虚拟实验技术的应用分析.docx
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虚拟实验技术的应用分析
虚拟实验技术的应用分析
摘要
实验是教学活动中一个必不可少的环节，尤其是电工电子等实践性很强的专业，实验教学更是至关重要。
然而，实验可能是最为昂贵的教学活动，构建一个实验室需要投入大量的资金来购置仪器并承担着高昂的维护费用：
其次，随着科学技术的不断发展，原有的实验设备由于陈1日老化等原因，难以满足实验教学的要求；再者，网络教学已被认为是现代教育的一种新模式，但如何解决网上实验也是亟待解决的问题。
本文介绍了一种如何创建基于Internet的网络虚拟实验系统的新方法。
系统的体系结构采用浏览器／服务器模式实现，实验者通过工E浏览器就可远程访问服务器。
采用LabVIEW7．1虚拟仪器开发环境设计出友好的人机交互界面，通过NI公司PCI-6220多功能采集卡的数字I／O口实现测试点、实验项的切换，由模拟I／0口完成被测量的采集。
选取较有代表性的实验并进行归类组合，实现智能化的实验课件电路板设计。
采用远程面板技术实现系统的远程通信。
设计本实验系统主要包含以下几方面的工作：
硬件设计、软件设计和远程通信。
实验系统的硬件设计包括：
工作原理、硬件构成和主要硬件电路介绍，主要阐述了实验课件电路板的设计特色；实验系统的软件设计包括：
LabVIEW开发环境的特点、体系结构、设计流程图，重点阐述了“单级放大电路"的前面板及框图程序设计；在实验系统的远程通信中阐述了基于远程面板技术的网络化通信过程，同时给出了“单级放大电路”和“负反馈放大电路"的测试结果。
目前，本实验系统可以实现模拟电子电路的部分实验，实验结果证明了本设计方法具有良好的实用性。
它将实际硬件操作与仿真设计、虚拟仪器与网络技术相结合，打破了传统实验受时间、地点的限制，同时也避免了软件仿真的结果过于理想。
随着课题的继续深入，将进一步充实网络虚拟实验室系统，更好的为实验教学服务。
关键词：
网络教学虚拟实验LabVIEW多功能采集卡远程面板单级放大电路负反
馈放大电路
Abstract
Experimentsarenecessarypartsintheeducationoffundamentalcoursesinelectrictheoryandtechnology．Noticingtheproblemsthattraditionalexperimentalinstrumentsandmethodsareoutofdateandthatstudentslackincreativityandinitiative．Unfortunately,experimentalclassesareprobablythemostexpensiveteachingactivities，theyrequirelargeeconomicalinvestmentsforacquiringandeffectiveway．Moreover,remoteeducationiskownasanewmodelofmodernteaching,butremotelaboratoryisalsoaproblemtobcresolved．
Facingthoseproblems，anewapproachofexperimentisdescribedinthispaper．Onthebasisofthismode，thenetworkvirtualexperimentalsystemiscarriedout，combinedwiththe
virtualinstrumentdevelopmentsoftwareofLabVIEW7．1，multifunctionaldataacquisition
deviceofPCI一6220andphysicalexperimentalcircuit．Theexperimentresultsanddesignfilescanbereleasedontheinternet．Implementationdetailsincludcontents，designprinciplesofsoftwareandhardwareandremotecommunicationoftheexperimentalsystem．
Thispaperdiscussestheresearch，developmentandapplicationofthevirtual
