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【摘要】 将虚拟仪器技术应用于网络教学，能发挥其“软件就是仪器”的优势，有助于形成分布式的网络测试体系，实现数据和仪器的远程共享，从而为实验教学以及远程测控服务。本文以LabVIEW 8.2为软件开发平台，以虚拟测试系统的数学模型为基础，建立了相对简单的虚拟实验系统，对虚拟教学工作具有一定的指导意义。
【关键词】 虚拟仪器；LabVIEW；登陆模块；系统设计；网络测试
【中图分类号】G434【文献标识码】B 【文章编号】1001-4128（2010）12-0006-02
1 绪论
实验环节在大学理工科教育中占有非常重要的地位，只有通过实验，才能将理论与实践很好地结合起来。传统的实验室实验设备资金投入量大、实验体系的完善和实验教学的实施所需人力物力投入量大，学校财力难以支付。本课题是针对目前高校中的实验资源紧张这一现实状况，利用虚拟实验室构建技术，构建一个智能化的网络虚拟实验室。该虚拟实验室能实现从辅助教学、实验管理来完成本科实验教学的基本内容，使实验教学方法和手段得到突破与创新。
传统仪器下的高校实验教学，严重滞后于信息时代和工程实际的需要。特别需要一些测试速度快、实时性好的人机界面，虚拟仪器正可以实现这些要求。本文就LabVIEW在网络虚拟实验系统方面的应用设计做初步的探讨，希望本文能为高校实验教学研究提供一点思路。
2 虚拟仪器技术
所谓虚拟仪器（Virtual Instrument），是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计，仪器的大部分测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。仪器的面板由显示在计算机上的软面板来代替，信号的获取和信号的分析、处理、存储及打印等功能完全由软件来实现。
虚拟仪器一般由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成。虚拟仪器的硬件一般包括计算机和外围硬件设备。虚拟仪器使用的个人计算机中，微处理器和总线用来提供实时高效的数据处理和显示功能。外围硬件设备则主要包括各种计算机内置仪器插卡和外置测试仪器设备。虚拟仪器软件由两大部分构成，即应用程序和I/O接口仪器驱动程序。其中应用程序包括：实现虚拟面板功能的前面板的软件程序；定义仪器测试功能的流程图软件程序；I/O接口仪器驱动程序。而输入/输出(I/O)接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据操作。仪器驱动程序是连接上层应用软件与底层输入/输出(I/O)软件的纽带和桥梁。
虚拟仪器的功能：虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示。虚拟仪器具有以下三个基本功能：信号调理与采集功能；数据分析与处理功能；参数设置和结果表达功能
虚拟仪器的特点：虚拟仪器技术就是基于PC技术的、用户自定义的测试和测量解决方案，其优势在于：性能强性价比高、扩展性强、开发时间短，以及出色的集成功能。
3LabVIEW软件开发平台
LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具。LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开发工具库。LabVIEW的程序设计就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VI”。在计算机显示屏幕上利用功能库和开发工具库而产生一个前面板；在后台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序
LabVIEW的核心是VI，VI有一个人机对话的用户界面：前面板和方框图。前面板用于接受来自方框图的指令。在VI的前面板中，控件模拟了仪器的输入装置，指示器模拟了仪器的输出装置。当把一个控件或指示器放置到前面板上时，LabVIEW在方框图中相应地放置了一个端口，这个控件或指示器的端口不能随意删除，只有删除它对应的控件时它才随之一起被删除。
LabVIEW应用程序的构成：所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI )，都包括前面板、流程图以及图标/连结器三部分。
VI具有层次化和结构化的特征：一个VI可以作为子程序，这里称为子VI (Sub VI)，被其他VI调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。构造子VI主要的工作就是定义它的图标和联接器。
LabVIEW的操作选板：在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它的操作模板，包括工具选板、控件选板和函数选板。这些选板集中反映了该软件的功能与特征。
工具选板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。如果该选板没有出现，则可以在查看菜单下选择工具选板命令以显示该选板。
