基于网络的虚拟仪器测试教学实验系统

李赵春，程玉柱

（南京林业大学，江苏 南京 210037）

近年来，随着计算机技术、通信技术以及仪器技术的发展，虚拟仪器（Virtual Instruments，VI）技术得到前所未有的迅猛的发展，鉴于其技术层面上的多样性，虚拟仪器技术也成为当前国内外测试技术和仪器制造界十分关注的热门话题[1－4]。

对于虚拟仪器测试实验室来说，要达到一定数量的设备才能满足教学实验的要求，因此要求所有的计算机软硬件、仪器设备、前端装置都要购置或开发多套[5]。为了节约成本，采用网络技术，构建基于网络的虚拟仪器测试实验系统成为必要手段[6－8]。同时，网络化的测试系统也为远程测试和监控提供了方法和技术途径。

1 网络化的虚拟仪器系统的结构模型

网络化的虚拟仪器系统通常采用两种结构模型：客户机／服务器（C／S）模式和浏览器／服务器（B／S）模式。

1.1 C／S模式

C／S模式是网络通信中常用的一种模式，通常集散控制系统多采样这种结构。它一般有多个客户端来采集数据，而通常有一个服务器充当数据库的角色，客户端通过通信协议把测试数据写入远程服务器数据库。C／S模式需要做两个方面的开发，一是服务器端数据采集和处理程序以及远程通讯数据传输等方面的程序设计；二是客户端数据接收程序的设计。

1.2 B／S模式

B／S模式是方便用户在 Web下发布数据。通常用户端只需安装一个浏览器，直接访问虚拟仪器测试节点的网络地址，就可监视远程测控节点的数据变化情况。它的主要工作在服务器端程序开发，不存在客户端程序的开发和维护。

鉴于以上两种模式各自的优缺点，本系统中采用两种模式混用的方式，取长补短，以达到最佳的网络应用效果。

2 网络技术在虚拟仪器教学实验系统中的应用

2.1 网络化虚拟仪器教学实验系统的特点

作为测试仪器设备和数据等资源的共享的平台，该教学实验系统应该具有如下的一些特点：教师或者学生可以方便的操作实验室的各种虚拟仪器设备，进行各种实验；服务器和各客户端可同时进行测量，可以互相进行数据传输和通讯；测试环境友好，方便对被测量进行数据采集、分析、存储及显示等等；教师可以根据需要自行设计各种虚拟仪器；学生自由选择实验内容，制定实验方案。

2.2 系统硬件配置

在测试环境中，各个独立的虚拟仪器测试节点及虚拟仪器远程测试节点之间通过局域网互联，虚拟仪器测试节点配置相应虚拟仪器设备及测试主机，而远程测试节点仅仅配置测试主机，通过软件可对网络上的测试节点进行远程监视或测试，远程测试节自由接入或退出测试网络，提高了系统配置的灵活性，同时也方便了系统的扩展，系统框图如图1所示。

图1 基于网络的虚拟仪器测试教学系统结构图

本系统中的各虚拟仪器测试节点是以通用计算机为核心，具有虚拟面板，其测试功能由各节点测试软件实现的计算机仪器系统。虚拟仪器测试节点的硬件包括计算机、数据采集模块、信号调理模块等。综合考虑各种形式的性价比和系统的灵活性等因素，选择PC－DAQ作为虚拟仪器测试节点的硬件最为合适，测试节点组成框图如图2所示。

图2 虚拟仪器测试节点组成框图

2.3 系统软件设计

（1）测试监视主机软件模块

与系统硬件结构相对应，系统测试监视主模块是系统监视测试情况的中枢，连接和控制各虚拟仪器测试节点模块，集中监视各测试节点的测试状态，在必要的情况下，启动测试节点投入测试网络，或者停止测试节点以退出测试网络，监视该测试局域网上所有的虚拟信号源、虚拟示波器和虚拟万用表等模块，可以远程控制各虚拟仪器测试节点，给测试对象提供激励信号。通过测试监视主机，可以将某测试节点的测试数据实时传送至多媒体系统，结合多媒体系统进行多媒体教学。测试监视主机同时也可以作为远程虚拟仪器测试节点，其软件功能模块组成示意图如图3所示。

