虚拟实验室
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虚拟实验室范文第1篇
长期以来，我国的大部分高校的实验室或工程中心都处在规模发展的阶段，随着学校的学科的发展，根据某一时期的需要和某一学科的需要来采购实验设备，管理上基本上是以实体实验室为单位分户管理。以河北省为例，目前有省部级以上重点实验室（工程中心）281个，其中，国家级11个、省部级270个。目前一所省级综合性重点高校一般都拥有15到20个大型实体科研实验室（不包括教学型），然而随着学科的不断交叉融合，很多大型试验受实体实验室壁垒限制。如何打破这一壁垒，就成为解决这一问题的关键所在。
一、虚拟实验室构建的背景
目前，“虚拟实验室”这一概念在我国的一些高校已经出现并建立，虚拟实验室被定义为是以计算机网络为核心，将虚拟仪器通过网络连接起来，以实现数据采集、分析和远程操作的一个系统。它一般具有透明性、资源共享性、互动操作性、用户自主性、扩展性以及安全性等特点，是传统实验室无法比拟的。我国高校虚拟实验室主要有教学型和科研型两种。教学型的实验室如清华大学的“电力系统及大型发电设备安全控制和仿真”国家重点实验室等，主要用于辅助科学研究。科研型虚拟实验室如中国科技大学物理仿真实验软件等。此外，还常用于校园模拟和仿真。
二、管理型虚拟重构实验室
（一）管理型虚拟重构实验室产生的背景
高校的实验仪器设备在使用和日常管理上一般都依附于所属的实验平台，而实验平台一般依附于所属的院系。目前高校实行二级管理，在充分发挥各院系的工作积极性、创造性，提高管理效率的同时，也形成了高校内部隐形区隔，这就造成了很多实验设备不能共享，造成资源的浪费。大多数高校普遍采用的院校两级开放共享平台，实行“统管共用和专管公用”相结合的开放共享模式，这种管理模式的真正实施受到很多因素的制约，作为其实行的探路者，从决策的角度讲就要求构建一个在保证设备采购方式和管理方式不变的基础上，维持资源学院所有制不变的情况下，借助网络技术、地理信息技术、可视化技术和虚拟化技术，在网络环境下和信息平台上，构建一个实验室（工程中心）资源重构系统，即管理型的虚拟重构实验室。管理型虚拟重构实验室能够从资源功能、类别、用途、服务领域和科研方向上，对分布在各学院和各实验室的资源进行归纳和梳理，打破资源空间、地域、时间和部门所有制的界限，实现科研资源在网络信息平台上的再组织，为全校科研资源的整合、重构、开放和共享提供一个理论可能、技术可行、实际可用的运作环境，顺应不同学科、不同单位科研关联度越来越紧密，学科交融也越来越深的趋势，为支撑大科研和大项目的开展创建良好的条件。
（二）管理型虚拟重构实验室建设内容
管理型虚拟重构实验室是以网络为媒介，以实体实验设备为载体，通过乐高式组合实现适应任何需求的实验室建设。实验室的运行完全是通过网络平台进行，访问者可以浏览现有的实体实验室和虚拟重构实验室的情况及仪器设备，也可以根据自己需要创建新的虚拟重构实验室，虚拟重构实验室中可以任意添加系统中的仪器设备，根据需要任意组装，成立的虚拟重构实验室使用后可以申请解散或者保留。根据仪器设备的使用情况系统可以自动记录使用次数，已经建成的虚拟重构实验室逐渐形成适应使用用户群的数据集成系统，为后续进行同样的实验提供平台。
（三）管理型虚拟重构实验室建设目标
虚拟重构实验室的建设，旨在保证设备采购方式和管理方式不变的基础上，维持资源学院所有制不变的情况下，借助网络技术、可视化技术和虚拟化技术，在网络环境下和信息平台上，构建一个重点实验室（工程中心）平台信息享系统，实现以下目标：
1. 能够对全校的仪器设备、实验室等科研资源信息整合，实现“系统互联、信息互通、功能协同、资源共享、绩效共赢”。
2. 能够迅速建立起目标明确的、专业化的虚拟重构实验室，将期望的、原来分散的资源整合组织在一起，而且可以取得“科研平台专业化，资源管理集中化、资源使用共享化、资源运作分布化、资源状况可视化”的效果。
3. 提供对仪器设备科研资源的高效、多样化、可视化的导航、浏览和定位，使得用户可以在短时间内快速找到自己需要的科研资源信息，确定资源的确切位置和状况。