4 LabVIEW设计虚拟仪器的方法
LabVIEW的图形化程序设计是基于现代软件的面向对象技术和数据流技术而发展起来的。设计步骤如下：
4.1建立方案：选用LabVIEW软件，可以构建虚拟仪器，而不是编写程序。有了交互式控制的软件系统，用户可以很方便地建立其前面板接口。
4.2建立前面板：用户从控件选板上选择需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。
4.3构建图形化的流程图：对虚拟仪器进行程序设计，用户不必担心很多传统程序设计所需的语法细节，而可自己构建流程图。
4.4数据流程序设计：LabVIEW用一种精巧的数据流程序设计模式把用户从文本式语言的线形化方式构建程序的办法中解放出来。
4.5模块化和层次：LabVIEW虚拟仪器实行模块化设计，因而任何虚拟仪器既能独立运行，又能被用作其他虚拟仪器的一部分。
4.6图形编辑器：在许多场合、程序运行速度都非常关键。
5 基于LabVIEW的网络虚拟实验室的设计与实现
考虑到虚拟实验室系统的复杂性，通过采用模块化设计，可以将虚拟实验室系统分解为多个层次的模块进行设计，来降低系统设计复杂度。设计时先完成底层模块的设计与验证，再进行高层次模块的设计与验证。虚拟实验室可以划分为用户登陆界面模块、用户管理模块、虚拟实验仪器仿真模块、数据库管理模块。
根据系统体系结构，可把要完成的主要功能分别划分到客户端和服务器端。客户端主要功能：用户登录、仪器选择、 实验操作、结果可视化接收服务器端传回的仿真结果，将实验结果在波形显示区可视化地显示出来；服务器端的主要功能：用户管理、仪器管理、规则审查、仿真计算、文件及数据库管理。
一个完善的网络虚拟实验室系统应具有完备的安全验证体系。进入实验室系统之前，学生初始用户名和密码分别是姓名和学号，只有合法的用户在验证后才能进行测试和其它操作。在登录模块中验证用户是否合法是关键，通过一个不断循环的While结构来对比用户输入的与数据库中的用户名和密码是否匹配。
管理员可以进行的管理包括：增加用户、删除用户、编辑用户等权限。用户进入系统平台后，用户选择想要進行的虚拟实验仪器单击进入然后根据虚拟实验环境提供的元器件，进行电路连接，参数设置，完成仿真。
6 结论
本文以网络技术、计算机技术、虚拟仪器技术为依据，从理论层面讨论了虚拟实验室的基本概念及其分类；从技术和方法层面，讨论了虚拟实验室进行了功能定位，对其构建的基本原则和实现的用户操作流程进行了详细的描述；从应用层面利用LabVIEW软件设计的网络虚拟实验平台，通过用户登陆界面，嵌入一些虚拟实验仪器设备，可以应用于实验室的辅助教学，实现了资源共享，提高了学生的学习效果。
参考文献
［1］ 刘君华.虚拟仪器图形化编程语言 LabVIEW 教程［M］,西安:西安电子科技大学,2002,74—80.
［2］ 王英霞.基于LabVIEW的虚拟实验室的研究与实现［D］,天津理工大学,2007.
［3］ 张爱平.LabVIEW入门与虚拟仪器［M］,北京:电子工业出版社,2004,1—5.
【关键词】 虚拟仪器；LabVIEW；登陆模块；系统设计；网络测试
【中图分类号】G434【文献标识码】B 【文章编号】1001-4128（2010）12-0006-02
1 绪论
实验环节在大学理工科教育中占有非常重要的地位，只有通过实验，才能将理论与实践很好地结合起来。传统的实验室实验设备资金投入量大、实验体系的完善和实验教学的实施所需人力物力投入量大，学校财力难以支付。本课题是针对目前高校中的实验资源紧张这一现实状况，利用虚拟实验室构建技术，构建一个智能化的网络虚拟实验室。该虚拟实验室能实现从辅助教学、实验管理来完成本科实验教学的基本内容，使实验教学方法和手段得到突破与创新。
传统仪器下的高校实验教学，严重滞后于信息时代和工程实际的需要。特别需要一些测试速度快、实时性好的人机界面，虚拟仪器正可以实现这些要求。本文就LabVIEW在网络虚拟实验系统方面的应用设计做初步的探讨，希望本文能为高校实验教学研究提供一点思路。
2 虚拟仪器技术
所谓虚拟仪器（Virtual Instrument），是指在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计，仪器的大部分测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。仪器的面板由显示在计算机上的软面板来代替，信号的获取和信号的分析、处理、存储及打印等功能完全由软件来实现。
虚拟仪器一般由通用仪器硬件平台和应用软件两大部分组成。虚拟仪器的硬件一般包括计算机和外围硬件设备。虚拟仪器使用的个人计算机中，微处理器和总线用来提供实时高效的数据处理和显示功能。外围硬件设备则主要包括各种计算机内置仪器插卡和外置测试仪器设备。虚拟仪器软件由两大部分构成，即应用程序和I/O接口仪器驱动程序。其中应用程序包括：实现虚拟面板功能的前面板的软件程序；定义仪器测试功能的流程图软件程序；I/O接口仪器驱动程序。而输入/输出(I/O)接口软件存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据操作。仪器驱动程序是连接上层应用软件与底层输入/输出(I/O)软件的纽带和桥梁。
