[摘要]结合虚拟仪器技术和网络技术的网络虚拟实验室，以其诱人的应用前景吸引了大批专家学者的注意力，均在大力开发研究。文章基于传统实验教学和建设与现代实践教学发展中存在的冲突问题，提出打破传统的虚拟仪器开发设计方法，并提出网络实验室的构建方案。
[关键词]虚拟仪器；网络；远程教育；教学实验室
[作者简介]杨晓霞，广西质量技术工程学校讲师，广西南宁。530022
[中图分类号]G434
(文献标识码]A
[文章编号]1007-7723(2007)08-0029-0004
一、引言
21世纪是世界各国之间的科技、经济和综合国力竞争更加激烈的世纪。各国之间的竞争，归根结底是人才的竞争、教育的竞争。在新的历史条件下，要求学校培养的人才具有创新精神和很强的工作适应能力。这其中，最重要的一个环节就是学生实践能力的培养。“实践教学对于提高学生综合素质，培养学生的创新精神与实践能力具有特殊作用”。
很多大中专院校为保证完成必要的教学实验内容，并且跟上当今测试工程的发展趋势，传统的教学实验室一般需购置先进而且昂贵的基础测量仪器，如示波器、万用表、信号源等。随着测试技术的发展，仪器更新换代的步伐越来越快，功能越来越复杂。投资大、技术更新快、维护困难，而且面临着增加实验教学课时的压力，使得相关教学实验室更新与改造已成为教学实验领域改革的重要课题。
二、研究意义
虚拟仪器技术的出现和发展，为解决上述问题提供一个新的思路。利用虚拟仪器技术，可以设计出与实际仪器在原理、功能和操作方面完全一样的全软件虚拟仪器。利用这些虚拟仪器，学生在计算机上就可以学习和掌握仪器原理、功能与操作，并通过仪器与仪器，仪器与电路的相互配合，完成实际测试过程，达到与实际仪器教学的相同目的。此外，我们还可采用虚拟仪器技术设计虚拟仪器实验室，根据实际的实验任务和实验要求，将分布在学校不同实验室的各种测量仪表和实验设备连接为一个网络系统，通过计算机实施集中控制和管理，从根本上改变传统实验教学方法，降低实验室建设与管理成本，彻底改变采用传统单元仪表分散工作时成本高、维护困难、资源配置重复等缺点。通过这样的实验方式，可以培养学生的求知兴趣和创新能力。另外，利用网络技术将虚拟实验室网络化，不但可以大大提高虚拟实验室的资源利用率，而且可以进行网上远程教学实验。
此外，实验课程的远程教学一直是一个很大的难题，它不像理论课的远程教学，可以通过下载教学课件、教学资料、在线点播、收看电视教学节目等形式进行。目前，解决这一问题的途径主要有两种。第一种是目前国内普遍采取的方法，就是让参与远程教学的学生在一个集中的时间到学校参与实验课教学。由于时间紧、课程过于集中等原因，这种方法存在的弊端是显而易见的；第二种方法是让学生邮购专为教育制造的廉价实验仪器，学生自己在家中做实验，目前国外一些远程教育机构采用的就是这种方法。虽然采用这种方法能够让学生自由操作仪器，培养学生自主学习的能力和创新能力，但是由于缺少教师的有效指导，很难保证达到如期的教学目的。另外，人手一套实验教学仪器将耗费大量的资金，对于发展与推广远程教育不是行之有效的方法。利用虚拟仪器，学生可以在个人电脑上安装虚拟仪器软件，即可以实现本地甚至是基于网络的远程操作和实验仪器控制，以及实时真实的数据传输，如同实地操作实验仪器一样方便灵活。同时由于教师或设计者事先定义了虚拟仪器的功能和实验步骤，可以有效地帮助学生完成预定的教学目标。从这个意义上说，虚拟仪器技术在实验教学上的应用是实验课程远程教育发展的突破点和转折点。
三、虚拟仪器与传统仪器的区别
图1是传统仪器和虚拟仪器体系对比图。从图中可以看出，传统仪器需要根据不同的要求连接不同的显示处理设备，例如示波器、频谱仪、锁相放大器等，得到的也仅仅是简单的原始数据。而虚拟仪器利用基于标准化接口技术的任意形式的数据采集装置，例如插入式DAQ卡、GPIB仪器等，将被测单元的信号采集到计算机，计算机上虚拟仪器软件系统由用户自行定义，可以反馈信号到被测单元进行实验状态控制，也可以根据需要对采集的信号进行处理和分析，再以不同形式输出，例如函数计算值、拟合处理结果、图表表达形式等，并且支持网络传输，实现用户的异地实时控制实验仪器、获取实验数据等。
