將虛擬儀器技術推向網絡應用,更能發揮其“軟件就是儀器”的優勢,更有助于形成分布式的網絡測量體系,實現數據和儀器的遠程共享,從而為遠程測控服務。本文介紹網絡虛擬實驗室的使用BSDA結構,由客戶端、Web服務器、應用服務器以及實驗設備四個模塊組成,具備開發周期短,成本低的特點,同時又具有很強的兼容性和擴展性,能夠大大提高儀器的使用效率。

網絡虛擬實驗室是一個無墻的中心,通過計算機網絡系統,研究人員或學生將不受時空的限制,隨時隨地與同行協作,共享儀器設備,共享數據和計算資源,得到教師的遠程指導以及與同行相互研討。

由于通過網絡虛擬實驗室能夠實現跨時空跨學科的儀器設備遠程共享,甚至遠程控制,滿足科研教學對分布式實驗系統的要求,同時解決棘手的教學資源緊張問題,國外的很多科研院所也已經進行了相關的有益嘗試。如Carnegie-Mellon大學的卡Carnegie Mellon虛擬實驗室,Johns Hopkins大學的虛擬工程與科學實驗室,以及Tennessee大學的網上工程實驗室是其中的比較成功的范例。

網絡虛擬實驗室大多使用的是CS(客戶端／服務端)結構,按其實現功能基本可分為三類:

1. 軟件共享網絡虛擬實驗室。其特點為,服務端共享本地的虛擬實驗室模擬軟件平臺,接受客戶端發送的實驗請求,分析和處理實驗參數,經過計算模擬最終將結果返回客戶端。整個系統不涉及具體的實驗儀器硬件設備,只是利用軟件模擬實驗的過程；

2. 儀器共享網絡虛擬實驗室。服務端同樣接受客戶端的實驗請求和實驗參數,使用實驗參數配置與之連接的實驗儀器硬件設備,由實驗儀器硬件設備進行實驗,并將實驗結果返回服務端,最后返回到用戶端,實現實驗儀器的共享,實驗數據的共享。

3. 遠程控制網絡虛擬實驗室。與儀器共享網絡虛擬實驗室最大的區別在于除了實驗儀器實驗數據的共享之外,它還要實現客戶端對實驗儀器設備的遠程控制。

網絡虛擬實驗室實現原理

網絡虛擬實驗室的構建多使用瀏覽器/服務器/數據和應用(BSDA,Browser/Server/Database＆Application)結構,其原理如圖1所示,典型的網絡虛擬實驗室由客戶端、網頁服務器端、應用服務器端以及實驗儀器設備四部分組成。網頁服務器主要作用是提供Web接入服務、用戶認證管理、開放式交互實驗環境以及動態網頁的生成；應用服務器主要作用是控制和管理實驗儀器、采集和處理實驗數據；數據庫的主要作用則是配合用戶帳戶的管理、動態網頁的生成以及實驗數據的存儲和管理。

本網絡虛擬實驗室,主要由模擬仿真和實時測量兩個部分組成,如圖2所示。模擬仿真部分,主要完成驗證型、原理演示型實驗,使用LabVIEW自帶的網頁發布功能,直接在Web服務器端生成嵌入實驗平臺的WWW網頁,用戶只需使用網頁瀏覽器即可通過互聯網訪問網絡虛擬實驗室,進行實驗。

實時測量部分,主要完成儀器共享型、遠程控制型實驗,有一個多媒體輔助模塊,是對實際實驗平臺界面的虛擬呈現,讓學生在進入實時測量模塊之前來操作,用來檢驗學生的預習程度,讓學生預先了解實驗內容,熟悉具體的實驗步驟；另一個是實時測量模塊,它是實時測量部分的核心,負責本地實驗數據的采集,并按遠程用戶的操作要求進行分析、存儲以及顯示,可使用LabVIEW的網頁發布功能來實現,也可使用基于LabVIEW編程的 Application Server模塊與客戶端API模塊來實現網絡互連,數據通信,完成遠程實驗。

網絡虛擬實驗室的硬件結構

我們使用的是以NI-PXI構架為核心的硬件體系,并以一臺Dell PowerEdge4600為網絡服務器,如圖3所示。Dell PowerEdge4600為Web服務器配備了2個Intel Xeon 處理器,2GB ECC DDR RAM,3×36GB SCSI RAID(冗余磁盤陣列),以及Broadcom 千兆網卡,充分滿足多線程、大流量、高帶寬的使用要求。

應用服務器使用的是一臺PXI-1000B機箱,嵌入了PXI-8176控制器,以及PXI-6070E,PXI-6071E多功能數據采集卡,用來實現高速的數模轉換、數模輸入輸出以及數據采集；PXI-5102高性能示波器卡來完成信號的發生,提供穩定可靠的信號源；PXI-2501矩陣模塊用來實現不同測量元器件之間的自動切換,以滿足遠程用戶不同的測量要求,實現測量的多樣性；PXI-1422圖像采集卡用來完成PCB板、IC芯片的圖像提取,滿足電路檢查、IC設計的需要；PXI-7344運動控制卡用來實現電機伺服系統的參數提取,狀態跟蹤等。