虚拟仪器的功能：虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境和在线帮助功能，建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示。虚拟仪器具有以下三个基本功能：信号调理与采集功能；数据分析与处理功能；参数设置和结果表达功能
虚拟仪器的特点：虚拟仪器技术就是基于PC技术的、用户自定义的测试和测量解决方案，其优势在于：性能强性价比高、扩展性强、开发时间短，以及出色的集成功能。
3LabVIEW软件开发平台
LabVIEW是美国NI公司推出的一种基于G语言的虚拟仪器软件开发工具。LabVIEW包含有专门用于设计数据采集程序和仪器控制程序的功能库和开发工具库。LabVIEW的程序设计就是设计一个个的“虚拟仪器”，即“VI”。在计算机显示屏幕上利用功能库和开发工具库而产生一个前面板；在后台则利用图形化编程语言编制用于控制前面板的程序
LabVIEW的核心是VI，VI有一个人机对话的用户界面：前面板和方框图。前面板用于接受来自方框图的指令。在VI的前面板中，控件模拟了仪器的输入装置，指示器模拟了仪器的输出装置。当把一个控件或指示器放置到前面板上时，LabVIEW在方框图中相应地放置了一个端口，这个控件或指示器的端口不能随意删除，只有删除它对应的控件时它才随之一起被删除。
LabVIEW应用程序的构成：所有的LabVIEW应用程序，即虚拟仪器(VI )，都包括前面板、流程图以及图标/连结器三部分。
VI具有层次化和结构化的特征：一个VI可以作为子程序，这里称为子VI (Sub VI)，被其他VI调用。图标与连接器在这里相当于图形化的参数。构造子VI主要的工作就是定义它的图标和联接器。
LabVIEW的操作选板：在LabVIEW的用户界面上，应特别注意它的操作模板，包括工具选板、控件选板和函数选板。这些选板集中反映了该软件的功能与特征。
工具选板提供了各种用于创建、修改和调试VI程序的工具。如果该选板没有出现，则可以在查看菜单下选择工具选板命令以显示该选板。
4 LabVIEW设计虚拟仪器的方法
LabVIEW的图形化程序设计是基于现代软件的面向对象技术和数据流技术而发展起来的。设计步骤如下：
4.1建立方案：选用LabVIEW软件，可以构建虚拟仪器，而不是编写程序。有了交互式控制的软件系统，用户可以很方便地建立其前面板接口。
4.2建立前面板：用户从控件选板上选择需要的对象，放在虚拟仪器的前面板上。
4.3构建图形化的流程图：对虚拟仪器进行程序设计，用户不必担心很多传统程序设计所需的语法细节，而可自己构建流程图。
4.4数据流程序设计：LabVIEW用一种精巧的数据流程序设计模式把用户从文本式语言的线形化方式构建程序的办法中解放出来。
4.5模块化和层次：LabVIEW虚拟仪器实行模块化设计，因而任何虚拟仪器既能独立运行，又能被用作其他虚拟仪器的一部分。
4.6图形编辑器：在许多场合、程序运行速度都非常关键。
5 基于LabVIEW的网络虚拟实验室的设计与实现
考虑到虚拟实验室系统的复杂性，通过采用模块化设计，可以将虚拟实验室系统分解为多个层次的模块进行设计，来降低系统设计复杂度。设计时先完成底层模块的设计与验证，再进行高层次模块的设计与验证。虚拟实验室可以划分为用户登陆界面模块、用户管理模块、虚拟实验仪器仿真模块、数据库管理模块。
根据系统体系结构，可把要完成的主要功能分别划分到客户端和服务器端。客户端主要功能：用户登录、仪器选择、 实验操作、结果可视化接收服务器端传回的仿真结果，将实验结果在波形显示区可视化地显示出来；服务器端的主要功能：用户管理、仪器管理、规则审查、仿真计算、文件及数据库管理。
一个完善的网络虚拟实验室系统应具有完备的安全验证体系。进入实验室系统之前，学生初始用户名和密码分别是姓名和学号，只有合法的用户在验证后才能进行测试和其它操作。在登录模块中验证用户是否合法是关键，通过一个不断循环的While结构来对比用户输入的与数据库中的用户名和密码是否匹配。
管理员可以进行的管理包括：增加用户、删除用户、编辑用户等权限。用户进入系统平台后，用户选择想要進行的虚拟实验仪器单击进入然后根据虚拟实验环境提供的元器件，进行电路连接，参数设置，完成仿真。
6 结论
本文以网络技术、计算机技术、虚拟仪器技术为依据，从理论层面讨论了虚拟实验室的基本概念及其分类；从技术和方法层面，讨论了虚拟实验室进行了功能定位，对其构建的基本原则和实现的用户操作流程进行了详细的描述；从应用层面利用LabVIEW软件设计的网络虚拟实验平台，通过用户登陆界面，嵌入一些虚拟实验仪器设备，可以应用于实验室的辅助教学，实现了资源共享，提高了学生的学习效果。
参考文献
［1］ 刘君华.虚拟仪器图形化编程语言 LabVIEW 教程［M］,西安:西安电子科技大学,2002,74—80.
［2］ 王英霞.基于LabVIEW的虚拟实验室的研究与实现［D］,天津理工大学,2007.
［3］ 张爱平.LabVIEW入门与虚拟仪器［M］,北京:电子工业出版社,2004,1—5.