传统仪器主要依赖不同功能的硬件设备来完成实验，由于硬件功能的单一和固定，实验仪器的功能受到限制。虚拟仪器的核心是软件，用户根据实验要求编写和重组软硬件系统模块，可以大幅度提升和扩展仪器功能，满足实验的不同要求。由此可以看出，基于计算机软硬件发展水平、基于软件自定义来实现和扩展仪器功能等虚拟仪器的开放式特点，使得虚拟仪器和传统意义上的仪器存在很大差别。
四、虚拟仪器的开发
(一)虚拟仪器的概念
什么是虚拟仪器?与传统仪器不同，虚拟仪器本身不带仪器面板，它借助计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的“虚拟的”仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不同的各种测量仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。
(二)基于LabVIEW的虚拟仪器的设计
虚拟仪器实际上是一个按照需求组织的数据采集系统。它将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。下图反映了常见的虚拟仪器的组建方案。
虚拟仪器包括两大部分：硬件和软件。硬件是仪器的基础，软件是仪器的灵魂，软硬件结合的方式使得仪器功能易于增减和修改，改变了以前仪器功能固化在硬件上，无法升级的缺点。
1、虚拟仪器的硬件设计开发
图2中的信号调理设备和数据采集设备属仪器的硬件部分，信号调理设备主要对被测信号进行放大、滤波和隔离等处理，以便将它们转化成采集设备易于读取的信号。如果实际中的信号符合数据采集设备的要求，则信号调理设备可以省略。
数据采集设备是虚拟仪器的硬件核心，它主要负责将数据送人计算机中，我们可采用插入式数据采集卡实现，如PCI1711或PCI6024卡；它们可充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。这种插卡式虚拟仪器价格最便宜，用途广泛，特别适合于教学部门和各种实验室使用。
2、虚拟仪器的软件开发环境
目前在这一领域的软件设计中，使用较为广泛的计算机语言和开发环境是美国NI公司的LabVIEW。
LabVIEW(Laboratory Virtuallnstrument En-
gi-neefingWorkbench,实验室虚拟仪器工程平台)是一种图形化编程。LabVIEW程序分为前面板和程序框图两部分。前面板是用户接口，用于向程序中输入各种控制参数(控制部件)，并以数字或图形等形式输出测试结果(显示部件)，一般有表头、按钮、拨盘等各种元件，非常形象地模拟了传统仪器的面板。程序框图是以图形表示的程序源代码，是实现程序功能的核心部分，类似于传统仪器中用来实现仪器功能的零部件。前面板中的各种控制部件和显示部件在程序框图中都有对应的端子，各端子之间按照用户的需要用数据线、函数节点、结构等以一定的数据关系和数据方向连接起来。这就是运用abVIEW开发虚拟仪器的基本原理。
应用LabVIEW开发虚拟仪器，使我们能够在计算机上按照自己的需求来设计仪器，方便灵活而且开发周期短。而且因为LabVIEW有强大的人机交互界面设计能力以及数据可视化分析能力，因此其编程简单，易于理解和修改，易于实现各种复杂的仪器面板。
3、虚拟仪器的面板设计
在这些教学实验中，需要的仪器有：数字万用表、任意波形发生器、数字存储示波器、频谱分析仪、失真度仪、频率计(国产全套仪器约20万元人民币)。特别是频谱分析仪作为频域分析仪器在教学实验中有着非常重要的作用，但因频谱分析仪价格昂贵，所以很多院校的实验室至今没有配备。此外，传统的测试实验室由于实验条件的限制，往往得不到丰富的实验结果，而且学生面对复杂的电路板难以从系统的观点去分析各点波形关系。设计出一套与传统实验相配合的虚拟实验软件，采用软件模拟的方法，通过灵活调节各个实验参数，灵活控制实验进程，便可很好地弥补传统通信原理实验的不足。因此，将虚拟仪器技术引入到教学实验中就成为行之有效的解决方案(实现这样的虚拟实验室的每套投资大约4万元人民币)。