4.通过对系统资源的使用频率和平台构建的完整度情况，评价现有仪器设备的使用效率和作为缺失设备新增的可行性论证依据。
（四）管理型虚拟重构实验室功能
系统的总体功能包括：平台展示、查询定位服务、虚拟重构实验室管理、个人空间管理、系统资源管理和系统服务等主要功能。
1. 平台展示服务，主要提供实验室分类导航展示，实验室简介信息介绍，以及实验室设备的详情、图片、视频展示，使用户从多角度更好的了解实验室以及设备信息。
2. 查询定位服务，主要从全校和实验室角度分析，提供设备的精确与模糊查询。结合多种查询条件，方便用户快速准确的定位到所需要的设备。
3. 虚拟重构实验室管理，主要依靠设备之间的相似属性和关联进行创建，内部设备无须申请即可放入到公共实验室内，一个设备可以从属于多个公共实验室，方便用户快速定位，提供上层决策支持。
4. 个人空间管理，主要为校内每个教师用户，提供一个用户空间，进行校内设备和实验室的浏览和查询，申请和加入虚拟重构实验室，个人信息更新等。
5. 系统资源管理，主要是为系统管理人员，提供系统设备的导入、维护、审核，内部用户角色信息维护和权限分配，以及虚拟重构实验室的申请审核管理等。
6. 系统服务，主要实现对数据库的管理。
三、管理型虚拟重构实验室建设的意义
随着国家科研投入的不断积累及增多，科研机构的规模已经基本健全，正逐步由规模建设向内涵建设发展。虚拟重构实验室以其开放性、创新性、可扩充性、低成本性等一些非常优越的特点，为管理部门以及科研教师实验提供决策数据依据的一种系统性网络平台。该实验室打破科研设备管理部门、安放位置的壁垒，按照设备的科研功能统一规划、组织设备并按照学科方向分类，即时掌握实验设备的使用效果，为不同管理部门的科研设备提供一致的展现接口。随着系统应用的普及，可以拓展服务领域进行校校联合或者校企联合形成区域联盟资源共享系统；在引进人才或者拓展研究领域方面可根据拟进人才科研需求，虚拟现有的平台条件，根据需求为其提供后期的支撑，搭建完善的科研平台；在项目可行性论证中，可以借助于该系统进行基础资源可行性论证，对项目开展的硬件环境和条件进行评估；在拓展交叉学科研究开展中，为学科交叉研究的基础资源具备程度进行评估。
参考文献：
[1]黄慕雄.高校教学型虚拟实验室建设的现状与建议[J].网络教育与远程教育，2005（394）.
[2]骆利民.高校实行二级管理的思考[J].泉州师范学院学报（社会科学），2002（03）.
[3]刘丽琴，陈永清.大型仪器设备共享管理的研究与实践[J].实验技术与管理，2010（05）.
虚拟实验室范文第2篇
关键词：虚拟实验室；Proteus；单片机应用
1Proteus简介
Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及器件。它是比较好的仿真单片机及器件的工具。虽然国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是现今世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真件），从原理图布图、代码调试到单片机与电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：
（1）原理布图；（2）PCB自动或人工布线；（3）SPICE电路仿真。
革命性的特点：
（1）互动的电路仿真
用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
（2）仿真处理器及其电路
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
2虚拟实验室构建
