摘要： 結(jié)合虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室，以其誘人的應(yīng)用前景吸引了大批專家學(xué)者的注意力，均在大力開發(fā)研究。本文介紹了基于LabVIEW的通信專業(yè)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)?；贚abVIEW開發(fā)平臺和PCI6111采集卡，設(shè)計了通信原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括5個虛擬實(shí)驗(yàn)和3個虛擬儀器，并將整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化，形成遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室。

關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器虛擬技術(shù)Ｗｅｂ應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

    在這個計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時代，利用計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，已是大勢所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)進(jìn)行融合的產(chǎn)物。八十年代末，美國國家儀器公司（NI）提出了“軟件就是儀器”的口號，將日益普及的計算機(jī)技術(shù)與儀器儀表技術(shù)完美結(jié)合起來，提出虛擬儀器（Virtual Instruments）的概念。LabVIEW 是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的縮寫。它是NI公司研制的圖形化編程軟件，是目前最為成功、應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，使我們能夠在計算機(jī)上按照自己的需求來設(shè)計儀器，方便靈活而且開發(fā)周期短。它不僅降低了儀器成本，更提高了工作效率。據(jù)統(tǒng)計，在全球500強(qiáng)企業(yè)中有85%的企業(yè)使用了虛擬儀器技術(shù)，足以證明其應(yīng)用領(lǐng)域的廣闊。同樣地，虛擬儀器技術(shù)在教學(xué)上也有著非常好的應(yīng)用前景。在最近幾年里，快速可靠的計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)獲得了驚人的發(fā)展，局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)上的計算機(jī)可以進(jìn)行信息和命令交換，這樣網(wǎng)絡(luò)服務(wù)拓展了虛擬儀器的使用范圍，給虛擬儀器技術(shù)注入了強(qiáng)大的活力，進(jìn)一步增強(qiáng)了數(shù)字化儀器的優(yōu)勢，從而成功地進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器階段。LabVIEW具有非常強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，其內(nèi)置Web Server，可以進(jìn)行網(wǎng)頁發(fā)布，使客戶端僅用Web瀏覽器便可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；支持DataSocket遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)交換；利用TCP、UDP技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)另一種數(shù)據(jù)傳輸方式；同時VI Server作為遠(yuǎn)程程序的運(yùn)行控制技術(shù)，其功能極其強(qiáng)大。通過將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室為遠(yuǎn)程教育的實(shí)驗(yàn)課程提供了解決方案。國內(nèi)部分重點(diǎn)大學(xué)在這方面已開始了初步的研究和應(yīng)用。但是在通信專業(yè)教學(xué)上的應(yīng)用還無先例。

    通信原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)包括：數(shù)字基帶信號、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、模擬信號的波形編碼、循環(huán)糾錯編碼等，其主要目的是幫助學(xué)生理解通信系統(tǒng)的整體概念及基本理論，對于培養(yǎng)學(xué)生的通信系統(tǒng)觀念、提高實(shí)際動手能力有極其重要的作用。在這些教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，需要的儀器有：數(shù)字萬用表、任意波形發(fā)生器、數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、失真度儀、頻率計（國產(chǎn)全套儀器約20萬元人民幣）。特別是頻譜分析儀作為頻域分析儀器在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著非常重要的作用，但因頻譜分析儀價格的昂貴，至今沒有配備。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器除了在性能、易用性、用戶可定制性等方面具有更多優(yōu)點(diǎn)外，在工程應(yīng)用和社會經(jīng)濟(jì)效益方面也具有突出優(yōu)勢。此外，傳統(tǒng)的通信原理實(shí)驗(yàn)主要通過硬件電路實(shí)現(xiàn)各功能模塊，由信號發(fā)生器產(chǎn)生信號，用示波器觀察各點(diǎn)波形。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，往往得不到豐富實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且學(xué)生面對復(fù)雜的電路板難以從系統(tǒng)的觀點(diǎn)去分析各點(diǎn)波形關(guān)系。設(shè)計出一套與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相配合的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，采用軟件模擬的方法，通過靈活調(diào)節(jié)各個實(shí)驗(yàn)參數(shù)，靈活控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，便可很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)通信原理實(shí)驗(yàn)的不足。因此，將虛擬儀器技術(shù)引入到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中就成為行之有效的解決方案（實(shí)現(xiàn)這樣的虛擬實(shí)驗(yàn)室的每套投資大約4萬元人民幣）。