一臺SCXI-1000機箱,嵌入了SCXI-1320和SCXI-1125信號調理模塊,用來對微電子系統,微電流電壓信號的放大、降噪、濾波,保持整個體系的高精確度。一臺最新的NI-ELVIS用于實驗模型的建立,搭建實驗電路,構建小型的電子電路系統,實現電子電路實驗的遠程共享。

系統設計技術實現

1. 模擬仿真部分

模擬仿真部分,我們以LabVIEW內置的網頁發布功能為基礎,通過HTML設計網頁,并使用Microsoft IIS 5.0發布功能,直接在服務器端生成嵌入實驗平臺的WWW網頁,用戶只需使用網頁瀏覽器進入我們的站點,即可通過互聯網進行實驗,其原理如圖4所示。

LabVIEW內置的Remote Panel Connection Manager用來對用戶的使用情況進行監控與調度,NI網絡服務器按照遠端實驗操作者制定的實驗數據,分析、計算數據最后顯示實驗曲線以及實驗結果,并將實驗結果嵌入生成的HTML網頁中,用戶只需使用瀏覽器即可實時顯示實驗數據以及實驗曲線,以及完成報告生成等后續工作。

2. 實時測量部分

實時測量部分,我們使用了兩種實現方案,用來滿足不同情況下用戶對遠程實驗的要求:一種是瀏覽器和NI網絡服務器結構,另一種是應用服務器API結構。使用PXI-1000B機箱以及嵌入的PXI板卡來作為NI網絡服務器與應用服務器。

瀏覽器和NI網絡服務器結構是在模擬仿真實現的基礎上,在NI網絡服務器上連接相應的DAQ、SCXI硬件,它再與實際的實驗儀器連接,用來實現遠程客戶端與實驗儀器的數據通信,完成實驗儀器的遠程共享,其原理如圖5所示。該結構適用于瘦客戶體系,客戶端無需計算分析數據,只需安裝因特網瀏覽器接收服務端傳輸的數據流,即可進行實驗,方便簡單,效率高,但是對服務器的運算能力、帶寬以及多線程狀態下的穩定性等指標要求比較高；同時由于每一時刻只允許一位用戶掌握控制權,所以比較適用于遠程控制型實驗。

應用服務器和API結構使用LabVIEW編程,以其內置TCP/IP模塊為基礎,構造一個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,數據通信以及容錯處理。應用服務器用來采集傳輸實驗數據,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,實現數據的獲取、分析運算以及顯示存儲等,其原理如圖6所示。

該結構要求API用戶終端將應用服務器端板卡采集的實驗數據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,可以實現多用戶廣播式共享實驗數據。

測試實驗為例

下面以半導體晶體管直流特性測試實驗為例,介紹應用服務器和API結構LabVIEW編程的實現方法。用戶首先進入的是一個多媒體仿真界面,用來檢驗預習狀況,并熟悉實際的儀器操作。如圖7所示,借助一套實際儀器的圖形面板,我們使用LabVIEW模擬了晶體管直流特性測試曲線,用戶使用旋鈕以及各種開關,可以像操作實際儀器一般,了解實驗的具體內容和步驟。

完成模擬之后,可以按下進入測量按鈕,進入實時測量面板,如圖8所示。面板上方的工具欄是相關的模式選擇、參數設置以及數據存儲等操作,中央的是實驗曲線的顯示界面。主程序框圖結構如圖9所示,客戶端API模塊先向服務端發送用戶信息和實驗請求,經服務端驗證通過,建立TCP連接；服務端然后接受客戶端實驗參數并在進行實驗儀器初始化；服務端采集實驗數據并通過TCP/IP協議發送數據包,客戶端接受實驗采樣數據,并按一定數據格式插入測量數組,同步顯示波形；采集完全部實驗數據,服務器發結束信息,然后斷開網絡聯接,完成實驗。

圖8顯示的是客戶端在遠端實測的CCMS實驗室本地晶體管的Ic-Vce曲線圖,圖10顯示晶體管放大倍數β的計算值,并實時顯示β-Ib曲線,用戶可以選擇保存按鈕,將實驗數據以需要的格式保存,進行相應的運算,使用HIQ生成實驗報告,最終完成實驗。

效果與結論

我們已經建立起以電子科學與技術專業為基礎的十幾套實驗系統,初步構成了一個跨時空、跨學科、跨平臺的網絡虛擬實驗室雛形,實現了實驗儀器的遠程共享以及遠程實驗。以NI虛擬儀器平臺為基礎的網絡虛擬實驗室,開發周期短,使用效率高,可擴展性強,成本低廉,是解決目前資源緊張問題的一種行之有效的途徑。

作者:周毅

碩士研究生

華中科技大學電子科學與技術系