0 引言
    隨著招生規(guī)模的不斷擴(kuò)大，國內(nèi)普通高等院校實(shí)驗(yàn)設(shè)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(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容側(cè)重于理論驗(yàn)證和模仿訓(xùn)練，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和綜合能力的提高,。滯后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和死板的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ诫y以調(diào)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性,，實(shí)驗(yàn)教學(xué)處于應(yīng)試教育。而虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)則主要依賴于軟件和較少的配套硬件,，使實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)費(fèi)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(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,，實(shí)現(xiàn)了資源共享,，避免了儀器重復(fù)添置，滿足了用戶不再受時間,、地點(diǎn)限制進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時合作,，提高了用戶的學(xué)習(xí)效果。

1 系統(tǒng)的總體目標(biāo)
    本系統(tǒng)的總體目標(biāo)是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個基于局域網(wǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺,，該虛擬實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn),，使學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)完成大學(xué)相關(guān)課程的規(guī)定實(shí)驗(yàn)，突破地域和時間上的限制,，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的,。學(xué)生是虛擬實(shí)驗(yàn)室的最終用戶，每個用戶以自己的學(xué)號和密碼作為出入虛擬實(shí)驗(yàn)室的通行證,，登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)后,，可以在客戶端進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作。在虛擬實(shí)驗(yàn)室中,，用戶可以選擇實(shí)驗(yàn),，選擇實(shí)驗(yàn)儀器,，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真,、數(shù)據(jù)分析。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)采用GPIB(general purpose interface bus)儀器控制技術(shù),，將可程控儀器連接到LabVIEW儀器控制服務(wù)器上,，實(shí)現(xiàn)儀器的本地控制，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把所提供的實(shí)驗(yàn)題目及內(nèi)容放入建立的網(wǎng)站上,，遠(yuǎn)程用戶只需利用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器,，就可以登錄到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器,。在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)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(shù)傳送到網(wǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果,。
2．1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的硬件結(jié)構(gòu)
    整個遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的硬件是由Web服務(wù)器,、儀器控制服務(wù)器、硬件實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)板,、數(shù)字實(shí)驗(yàn)板、實(shí)驗(yàn)臺控制板組成,。電源板為整個實(shí)驗(yàn)電路提供±5 V,，±12 V和+18 V電壓；串口通信板完成與上位機(jī)的串口通信,，并發(fā)送命令參數(shù)給實(shí)驗(yàn)臺控制板,；實(shí)驗(yàn)臺控制板進(jìn)行具體的儀器測試點(diǎn)切換工作；模擬實(shí)驗(yàn)板和數(shù)字實(shí)驗(yàn)板實(shí)現(xiàn)的是具體的實(shí)驗(yàn)電路,。
    單片機(jī)串口通信板在硬件平臺中處于至關(guān)重要的地位,，它負(fù)責(zé)與LabVIEW服務(wù)器的串行口通信、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)字節(jié)的輸出和獲取,、模擬實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)的切換,。系統(tǒng)選用了AT89C51作核心控制器。實(shí)驗(yàn)臺控制板主要實(shí)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)各輸入／輸出測試點(diǎn)的可控制切換,。實(shí)現(xiàn)多個模擬實(shí)驗(yàn)時,，需要切換輸入信號輸入點(diǎn)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(diǎn),。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制測試點(diǎn)的切換,，所以模擬實(shí)驗(yàn)板上相關(guān)測試點(diǎn)都必須引出接線點(diǎn)，以便于與實(shí)驗(yàn)臺控制板接口,。當(dāng)增加實(shí)驗(yàn)數(shù)目,，也無需改動實(shí)驗(yàn)臺控制板時,，只要從實(shí)驗(yàn)板引出測試點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)臺控制板接口即可。
2．2 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    如圖1所示,，整個遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的軟件構(gòu)成可分為以下幾個子系統(tǒng)：Web服務(wù)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(wù)器是整個系統(tǒng)的核心部分,。通過Web服務(wù)器,，用戶可以訪問Web站點(diǎn)、控制儀器,，并獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果,。公共網(wǎng)關(guān)接口(CGI)和傳輸控制協(xié)議(TCP)是客戶端與Web服務(wù)器以及Web服務(wù)器與實(shí)驗(yàn)室服務(wù)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(jī)上裝有通用接口總線(GPIB)接口和一塊網(wǎng)卡,。儀器控制服務(wù)器通過已建立起的TCP／IP通道獲得來自Web服務(wù)器控制儀器的命令字符串。進(jìn)而啟動儀器工作,，完成測試任務(wù),。客戶端子系統(tǒng)是嵌入在Web服務(wù)器中,。當(dāng)用戶登錄到Web服務(wù)器上后,，用戶可以瀏覽虛擬實(shí)驗(yàn)室站點(diǎn)，獲得所提供實(shí)驗(yàn)的概括介紹以及詳細(xì)說明,。
2．3 虛擬實(shí)驗(yàn)室的交互過程
    開始實(shí)驗(yàn)操作時,，遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器進(jìn)入遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)網(wǎng)站的登錄頁面，如圖2所示,。

