学文网摘 要： 本文介绍了一种基于Web技术的虚拟实验室仿真实验平台的构建方法。这种方法能够节省资金，使实验不受时间及空间的限制。依靠这种基于Web的实验室，用户仅需配置标准的网络浏览器，以及LabVIEW的运行引擎Run-Time Engine，就可通过网络实现对实验的访问以及操作。本设计在LabVIEW环境下，利用Remote Panels技术实现了基于C/S结构的远程访问及控制，通过仿真实验与远程操作的结合，实现了综合性的虚拟实验环境。
关键词： 虚拟实验室 仿真实验平台 Remote Panels技术 C/S结构
1.引言
所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据需求来定义和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能［１］。虚拟仪器系统的构成有多种方式，主要取决于系统所采用的硬件和接口方式，其基本构成如***1所示［２］。
虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号，可分为两类［３］：一类是满足一般科学研究与工程领域测试任务要求的虚拟仪器，最简单的是基于PC总线的插卡式仪器，也包括带GPIB接口和串行接口的仪器；另一类是用于高可靠性的关键任务，如航空、航天、国防等应用的高端VXI仪器。
LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）的产品，是一种基于***形编程语言的开发环境G语言，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域［６］。LabVIEW是一个开放式的开发环境，用户可以将其与任何测量硬件轻松连接。
虚拟实验就是指利用计算机技术与网络通讯技术，以Web为实现平台，将一系列软件和硬件有机结合起来，通过鼠标的点击、拖动和键盘操作等，按照实验要求和实验过程组装成一个完整的实验系统。
2.网络虚拟实验系统
网络虚拟实验系统是基于网络的仿真现实中现场操作实验的计算机应用系统，它实现的基础是计算机技术、网络技术与仪器技术的结合。网络虚拟实验系统降低了科研成本，节省了研究经费并且提高了使用效率。它突破了传统教学模式受时间、地点的限制，提高教学效率。
2.1网络虚拟实验系统的体系结构
基于网络的虚拟实验室一般采用C/S（Client/Server）结构式构建，其主要分为两类――基于Internet的C/S结构以及基于Web的C/S结构。
针对虚拟实验室应用于高校教育上的特点，我们采用了基于Web的分布式C/S结构。Web的C/S模式，也即通常意义上的B/S（Browser/Server）模式，客户机上无需安装专门的客户端软件，只要有标准的Web浏览器就可以实现对虚拟实验室的访问，不过其缺点在于不适合大量数据的传输。由于将实验系统的主体部分集中到了服务器端，对系统的维护以及实验项目的增加也只需在服务器端进行。这样不仅使系统的维护工作大大减轻，而且当实验项目增加时，只需要对服务器端进行更新，使系统具有高扩展性和适应性［３］。
2.2Remote Panels技术
从LabVIEW 6.1开始，LabVIEW集成了Remote Panels技术，允许用户直接在客户端计算机上打开并操作位于服务器端计算机上的VI的前面板，甚至可以将LabVIEW VIs的前面板窗口嵌入到一个网页中并在网页中直接操作它，这是一种软件操作界面共享方式。
LabVIEW的Remote Panels不仅可以观看，而且可以在LabVIEW的环境中或浏览器上加以控制 。这个强大的功能让开发人员可以轻松地创建远程应用程序，使用户在周末的时候坐在家中的计算机前轻松地监控办公室、实验室甚至生产线上的各种情况。
2.3远程访问原理
网络实验室仿真实验平台，主要针对大学物理、数字电子，模拟电子、电学、磁学、传感器原理等方面。学生利用网络登陆本仿真实验平台，可以***做理工类仿真实验。在网络仿真平台上，学生自己动手设置实验参数，运行在服务器端的平台仿真程序根据实验原理进行仿真，并实时返回仿真结果。主要原理***如***2：
实验者可以通过浏览器观察模拟实验过程，通过鼠标的点击以及拖曳动作来操作和控制虚拟的实验过程。在本文所介绍的过程控制虚拟实验室系统中，学生通过浏览器就可以观察到参数的调节对控制过程产生的各种影响，使得他们很方便的观察到不同的控制效果并很容易地掌握控制原理，极大地提高了他们的学习兴趣和效率。本系统的开发为用户访问远程虚拟实验室提供了技术支持，通过计算机网络把实验过程、方法，以及实验结果迅速而直观的展示给远程用户。
下面以磁化曲线为例介绍仿真实验平台的设计。