图3 测试监视主机软件模块组成框图

（2）虚拟仪器测试节点软件模块

虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件和软件资源，将硬件实现的功能软件化（虚拟化），最大限度的降低系统成本，增强系统的功能，增加系统灵活性。VPP系统联盟提出了系统框架、驱动程序、VISA、软面板、部件知识库等一系列VPP软件标准，推动了软件标准化的进程。虚拟仪器的软件框架从底层到顶层包括三部分：VISA库、仪器驱动程序、仪器开发软件（应用程序）。

虚拟仪器测试节点软件模块实现对各种模拟量和开关量数据的采集和处理，网络通信模块承担该测试节点与测试监视主机或者远程测试节点之间的数据传输与通信的任务，每个虚拟仪器测试节点模块内部都封装了对应仪器的控制命令集、数据采集命令集、数据处理模型以及通信协议等处理子模块。虚拟仪器本地测试节点软件功能模块组成如图4所示。

图4 虚拟仪器本地测试节点软件模块组成框图

（3）虚拟仪器远程测试节点软件模块

虚拟仪器远程测试节点并没有配置虚拟仪器设备，通过软件的方法，该节点远程控制局域网内符合其功能要求的虚拟仪器测试节点，从而获得需要的测试数据。

3 其他关键技术

实现该实验系统的重点是软件设计，包括以下两个方面：

（1）测试网络中测试监视节点、虚拟仪器测试节点、虚拟仪器远程测试节点这三种测试

角色之间的网络通信处理模块的实现，各测试节点之间数据在网络上的传输形式；

（2）虚拟仪器测试节点中数据采集卡的驱动实现，为了节约整个实验系统开发的成本，一般采样价格较低的国产普通板卡，能满足各种传感器的测试要求即可。

在LabVIEW中实现了对采集卡的驱动，就可以利用软件对已获得的测试数据进行各种处理和变换显示最终结果，从而得到测试结果，配合网络数据处理模块，局域网内的其他虚拟仪器测试节点或远程虚拟仪器测试节点以及测试监视主机通过网网络便捷地获取数据和其他相关测试信息。

4 结 论

构建基于网络的虚拟仪器测试教学系统，使得电子技术类相关课程的实验配置更灵活，实验资源得到更大程度的应用，便于拓展，节约资源，

同时也有利于学生更感性的认识和应用各种实验设备，更好地理解和学习实验中相关的传感器的工作原理和特性及电子电路的知识。有利于综合性、设计性实验的开设，激发学生的实验兴趣和创新精神，提高电子实验课程的效率。

[1]陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的创建[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]Stefanovic M.，Cvijetkovic V.，Matijevic M.et al.A LabVIEW－based remote laboratory experiments for control engineering education [J].Computer Applications in Engineering Education，2011，19（03）：538－549.

[3]柏林，刘小峰，秦树人.网络化虚拟仪器的研究与开发[J].现代科学仪器，2007，（03）：5－7.

[4]卢超，任吉林，邬冠华.测试技术与虚拟仪器综合性实验教学的探索实践[J].实验技术与管理，2006，23（1）：73－76.

[5]徐朝辉，宋红权，吴定允.基于计算机网络技术大学物理实验教学模式的探索和实践[J].大学物理实验，2011（4）：90－92.

[6]董湘，邹国奎.基于LabVIEW的远程测控方法研究[J].自动化仪表，2006，27（1）：6－8.

[7]林晓珑，姜永桓，白炳莲，等.大学物理演示实验网络教学管理平台构建与实施[J].大学物理实验，2012（4）：120－122.

[8]刘志广，王雅彬，张永策.液相色谱网络虚拟仪器与虚拟实验室的构建[J].实验室研究与探索，2006，（6）：617－620.