基于NI ELVIS的遠程虛擬實驗室的研究

2 NI ELVIS和iLabs簡介
2．1 NIELVIS簡介
    NI教學實驗虛擬儀器套件(NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite，簡稱ELVIS)是在NI數(shù)據(jù)采集卡和圖形化開發(fā)環(huán)境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，簡稱LabVIEW)編程的基礎上集成了實驗常用儀器功能的虛擬儀器套件。該套件通過軟硬件相結合搭建的虛擬儀器開發(fā)平臺。其中軟件部分包括集成的多種通用電路電子測試的軟儀器，如LabVIEW、NI—DAQ開發(fā)軟件等。該套件安裝在計算機軟件前面板(Soft Front Pannel，簡稱SFP)虛擬儀器。NI ELVIS加載了LabVIEW創(chuàng)建的軟件前面板儀器以及儀器的源代碼，通過修改Lab VIEW代碼來更改SFP的功能。NI ELVIS所集成的軟儀器功能：信號分析(示波器，動態(tài)信號分析，波特圖分析，阻抗分析儀等)；數(shù)字萬用表(測量電壓，電流，電阻，電感，二極管的極性等)；信號源(信號發(fā)生器和任意波型發(fā)生器，可手動調節(jié)，也可編程設置，并具有掃頻功能)；定時／數(shù)字量(頻率，計數(shù)器和數(shù)字I／O)；直流電源(標準+5 V，±15 V和可變調節(jié)的±12 V)。而硬件部分包括以數(shù)據(jù)采集卡為中心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，電路搭建平臺(面包板)和ELVIS工作臺。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來測量和分析現(xiàn)實世界的物理量，利用轉換器和測試探針或者固定設備采集測量溫度、壓力、速度等不同類型的電信號，并將其送入計算機處理。該遠程虛擬實驗室采用基于PCI接口的采集卡PCI一6221，該數(shù)據(jù)采集卡具有16路模擬輸入、16位分辨率；采樣速率為250 KS／s；2路模擬輸出，更新速率為833 KS／s；24路數(shù)字I／0 (8路高速可達l MHz)；2個32位80 MHz計數(shù)器／定時器。而硬件電路的搭建平臺(面包板)和ELVIS工作臺的控制面板含有示波器、數(shù)字萬用表、可變電源等儀器，這些基本儀器作為ELVIS可操作的軟面板儀器，并通過連接器在ELVlS軟面板上顯示。面包板與工作臺相連，并搭建相關電路，允許實驗輸入輸出信號連接。圖1為ELVIS構成示意圖。

2．2 iLabs簡介
    iLabs是由美國麻省理工學院(MIT)倡導的遠程網(wǎng)絡實驗室，即MIT公開共享其實驗室，即學生或教師通過互聯(lián)網(wǎng)訪問MIT真實的實驗室，使得高等院校之間能夠共享昂貴設備以及與實驗室有關的教學資料。iLabs的最終目標是創(chuàng)造豐富的網(wǎng)上實驗資源，使人們通過網(wǎng)絡共享實驗資源。目前iLabs實驗系統(tǒng)分為Batched Architecture和Interactive Architecture，前者針對儀器共享網(wǎng)絡實驗室，后者針對遠程控制實驗室，可以互動控制遠程實驗。該遠程虛擬實驗室采用Interactive Ar-chitecture實驗系統(tǒng)。

3 遠程虛擬實驗室設計方案
3．1 設計原理
    iLabs網(wǎng)絡實驗室系統(tǒng)通過網(wǎng)絡服務將在線實驗室分成實驗室服務器(Lab Server)、實驗室客戶端(Lab Client)、服務代理端(Service Broker)等功能模塊，如圖2所示。