LabcenterElectronics公司开发的Protues软件，是唯一一种能进行各种处理其实时仿真、调试和测试的EDA工具。其具有实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能。是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台。KeiL Vision2软件。该软件支持众多不同公司的芯片及编辑、编译和程序仿真等于一体，还支持PLM、汇编和C语言的程序设计。选用Proteus来构建虚拟电子实验室，只需建立一个计算机局域网，由一台服务器，一台教师机和若干台学生机（可根据班级学生数确定）组成。在服务器上安装Proteus+Keil并进行相关设置，还可根据需要开发实验教学指导系统。一旦建立起局域网Proteus虚拟实验系统，就无需添置任仪器仪表和耗材，达到无损耗的实验系统。
建立Proteus虚拟实验室具有极大的可行性和现实意义。现有高等学校都拥有相当数量的公用计算机，具有校园网和实验室局域网平台资源。Proteus可在Windows98/NT/2000/XP/2003等操作系统环境下进行，其操作界面与Windows下的软件很相似，学生己具备学习和使用Proteus的基础技能。
在Proteus虚拟实验系统中可开发各类电子及单片机应用系统实验。包含模拟电路、数字电路和微处理器系统在内的仿真实验，并且不受任何元器件及工具条件的限制。可以说，能使教学进入到一个无约束，可随意进行创新开发设计的虚拟世界。
虚拟实验室可以采用局域网进行多媒体教学，通过教师机对学生机方式教师可以同步演示电路图，并讲解其原理。根据电路原理图的元件需求，学生可以在元件库中找到相应的虚拟元件。整个实验结束后，学生将数据输入到电子实验报告系统中，系统会自动生成实验报告，然后将实验报告发送到主机，整个实验教学结束。同传统的实验教学相比，采用虚拟实验室教学，效率更高，教师同学生的互动性更好。
3在Proteus虚拟实验室进行实验项目的过程
在Proteus虚拟实验系统进行实验或综合性、设计性实验项目，可以使原理图设计、元器件选择，性能测试，系统功能动态仿真，实验结果的分析与实验报告生成一个工程项目完整过程一气呵成，使学生真正感受到生动、创新的乐趣，激发学生自动创新的兴趣。彻底改变了传统电子系统设计迷茫，反复，甚至全盘失败的枯燥过程。基于Proteus虚拟实验系统实验过程，可按图1所示流程进行。
有很多的电子设计与仿真软件，如Orcad， Protel， Mutisim， Pspice等。这些软件可以做频率响应、噪声分析等工作，但在做元件实时行为分析时效果却不够理想。而Proteus不仅具有上述软件的仿真功能，还可以对各类单片机、ARM7进行实物模型的行为仿真，仿真图形逼真清晰，并可以将实时仿真的结果以各种格式输出。
参考文献：
[1]单美贤.虚拟实验系统在教学中的应用探析[D].南京：南京师范大学，2002.
[2]朱敏.虚拟实验与教学应用研究[D].上海：华东师范大学，2006.
虚拟实验室范文第3篇
关键词：虚拟实验室 实验教学 VRML FLASH JAVA
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)12-0217-02
1、前言
随着计算机及网络技术的发展，为构建虚拟实验室提供了强有力的技术支持。目前很多高校都存在一个问题，不少实验教学中的实验设备更新快，设备的更新需要大量资金，由于资金投入的不足，导致很多实验教学不能正常开展。虚拟实验室的建立，可以大大减少更新设备资金的投入，同时也给实验教学带来了一个新的模式。
2、虚拟实验室的研究现状
自从1989年，美国费吉尼亚大学（University of Virginia）的William wolf教授提出虚拟实验室（Virtual laboratory）概念以来，虚拟实验室的研究在发达国家十分普遍,尤其在美国更为明显。基于JAVA技术的美国俄勒岗大学的VLAB物理实验网站和美国巴尔的摩的约翰霍普金斯大学教育资源中心发起的虚拟物理实验室项目，麻省理工大学建立的基于Web物理状态检测虚拟实验室[1]，都美国研究虚拟实验室比较典型的代表。
