摘要：國內(nèi)多數(shù)高校的實驗教學仍然采用實物儀器加簡單數(shù)據(jù)分析的傳統(tǒng)方式，這存在著諸多問題。在此利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，采用B／S體系結(jié)構(gòu)，建立了網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的框架模型。運用圖形化編程語言LabVIEW軟件，設(shè)計了相位差測量等相關(guān)的虛擬實驗，并實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。實踐表明，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實驗室，實現(xiàn)了遠程控制和資源共享，可以節(jié)省大量儀器設(shè)備的經(jīng)費投入，為實踐教學提供了一種全新的現(xiàn)代化手段，有助于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
關(guān)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(nèi)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(diào)研，發(fā)現(xiàn)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(zhì)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(nèi)，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(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)的迅速發(fā)展，充分利用“軟件就是儀器的”思想，將兩者結(jié)合，通過數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的體系結(jié)構(gòu)
    網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室一般采用C／S模式和B／S模式2種體系結(jié)構(gòu)。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(tǒng)采用B／S模式構(gòu)建。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)采用基于B／S模式的客戶端、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用程序服務(wù)器的三層次結(jié)構(gòu)，具有良好的適應(yīng)性及擴展性。在遠程實驗操作中使用虛擬儀器應(yīng)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(wǎng)站，向Web服務(wù)器提出實驗請求，并進行相關(guān)實驗操作。登陸網(wǎng)站以后，瀏覽器會根據(jù)實驗需要，從Web服務(wù)器中自動載入包含了虛擬儀器模塊的實驗網(wǎng)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(wù)器的主要任務(wù)是將虛擬實驗室以網(wǎng)站的形式發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)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(wù)器，通過瀏覽器與Web服務(wù)器進行交互，按照步驟完成遠程實驗操作。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括實驗信息、實驗管理信息以及系統(tǒng)管理信息等。應(yīng)用程序服務(wù)器在虛擬實驗室中負責各個虛擬實驗?zāi)K的管理和調(diào)度。采用虛擬儀器語言設(shè)計的實驗?zāi)K被集成在應(yīng)用程序服務(wù)器中，接收來自Web服務(wù)器的請求并做出響應(yīng)，完成信號的生成、數(shù)據(jù)分析以及結(jié)果顯示。

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室的設(shè)計
2．1 開發(fā)與使用環(huán)境
    網(wǎng)絡(luò)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(shè)計，并生成為應(yīng)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(shù)與儀器專業(yè)核心課程實驗為例，介紹網(wǎng)絡(luò)虛擬測控實驗室的功能及典型程序設(shè)計。
    遠程虛擬測控實驗室導(dǎo)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(tǒng)特性分析實驗、傳感器與檢測技術(shù)實驗、形位誤差測量實驗等4個模塊共24個虛擬實驗應(yīng)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(shè)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(shè)計方法。
2．3．1 設(shè)計原理
    本設(shè)計采用相關(guān)法實現(xiàn)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(guān)函數(shù)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(shè)計
    程序設(shè)計時，使用LabVIEW程序中信號處理模塊自帶的互相關(guān)函數(shù)對兩信號進行計算，然后調(diào)用Array子模板上的Index Array函數(shù)，獲取τ=0時的互相關(guān)函數(shù)值。為得到相位差，執(zhí)行Functions>>Numeric>>Trigonometric>>Inverse Cosine操作，調(diào)入反余弦函數(shù)，并由運算將相位差由弧度轉(zhuǎn)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(tǒng)采用LabVIEW自帶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實現(xiàn)虛擬實驗的遠程發(fā)布。LabVIEW網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(wù)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(wù)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(wǎng)址，如圖5所示。

    用戶遠程面板(Remote Panel)大大簡化了遠程應(yīng)用程序的生成，不需任何關(guān)于Java，CGI或其他第三方軟件工具編程，只需將生成的URL網(wǎng)址鏈接到相應(yīng)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(shè)置信號1幅值2 V，初始相位為30°；設(shè)置信號2幅值4 V，初始相位為90°；設(shè)置兩個信號的頻率均為2 Hz，采樣頻率為20 Hz，采樣點數(shù)為50點。程序計算得到的相位差為60°。

3 結(jié)語
    基于LabVIEW的虛擬實驗把傳統(tǒng)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(xié)調(diào)下象實物儀器一樣完成測試、處理、分析、顯示等任務(wù)，得到了在實驗室里相同的實驗過程和測試結(jié)果。同時基于B／S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)體系，實現(xiàn)了遠程控制、資源共享和數(shù)據(jù)共享，將實驗教學搬進了課堂，搬上了網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了理論與實踐的完美融合，減少了設(shè)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(tǒng)實驗?zāi)Ｊ剑兄趯W生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。