起來，構(gòu)成一定的關(guān)系。編程過程不再是代碼組合，而成為圖標(biāo)的連接與組合。

LabView提供了豐富的軟件資源供用戶使用，除了前面板上的輸入、輸出控件以外，還有波形產(chǎn)生、波形分析、濾波器、控制、設(shè)計、仿真等大量算法可直接調(diào)用。此外，LabView還提供了C，MatLab，ActiveX，DLL等程序接口，大大提高了編程效率。

LabVIEW通過內(nèi)建功能強(qiáng)大的TCP/IP及UDP協(xié)議技術(shù)、DataSocket技術(shù)、VI Server和web服務(wù)器技術(shù)，較好地實現(xiàn)了虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化

擴(kuò)展。Web服務(wù)器是虛擬儀器由LAN向WAN擴(kuò)展的，實現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)化擴(kuò)展極具價值的一環(huán)。使用Lab-VIEW的Web服務(wù)器，可以方便簡單地實現(xiàn)在Web上發(fā)布LabVIEW程序；同時，網(wǎng)絡(luò)上的計算機(jī)無需安裝LabVIEw，就可以查看以HTML文件發(fā)布的Web網(wǎng)頁，甚至通過網(wǎng)頁控制程序的運(yùn)行。使虛擬儀器Web化得以實現(xiàn)，借此建立起強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)化功能。

我們以LabVIEW內(nèi)置的網(wǎng)頁發(fā)布功能為基礎(chǔ)，通過HTML設(shè)計網(wǎng)頁，并使用Microsoft IIS5.0發(fā)布功能，直接在服務(wù)器端生成嵌入實驗平臺的www網(wǎng)頁，用戶只需使用網(wǎng)頁瀏覽器進(jìn)入相關(guān)站點(diǎn)，即可通過Intemet進(jìn)行虛擬仿真實驗。

(二)軟件設(shè)計

利薩如圖形演示儀是我們基于Labview平臺制作的一個仿真程序，其前面板如圖1所示。利薩如圖形是由兩個相互垂直的簡諧振動在一定條件下合成的圖形。在通常的演示實驗中，一般采用信號發(fā)生器提供信號。我們在軟件設(shè)計中，采用兩個信號

發(fā)生模塊代替真正的信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，分別作為x軸和y軸輸入信號，然后通過一顯示模塊把合成的波形顯示出來。該虛擬演示儀器可以同時顯示兩信號源分別產(chǎn)生的波形和兩波形合成的利薩如圖形。在儀器的前面板上我們可以任意設(shè)置信號的頻率、初位相、振幅。利用此虛擬儀器還可以演示多種波形的合成：正弦波、余弦波、方形波、鋸齒波和三角波以及它們之間的相互垂直合成，可以實現(xiàn)用真實的儀器實現(xiàn)的各種演示。而且可以驗證利薩如圖形的各種特點(diǎn)，使實驗變的簡單易行。

(三)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與訪問

使用LabVIE w的web服務(wù)器在web上發(fā)布LabVIEW程序，可以使本地或遠(yuǎn)程計算機(jī)瀏覽或者控制Server端中的Remote Panels。

在LabVIEW6.1中設(shè)定并使用Remote Panels需要兩個步驟：

(1)在LabVIEW Web Server端的計算機(jī)上開啟LabVIEW Web Server服務(wù)。

(2)在Client端計算機(jī)上連接并運(yùn)行Remote Panels。

在web上發(fā)布LabVIEw程序有多種方式，但是使用每種方式之前都必須首先在發(fā)布程序的機(jī)器上打開Web服務(wù)器，而且有必要了解一些有關(guān)Web服務(wù)器的設(shè)置，這些設(shè)置可以通過Tools－>Options…菜單項，打開選項對話框后進(jìn)行。

在Web上發(fā)布HTML(Hypertext Markup Language，超文本鏈接標(biāo)示語言)文件的方法是首先生成一個HTML文件，文件中包括程序前面板和文本說明，這個文件保存以后，在發(fā)布程序的機(jī)器上運(yùn)行Web服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)上的任何計算機(jī)不管是否安裝了LabVIEW，只要按規(guī)定的格式在Web瀏覽器中輸入URL，就可以查看保存的Web頁。一個程序發(fā)布多個不同的網(wǎng)頁，各個機(jī)器可以分別瀏覽。

在發(fā)布程序的機(jī)器上運(yùn)行Web Server以后，就可以在Client端訪問Web Server上的Remote Pan－els程序了。根據(jù)client端安裝的軟件的不同，有不同的訪問方式。

1、在Web上瀏覽程序前面板

這是在web上瀏覽程序的最簡單的方式。適宜Clmnt端只有瀏覽器的情況。

在發(fā)布程序的機(jī)器上運(yùn)行web服務(wù)器以后，網(wǎng)絡(luò)上的任何計算機(jī)不管是否安裝了LabVIEW，只要按規(guī)定的格式在Web瀏覽器中輸入URL，就可以查看Web服務(wù)器所在計算機(jī)內(nèi)存中程序的前面板。

2、在Web上瀏覽HTML文件

在Client端只有瀏覽器的情況下，如果在WebServer中生成了HTML文件并運(yùn)行Web服務(wù)器，只要按規(guī)定的格式在在Client端web瀏覽器中輸入URL，就可以查看保存在Web服務(wù)器中的Web頁。如果發(fā)布網(wǎng)頁的程序在計算機(jī)內(nèi)存中，則Web頁中包括程序的前面板圖像；否則將只有文本內(nèi)容。

3、通過網(wǎng)頁瀏覽器在網(wǎng)頁中操作R,emote Panels

通過在Client端計算機(jī)上安裝免費(fèi)的Lab-VIEW6，1 Run-Time Engine或LabVIEW5，1來實現(xiàn)對Remote Panels的控制操作。LabVIEW6，1的Remote Panels不僅可以觀看，而且可以在Lab-VIEW的環(huán)境中或瀏覽器上加以控制，這個功能強(qiáng)大的工具讓許多開發(fā)人員可以輕松地創(chuàng)建遠(yuǎn)程應(yīng)用程序。

四、結(jié)束語

傳統(tǒng)的繼續(xù)教育形式諸如函授教學(xué)、課堂面授、廣播電視教學(xué)等在現(xiàn)實的實驗教學(xué)過程中受到時間、空間、儀器等條件的限制，難以達(dá)到理想的教學(xué)效果。所以在現(xiàn)代信息社會中，利用網(wǎng)絡(luò)和虛擬儀器技術(shù)開發(fā)遠(yuǎn)程仿真實驗成為改革繼續(xù)教育方式的必然要求。這種教學(xué)方式實現(xiàn)了跨地域、跨時間的測量，實現(xiàn)了實驗的高度自動化、智能化，縮短了研究時間。它不僅可以給學(xué)員帶來一種如臨現(xiàn)場的親身感受，加強(qiáng)學(xué)員的感性認(rèn)識，提高了學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。同時，利用網(wǎng)上虛擬仿真實驗開展繼續(xù)教育，既可以節(jié)約購買實驗儀器的成本，又不受學(xué)習(xí)時間地點(diǎn)的制約。因此在網(wǎng)絡(luò)普及的現(xiàn)代信息社會，利用網(wǎng)上虛擬仿真實驗開展繼續(xù)教育是一個不錯的選擇。

【責(zé)任騙輯姜雪】