国内，许多大学和研究所，也对虚拟实验室有了一定的研究。北京大学设计的基于Web的网上虚拟实验室3WNVLAB，是一个基于浏览器和WEB服务器，支持大计算量的交互式虚拟实验室，该系统采用JAVA语言编写。北京邮电大学远程教育学院为学习者提供的网络课程中，包括了虚拟物理实验、虚拟电子电路实验等资源，这些虚拟实验资源采用Flash和HTML等技术开发，利于在网络上传播，可为学习者提供相关课程的实验演示及功能操作等方面的训练[2]。
3、基于网络虚拟实验室的系统架构
通常系统可以采用C/S结构或者B/S结构，其中c/s结构是两层结构，它将应用程序分为客户端和服务器端。前端是客户端，安装相应的应用程序，后端是服务器，运行数据库系统，提高数据的查询及管理。这样的模式会导致“胖客户/瘦服务器”模型，大量的应用程序集中在客户端，而服务器仅仅起到管理的作用。一旦应用程序发生了变化，每一个客户端就必须重新安装应用程序，这给系统的维护和更新会造成很大的不方便。C/S结构虚拟实验室唯一在线的数据库服务器成为系统可靠性的重大隐患[3]。
B/S结构中，可以采用三层的浏览器/应用服务器/数据库服务器（客户显示层/业务逻辑层/数据层）模式。它简化了客户端软件，客户端只需要通过Web浏览器向分布在网络上的许多应用服务器发送请求命令，客户端只需要安装很少的配置文件，不需要其他的应用软件的支持，更多的工作由服务器负担，对数据库的访问与应用程序的执行都集中在服务器上来完成，系统的开发、维护、管理和更新均在服务器端，系统的维护和更新极为方便[4]。其网络模型结构如下图所示：
4、虚拟实验室的实现技术
目前实现虚拟实验技术有很多，各有特点，要根据不同的实验类型及要求，采用不同的相关技术。
4.1 VRML
VRML是一种虚拟现实建模语言,用来进行三维场景的描述性语言,是在Internet网上实现全新的虚拟世界空间的关键性技术，具有分布式、交互式、平台无关、三维、多媒体集成等特性，被称为“第二代WEB”。其基本目标是建立Internet上的交互式三维多媒体，将VRML融合到虚拟实验室中，可以大大增强虚拟实验室的表现力。
4.2 Flash
Flash作为一种矢量多媒体技术，可以用于网络交互动画，它可以开发出具有很强功能交互式网络动画。Flas支持物体拖动操作，可用于虚拟实验室中物体的移动，用Flash制作的虚拟实验交互性非常强。
4.3 JAVA
Java是一种广泛使用的网络编程语言，它具有面向对象、分布式、安全跨平台及可移植等特性，并且最大限度地利用了网络，用Java语言开发的软件可以具有可视化、可听化、可操作化的特点。另外，Java还提供了丰富的类库，使程序设计者可以很方便地建立自己的系统。本文前面所提到的国内外的虚拟实验室，大多数都采用了Java语言编程实现。
4.4 LabVIEW
LabVIEW是美国国家仪器公司（NI公司）推出的功能十分强大的虚拟仪器图形化编程平台，采用图形化编程语言――G语言，具有面板控件，有数据采集、分析、显示的功能，因而容易实现虚拟仪器的软件功能，还可以实现虚拟仪器的，通过Web浏览器中可以打开和运行虚拟仪器，直接控制服务器端程序的运行，获得实验运行结果。
5、结语
虚拟实验室的建立可以减少实验设备的投入，实现实验数据共享，能远程控制各种虚拟实验仪器和设备，实验内容更加丰富，实验设备不受数量和质量的限制，而且实验者不受时间和空间的限制。但虚拟实验室毕竟不能完全替代传统实验室，无论采用多么先进的技术来实现虚拟实验，它和传统实验室相比，它的真实感，特别是提高学生动手实践能力有一定的差距。因此，在提倡建立虚拟实验室的同时，不能忽略了对传统实验室的建设。
参考文献
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[3]任树飞.基于LabVIEW的虚拟实验室的研究与开发[D].青岛大学,2010,p12-13
[4]张.基于流媒体技术的虚拟实验系统的研究与实现[D].河南师范大学,2009,p24
[5]王艳春,.网络环境下基于虚拟现实技术的虚拟实验室的研究[J].齐齐哈尔大学学报,2007(1).
[6]杨宏,李国辉,常淑娟.基于LabVIEW的虚拟实验室建设[J].现代电子技术,2010(7).
