摘要：國內多數高校的實驗教學仍然采用實物儀器加簡單數據分析的傳統方式，這存在著諸多問題。在此利用網絡技術和虛擬儀器技術，采用B／S體系結構，建立了網絡虛擬實驗室的框架模型。運用圖形化編程語言LabVIEW軟件，設計了相位差測量等相關的虛擬實驗，并實現了網絡發(fā)布。實踐表明，基于網絡的虛擬實驗室，實現了遠程控制和資源共享，可以節(jié)省大量儀器設備的經費投入，為實踐教學提供了一種全新的現代化手段，有助于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
關鍵詞：虛擬實驗室；虛擬儀器；LabVIEW；B／S

0 引言
    為更好地培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，國內高校都加強了實踐環(huán)節(jié)的教學。通過對理工科院校實踐教學情況的調研，發(fā)現普遍存在以下幾個主要問題：首先，學生要得到良好的實踐訓練，就需要購置很多昂貴的教學儀器，但各高校普遍存在資金投入不足的問題；其次，實驗中各種元器件的損耗非常大，造成很大的浪費，這也間接對教師和學生造成一定的心里壓力，實驗中縮手縮腳，擔心損壞儀器，使得實踐教學質量得不到保證；最后，遠程教育的發(fā)展使教學不再被限制于學校的課堂內，教學過程中必然要遇到如何對遠程用戶進行實驗教學的問題。
    隨著網絡技術和虛擬儀器技術的迅速發(fā)展，充分利用“軟件就是儀器的”思想，將兩者結合，通過數據交換共享建成的虛擬實驗室為以上問題的解決提供了很好的方案。

1 網絡虛擬實驗室的體系結構
    網絡虛擬實驗室一般采用C／S模式和B／S模式2種體系結構。B／S模式在標準、開發(fā)維護、界面使用、客戶端要求、靈活性以及儀器的安全性等方面都比C／S模式具有更好的優(yōu)越性，故該系統采用B／S模式構建。結構如圖1所示。

    系統采用基于B／S模式的客戶端、Web服務器、數據庫服務器和應用程序服務器的三層次結構，具有良好的適應性及擴展性。在遠程實驗操作中使用虛擬儀器應用程序，只需配備支持ActiveX的瀏覽器就可通過Internet登陸虛擬實驗室網站，向Web服務器提出實驗請求，并進行相關實驗操作。登陸網站以后，瀏覽器會根據實驗需要，從Web服務器中自動載入包含了虛擬儀器模塊的實驗網頁，這樣用戶不需要安裝任何專業(yè)軟件就可以進行實驗，從而使客戶端的需求降到最低。
    Web服務器的主要任務是將虛擬實驗室以網站的形式發(fā)布在網絡中，同時還為遠程實驗的安全運行提供有效的管理與用戶認證機制。遠程用戶可以用Web瀏覽器訪問此服務器，通過瀏覽器與Web服務器進行交互，按照步驟完成遠程實驗操作。數據庫服務器用于存儲系統相關數據信息，包括實驗信息、實驗管理信息以及系統管理信息等。應用程序服務器在虛擬實驗室中負責各個虛擬實驗模塊的管理和調度。采用虛擬儀器語言設計的實驗模塊被集成在應用程序服務器中，接收來自Web服務器的請求并做出響應，完成信號的生成、數據分析以及結果顯示。

2 網絡虛擬實驗室的設計
2．1 開發(fā)與使用環(huán)境
    網絡虛擬實驗室采用DreamWeaver軟件開發(fā)，各虛擬實驗采用美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW設計，并生成為應用程序?？蛻舳酥灰蠭nternet Explorer 5．0以上的瀏覽器并下載安裝NI公司免費發(fā)布的LabVIEW Run-time Engine小程序即可順利完成各類虛擬實驗。
2．2 遠程虛擬實驗室功能
    以測控技術與儀器專業(yè)核心課程實驗為例，介紹網絡虛擬測控實驗室的功能及典型程序設計。
    遠程虛擬測控實驗室導航頁包括“實驗室簡介”、“實驗室公告”、“使用說明”以及“進入實驗室”4部分。點擊“進入實驗室”，打開實驗界面。如圖2所示。

    該部分包括信號分析與處理實驗、測控系統特性分析實驗、傳感器與檢測技術實驗、形位誤差測量實驗等4個模塊共24個虛擬實驗應用程序。每個虛擬實驗，包含“實驗原理”、“功能描述”、“實驗示例”和“在線實驗”四個模塊，層層遞進，有利于啟發(fā)學生的思維。
2．3 基于LabVIEW的虛擬實驗設計
    下面以“信號分析與處理”模塊中的相位差測量實驗為例詳細介紹虛擬實驗的設計方法。
2．3．1 設計原理
    本設計采用相關法實現兩同頻正弦信號的相位差測量，即利用兩信號的延時τ=0時的互相關函數值與其相位差的余弦值成正比的原理獲得相位差。

2．3．2 程序設計
    程序設計時，使用LabVIEW程序中信號處理模塊自帶的互相關函數對兩信號進行計算，然后調用Array子模板上的Index Array函數，獲取τ=0時的互相關函數值。為得到相位差，執(zhí)行Functions>>Numeric>>Trigonometric>>Inverse Cosine操作，調入反余弦函數，并由運算將相位差由弧度轉化為角度表示。程序代碼如圖3所示。

2．3．3 虛擬實驗的遠程發(fā)布
    系統采用LabVIEW自帶的網絡服務器實現虛擬實驗的遠程發(fā)布。LabVIEW網絡服務器是LabVIEW的Remote Panels一部分，發(fā)布VI時首先打開虛擬相位差測量的VI，啟動Web服務器。選擇菜單中Tools>>Web F’ublishingTool，彈出的窗口是交互地創(chuàng)建和發(fā)布遠程面板的主要窗口，如圖4所示。點擊Save to Disk，將會在Web服務器的根目錄下生成HTML文檔。隨后彈出一個對話框，其中包含生成的HTML文檔的URL網址，如圖5所示。

    用戶遠程面板(Remote Panel)大大簡化了遠程應用程序的生成，不需任何關于Java，CGI或其他第三方軟件工具編程，只需將生成的URL網址鏈接到相應的“在線實驗”模塊，就可以將本地實驗室的功能帶到瀏覽器環(huán)境中?？蛻舳酥恍枰惭bLabVIEW運行引擎，不需要安裝LabVIEW，即可通過Web瀏覽器進行遠程監(jiān)視和控制。用戶在線遠程運行相位差測量實驗的界面如圖6所示。設置信號1幅值2 V，初始相位為30°；設置信號2幅值4 V，初始相位為90°；設置兩個信號的頻率均為2 Hz，采樣頻率為20 Hz，采樣點數為50點。程序計算得到的相位差為60°。

3 結語
    基于LabVIEW的虛擬實驗把傳統儀器的測試功能用形象逼真的面板控件形成軟件模塊，能夠在計算機的協調下象實物儀器一樣完成測試、處理、分析、顯示等任務，得到了在實驗室里相同的實驗過程和測試結果。同時基于B／S結構的網絡體系，實現了遠程控制、資源共享和數據共享，將實驗教學搬進了課堂，搬上了網絡，實現了理論與實踐的完美融合，減少了設備資金的投入，改善了實驗條件，促進了實驗教學方法、手段的完善，徹底打破了傳統實驗模式，有助于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。