    實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室有眾多意義，但是目前最重要的也是最現(xiàn)實(shí)的意義就是應(yīng)用于教育系統(tǒng)上。隨著我國高等教育體制的深化改革以及招生規(guī)模擴(kuò)大方針實(shí)施以來，學(xué)生規(guī)模急劇膨脹的普通高等院校普遍陷入了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境。從現(xiàn)實(shí)的意義上來說，在高等工程教育中采用虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以從根本上解決實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重短缺問題。同時，利用虛擬儀器技術(shù)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合還可以實(shí)現(xiàn)對儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程、分布式控制，在教育、科研等領(lǐng)域中具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個新的發(fā)展方向。

2通信專業(yè)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成

   利用LabVIEW內(nèi)置Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：
                                  

圖1遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)組成

    其中Web服務(wù)器裝有Win2000 Advanced Server操作系統(tǒng)，LabVIEW 6.1軟件，同時此服務(wù)器還作登陸服務(wù)器用，裝有SQL，也就是需要正確的用戶名密碼登陸服務(wù)器，才可以做虛擬實(shí)驗(yàn)。RDA（Remote Device Access遠(yuǎn)程設(shè)備訪問）服務(wù)器裝有NI公司的硬件板卡（PCI6111設(shè)備）， RDA技術(shù)是把此板卡共享給Web服務(wù)器以減小服務(wù)器負(fù)擔(dān)。對于用戶計算機(jī)需要有Web瀏覽器和LabVIEW的RuntimeEngine插件。

   遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)平臺由5個部分組成，分別是預(yù)約系統(tǒng)，交流討論系統(tǒng)，上傳專區(qū)，下載專區(qū)，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的無縫連接系統(tǒng)。其中虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的無縫連接系統(tǒng)是遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的重要組成部分，分為虛擬實(shí)驗(yàn)和虛擬儀器兩個部分，為學(xué)生提供遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)鏈接。主頁（圖2）是虛擬實(shí)驗(yàn)室的入口，任何人都可以訪問主頁。而進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)及使用虛擬儀器則需要驗(yàn)證身份后才能登陸相關(guān)鏈接。圖3所示為網(wǎng)絡(luò)化虛擬信號發(fā)生器，當(dāng)獲得控制權(quán)時可以對儀器操作。

圖2遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室主頁

圖3IE中的信號發(fā)生器

2.2虛擬實(shí)驗(yàn)部分

    作為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的無縫連接系統(tǒng)中的重要組成部分，共包括數(shù)字基帶信號、數(shù)字調(diào)制與解調(diào)、PCM編譯碼與時分復(fù)用、增量調(diào)制、循環(huán)糾錯編碼5個虛擬實(shí)驗(yàn)，涵蓋了通信專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，并比傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)箱提供了更豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)效率，改進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。采用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件模擬的方法迅速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)通信原理教學(xué)的抽樣量化、碼型變換、基帶傳輸、PCM編譯碼等實(shí)驗(yàn)。由于信號通過程序精確產(chǎn)生，各功能模塊也由程序精確實(shí)現(xiàn)，有助于學(xué)生理解通信系統(tǒng)的整體概念及基本理論。與以往注重費(fèi)時的采集數(shù)據(jù)的過程不同，在虛擬實(shí)驗(yàn)室中，師生可以集中精力分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)規(guī)律，得出結(jié)論。而不必花費(fèi)大量精力在實(shí)驗(yàn)設(shè)備的搭建和各種設(shè)備的操作調(diào)試上，突出了訓(xùn)練的重點(diǎn)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