基金项目
云南省教育厅科学研究基金(09C0101)。
虚拟实验室范文第4篇
网络的出现改变了人类的生活方式，大大提高了人们通信的效率和速度，使得不同地域的人们可进行实时对话。作为教育本身来说，为了给社会培养更多的高质量技术人才，其教学模式必将随着通信手段的提高进行相应的改进，如何利用Internet进行网络教学已成为近年来各国教育界的重要研究课题。其实远程教学很早就开始了，如函授大学、电视大学等，只是由于现代的WWW技术给远程教学提供了前所未有的交互性和巨大的资源共享潜力，远程教学最近才得到如此重视。尽管目前人们对基于WWW的远程教学模式还不是完全清楚，但有一点是确定的：基于WWW的远程教学在不久的将来会成为一种重要的教育模式。作为一种教育模式，现代远程教学应该是教师、学生、教学内容、教学媒体四要素的综合体现，是在WWW环境中展开的教学活动的稳定结构形式。与现代教育一样,现代远程教育也应强调培养学生的能力、素质与创造性，要求学生能灵活地掌握知识，其教育理论和学习理论应建立在建构主义基础上，强调以学为中心的教学模式。该教学活动应重点考虑以下三方面：要在学习过程中充分发挥学生的主动性，要能体现出学生的首创精神；要让学生有多种机会在不同的情境下去应用他们所学的知识(将知识“外化”)；要让学生能根据自身行动的反馈信息来形成对客观事物的认识和解决实际问题的方案(实现自我反馈)。以上三点，即发挥首创精神、将知识外化和实现自我反馈可以说是体现以学生为中心的三个要素，是培养现代人才的必备条件。
然而，从目前的远程课件来看，其网上素材基本分为两类：静态与动态。静态素材一般是将书本、教案等以静态的形式放于网上；动态素材一般是在静态素材中出现的一些动画表现。虽然后者以动画的形式表现，但并不具备可变性，不能给学生提供真实的情景，很难达到以上的三点要求，即很难保证学生的质量。对于计算机专业来说，学生的大部分能力都是通过实验得到的，真实的情景是现代远程教学质量提高的关键。基于此,网上实验已成为远程教学研究的重要方面，而且已有很多成果出现。ICHIGAN大学为操作系统和高级语言课程建立了网上系统实验室，其实验都是基于软件环境的，不涉及硬件模拟；PURDU大学建立了一种交互式的网上学习环境：学生可在网上做一些简单的交互式硬件实验，但由于其代码是用JAVA语言编写的，其实验的复杂度受到一定的限制。然而，对于计算机专业来说，其中很多实验计算量相当复杂，例如处理器设计、复杂电路设计等，要完成真实的实验过程，这些计算量在客户端利用APPLET在执行时间上是难以接受的。
针对目前网上实验存在的问题，在实验教学过程中，结合实际情况我们研究设计了《计算机组成原理》虚拟实验室。从理论上讲，《计算机组成原理》虚拟实验室的研究是对传统实验教学模式的一种改革，为打破传统模式的局限性，提高实验教学质量，促使实验教学由实物实验教学向虚拟实验教学、远程虚拟实验教学发展，提供了最佳解决方法。《计算机组成原理》虚拟实验室将远程教育的概念引入到实验教学之中，结合强大的网络功能，使得以虚拟现实技术为基础的网络虚拟实验室资源以及虚拟实验室仪器设备等资源的共享成为可能，它允许人们通过网络访问和使用自己没有的设备资源，使得处于不同地理位置的学习者可以同时对一个实验项目进行实验操作，实现用户信息的协同共享，同时可以及时的接触到最新的仪器。
在实践意义上，《计算机组成原理》虚拟实验室通过网络设施建设和实验教育应用功能的开发、通过运用现代先进的计算机技术来改善实验教学环境，建立与现代信息技术相融合的网络实验教学系统，及时更新教学内容，高效率传播先进的科学技术，普遍提高学生实验操作能力，从实践中培养学生的创新能力。项目的研究和实施将极大缓解实验设备经费、实验教学人员不足，实验教学内容更新缓慢等问题。极大提高学生的学习兴趣和实验操作能力，从实践中培养学生的创新能力，并有助于校际之间、学校与科研院所之间、学校与企业之间及学校与社会之间实验资源的交流和共享。
二、虚拟实验室方案研究
1、功能架构