experimentalsystemontheinternetfromthreeaspects，includestheintroductionofhardwarecircuit，thedesignofsoftwareandtherealizationofthesystem．Inthefirstsection，itdiscussestheoperatingprinciple，handwarecompositionandmainlydescribestheoriginalityandthefeatureofPCBdesign；inthesecondsection，itmainlyexplainshowtousethe
LabVIEWsoftware，thecharacteristicofthedevelopingenvironment，programmingways，thefollowingchartandremotepaneltechnology；Inthethridsection，itmainlydiscussesthestructureofprogram，theresultofsinglestageamplifiescircuitandnegativefeedback
amplifiescircuit．
Atpresent，someoftheanalogycircuitexperimentshavebeencreatedinthissystemand
thetestingresultshaveprovedthattheapproachisavailable．Virtualexperimentscombinephysicalhardwarecircuitandsimulationdesign，virtualinstrumentandnetworktechnology,allowthestudentstoaccessrealinstrumentsfromanysiteconnectedtointernet．Byimprovingthecorrespondingmethodsandtechniques,thesystemwillbemoresuitableforrealizingdistancecontrollingontheweb．
Keywords：
Networkeducation，Virtualexperiment，Laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench，Multifunctionaldataacquisitioncard，Remotepanel，Singlestageamplifiescircuit，Negativefeedbackamplifiescircuit
独创性声明
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嚷小东签字日期：
瑚付年f月r日
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冯彩杰
签字日期：
时年1月r日签字日期：
抽辱年1月3-日
第一章绪论
第一章绪论
1．1引言
实验教学是工科教学中一个必不可少的组成部分，是提高学生创造力的有效手段之一n1。
为了增强学生的实践能力，要求工科院校必需进行实验教学口1。
而在科研中，实验更为重要，所有的理论推导，最终都要经过实践的检验。
可以说缺少了实验的支持，
工科领域的科研活动就无法进行口1。
然而实验系统是一个资源高度密集的系统，主要包含下几个方面：
1．实验室需要一次性投入大量的资金来购置仪器设备。
2．实验室的建立和维护，需要大量的人力、物力投入。
3．实验教学需要大量的教师资源。
在国内，随着高等教育的不断普及，学生规模不断地扩大，进一步加剧了实验资源短缺的现状。
随着科学技术的发展，原有的实验设备由于陈旧老化等原因难以满足实验教学的要求，符合要求的实验系统变得更加昂贵稀少H，。
此外，由于继续教育、远程教育等多种教育模式的出现，与通常教学模式相比，在该模式下，学生与教师的互动通常不是直接完成的，而是一种异步教学隅1。
这对实验教学提出了更高的要求，要求实验教
7
学可以在任意地点，任意时间完成。
在国外，以上种种问题也或多或少地难以避免。
