摘要：國(guó)內(nèi)多數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍然采用實(shí)物儀器加簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)分析的傳統(tǒng)方式，這存在著諸多問(wèn)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(shí)驗(yàn)室的框架模型。運(yùn)用圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW軟件，設(shè)計(jì)了相位差測(cè)量等相關(guān)的虛擬實(shí)驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。實(shí)踐表明，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和資源共享，可以節(jié)省大量?jī)x器設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入，為實(shí)踐教學(xué)提供了一種全新的現(xiàn)代化手段，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。
關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)高校都加強(qiáng)了實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)。通過(guò)對(duì)理工科院校實(shí)踐教學(xué)情況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)普遍存在以下幾個(gè)主要問(wèn)題：首先，學(xué)生要得到良好的實(shí)踐訓(xùn)練，就需要購(gòu)置很多昂貴的教學(xué)儀器，但各高校普遍存在資金投入不足的問(wèn)題；其次，實(shí)驗(yàn)中各種元器件的損耗非常大，造成很大的浪費(fèi)，這也間接對(duì)教師和學(xué)生造成一定的心里壓力，實(shí)驗(yàn)中縮手縮腳，擔(dān)心損壞儀器，使得實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量得不到保證；最后，遠(yuǎn)程教育的發(fā)展使教學(xué)不再被限制于學(xué)校的課堂內(nèi)，教學(xué)過(guò)程中必然要遇到如何對(duì)遠(yuǎn)程用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的問(wèn)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(guò)數(shù)據(jù)交換共享建成的虛擬實(shí)驗(yàn)室為以上問(wèn)題的解決提供了很好的方案。

1 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的體系結(jié)構(gòu)
    網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)發(fā)維護(hù)、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(kù)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(kuò)展性。在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)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(guò)Internet登陸虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站，向Web服務(wù)器提出實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作。登陸網(wǎng)站以后，瀏覽器會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，從Web服務(wù)器中自動(dòng)載入包含了虛擬儀器模塊的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁(yè)，這樣用戶不需要安裝任何專業(yè)軟件就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)室以網(wǎng)站的形式發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)還為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的安全運(yùn)行提供有效的管理與用戶認(rèn)證機(jī)制。遠(yuǎn)程用戶可以用Web瀏覽器訪問(wèn)此服務(wù)器，通過(guò)瀏覽器與Web服務(wù)器進(jìn)行交互，按照步驟完成遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息，包括實(shí)驗(yàn)信息、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室中負(fù)責(zé)各個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K的管理和調(diào)度。采用虛擬儀器語(yǔ)言設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K被集成在應(yīng)用程序服務(wù)器中，接收來(lái)自Web服務(wù)器的請(qǐng)求并做出響應(yīng)，完成信號(hào)的生成、數(shù)據(jù)分析以及結(jié)果顯示。

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)
2．1 開(kāi)發(fā)與使用環(huán)境
    網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室采用DreamWeaver軟件開(kāi)發(fā)，各虛擬實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)NI公司的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW設(shè)計(jì)，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(fèi)發(fā)布的LabVIEW Run-time Engine小程序即可順利完成各類虛擬實(shí)驗(yàn)。
2．2 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室功能
    以測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)核心課程實(shí)驗(yàn)為例，介紹網(wǎng)絡(luò)虛擬測(cè)控實(shí)驗(yàn)室的功能及典型程序設(shè)計(jì)。
    遠(yuǎn)程虛擬測(cè)控實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)航頁(yè)包括“實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介”、“實(shí)驗(yàn)室公告”、“使用說(shuō)明”以及“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室”4部分。點(diǎn)擊“進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室”，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)界面。如圖2所示。

    該部分包括信號(hào)分析與處理實(shí)驗(yàn)、測(cè)控系統(tǒng)特性分析實(shí)驗(yàn)、傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)、形位誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)等4個(gè)模塊共24個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用程序。每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)，包含“實(shí)驗(yàn)原理”、“功能描述”、“實(shí)驗(yàn)示例”和“在線實(shí)驗(yàn)”四個(gè)模塊，層層遞進(jìn)，有利于啟發(fā)學(xué)生的思維。
2．3 基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
    下面以“信號(hào)分析與處理”模塊中的相位差測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例詳細(xì)介紹虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。
2．3．1 設(shè)計(jì)原理
    本設(shè)計(jì)采用相關(guān)法實(shí)現(xiàn)兩同頻正弦信號(hào)的相位差測(cè)量，即利用兩信號(hào)的延時(shí)τ=0時(shí)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(jì)
    程序設(shè)計(jì)時(shí)，使用LabVIEW程序中信號(hào)處理模塊自帶的互相關(guān)函數(shù)對(duì)兩信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，然后調(diào)用Array子模板上的Index Array函數(shù)，獲取τ=0時(shí)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(yùn)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(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)程發(fā)布
    系統(tǒng)采用LabVIEW自帶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的遠(yuǎn)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(shí)首先打開(kāi)虛擬相位差測(cè)量的VI，啟動(dòng)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(yuǎn)程面板的主要窗口，如圖4所示。點(diǎn)擊Save to Disk，將會(huì)在Web服務(wù)器的根目錄下生成HTML文檔。隨后彈出一個(gè)對(duì)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(yuǎn)程面板(Remote Panel)大大簡(jiǎn)化了遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)”模塊，就可以將本地實(shí)驗(yàn)室的功能帶到瀏覽器環(huán)境中。客戶端只需要安裝LabVIEW運(yùn)行引擎，不需要安裝LabVIEW，即可通過(guò)Web瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。用戶在線遠(yuǎn)程運(yùn)行相位差測(cè)量實(shí)驗(yàn)的界面如圖6所示。設(shè)置信號(hào)1幅值2 V，初始相位為30°；設(shè)置信號(hào)2幅值4 V，初始相位為90°；設(shè)置兩個(gè)信號(hào)的頻率均為2 Hz，采樣頻率為20 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為50點(diǎn)。程序計(jì)算得到的相位差為60°。

3 結(jié)語(yǔ)
    基于LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)把傳統(tǒng)儀器的測(cè)試功能用形象逼真的面板控件形成軟件模塊，能夠在計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)下象實(shí)物儀器一樣完成測(cè)試、處理、分析、顯示等任務(wù)，得到了在實(shí)驗(yàn)室里相同的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和測(cè)試結(jié)果。同時(shí)基于B／S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)體系，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制、資源共享和數(shù)據(jù)共享，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)搬進(jìn)了課堂，搬上了網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的完美融合，減少了設(shè)備資金的投入，改善了實(shí)驗(yàn)條件，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、手段的完善，徹底打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。