基于NIELVIS的远程虚拟实验室的研究

Vol.17No.1

电子设计工程

ElectronicDesignEngineering2009年1月Jan.2009

基于NIELVIS的远程虚拟实验室的研究

宋玉杰，杨燕翔

（西华大学电气信息学院四川成都610039）

摘要:介绍NI教学实验虚拟仪器套件（ELVIS）软硬件构成、功能和iLabs远程虚拟实验系统，研究以交互式结构为基础，应用NIELVIS而构建的远程虚拟实验室，并以信号调理实验为例说明其应用。实验证明NIELVIS比传统实验教学装置更具创新性、实践性，iLabs系统可实现数据和仪器的远程共享。因此，基于NIELVIS的远程虚拟实验室能够满足实验教学需要。关

键

词:NI教学实验虚拟仪器套件（ELVIS）；iLabs；LabVIEW；虚拟仪器；远程虚拟实验室

文献标识码：A

文章编号：1006－6977（2009）01-0034-02

中图分类号:TP39

ResearchofremotevirtualLabbasedonNIELVIS

SONGYu-jie,YANGYan-xiang

(Dept.ofElectricalInformation,XihuaUniversity,Chengdu610039,China)

Abstract:ThispaperintroducesthehardwareandsoftwarecompositionandfunctionsofNIELVIS(educationallaboratoryvirtualinstrumentsuite)andlong-rangevirtualexperimentsystemiLabs,studiesthelong-rangevirtualLabbasedoninterac-tivestructureandNIELVIS.Thenthepaperintroducesthesystemapplicationstakethecaseofsignalconditioningexperi-ment.TheexperimentresultsprovedthatNIELVISwasmoreinnovativeandpracticalthanthetraditionalteachingexperi-mentaldevice,whileiLabssystemwouldachievesharingofdataandremoteequipments,Sothat,theremotevirtualLabbasedonNIELVIScanmeettheteachingexperimentrequirment.

Keywords:NIELVIS；iLabs；LabVIEW；virtualInstrument;remotevirtualLab

1引言

随着虚拟仪器技术的不断发展，其“软件就是仪器”的优势得到发挥，而基于虚拟仪器技术的远程虚拟实验室以其成本低、效率高、突破时空等特点得到了广泛认可和研究，分布式网络测量体系有助于实现数据和仪器的远程共享，为实验教学和学生学习带来便利。这里介绍的基于NIELVIS的远程虚拟实验室能够完成虚拟仿真实验和远程操作真实仪器，具有成本低，功能强，实用价值高等特点。

能。NIELVIS所集成的软仪器功能：信号分析（示波器，动态信号分析，波特图分析，阻抗分析仪等）；数字万用表(测量电压,电流,电阻,电感,二极管的极性等)；信号源（信号发生器和任意波型发生器，可手动调节，也可编程设置，并具有扫频功能）；定时/数字量（频率，计数器和数字I/O）；直流电源（标准+5V,±15V和可变调节的±12V）。而硬件部分包括以数据采集卡为中心的数据采集系统，电路搭建平台（面包板）和

ELVIS工作台。其中，数据采集系统用来测量和分析现实世

界的物理量,利用转换器和测试探针或者固定设备采集测量温度、压力、速度等不同类型的电信号,并将其送入计算机处理。该远程虚拟实验室采用基于PCI接口的采集卡PCI-

2NIELVIS和iLabs简介

NI教学实验虚拟仪器套件（NIEducationalLaboratory

2.1NIELVIS简介

VirtualInstrumentationSuite，简称ELVIS）是在NI数据采集卡

和图形化开发环境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering

6221，该数据采集卡具有16路模拟输入、16位分辨率;采样

速率为250KS/s；2路模拟输出，更新速率为833KS/s;24路数字I/O(8路高速可达1MHz)；2个32位80MHz计数器/定时器。而硬件电路的搭建平台（面包板）和ELVIS工作台的控制面板含有示波器、数字万用表、可变电源等仪器,这些基本仪器作为ELVIS可操作的软面板仪器,并通过连接器在

Workbench,简称LabVIEW）编程的基础上集成了实验常用仪

器功能的虚拟仪器套件。该套件通过软硬件相结合搭建的虚拟仪器开发平台。其中软件部分包括集成的多种通用电路电子测试的软仪器，如LabVIEW、NI-DAQ开发软件等。该套件安装在计算机软件前面板（SoftFrontPannel，简称SFP）虚拟仪器。NIELVIS加载了LabVIEW创建的软件前面板仪器以及仪器的源代码，通过修改LabVIEW代码来更改SFP的功收稿日期：2008-09-16