因此长期以来，国内外学者对实验
教学进行了广泛的研究与探索。
虚拟实验室就是在这种状况下应运而生。
1．2虚拟实验室的概念和分类
虚拟实验室的研究是随着PC机和网络的发展而随之出现和发展的。
在90年代初，提出了虚拟实验室的最初概念，在90年代末和2l世纪初，国内外开始大量出现虚拟实验系统的介绍。
一
1．2．1虚拟实验室的概念
虚拟实验室（VirtualLaboratory）亦称为“合作实验室（ColLaboratory）’’，最早是在1989年由美国弗吉尼亚大学（UniversityofVirginia）的威廉．沃尔夫（1|『illiamWulf）教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。
虚拟实验室的最初概念在文[6—8]中得到了阐述，文中指出了虚拟实验室的发展是一个从控制虚拟设备至物理设备的过程。
美国国家研究委员会把虚拟实验室形容成为“一个无墙的中心’’w。
。
文[10]中把虚拟实验室看成是除理论与实物试验之外的第三种研究设计手段和形式。
第一章绪论
1999年5月中旬，联合国教科文组织（UNESCO）将“虚拟实验室"定义为：
以利用分散的信息和通信技术来创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离合作和实验的一种电子协作组‘¨3。
1．2．2虚拟实验室的分类虚拟实验室及虚拟实验技术，是近年来信息技术迅速发展的产物。
虚拟实验室综合
运用了虚拟仪器、虚拟现实、数据库、网络和计算机实时控制等多种技术，为实验者营
造虚拟的实验环境。
实验者的指令通过网络发送给服务器端的实际设备或者仿真对象，实验的结果以图表、动画等形式反馈给用户，以达到与在普通实验室中相同的实验效果。
实验者可以在计算机终端自由地浏览、学习有关实验内容并进行实验。
通过虚拟实验系统可以解除传统实验所无法克服的地点和时间的限制，同时大大地提高设备的利用率，有效地降低实验成本，在相同经费的情况下，提供更加丰富的实验内容，更加先进的实验设施n羽。
1．按照客户端软件可以大致分为4类：
（1）利用JavaApplet构造的系统
由于Java的面向对象、面向网络、跨平台等优点，使得该方案成为目前各个虚拟实验室的首选，JavaApplet不仅提供了强大的设计用户界面的图形功能，而且具有较强的逻辑处理能力。
文[13一18]都采用JavaApplet作为客户端的实现手段，其中文[13]
是法国Bordeaux大学、德国Munster大学、西班牙Madrid大学联合构建的远程实验室，
用户通过浏览器下载Applet，每个Applet都可以显示虚拟仪器的前面板，用户可以通过该面板完成远程控制，且此系统在MoS晶体管特性的测量上已经得到应用。
（2）利用组件（Component）技术构造的系统组件技术将单个的应用程序分隔成多个独立的模块，开发者可以随着技术的发展用
新的组件取代己有的组件，使系统不断趋于完善。
目前最为常用的组件技术规范有CORBA（CommonObjectRequestBrokerArchitecture）和COM（TheComponentObjectModel）两类。
该方案提供了良好的代码重用性和平台无关性，适合开发复杂的系统，文[8][19-22]都是基于组件开发的虚拟实验室，文[19]是基于CORBA组件技术开发的机器人控制系统，文[21]介绍了武汉大学利用DCoM技术开发的电子线路虚拟实验室，较好的解决了理论与实际相结合的问题。
文[22J提出了一种利用ActiveX控件创建网络虚拟仪器实验室的通用方法。
（3）利用简单的http页面
利用各种Web技术创建HTML页面，例如ASP（ActiveServerPage），JSP（JavaServerPage）等。
这种方法简单易实现，在国内远程教育中普遍采用，但它只是“播放型’’或“演示型”教学，学生无法真正参与到学习中，自主性不能得到充分发挥。
从严格意义上讲，它不能成为一个虚拟实验系统。
（4）使用非浏览器中运行的客户端软件该方案不通过浏览器，直接使用TCP／IP技术与服务器相连，如文[63就是直接使用
UDP协议与服务器相连的。
．2．
第一章绪论
2．按服务器端软件分类，可大致分为3类：
。
（1）利用LabView构造的虚拟实验系统
