分布式网络设置

3．3．5　分布式网络设置

虚拟实验系统的网络功能是建立在网络技术的日益完善、虚拟仪器开发软件强大的网络发布功能以及两者的有效结合之上的。网络结构下的虚拟实验系统使得原本集中在单机虚拟实验设备上的核心技术以及实验资源得到了充分开发和利用。突破了传统实验系统的时间限制和地域障碍。

1）技术要求

虚拟实验系统网络功能的实现主要解决多通道同步数据获取、分布式数据分析与处理、远距离多点仪器控制等问题，具体地说就是需要解决怎么样保证通过网络多通道获取实验数据和信号的稳定性、连续性和安全性，怎么样通过网络连接各种设备分担实验任务以及怎么样通过网络终端进行实时多点控制实验仪器的问题。

（1）多通道同步数据获取^[67]、[68]

多通道同步数据获取技术可以采用串口（RS232／485）、以太网（Ethernet）、USB（Universal Serial Bus）、IEEE1394等传输方式，其中，串口技术和以太网技术较为成熟，价格低廉，但是数据传输速度较慢，并且相对来说串口方式稳定性不够，USB技术传输速度快、稳定性好，但是传输距离较近，IEEE1394传输速度快，但是价格较为昂贵^[69]。

多通道同步数据获取技术可以采用远端器件访问（remote device access，RDA）的方式，也可以采用FieldPoint访问的方式。远端器件访问方式使得网络上的任意一台计算机或系统管理器终端可以访问位于远端作为服务器端计算机内的任何DAQ器件，类似于访问网络打印机等设备。使用远端器件访问方式组建系统时，采集和暂存实验数据和信号是在本地服务器端计算机上，而控制采集过程和反馈系统命令是在位于网络终端的任意一台计算机或系统管理器。Field－Point是一种模块化的，分布式的I／O集成系统，性能稳定，软件集成度高，可以获得可靠的、易于配置组态及维修简便的分布式I／O解决方案，简化了系统配置、应用发展和维护，从而表现出良好的实用性^[70]。

（2）分布式数据分析与处理

分布式数据分析与处理是通过网络连接各种设备来分担实验任务，这种分布式处理的机制运用软／硬件的部署在多个节点并行处理实验任务，数据分析与处理的分布式结构主要包括两种。

第一种是将实验系统中的某些设备或部分资源专门用于数据分析和处理，而将实时采集和控制等任务交由其他设备和资源完成，系统中的各部分都被优化来执行一些特定的功能。虽然由于系统完备的网络连接，可以保证数据在各部分之间的发送和传输，但是将实验任务分块集中处理避免了数据多次调用和传输，减少了处理的时间，提高了系统效率。

第二种是将数据分析与处理任务分布在网络终端的各计算机和系统管理器上进行，各用户端根据各自需要在本地计算机上创建系统任务和相应程序，发布相应命令采集数据，在本地计算机上进行实验数据的分析与处理。这种根据各自需要将数据分析与处理任务进行分配的方法避免了作为服务器端计算机或管理器上的系统任务出现排队冗余或响应集结等现象，各终端的数据分析与处理任务明确，合理利用系统资源，有效提高了系统效率。

（3）远距离多点仪器控制

远距离多点仪器控制指的是在网络结构下的虚拟实验系统中的仪器设备、被测单元等和位于网络终端的计算机或系统管理器之间构成“多对一”和“一对多”的多点仪器控制方式。下面将对这两种仪器控制方式分别进行描述。

第一种是“多对一”仪器控制方式^[71]。这里的“多”指的是虚拟实验系统中位于网络终端的多台计算机或系统管理器。这里的“一”指的是虚拟实验系统中的一个仪器设备或被测单元。系统中的多台计算机或系统管理器同时控制和操作同一个仪器设备或被测单元，其特点是将仪器设备、被测单元等实验资源共享给网络终端的多个实验项目操作者，其优势是实验资源得到了充分利用，其关键技术是计算机或系统管理器发送给仪器设备或被测单元的采集、调用、控制等命令的排队问题。

第二种是“一对多”仪器控制方式^[72]。与“多对一”仪器控制方式相反，这里的“一”指的是虚拟实验系统中位于网络终端的一台计算机或系统管理器。这里的“多”指的是虚拟实验系统中的多个仪器设备或被测单元。系统中位于网络终端的某一台计算机或系统管理器同时控制多个仪器设备或被测单元。其特点是一台计算机或系统管理器对某一实验中的多个任务处理过程或多个实验项目进行同时监控，其优势是多个过程的同步进行提高了时间因素上的系统效率，其关键技术是由仪器设备或被测单元采集进计算机或系统管理器的数据或反馈信息需要进行并行处理。

从上述三点描述可以看出，虚拟实验系统的网络功能是通过多通道同步数据获取、分布式数据分析与处理、远距离多点仪器控制等技术途径，从整体上优化虚拟实验系统的结构，提高虚拟实验系统的效率，包括实验资源的充分利用和实验时间的有效缩短。