    以數(shù)字調(diào)制實(shí)驗(yàn)中的2DPSK相干解調(diào)（圖4）為例，采用虛擬實(shí)驗(yàn)方式可在同一界面上顯示出解調(diào)過程中所有關(guān)鍵點(diǎn)的波形，比以往示波器觀察更具有完整性，有助于學(xué)生對解調(diào)原理的理解。又如在數(shù)字基帶信號實(shí)驗(yàn)中的HDB3編碼（圖5），HDB3編碼概念非常重要，以往實(shí)驗(yàn)中讓學(xué)生觀察四連零取代節(jié)常常會花費(fèi)大量時間，利用虛擬實(shí)驗(yàn)可以將取代節(jié)明確標(biāo)出，簡單明了，并且與NRZ碼和AMI碼比對學(xué)習(xí)，利于知識點(diǎn)的掌握。

圖42DPSK相干解調(diào)

圖5HDB3編碼

2.3虛擬儀器部分

    基于LabVIEW開發(fā)平臺，使用NI公司PCI6111采集卡，設(shè)計了頻譜儀、雙路信號發(fā)生器和數(shù)字示波器3個虛擬儀器。在虛擬儀器設(shè)計中遵循涵蓋實(shí)驗(yàn)中所需傳統(tǒng)儀器功能的同時豐富儀器的分析、顯示與結(jié)果記錄功能的原則。例如以傳統(tǒng)頻譜儀和失真度儀為參考，設(shè)計虛擬頻譜儀（圖6）并綜合失真度測量功能，這樣彌補(bǔ)了無頻譜儀和失真度儀的不足。同時頻譜儀的Mark功能，可以快速讀取峰值，方便測量。雙路信號發(fā)生器可以同時輸出兩路模擬信號并可完成波形的運(yùn)算。示波器可雙路顯示并具有硬件觸發(fā)功能和存儲或打印實(shí)驗(yàn)結(jié)果的功能。其波形快照功能（圖7），可記錄某一時刻的測量值與波形，并利用顯示手段可以清楚地分析實(shí)驗(yàn)中的特定現(xiàn)象如相位翻轉(zhuǎn)點(diǎn)等。
                                          

圖6調(diào)幅波的頻譜測量

圖7示波器的波形快照功能

    用一臺計算機(jī)（虛擬儀器）同時取代多臺功能固定的傳統(tǒng)臺式儀器，真正體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)“軟件就是儀器”，同時虛擬儀器的測量、分析、存儲與輸出功能可隨用戶需求而改變。這樣，完成眾多內(nèi)容的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，只需要為每組配備一臺計算機(jī)及數(shù)據(jù)采集卡，既節(jié)省了空間，同時也大大節(jié)約了儀器的維修保養(yǎng)費(fèi)用，降低了實(shí)驗(yàn)成本。

    通過上述介紹，可以看到通信專業(yè)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的主要特點(diǎn)有以下幾個方面：1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更豐富，更生動，更易于理解。2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備投資可顯著的降低。3)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)手段的現(xiàn)代化。

3結(jié)束語

    事實(shí)證明將虛擬儀器技術(shù)引入到教學(xué)實(shí)驗(yàn)中是行之有效的解決方案。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)，使我們能夠在計算機(jī)上按照自己的需求來設(shè)計實(shí)驗(yàn)與儀器，方便靈活而且開發(fā)周期短。它可以提高實(shí)驗(yàn)效率、降低實(shí)驗(yàn)成本、增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，取得較好的教學(xué)效果，其具有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所無可比擬的優(yōu)勢。在通信原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用通信專業(yè)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)、以虛擬儀器替代傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)儀器、利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程應(yīng)用是完全可行的?；贚abVIEW的遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室無疑是實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的新思路，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個新的發(fā)展方向。