LabVIEW虚拟实验平台设计

​为突破实物实验教学的时空限制,解决实验设备不足、操作风险高等问题,设计基于专业软件的虚拟实验平台,以 "信号与系统" 无失真传输实验为实例,融合仿真与网络技术,适配高校工科实验教学,提升教学质量与学生实操能力。

主要面向高校工科实验教学,尤其适用于 "信号与系统""模拟电路""数字电路" 等课程。当学生需进行电路参数调整、波形观测等实验操作时,无需依赖实体实验室与硬件设备,通过网页端即可远程开展实验。例如,在学习无失真传输原理时,学生可随时进入平台,模拟不同电阻、电容参数下的电路状态,观察失真与无失真波形差异,弥补实物实验课时有限、参数调整不便的缺陷;同时,也可用于课后复习巩固,学生可反复操作实验,加深对理论知识的理解。

软件架构

(一)架构选型

采用 B/S(浏览器 / 服务器)架构,分为客户浏览器端、功能服务器端、仪器服务器端三层。客户浏览器端为用户操作入口,学生无需安装额外软件,通过浏览器即可访问平台;功能服务器端负责业务处理,整合实验原理讲解、操作视频存储与调用、实验数据处理等功能;仪器服务器端搭载仿真引擎,支撑电路仿真运算,三层架构依托 TCP/IP 协议,实现跨平台访问与高效数据传输。

(二)功能实现

  1. 视频教学功能:借助 Play2vr 全景视频引擎,将实验原理讲解、实物操作示范视频嵌入网页。该引擎支持球形、盒形等多种投影模式,可切换多码率,学生能放大操作细节,清晰观察实验步骤,如电路接线方式、仪器调节要点等,且支持用户行为采集,便于教师了解学生学习进度。

  2. 虚拟实验功能:以 LabVIEW为开发平台,Multisim 为仿真引擎,通过 LabVIEW Multisim Co-Simulation Terminal 协同仿真终端与 Control Design and Simulation 控制设计与仿真模块,实现二者通信。在 Multisim 中搭建实验电路,将可变电阻替换为压控电阻并添加 HB 接口,适配协同仿真输入输出需求;在 LabVIEW 中搭建程序框图,插入信号源(如方波信号),调用 Multisim Design VI,创建数组函数使输入与输出波形同屏显示,同时利用 Express VI 实时读取实验数据(如信号幅值、频率),并在前面板设计简洁交互界面,仅展示需调整的参数按钮(如电阻 R₂),方便学生操作。

  3. 网络发布功能:在 LabVIEW 中配置 Web 服务器,勾选 "启动远程前面板服务器",设置 HTTP 端口,开启 "允许访问" 与 "允许查看和控制" 权限;选择需发布的 VI,采用 "内嵌" 模式,设置网页标题、页眉页脚后保存,完成 VI 网络发布,确保学生通过浏览器可远程访问实验平台。

平台特点

(一)可交互性

学生在实验过程中,无需停止仿真即可实时调整电路参数(如电阻 R₂阻值),同步观察输入与输出波形变化。例如,在无失真传输实验中,初始状态波形失真,转动 R₂调节旋钮,可实时看到波形逐渐趋于一致,直观感受参数变化对电路性能的影响,增强实验参与感。

(二)高效性

无需依赖实体硬件与本地软件环境,学生通过网页端快速接入平台,减少实验准备时间;同时,仿真过程无需反复启停,参数调整与结果观测同步进行,避免传统仿真软件 "调整参数 - 仿真 - 再调整" 的繁琐流程,提升实验效率。

(三)开放性

平台架构固定,可拓展开发多种电子信息类实验课程。在现有基础上,只需在 Multisim 中搭建新实验电路(如模拟电路中的放大电路、数字电路中的逻辑门电路),在 LabVIEW 中适配相应程序与交互界面,即可将新实验接入平台,满足不同课程教学需求。

(四)安全性

实验全程为虚拟操作,学生可大胆尝试故障状态下的电路参数设置,如极端电阻值、电容短路等情况,无需担心损坏实验器件或引发安全事故,降低实验操作风险,助力学生深入探索电路特性。

开发问题

(一)软件通信问题

问题表现 :Multisim 与 LabVIEW 之间无法实现数据交互,仿真数据无法传递至 LabVIEW,导致实验结果无法显示与分析。
解决方法:检查并确认已正确安装 LabVIEW Multisim Co-Simulation Terminal 协同仿真终端组件与 Control Design and Simulation 控制设计与仿真模块;在 Multisim 中搭建电路时,严格按照协同仿真要求设置输入输出接口,选用压控电阻等适配元件并添加 HB 接口;在 LabVIEW 程序框图中,正确调用 Multisim Design VI,确保输入输出控件与 Multisim 电路参数一一对应,通过调试模式逐步排查数据传输链路,解决通信中断问题。

(二)参数保留问题

问题表现 :关闭 LabVIEW 程序后,学生此前设置的实验参数(如信号频率、电阻阻值)无法保留,下次重启实验需重新调整,影响实验连续性。
解决方法:在 LabVIEW 中添加数据存储模块,利用文件 I/O 函数将实验参数以配置文件(如.ini 格式)形式保存至功能服务器端;设计参数读取功能,实验重启时,程序自动从服务器读取上次保存的配置文件,加载历史参数,确保实验参数可追溯,提升实验便利性。

(三)网页访问问题

问题表现 :部分学生通过浏览器访问平台时,出现页面加载缓慢、仿真画面卡顿甚至无法打开的情况。
解决方法:优化 Web 服务器配置,合理分配服务器资源,避免因并发访问量过大导致性能下降;采用 Play2vr 引擎的多码率切换功能,根据学生网络状况自动适配视频码率,减少视频加载对带宽的占用;对 LabVIEW 发布的 VI 进行轻量化处理,简化程序框图中不必要的运算模块,降低网页端数据处理压力,提升访问流畅度。

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