2）网络化形式

虚拟实验室的网络化类型按照网络范围、实验需求和协作程度等可以分为本地协作型虚拟实验室、局域网资源共享型虚拟实验室和Internet远程控制型虚拟实验室。

（1）本地协作型虚拟实验室

本地协作型虚拟实验室指的是在同一实验场地内，运用网络互联技术，将多套实验仪器系统连接起来，或是将多台仪器设备、计算机等联入某一个虚拟实验系统，以提高实验系统的协作性和运作效率。本地协作型虚拟实验室的网络范围仅限于在同一个实验场地中，其主要目的是希望通过多台仪器同时发布、多台计算机联网同时处理的方法，完成一个较为复杂、难度较大的实验项目。通常来说，本地协作型虚拟实验室的构建和设计是为了完成反应速度快、协作性要求高的实验，例如，在温度传感器特性的研究实验中，需要观察和获得一些材料的电阻随温度变化的特性。在实验中，可能会发生在某一个非常小的温度变化范围内电阻出现突变的现象，而在通常的实验系统中，由于处理速度跟不上，采集的温度点密集度不够，很可能就会漏掉这个突变的瞬间。如果在实验系统中并入多台计算机，联网实时同步计算，提高了数据采集、传输、处理、存储的速度，就可以将采集温度点步长缩小，增加采集点，可以获得更多的实验数据，得到更多的实验信息。因此，本地协作型虚拟实验室在协作实验、并行处理等方面具有优势。

（2）局域网资源共享型虚拟实验室

局域网资源共享型虚拟实验室指的是在一定范围内，例如实验室联合网络、院系交叉网络或校园网等，互联实验设备和仪器，分担实验任务，共享实验数据和分析结果，最大限度地利用实验系统资源，在有限的实验条件下，开展实验内容之间、学科专业之间的相关性研究。在原有的实验系统中，各个实验项目之间是分立的，它们被安排在不同的实验室，单独进行实验操作。但是实际上，由于科学知识存在着连贯性和相关性，各个实验项目的知识体系之间是互相关联的，甚至是互为理论和原理基础的。在局域网资源共享型虚拟实验室中，网络的使用使得实验系统资源成为一个共享型的平台，各种实验设备和仪器分布式使用，各种实验数据开放调用，按照实验需求分别进行处理和分析，得到自己需要的实验结果^[73]。基于局域网资源共享型虚拟实验室的相关性实验项目研究不仅可以在多个实验项目中进行，完善学生的知识结构，而且可以在多个学科专业之间进行，开拓学生的知识面，这与目前的综合学习和跨学科学习的思路不谋而合。

（3）Internet远程控制型虚拟实验室

Internet远程控制型虚拟实验室指的是通过Internet对实验仪器和设备进行操作和控制，获取实验信号和数据，发布控制命令和操作信息。对于实验者无法到达实验现场的实验项目，实验者只需通过Internet以及相应的权限即可登录该实验系统，远程进行实验项目研究。与前面所述的本地协作型虚拟实验室和局域网资源共享型虚拟实验室相比，基于Internet的远程控制型虚拟实验室将实验系统的网络化范围扩展到了全球，突破了地域限制，实现了跨地域的实验协作和资源共享。

从上面对三种网络化类型的虚拟实验系统的叙述来看，无论是基于本地网络、局域网或是Internet，都在不同程度具备了实验协作、资源共享和远程控制的功能，只是各自的侧重点和主要应用场合不同。虚拟实验系统的网络功能是在继承了虚拟实验系统技术本身的优点基础上，充分利用了网络的强大优势，实现了实验的异地实时控制和操作，使得整个实验系统突破了时间和地域的限制，具备了时间和空间的可扩展性。

第3章小结

本章关于虚拟实验系统的教学应用特点与组成的介绍是本书的重要论述部分，根据对混合式学习理论的新思考，分析了系统的技术特点及其在教学中的应用，以及基于该技术特点而形成的虚拟实验的方法特点在教学中的应用。描述了虚拟实验系统的系统结构、核心技术、重要组成部分及其功能和特点。

首先，详细阐述了虚拟实验系统的三个技术特点：基于计算机技术，具备先进性和精确性；基于模块化和层次化设计思想，具备灵活性和开放性；基于网络技术，具备时间和空间的可扩展性。分析了虚拟实验系统的技术特点在教学中的应用。

其次，在以上虚拟实验系统技术特点的基础上，分析得出了基于系统的技术特点而形成的虚拟实验的两个方法特点，即开发开放创新性实验项目和构建共享协作性实验模式，保证了虚拟实验纵向过程开放和虚拟实验横向结构创新，实现了虚拟实验多层共享和多方协作。分析了虚拟实验的方法特点在教学中的应用。

最后，关于虚拟实验系统的结构和组成部分，从系统的有序性、反馈性和整体性原理出发，对虚拟实验系统的开放性、动态性和集成性结构进行了详细的描述，分析了虚拟实验系统中的核心技术——虚拟仪器技术，给出了虚拟仪器的基本定义，阐述了虚拟仪器的三个重要发展阶段。简要介绍了虚拟仪器的基本开发原理，并在此基础上，描述了运用著名的虚拟仪器开发软件LabVIEW开发虚拟仪器的步骤和过程。将虚拟仪器和传统仪器的各方面的特点进行了详细的比较。分析了系统中的一个控制中心——计算机与三个主要部分——硬件、软件和网络的主要功能以及各自在虚拟实验系统中的应用特点和重要作用，对整个系统的结构和运行模式做出了完备的描述。

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