稿件编号：200809044

ELVIS软面板上显示。面包板与工作台相连,并搭建相关电

路，允许实验输入输出信号连接。图1为ELVIS构成示意图。

2.2iLabs简介

iLabs是由美国麻省理工学院（MIT）倡导的远程网络实验

室，即MIT公开共享其实验室，即学生或教师通过互联网访问

MIT真实的实验室,使得高等院校之间能够共享昂贵设备以

作者简介：宋玉杰（1983），女，山东淄博人，硕士研究生。研究方向：虚拟仪器。

－34－

宋玉杰，等基于NIELVIS的远程虚拟实验室的研究

图1ELVIS构成示意图

及与实验室有关的教学资料。iLabs的最终目标是创造丰富的网上实验资源，使人们通过网络共享实验资源。目前iLabs实验系统分为BatchedArchitecture和InteractiveArchitecture，前者针对仪器共享网络实验室，后者针对远程控制实验室，可以互动控制远程实验。该远程虚拟实验室采用InteractiveAr-

chitecture实验系统。3

远程虚拟实验室设计方案

3.1

设计原理

iLabs网络实验室系统通过网络服务将在线实验室分成

实验室服务器（LabServer）、实验室客户端（LabClient）、服务代理端（ServiceBroker）等功能模块，如图2所示。

图2iLabs网络实验室系统结构

其中，实验服务器是由实验室管理员操作管理，同时它也是处理执行真实在线实验的硬件，主要用于控制和管理实验仪器、采集和处理实验数据。实验客户端是终端用户计算机，为用户提供实验的交互式操作界面，通过浏览器访问。服务代理端位于实验室服务器和实验室客户端的中间，用于交换协调这二者之间的信息，用于提供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生成，并提供存储和管理服务。该实验室InteractiveServiceBroker是一台基于ASP2.

0的IIS网页服务器，后台使用SQLServer2000数据库配合用

户管理、动态网页生成以及实验数据的存储和管理[1]。

3.2硬件构成

该网络实验室为节约成本将LabServer和ServiceBroker安装在同一台电脑上。其主要硬件包括一台普通电脑为Web服务器；采集和传输实验设备数据的数据采集卡PCI-6221；提取现场实验设备影像的USB接口的摄像头。NIELVIS建立实验模型，搭建实验电路，构建小型电子电路系统。

3.3设计实现

要实现虚拟仪器在网络平台上的应用,必须实现不同应用之间的数据共享。虽然TCP/IP,DDE等技术支持不同应用

程序间的数据共享,但不能传输动态数据。NI公司提供的

DataSocket是专门用于传输和发布动态数据的,简化网络计

算机之间尤其是现场数据传输。DataSocket由DataSocket

API与DataSocketServer两部分组成。前者用于访问网络数

据的接口，后者负责提供DSTP协议和管理底层网络通信。

DataSocketServer广播数据需要发布者、DataSocketServer和

订阅者三种角色。发布者通过DataSocketAPI向DataSocket

Server写入数据，订阅者通过DataSocketAPI从DataSocketServer读取数据

[2-3]

。利用DataSocketServer实现现场数据

的网络共享，如图3所示。

图3利用DataSocketServer实现现场数据网络共享

该远程虚拟实验室具体技术实现是首先建立Interactive

ServiceBroker和InteractiveLabServer两个Web站点，再利

用LabVIEW编程制作各种实验界面，然后利用LabVIEW的

DataSocket技术和内置的Web发布功能为基础，将实验界面

嵌入到LabServer。InteractiveServiceBroker后台使用SQL

Server2000数据库配合用户管理、动态网页生成以及实验数

据存储和管理，实现实验管理系统的管理。通过iLab实验系统，将InteractiveServiceBroker和LabServer互联成一个整体。用户只需使用网页浏览器进入InteractiveServiceBroker的站点，即可进行Internet实验。InteractiveServiceBroker站点内包含ESS，USS，LSS,其中ESS存储实验的记录信息，USS

用于实验管理者管理实验日程，LSS用于实验管理用户预约。

4应用举例

该远程虚拟实验室已应用于理工科院校信息类专业实

验，主要分为虚拟实验和真实实验，并不断开发新实验。以信号发生及调理实验为例来说明远程实验室的使用方法。需要说明的是：如果远程客户端没有安装LabVIEW8.2,则需安装