由于LabView提供了便利的设备访问能力和强大的实时控制能力，尤其是对虚拟仪器（VirtualInstrument）技术的强大支持，使得仅使用LabView就可以构建一个完整的虚拟实验室系统。
它提供的界面功能强大，外观接近真实仪器、仪表，不但可以开发各种虚拟实验，而且还可以作为训练学生掌握仪器、仪表的有力辅助工具，因而成为虚拟实验室中设备访问的首选标准。
文[16—17][20][23-26]均使用LabView作为系统控制的工具，其中文[23]介绍了应用服务器内置DAQ采集卡和GPIB卡开发虚拟仪器实验室进行电子电路的测量，并列举了欧姆定律测电阻、A／D转换器的传输特性和BJT晶体管特性测试三个实例。
文[25]给出了一个控制断路器和低压接触器来观察电压／电流波形的
实例，且该系统已经在Politehinca大学与ArizonaState大学得到应用。
（2）利用MATLAB构造的虚拟实验系统MatLab具有强大的仿真和计算能力，一直是控制领域里最为重要的工具之一j自然
也被广泛地用于虚拟实验室的开发，尤其是对于控制类实验的开发。
文[15][27—29]中都使用了MatLab作为服务器控制实际对象的引擎。
文[28]提出了一个基于Matlab的一整套的网络控制系统解决方案，包括设备访问，实时控制，具体界面和帮助系统，经济性也被考虑其中。
整个系统在Matlab的Simulink工具中运行，利用RTW（RealTimeWorkshop）工具进行实时控制，同时给出了在Windows平台和Linux平台上的解决方案，而且其解决方案已经商业化，有了一系列基于该接口的设备和一系列现成的整套产品，其中包括倒立摆，机器人等等。
（3）自行编程（C／c++，Java等）实现的虚拟实验系统
由于自行开发的实验系统可以最大程度地适应设备的性能，灵活定制实验的功能，因而该类型占据大多数。
当然，在自行实现相同功能时，难度也是最大的。
文[25][30—34]中的控制系统都是由开发者自行设计实现的。
文[30]是Norwegian大学用C++语言实现的电子仪器与电路特性测量的虚拟实验室，开发了关于CMOS芯片与SiC二极管的9个实验。
[31]提到了NationalTaiwanNormal大学利用Java技术开发的机一电实验，并把专家系统与虚拟现实进行结合作为研究的一个主要任务。
1．3国内外的研究现状
1．3．1国外研究情况虚拟实验室的研究，国际始于20世纪80年代末。
麻省理工学院的WebLab是一个
在线实验室，于1988年开发并投入使用。
90年代，美国政府投入巨大财力在海洋学、天体物理学、分子生物学以及核科学四大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程，开展了一系列探索性研究并取得了实质性进展。
同时在美国各大高校也在进行着虚拟实验室的研究，代表性的成果有：
美国斯坦福
大学的远程光学实验室，实验室向用户提供监听和控制功能、实验室的日程安排，参考
．3．
第一章绪论
资料和分析工具，学生可以远程登陆该光学实验室做实验，利用NI-IMAQ软件工具和NIPCI-1408图像采集卡还可以植入动态图像。
美国伊利诺伊（111inois）大学的Nmrscope系统，通过Internet研究人员在任何地方都能使用伊利诺伊大学的仪器，只要向该大学递交一个样品，经授权后就可以与服务器联机，然后自行填写设置仪器参数和功能清单，点击屏幕上的按钮就可以进行实验，生成的图像会被传回到研究人员的计算机屏幕上m1。
美国摩约翰霍普金斯大学化学工程系的卡尔威教授，设计了一个“虚拟实验室’’，学生可以通过网络来做实验，尝试解决工程上遇到的各种问题m1。
美国里海大学化学系的GC-MS远程虚拟实验室口引。
UtahState大学利用MatLab与LabView开发了一系列的模块，并介绍了利用两种软件结合开发了在线电磁兼容课程暖71。
Temple大学专门为残疾人研发的电气工程实验室m1；SouthAustralia大学的NetLab汹1等。
文[15]给出了KRI公司的双箱液位实验系统，该实验通过DaqBoard／2000采样，利用MatLab进行实时控制，所有数据存入文本文件中，用户通过浏览器下载Applet，Applet跟MatLab通讯，完成远程的控制，该系统利用PID或者状态空间反馈进行控制，同时提供了仿真和真实两种方式运行。
文[16]介绍了一个基于虚拟仪器的远程NPN晶体管性能测试实验，使用GPIB总线连通具体的仪器和GPIB适配器，通过SCPI应用程序接口编程，控制实际的仪器进行实验测试。