现基于LabVIEW开发平台，使用NI公司PCI1711采集卡，设计了虚拟频谱分析仪、虚拟任意波形发生器、虚拟数字示波器、虚拟数字低通滤波器4种虚拟仪器。在虚拟仪器设计中遵循涵盖实验中所需传统仪器功能的同时丰富仪器的分析、显示与结果记录功能的原则。例如以传统频谱仪和失真度仪为参考，设计虚拟频谱仪并综合失真度测量功能，这样弥补了无频谱仪和失真度仪的不足。同时频谱仪的Mark功能，可以快速读取峰值，方便测量。任意波形发生器可以生成各种标准波形，如正弦波、方波、三角波、斜波和直流等波形，并可对输出波形的幅值、频率和相位进行编辑。虚拟数字示波器可双路显示、参数自动测量、频谱分析并具有硬件触发功能和存储或打印实验结果的功能。其波形快照功能，可记录某一时刻的测量值与波形，并利用显示手段可以清楚地分析实验中的特定现象如相位翻转点等。虚拟数字低通滤波器则可对输入的信号进行筛选，只让选定的低频信号通过。
五、基于虚拟仪器的网络教学试验系统的构建
在最近几年里，快速可靠的计算机通信网络获得了惊人的发展，局域网或广域网上的计算机可以进行信息和命令交换，这样网络服务拓展了虚拟仪器的使用范围，给虚拟仪器技术注入了强大的活力，进一步增强了数字化仪器的优势，从而成功地进入了网络化虚拟仪器阶段。LebVIEW具有非常强大的网络功能，其内置Web Server，司以进行网页发布，使客户端仅用Web浏览器便可以进行实验；支持DataSocket远程数据采集技术，可以轻松实现远程的数据采集及数据交换；利用TCP、UDP技术可以实现另一种数据传输方式；同时vI Server作为远程程序的运行控制技术，其功能极其强大。下面介绍如何通过将网络技术与虚拟仪器技术相结合，实现教学实验室的网络化。
假设我们所构建的教学实验室里有N台计算机，如果每台计算机都配备一块采集卡，则代价太高，利用率也较低，因此考虑借助LabVIEW中的DataSocket技术实现数据采集卡的共享，即多台计算机共享服务器上的采集卡；这样用户就不需在每台客户机上都配备数据采集卡，只需在服务器上配置采集卡即可。
利用DataSocket技术实现数据采集卡共享的原理是利用DS Server进行客户机和服务器之间的信息交换和传递，将服务器上采集卡采集的数据尽可能实时地传给客户机。在此设计方案中，首先要在服务器端设计一个管理程序，对客户的请求进行管理，然后按照顺序由服务器执行相应的数据采集。每次采集完成后，将数据发送给DS Serv-er，客户机可以从DS Server中读取采集到的数据。对于这种设计方案，客户机只是发出请求信息，然后等待服务器响应，并且把采集到的数据取回，不需要调用任何客户机上的LebVIEW采集程序。服务器程序需要读取请求信息，然后根据不同的请求信息，调用本地相应的采集程序来完成采集任务，并把数据传送给DS Server。
在虚拟实验平台基础之上设计基于WEB的虚拟实验中心可采用客户机，服务器的框架结构，还可实现远程教育。此框架结构中客户机端采用浏览器作为用户界面，服务器端则采用Web Server作为信息管理中心。教学课程的提供者把设计好的课件放在服务器一端等待用户访问，学员在客户机一端使用Web浏览器访问Web服务器，发出有关教学内容的请求，Web服务器则返回处理结果。服务器端可利用LabVIEW在Web中创建出一个可视化的三维环境，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象，通过鼠标的点击、拖曳等操作，远程学习者可进行有关课程的虚拟实验，同样能够“身临其境”地观察实验现象和进行“实际”操作，甚至和异地的学习者合作进行实验。
六、结语
本文只是提出了一些建设的方案，具体实施过程肯定还会有许多关键技术值得探讨。总的说来虚拟网络实验室的建设使得实验教学开放化、大众化，无论学生还是教师，只要在有电脑的地方就都可以自由地、无顾虑地随时上网进入虚拟实验室，操作仪器，进行各种实验。其投资少、效益高的特点将使越来越多的教育技术工作者投入到开发行列中来。