LabVIEW8.2RunTime引擎和NIVisionRunTime引擎,即

可远程浏览和操作实验。首先用户登录到InteractiveService

Broker，输入用户名和密码，此时Web服务器从SQLServer

数据库中获取用户相关信息，检测是否为合法用户，只有合法用户才能进入实验系统；然后，选择所要做的实验，进入预定时间界面；在预定的时间内启动实验，进入实验操作界面；按照实验界面提示进行实验，用户根据具体实验要求详细设置仪器[4-5]，实验操作结果如图4所示。

5应用前景

从上述远程实验看出，在NIELVIS平台上实验要比传

统实验装置更具有优越性:

（1）NIELVIS平台集成有常用实验仪器（下转第38页）

－35－

图4采集的指纹图像

下一步的指纹识别打下了良好的基础。系统操作简单，携带方便，尤其适合不宜使用基于PC构架的指纹采集仪器的场合，且成本低廉，易于推广。参考文献：

[1]刘丹.基于FPS200的指纹自动识别系统的开发与实现.

图3系统软件流程图

[D].沈阳：东北大学，2006.

[2]张新跃，张艳.指纹芯片及USB接口指纹采集系统设计

[J].电子技术，2004（6）:54-56.

[3]JiWankang,Yangjia,HongYongqiang.BSPdevelopmentofWinCEsystemforvehiclenavigationdevicebasedonS3C2440[C].TheEighthInternationalConferenceonElectronicMea-surementandInstruments,2007（2）:3-391.

[4]陈庆接，李见为，张腾，等.基于ARM9的嵌入式自动指纹

识别系统[J].重庆大学学报，2004,27（9）:22-25.

在DCR=0x01，DTR=0x40，PGC=0x0B（g＝3）下采集的；图4（b）的图像是在DCR=0x01，DTR=0x23，PGC=0x00（g＝1）下采集的。当手指情况较好时，图4（a）的参数要比图4（b）的参数得到的图像更好。

5结语

本文设计了一个基于ARM的指纹采集系统，使用

FPS200固体指纹传感器作为指纹采集元器件。减少了许多

软件优化图像的过程。以Samsung的S3C2440为硬件平台，

[5]周毓林，宁杨，陆贵强，等.WindowsCE内核定制及应用开

发[M].北京：电子工业出版社，2005.

WindowsCE[5]系统为软件平台，非常容易地对外实施扩展，为(上接第35页)

ELVIS设计电路，把仿真结果输出到LabVIEW，最后使用Ultiboard建立电路模型。

6结语

NIELVIS应用于远程虚拟实验室可使诸多理论知识

付诸于实践，且能根据用户的兴趣及创造添加更多新功能，灵活应用，突破时空，随时随地与他人探讨协作共享实验资源，解决了科研教学资源紧张的问题。其次，该远程虚拟实验室开发周期短，使用效率高，可扩展性强，成本低，功能强。参考文献:

[1]周毅.基于虚拟仪器的网络虚拟实验室构建[EB/OL].2007.

图4

信号发生及信号调理实验结果

http://digital.Ni.Com/worldwide/china.Nsf/main?Readform.[2]陈锡辉张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].

北京：清华大学出版社，2007.

该平台集成有波形发生器、示波器、数字万用表、可变电源等，同时NIELVIS可根据课程需要开发和购买不同功能的实验板建立通信、自动控制、物理等不同学科的实验室。

（2）实验实现原理简单

[3]林鹏.基于DataSocket技术的虚拟实验室系统设计[J].实

验科学与技术，2008，6（3）：45-46.

NIELVIS平台具备数据采集功

NIELVIS平台附加功能

能，可直接把模拟信号输入计算机进行显示和分析处理。

（3）ELVIS平台附加功能强大

强，用户界面丰富,通过开发软件实现更多功能[6]。

需要补充的是，LabVIEW可与工业标准的电路仿真SPICE环境ElectronicsWorkbenchMultisim紧密集成。借助虚拟3D

[4]中国仪器仪表学会第九届青年学术会议.中国仪器仪表学

会第九届青年学术会议论文集[A].安徽黄山，2007.

[5]陈昌菊.远程网络虚拟实验室系统研究[D].成都：西华大

学电气信息学院，2008.

[6]蒋书波，徐启.ELVIS在实验教学中的应用[J].国外电子测

量技术,2007，26（9）:59-61.

NIELVIS环境，学生可完成实验前任务，使用Multisim和NI

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