基于虚拟仪器的网络虚拟实验室构建

将虚拟仪器技术推向网络应用，更能发挥其"软件就是仪器"的优势，更有助于形成分布式的网络测量体系，实现数据和仪器的远程共享，从而为远程测控服务。本文介绍网络虚拟实验室的使用BSDA&ACTION_TYPE=SEARCH&operation=PHRASE&search_mod=advanced§ion=ALL&encode=1&sub_form=quickform">BSDA结构，由客户端、Web服务器、应用服务器以及实验设备四个模块组成，具备开发周期短，成本低的特点，同时又具有很强的兼容性和扩展性，能够大大提高仪器的使用效率。

VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图1：网络虚拟实验室构成原理图。">

网络虚拟实验室是一个无墙的中心，通过计算机网络系统，研究人员或学生将不受时空的限制，随时随地与同行协作，共享仪器设备，共享数据和计算资源，得到教师的远程指导以及与同行相互研讨。

由于通过网络虚拟实验室能够实现跨时空跨学科的仪器设备远程共享，甚至远程控制，满足科研教学对分布式实验系统的要求，同时解决棘手的教学资源紧张问题，国 外的很多科研院所也已经进行了相关的有益尝试。如Carnegie-Mellon大学的卡Carnegie Mellon虚拟实验室，Johns Hopkins大学的虚拟工程与科学实验室，以及Tennessee大学的网上工程实验室是其中的比较成功的范例。

网络虚拟实验室大多使用的是CS（客户端／服务端）结构，按其实现功能基本可分为三类：

1. 软件共享网络虚拟实验室。其特点为，服务端共享本地的虚拟实验室模拟软件平台，接受客户端发送的实验请求，分析和处理实验参数，经过计算模拟最终将结果返回客户端。整个系统不涉及具体的实验仪器硬件设备，只是利用软件模拟实验的过程；

2.

VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图2：网络虚拟实验室的组成原理图。"> 仪器共享网络虚拟实验室。服务端同样接受客户端的实验请求和实验参数，使用实验参数配置与之连接的实验仪器硬件设备，由实验仪器硬件设备进行实验，并将实 验结果返回服务端，最后返回到用户端，实现实验仪器的共享，实验数据的共享。

3. 远程控制网络虚拟实验室。与仪器共享网络虚拟实验室最大的区别在于除了实验仪器实验数据的共享之外，它还要实现客户端对实验仪器设备的远程控制。

网络虚拟实验室实现原理

网络虚拟实验室的构建多使用浏览器/服务器/数据和应用(BSDA，Browser/Server/Database＆Application)结构，其原 理如图1所示，典型的网络虚拟实验室由客户端、网页服务器端、应用服务器端以及实验仪器设备四部分组成。网页服务器主要作用是提供Web接入服务、用户认 证管理、开放式交互实验环境以及动态网页的生成；应用服务器主要作用是控制和管理实验仪器、采集和处理实验数据；数据库的主要作用则是配合用户帐户的管 理、动态网页的生成以及实验数据的存储和管理。

本网络虚拟实验室，主要由模拟仿真和实时测量两个部分组成，如图2所示。模拟仿真部分，主要 完成验证型、原理演示型实验，使用LabVIEW自带的网页发布功能，直接在Web服务器端生成嵌入实验平台的WWW网页，用户只需使用网页浏览器即可通 过互联网访问网络虚拟实验室，进行实验。

VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图3：网络虚拟实验的硬件结构。">

实时测量部分，主要完成仪器共享型、远程控制型实验，有一个多媒体辅助模块，是对实际实验平台界面的虚拟呈现，让学生在进入实时测量模块之前来操作，用来检 验学生的预习程度，让学生预先了解实验内容，熟悉具体的实验步骤；另一个是实时测量模块，它是实时测量部分的核心，负责本地实验数据的采集，并按远程用户 的操作要求进行分析、存储以及显示，可使用LabVIEW的网页发布功能来实现，也可使用基于LabVIEW编程的 Application Server模块与客户端API模块来实现网络互连，数据通信，完成远程实验。

网络虚拟实验室的硬件结构

我们使用的是以NI-PXI构架为核心的硬件体系，并以一台Dell PowerEdge4600为网络服务器，如图3所示。Dell PowerEdge4600为Web服务器配备了2个Intel Xeon 2.8GHz处理器，2GB ECC DDR RAM，3×36GB SCSI RAID（冗余磁盘阵列），以及Broadcom 千兆网卡，充分满足多线程、大流量、高带宽的使用要求。

应用服务器使用的是一台PXI-1000B机箱，嵌入了PXI-8176控制器，以及PXI-6070E，PXI-6071E多功能数据采集卡，用来实现高速的 数模转换、数模输入输出以及数据采集；PXI-5102高性能示波器卡来完成信号的发生，提供稳定可靠的信号源；PXI-2501矩阵模块用来实现不同测 量元器件之间的自动切换