3.磁化曲线
3.1基本原理
如果在由电流产生的磁场中放入铁磁物质，则磁场将明显增强，此时铁磁物质中的磁感应强度比没放入铁磁物质时电流产生的磁感应强度增大百倍，甚至在千倍以上。铁磁物质内部的磁场强度H与磁感应强度B有如下的关系：B=μH
对于铁磁物质而言，磁导率μ并非常数，而是随的变化而变化的物理量，即μ=f（H），为非线性函数。所以B与H也是非线性关系，如***3所示：
铁磁材料的磁化过程为：其未被磁化时的状态称为去磁状态，这时若在铁磁材料上加一由小到大变化的磁化场，则铁磁材料内部的磁场强度H与磁感应强度B也随之变大。但当H增加到一定值（Hs）后，B几乎不再随着H的增加而增加，说明磁化达到饱和，如***3中的OS段曲线所示。从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线称为材料的起始磁化曲线。可以看出，铁磁材料的B和H不是直线，即铁磁材料的磁导率μ=B/H不是常数。
3.2设计思想及实现
当U = 0，0.2，0.4，0.6 ...3.0 V时，根据前面板中的电路***计算出U，U，H和B，作出B-H曲线即磁化曲线，如***4。
由磁化曲线的程序框***，即***5可知，本设计主要是由两个公式节点、各种运算控件，Build XY Graph控件和***形控件XY Graph组成。与Waveform Graph一样，XY Graph也是一次性完成波形显示刷新。不同的是，XY波形记录控件在波形显示的同时还反映测量点X、Y值的变化，所以它的输入数据结构是由两组数据大包（bundle）构成的簇，簇的每一对数据都对应一个显示数据点的X坐标和Y坐标［４］。
由数组控件得到一串数组U，经过公式节点中运算处理后得到B的一串数组以及H的一串数组。经Build XY Graph捆绑后由XY Graph输出波形。
4.基于Web的交互型虚拟实验室设计
4.1Web服务器设置
一个站点基本上是将站点上的文件提制到一个目的地，让其他人可以访问站点［５］。在站点之前，应该测试站点的各项操作都能正常工作，来确认站点已准备好。有一个好的方法可以确认您的站点已准备就绪，那就是在Web浏览器上进行预览并且浏览站点，检查所有文件的状态。这就需要通过配置IIS服务器来构建测试Web应用程序的环境。最后，将测试成功的Web应用程序到Internet上［６］。
IIS默认的Web文件存放于系统根目录中的%system%?摇Inetpubwwroot中，如果主页就放在这个目录下，出于安全考虑，微软建议用NTFS格式化使用IIS的驱动器。
4.2主页及仿真实验页面设计
主页界面如下***6所示，页面右下角是***聊天程序。访问此张页面的人都可以进行相互地聊天，教师也可以***指导学生更好地完成实验以及***答疑，使网络虚拟实验室的交互性有了很大的提高。
在各个实验网页中也可加入另一些美化框***或程序来完善页面，具体方法与设计网页一样。
教师要介绍虚拟实验室在网络部分的构建方法，包括Web服务器和LabVIEW服务器的设置，以及VI的嵌套实现和网页设计。
5.结语
本文设计主要分为两个部分：一部分是仿真平台的设计，另一部分是通过Web的网页形式来调用此仿真平台。
虚拟实验室虽然能很大程度地辅助教学，但并不代表可以代替真的实验室。若学生要有真实的控制仪器的经验，便需要在真实的实验室里做实验。如果某项实验只是集中于设计、解决问题的过程，而不是要求学生对仪器的亲自控制，这时就可以利用虚拟实验室。
参考文献：
［1］李莉玲，方康玲，周波.LabVIEW在远程虚拟平台中的应用［J］.武汉科技大学学报，2004，（7）:34-36.
［2］马宏斌，杨波.虚拟实验室管理系统实现技术.信息技术报［J］.2005，（2）:78-81.
［3］蒋英.对虚拟现实技术构建虚拟实验室的初浅认识.实验室科学［J］.2006，（3）:67.
［4］吴晓男.高校虚拟实验室的构建［J］.国外电子测量技术，2006，（10）:23-25.
［5］袁太文，罗世勇，李迅波.Web分布式虚拟实验室的研究与实现［J］.中国测试技术，2005，（6）:34.
［6］David Kahaner. Japanese Activities in Virtual Reality［J］.Computer Graphics and Applications，Vo1.14.No.1，Jan 1994：75-78.
注：“本文中所涉及到的***表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
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