《计算机组成原理》虚拟实验室构建了高等院校计算机组成原理的网络实时虚拟实验平台，提供了运算器、控制器、静态和动态存储芯片、译码电路芯片、以及其它可编程芯片和常用的门电路逻辑芯片，可进行计算机组成原理的设计与虚拟实验。并且在相关汇编编译系统及监控程序的配合下，同虚拟实验电路一起，可实现更为高级的应用。《计算机组成原理》虚拟实验室提供了高校实验室的相关管理功能，包括实验资源及信息的网上，实验演示，学生实验报告的编写、实验报告的提交汇总、教师对实验报告的批改和评分管理，以及教师在线实验答疑等主要功能；虚拟实验室还提供了网上理论知识测试功能，有助于提高学生或其他使用者的理论知识水平，使得学生及其他使用者在计算机组成原理的理论和实践这两个层面上都能够得到较好的提高。整个虚拟实验室通过网络设施建设和实验教育应用功能开发，构建一个集实验教学、演示、操作、指导、结果提交管理为一体的数字化实验教育环境，具体功能如图1所示。
2、具体实现
（1）外部接口
《计算机组成原理》虚拟实验室平台采用易于扩展及平台移植性好的Java语言实现，利用ASP实现实验室的管理功能。虚拟实验室平台可运行于安装Java虚拟机的各种平台，管理系统则需要IIS的支持。
《计算机组成原理》虚拟实验室主要用于高校计算机组成原理实验，面向广大学生和教师，其顶层图如图2所示：
（2）内部接口
《计算机组成原理》虚拟实验室基于硬件和软件虚拟的特殊性质，采用了多种结构以支持电路的实验设计和有效运行，从总体上主要划分为三大模块：虚拟时钟、电路芯片、电路板连线。由虚拟电路板对三大模块进行协调配合运行。虚拟时钟和电路芯片采用线程结构以提高运行的实时性，通过连线进行逻辑信号的实时传送，以实现与真实电路相同的效果。
三、结论
在虚拟实验室中通过鼠标的点击及拖曳操作，用户可以方便地进行虚拟、仿真实验。虚拟实验室具有透明性、互动操作性、资源共享性、用户自主性、可扩展性、安全性等特点，能真正突破地域和时间的限制，达到远程实验教学的目的，它在教育、科研等领域中具有广阔的应用前景，是实验教学改革的一个新发展方向，也是今后远程教育发展的主流与趋势。
参考文献：
[1]刘时进.网上教学系统的基本体系结构分析[J].中国远程教育,2002,(7):41-42.
[2]崔光佐,基于多媒体和Internet的辅助教学模式.中国CAI快讯,1999.
虚拟实验室范文第5篇
关键词：虚拟仪器；LabVIEW；故障诊断；远程
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2012）30-7376-03
基于计算机网络的远程设备故障诊断就是将计算机网络技术与设备故障诊断技术相结合，通过国际互联网络、局域网络实现设备的远程故障诊断。基于计算机网络的远程故障诊断作为一种新型方式必将引人们的关注，随着互联网开放式体系结构逐步得到人们的广泛认同，这种新型方式也将成为系统开发的必然趋势。
1 系统总体结构设计
1.1 系统设计原则
远程网络虚拟实验系统的是为了利用网络虚拟实验室的优势来弥补传统实验教学仪器设备的不足，因此，在网络虚拟实验系统设计时必须遵循以下几个原则：
1）开放性原则：开放性是网络虚拟实验系统构建的首要条件。只要学生登入互联网的任一终端，便能够使用网络虚拟实验系统。
2）交互性原则：网络虚拟实验系统应具有良好的交互性。交互性不仅体现在用户与网络虚拟实验系统之间的交互，还体现在网络虚拟实验系统各个模块之间的交互。
3）直观性原则：在实验过程中不仅有数据的输入和输出，还要显示相应的实验数据和结果，为此，在设计实验系统时，系统界面要友好，数据和结果的显示要直观。
4）易于维护和管理的原则：网络虚拟实验系统各功能模块应安装在服务器端，实现服务器端集中管理，所有实验内容的和维护只需在服务器上进行，教师也可以通过权限实现实验信息的远程管理。
5）经济性原则： 使用B/S模式网络虚拟实验系统，学习者不必安装专门的软件，只需通过网络浏览器便可以打开实验系统。
1.2 系统总体结构
本系统以《机械故障诊断》课程实验系统为研究对象，开发可在网络上使用的虚拟故障诊断实验。利用机械故障发生器、模拟转子试验台、压电式加速度传感器、光电速度传感器、电荷放大器、数据采集卡、计算机等器件，编写虚拟实验软件，并进行网络，可实现远程轴承故障诊断、齿轮故障诊断、旋转机械的故障诊断等实验。该虚拟故障诊断系统具有实验资源共享、不受时间和地域限制等特点，能满足课堂实验教学和远程实验教学的需要。其体系结构如图1 。
虚拟实验软件功能主要包括：数据采集、信号显示及存储、时域分析、频域分析、相关分析以及特征频率计算等。
2 实验系统的远程功能实现
2.1 LabVIEW网络通信技术