    當(dāng)Web服務(wù)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(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)而向儀器控制服務(wù)器提交調(diào)用VI的請求,。運(yùn)行于儀器控制服務(wù)器上的G Web Server接收到請求后,，建立起與客戶端TCP／IP連接，調(diào)用相應(yīng)的VI程序：首先調(diào)用串口通信程序,，即通過串口向硬件實(shí)驗(yàn)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(diào)用相關(guān)儀器設(shè)備,，對實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測試,；最后將實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果以CGI響應(yīng)的方式回傳到Web服務(wù)器，由Web服務(wù)器端的CGI程序刷新客戶端顯示,，完成了整個實(shí)驗(yàn)的操作過程,。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)采用Application Server＆API結(jié)構(gòu)。Application Server＆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Application Server應(yīng)用服務(wù)器端和一個API用戶終端，由TCP／IP模塊完成網(wǎng)絡(luò)互連,，數(shù)據(jù)通信以及容錯處理,。該結(jié)構(gòu)要求API用戶終端將Application Server應(yīng)用服務(wù)器端板卡采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)下載到本地終端來分析、計(jì)算,、顯示以及存儲,，除了對網(wǎng)絡(luò)帶寬、穩(wěn)定性有很高的要求之外,，對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)。主程序框圖結(jié)構(gòu)如圖3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)請求,，經(jīng)服務(wù)端驗(yàn)證通過，建立TCP連接,；然后服務(wù)端接受客戶端實(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TCP／IP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包，客戶端接受共享實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),。

    下面以周期信號時域特性的測量實(shí)驗(yàn)為例,，介紹ApplicationServer＆API結(jié)構(gòu)LabVIEW編程的實(shí)現(xiàn)方法。
    用戶首先進(jìn)入的是一個多媒體仿真界面,，實(shí)驗(yàn)采樣數(shù)據(jù),，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,，然后斷開網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，完成實(shí)驗(yàn),。圖4顯示的是客戶端在遠(yuǎn)端實(shí)測的實(shí)驗(yàn)室周期信號的時域特性,，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,，還可以生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，最終完成實(shí)驗(yàn),。

4 結(jié)語
    本文以虛擬儀器為平臺設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),，通過用戶登陸界面，嵌入一些虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備,。實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器操作的模擬和測量,，并在電子科學(xué)學(xué)院進(jìn)行了演示，取得了很好的效果,。該網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室較以往的虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化,，達(dá)到了資源共享,，避免了儀器重復(fù)添置和資源浪費(fèi)，使學(xué)生做實(shí)驗(yàn)不再受時間和地點(diǎn)的限制,。具有開發(fā)周期短,，使用效率高，可擴(kuò)展性強(qiáng),，成本低廉的特點(diǎn),，是解決目前高教擴(kuò)招帶來的資源緊張問題的一種行之有效的途徑。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善,，虛擬實(shí)驗(yàn)室會有更好的應(yīng)用前景,。