    其中，實驗服務器是由實驗室管理員操作管理，同時它也是處理執(zhí)行真實在線實驗的硬件，主要用于控制和管理實驗儀器、采集和處理實驗數(shù)據(jù)。實驗客戶端是終端用戶計算機，為用戶提供實驗的交互式操作界面，通過瀏覽器訪問。服務代理端位于實驗室服務器和實驗室客戶端的中間，用于交換協(xié)調這二者之間的信息，用于提供Web接入服務、用戶認證管理、開放式交互實驗環(huán)境以及動態(tài)網(wǎng)頁生成，并提供存儲和管理服務。該實驗室Interactive Service Broker是一臺基于ASP2．O的IIS網(wǎng)頁服務器，后臺使用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫配合用戶管理、動態(tài)網(wǎng)頁生成以及實驗數(shù)據(jù)的存儲和管理。
3．2 硬件構成 _
    該網(wǎng)絡實驗室為節(jié)約成本將Lab Server和Service Broker安裝在同一臺電腦上。其主要硬件包括一臺普通電腦為Web服務器；采集和傳輸實驗設備數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集卡PCI一6221；提取現(xiàn)場實驗設備影像的USB接口的攝像頭。NI ELVIS建立實驗模型，搭建實驗電路，構建小型電子電路系統(tǒng)。
3．3 設計實現(xiàn)
    要實現(xiàn)虛擬儀器在網(wǎng)絡平臺上的應用，必須實現(xiàn)不同應用之間的數(shù)據(jù)共享。雖然TCP／IP,DDE等技術支持不同應用程序間的數(shù)據(jù)共享，但不能傳輸動態(tài)數(shù)據(jù)。NI公司提供的Data Socket是專門用于傳輸和發(fā)布動態(tài)數(shù)據(jù)的，簡化網(wǎng)絡計算機之間尤其是現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸。DataSocket由DataSocketAPI與DataSocket Server兩部分組成。前者用于訪問網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接口，后者負責提供DSTP協(xié)議和管理底層網(wǎng)絡通信。DataSocket Server廣播數(shù)據(jù)需要發(fā)布者、DataSocketServer和訂閱者三種角色。發(fā)布者通過DataSocket API向DataSocketServer寫入數(shù)據(jù)，訂閱者通過DataSocket API從DataSocketServer讀取數(shù)據(jù)。利用DataSocket Server實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡共享，如圖3所示。

    該遠程虛擬實驗室具體技術實現(xiàn)是首先建立InteractiveService Broker和Interactive Lab Server兩個Web站點，再利用IzbVIEW編程制作各種實驗界面，然后利用LabVIEW的DataSocket技術和內置的Web發(fā)布功能為基礎，將實驗界面嵌入到Lab Server。Interactive Service Broker后臺使用SQLServer2000數(shù)據(jù)庫配合用戶管理、動態(tài)網(wǎng)頁生成以及實驗數(shù)據(jù)存儲和管理，實現(xiàn)實驗管理系統(tǒng)的管理。通過iLab實驗系統(tǒng)，將Interactive Service Broker和Lab Server互聯(lián)成一個整體。用戶只需使用網(wǎng)頁瀏覽器進入Interactive Setvice Broker的站點，即可進行Internet實驗。Interactive Service Broker站點內包含ESS，USS，LSS，其中ESS存儲實驗的記錄信息，USS用于實驗管理者管理實驗日程，LSS用于實驗管理用戶預約。

4 應用舉例
    該遠程虛擬實驗室已應用于理工科院校信息類專業(yè)實驗，主要分為虛擬實驗和真實實驗，并不斷開發(fā)新實驗。以信號發(fā)生及調理實驗為例來說明遠程實驗室的使用方法。需要說明的是：如果遠程客戶端沒有安裝LabVIEW 8．2，則需安裝LabVIEW 8．2 Run Time引擎和NI Vision Run Time引擎，即可遠程瀏覽和操作實驗。首先用戶登錄到Interactive Service Broker，輸入用戶名和密碼，此時Web服務器從SQL Server數(shù)據(jù)庫中獲取用戶相關信息，檢測是否為合法用戶，只有合法用戶才能進入實驗系統(tǒng)；然后，選擇所要做的實驗，進入預定時間界面；在預定的時間內啟動實驗，進入實驗操作界面；按照實驗界面提示進行實驗，用戶根據(jù)具體實驗要求詳細設置儀器，實驗操作結果如圖4所示。

5 應用前景
    從上述遠程實驗看出，在NI ELVIS平臺上實驗要比傳統(tǒng)實驗裝置更具有優(yōu)越性：
    (1)NI ELVIS平臺集成有常用實驗儀器該平臺集成有波形發(fā)生器、示波器、數(shù)字萬用表、可變電源等，同時NI ELVIS可根據(jù)課程需要開發(fā)和購買不同功能的實驗板建立通信、自動控制、物理等不同學科的實驗室。
    (2)實驗實現(xiàn)原理簡單NI ELVIS平臺具備數(shù)據(jù)采集功能，可直接把模擬信號輸入計算機進行顯示和分析處理。
    (3)ELVIS平臺附加功能強大 NI ELVIS平臺附加功能強，用戶界面豐富，通過開發(fā)軟件實現(xiàn)更多功能。
    需要補充的是，LabVIEW可與工業(yè)標準的電路仿真SPICE環(huán)境Electronics Workbench Muhisim緊密集成。借助虛擬3DNI ELVIS環(huán)境，學生可完成實驗前任務，使用Multisim和NIELVIS設計電路，把仿真結果輸出到LabVIEW，最后使用Llhiboard建立電路模型。

6 結語
    NI EL VIS應用于遠程虛擬實驗室可使諸多理論知識付諸于實踐，且能根據(jù)用戶的興趣及創(chuàng)造添加更多新功能，靈活應用，突破時空限制，隨時隨地與他人探討協(xié)作共享實驗資源，解決了科研教學資源緊張的問題。其次，該遠程虛擬實驗室開發(fā)周期短，使用效率高，可擴展性強，成本低，功能強。