同时，其他国家也开展了虚拟实验室的研究，如加拿大达尔豪西大学的远程激光实验室系统，工程学和自然科学的学生能随时随地登录虚拟的激光实验室作激光实验Ⅲ1。
德国Ruhr大学的虚拟自动化实验（http／／www．esr．Ruhrunibochumde／vclab），是一个有关控制工程的学习系统，它具有直观的三维实验场景视觉效果，通过各虚拟实验设备的仿真特性，实现对虚拟实验的交互式操作；德国柏林大学的试验数学实验系统；还有德国的Hagen大学盥羽。
瑞典的BTH远程实验室，文[20]中介绍了一个电路的测试实验，用户可以通过切换继电器开关实现有限种电路，通过用GPIB连接的虚拟仪器进行测量，训练学生对各种仪器仪表的使用。
西班牙大学的电子仪器虚拟工作台，意大利帕瓦多大学的远程虚拟教育实验室，瑞士联邦理工学院的增强式教学系统，新加坡国立大学的远程示波器实验和压力容器实验n钔。
此外还有日本Ⅲ1、挪威啪1等等。
1．3．2国内研究情况国内的研究虽然起步比较晚，但是一大批高校也开展了这方面的工作，并取得了突
出的成果，主要有浙江大学自主研发的“电工电子网络试验室"n引，目前网络实验室已
经初具规模，主要包括4大类，11组，近30个具体实验。
这4大类分别为控制类实验，电路类实验，电力电子类实验，电机控制类实验，所有实验都基于真实物理对象，涵盖全部本科生和部分研究生教学研究相关实验。
整个系统采用双c／s架构，由客户端，服务器端，控制端三部分组成，允许多名用户，多个实验同时进行，整个平台具有良好的可扩展性和安全性；大连理工大学的“远程虚拟电子实验室¨儿3，该系统是基于网络的交互式虚拟实验平台和远程实验室环境，能够实现电工原理、模拟电路和数字电路总计20个基础实验，此外还研究了部分虚拟传感器实验，实验系统分为远程实验和仿真实验两大部分；西安交通大学的“远程网络测控实验室州“1，该系统共设计了22个虚拟仪器，
第一章绪论
它们均是组成一个完整测量系统的基本单元，分为简单虚拟仪器、信号分析类虚拟仪器、数据处理类虚拟仪器、数据采集及信号记录类虚拟仪器和具有实测功能的虚拟仪器5类；清华大学基于虚拟仪器的电工教学实验系统，借助虚拟仪器开发工具和数据采集卡设计了虚拟函数发生器、虚拟相量电压表、虚拟扫频仪和虚拟谐波分析仪等仪器仪表H4l；武
汉大学基于DCoM技术的网络虚拟实验系统乜¨；华中科技大学的基于网络的计算机硬件虚拟实验系统佑1；华南理工大学H射；华北电力大学m1；电子科技大学㈨；中国科学技术大学乜3；西安电子科技大学H引；湘潭大学咖1；南京航天航空大学喳¨等等。
一些军事院校也开展了这方面的研究，如解放军信息工程大学n81；国防科技大学H旬等。
此外，我国的香港Polytechnic大学啦钔，台湾NationalTaiwanNormal大学瞄¨也开展了这方面的工作。
1．3．3研究现状总结
综上所述，我们可以看出：
虚拟实验室以其独特的优势在各个领域迅速得到推广，
目前存在的虚拟实验室主要有以下特点：
（1）大部分虚拟实验室都是基于Web浏览器方式实现，此结构升级、维护都比较容易，而且Web浏览器的平台无关性使得开发者不必为多个操作系统开发不同的客户端版本，但网络带宽问题是其瓶颈。
（2）多数虚拟实验室配置了多种信息获取方式，常见的主要是安置视频摄像设备，这样可以给实验者一种真实感受，一些实验室还使用VRML模拟真实的实验环境。
（3）虚拟仪器技术的加入使得实验者对实验的掌握程度也越来越逼近真实的实验。
（4）大部分的虚拟实验室通常会用“用户名／密码’’对用户进行校验。
（5）一些辅助手段如学生／教师在线交流、讨论、实验报告等己在部分虚拟实验室
中应用。
但是，当前存在的虚拟实验室还有着很多的缺陷：
例如大多数虚拟实验室都是演示型或验证型的，一些大型虚拟实验室也是基于仿真实现的，无法给实验者真实的实验感受。
基于实际系统的虚拟实验室也大多是基于单个对象实现的，或者最多是基于一类对象的实现，没有全面系统的实现，因此存在着重复开发，重用性差等问题。
再有缺少一个综合的实验管理系统，用户在进行实验时面对的是一个个分散的实验，而不是一个统一的实验室系统。
因此，开发一个大型的、标准化的、统一的综合虚拟实验系统有着重要的意义。
1．4本课题研究的主要内容
本
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