随着测控理论与技术的发展, 传统的测量仪器已不能满足一些实验或是教学的需求。美国国家仪器公司的杰夫·考度斯基于1986年在苹果计算机上发表程序, 虚拟仪器就此诞生。虚拟仪器由于其技术性能高、扩展性好、开发时间少等优势被广泛应用于测量与控制领域。如今国家正从“制”造大国向“智”造大国以及未来的科技强国迈进, 而高校的实验创新是该转变不可或缺的基石。高校创新实验教学的地位举足轻重, 但是随着近年来高校不断扩招, 大学生人数逐年增加, 现有的实验仪器设备无论是数量还是质量上已不能满足高校学生基本的实验需求。虚拟实验系统平台历经数年的探索愈发成熟, 美国俄勒冈大学的VLAB物理实验网站和德国Ruhr大学的网络虚拟实验室已投入使用。国内如中国科技大学、浙江大学等高校较早都开始了虚拟实验。
一、虚拟实验平台的搭建
该虚拟实验室平台是基于手机APP客户端与LABVIEW的虚拟实验平台, 主要包含手机APP用户界面、局域网通信管理、基于LABVIEW的虚拟实验主机系统等三个部分, 每个部分的实现都有较为成熟的理论与技术为基础, 下面分三个部分详细介绍。
(一) 手机APP客户端
随着智能手机硬件的不断提升, 其所能处理的数据量也随之增加, 甚至在一定程度上与电脑相当。而智能手机的便利性和普及性比电脑出色, 因此本平台设计将虚拟实验平台引入手机APP客户端, 以此实现实验的便捷化。我们选用更开源的Android系统来设计开发手机APP客户端包括软件程序和客户端界面, 以简化程序设计工作并提高稳定性。由于Java语言具有平台无关性、安全性、分布式等优点, 可以很好的实现我们所需要的功能。其中手机APP用户界面包含虚拟实验操作、实验数据分析、波形分析等方面, 这一款APP可以在线实现示波器、信号发生器、万用表等多种传统仪器设备的功能。学生在APP界面完成基本虚拟实验操作, 便能根据实验内容进行数据分析与波形分析。
根据系统的功能和数据流程分析, 现将数据流程图展示如下:
(二) 通信管理
在通信管理模块, 本项目设计采用局域网 (TCP/IP协议) 模式, 建立Android系统与LABVIEW之间的连接, 进行数据传输, 这种方案实时性好, 但是两端都需要重现编程, 使用手机客户端与虚拟实验系统以无线通讯的方式进行指令数据的传输可以很好的消除硬件的误差, 使实验数据更加安全可靠。LABVIEW编程软件中具有较为成熟的TCP通讯技术, 该网络协议共分为网络访问层、互联网层、传输层和应用层。本项目设计包括TCP通讯以下模块:TCP侦听:创建侦听器并等待位于指定端口的已接受TCP连接。打开TCP连接:打开由地址和远程端口或服务名称指定的TCP网络连接。写入TCP数据:使数据写入TCP网络连接。关闭TCP连接:关闭TCP网络连接。创建TCP侦听器:为TCP网络连接创建侦听器。连线0至端口输入可动态选择操作系统认为可用的TCP端口。使用打开TCP连接函数向NI服务定位器查询与服务名称注册的端口号。等待TCP侦听器:等待已接受的TCP网络连接。将以上各个模块相互连接构成LABVIEW虚拟系统与手机客户端的通讯。
(三) 虚拟实验系统
虚拟实验系统是指现有各种教学实验室的数字化和虚拟化, 可以进行数据采集与仿真分析的系统平台。虚拟实验系统主要包含通信处理、仿真计算、数据库管理等方面, 美国NI公司推出的LABVIEW使用G图形化编程语言, 使用软件代替传统的硬件仪器仪表, 功能强大, LABVIEW包含700多个数学/分析函数, 图形化用户界面开发、数据采集、仪器控制、报告生成和文件I/O等强大功能。在LABVIEW中编程, 将一些基本的电学实验电路以子VI形式模块化实现, 使实验程序更加简洁, 易于扩展和修改。在LABVIEW主程序中以多个条件 (选择) 结构嵌套的方式实现对实验项目的选择, 与实验项目相关的电路中各个节点的实验数据会存储在SQLServer中, SQLServer是由Microsoft开发和推广的关系数据库管理系统 (DBMS) , 该数据库具有安全性、高效性、智能性等优点, 能很好地契合本实验项目需求, 在LABVIEW中有专有的通信模块与之相连, 实现数据的存储与读取。
二、结论
本虚拟实验平台设计所需的技术条件现大都发展成熟, 具有很高的可行性。由于虚拟实验室尚未在国内高校普及, 本产品有很大潜力, 本平台将为大多数高校实验室的维护降低成本, 容易被高校教师与学生接受, 一些电工学实验在教室就能完成, 有利于学生课堂即学即练。
摘要：目前由于虚拟仪器的发展已相当成熟, 虚拟仪器由于其强大的功能应用于很多领域, 传统的硬件实验设备由于其局限性一些功能正逐渐被虚拟实验室代替。本平台设计将手机客户端通过无线通信实现与主机虚拟实验系统的实时连接, 以软件为主。通过Java语言编辑手机APP, 以TCP模式实现客户端与虚拟实验系统的通信, 并以LABVIEW软件创建虚拟实验系统。利用手机的普及性, 学生只需在手机客户端操作便可完成一些基础的电工实验和实验数据的仿真分析。
关键词：手机APP,LABVIEW,虚拟仪器,TCP通信
参考文献
[1] 张国防, 白晓波等.基于Android的APP开发平台的搭建[J].通信设计与应用, 2015 (12) :68-69.
[2] 牛小梅, 宋喜忠.基于TCP的Java网络通信研究[J].天中学刊2011, 21 (5) :30-32.
[3] 李婧.基于Labview的测控技术虚拟网络实验室研究与构建[D].南宁:广西大学, 2008.
[4] 凤俊翔, 张健.基于LabSQL的Labview和数据库链接技术[J].现代电子技术2010 (24) :155-157.
[5] 田彬试析基于LabSQL的Labview数据库访问技术[J].电子科学技术, 2017, 4 (2) :42-44.