LabVIEW不仅是目前用于数据采集、信号处理和虚拟仪器开发的一个重要工具，而且还提供了丰富的网络通信功能，其实现网络通信功能的技术包括共享变量、TCP/UDP通信、DataSocket技术、远程前面板技术等。依赖这些技术，研发人员不需要精通底层的网络编程，仅需在LabVIEW中进行一些简单设置，就可以实现数据共享和数据交换的网络通信功能。考虑到本实验系统的功能和特点，在分析了各种通信技术的基础上，决定采用远程前面板技术来实现远程故障诊断实验。
2.2 远程故障诊断虚拟实验的实现
首先利用LabVIEW开发服务器端故障诊断虚拟实验仪器，再通过LabVIEW的远程前面板技术，将LabVIEW开发的虚拟仪器作为一种ActiveX控件嵌入到Web网页中，经过相应的设置，将服务器端嵌入了虚拟仪器的Web网页进行，成功后，用户便可在客户机上通过浏览器直接打开并运行位于服务器上的虚拟仪器程序，完成远程信号检测、分析与故障诊断的实验任务。为了让更多的客户同时使用远程前面板功能，需要向Nl公司购买授权，因为LabVlEW 默认的远程前面板客户端数是一个。服务器端可以使用“远程面板连接管理器”工具来监控客户端的连接。
实现远程故障诊断虚拟实验的步骤是：① 配置LabVlEW 的Web Server；② 在服务器端计算机中打开虚拟仪器前面板；③在客户端LabVIEW 中，选择”操作->连接远程前面板”，在弹出的对话框中设置服务器端计算机的IP地址、域名，单击“Connect”即可。具体设置如下：
1）服务器端设置
打开服务器端的LabVIEW，启动Web服务，并利用Web工具将网页出去，实现Web服务器配置，具体步骤如下：
①服务器文件路径和网络参数设置
打开服务器端需要的远程故障诊断虚拟仪器前面板，通过LabVIEW菜单栏中的“工具”菜单，打开“选项”子菜单的对话框，从中选择“Web 服务器：配置”选项，接着激活“启用Web服务器”选项，然后设置网络参数，包括存放服务器文件（如的网页文件）的根目录、HTTP 端口和网络连接超时时间。
②客户端访问权限设置
从主菜单“工具”菜单的“选项”子菜单中选择“Web服务器：浏览器访问”选项，显示相应的对话框，设置浏览器地址和客户机权限，客户机权限分为“允许查看和控制”及“允许查看”两类。“允许查看和控制”权限可浏览前面板并可以进行控制，“允许查看”权限只能浏览前面板。
③远程故障诊断虚拟仪器访问权限设置
从主菜单“工具”菜单的“选项”子菜单中选择“Web服务器：可见VI”选项，显示相应的对话框，从中设置可以被访问的远程故障诊断虚拟仪器以及被客户端控制的时间长度。
④远程故障诊断虚拟仪器网页
从主菜单“工具”菜单的子菜单中选择“Web工具”选项，在“VI 名称”栏选择要的远程故障诊断虚拟仪器，并选择查看模式。查看模式有嵌入、快照和显示器三种，嵌入模式是把要的虚拟仪器前面板嵌入在网页中，客户端可远程浏览和控制前面板；快照模式只把当前虚拟仪器前面板的静态图像到网页中；显示器模式是按设定时间间隔不断更新虚拟仪器前面板的静态图像。为了既可以浏览前面板，又可以控制前面板，一般选择嵌入模式。然后设置文件名和服务器的网页地址，并保存。
2）客户机端设置
客户机端不需要任何编程工作，只要安装LabVIEW Run-Time引擎，在网页浏览器的地址栏中输入服务器端配置的远程故障诊断虚拟仪器网页地址，就可打开远程故障诊断虚拟仪器前面板并进行实验。
3 系统测试
在客户机端网页浏览器的地址栏中输入http：//IpAddr：Port/ViName.htm， 确认后便出现远程故障诊断虚拟实验室的主页，如图2所示，在这里点击不同的实验项目会有不同的网页出现，如点击轴承故障诊断实验，便出现滚动轴承故障诊断实验页面，如图3所示，通过这个页面可以可以完成滚动轴承故障诊断实验。
4 总结
本文以LabVIEW为虚拟仪器开发平台，开发了远程故障诊断虚拟实验系统，通过测试，该系统可以对设备的故障作出准确诊断，该系统基本达到了预期的设计要求，很好的解决了实验室仪器不足的缺陷。网络化虚拟故障诊断仪器改变了传统仪器的测量方法，打破了在同一地点进行数据采集、分析和显示的传统模式，实现了跨地域、跨时间的测量和诊断。
参考文献：
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