韓鈺 鄭金亮 李劍

1.安徽大學(xué)江淮學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與電子技術(shù)系，安徽 合肥 230031

2.安徽大學(xué)江淮學(xué)院公共基礎(chǔ)教學(xué)部，安徽 合肥 230031

3.安徽大學(xué)江淮學(xué)院院辦公室，安徽 合肥 230031

1 概述

高頻電子線路實(shí)驗(yàn)室可以說是每個(gè)理工科院校所必備的，但傳統(tǒng)的高頻實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要合適的場地和大量的設(shè)備購置資金，且功能單一、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對固定，后期設(shè)備更新滯后，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中運(yùn)行維護(hù)成本也較高。這些弊端也是一些辦學(xué)資金和場地都相對緊張的獨(dú)立學(xué)院在建設(shè)此類實(shí)驗(yàn)室時(shí)所面對的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在通用計(jì)算機(jī)平臺上利用軟件模擬實(shí)現(xiàn)一些專用設(shè)備功能的技術(shù)已逐步趨于成熟，這也促使一些院?？梢岳锰摂M儀器技術(shù)來組建虛擬高頻實(shí)驗(yàn)室用以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的不足。

2 高頻電子線路虛擬實(shí)驗(yàn)室的體系架構(gòu)

高頻電子線路虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)開放的實(shí)驗(yàn)平臺，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問虛擬實(shí)驗(yàn)室，調(diào)用各種虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建一個(gè)完整的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過對虛擬儀器界面上參數(shù)的設(shè)置實(shí)時(shí)操控實(shí)驗(yàn)流程，獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而完成預(yù)定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

在建構(gòu)該虛擬實(shí)驗(yàn)室時(shí)，可從體系結(jié)構(gòu)上將其劃分為四塊：

1)具有Web服務(wù)及監(jiān)管功能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；

2)對所有設(shè)備進(jìn)行管理的設(shè)備服務(wù)器；

3)具有可視化和良好操控性的前端用戶操作平臺；

4)對虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行有效監(jiān)控的程序。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)室各模塊設(shè)計(jì)概述

3.1 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

該服務(wù)器的主要功能是管理用戶的登錄、建立用戶與設(shè)備服務(wù)器的連接以及在實(shí)驗(yàn)過程中對用戶與實(shí)驗(yàn)任務(wù)的交互進(jìn)行管理。通過該服務(wù)器用戶可以登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室、調(diào)用各類虛擬設(shè)備并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

為了使用戶更為便捷的訪問該虛擬實(shí)驗(yàn)室，在用戶端與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間采用基于Web的B/S結(jié)構(gòu)來建立HTTP連接，考慮到設(shè)備服務(wù)器的安全性，而在設(shè)備服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器間采用C/S結(jié)構(gòu)的TCP連接。

為了使服務(wù)器能同時(shí)響應(yīng)多個(gè)用戶的請求，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器必須多線程運(yùn)行，采用TCP/IP協(xié)議建立并發(fā)運(yùn)行的、面向連接的結(jié)構(gòu)模型。在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端可創(chuàng)建主、副兩類線程，主線程只有一個(gè)，副線程可以同時(shí)有多個(gè)，主線程在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器啟動(dòng)時(shí)即創(chuàng)建，它負(fù)責(zé)監(jiān)聽并響應(yīng)用戶端的連接請求，從而創(chuàng)建副線程傳遞通信套接字。主線程只在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器關(guān)閉時(shí)才結(jié)束。副線程是為了響應(yīng)用戶端連接請求而創(chuàng)建的，一個(gè)用戶請求就創(chuàng)建一個(gè)副線程，在通信完成后即終結(jié)。

為了避免主線程一直處以活躍狀態(tài)，占用系統(tǒng)資源，在系統(tǒng)中有一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用程序來控制主線程的運(yùn)行，該程序在等待用戶連接請求時(shí)是處于擁塞狀態(tài)的，此時(shí)它會(huì)暫停主線程的運(yùn)行；當(dāng)收到新的用戶連接請求時(shí)，它被調(diào)用，并產(chǎn)生一個(gè)新的套接字分配給主線程，主線程得到與用戶通信的套接字后繼續(xù)運(yùn)行，創(chuàng)建一個(gè)對應(yīng)的副線程來具體處理用戶的連接請求，并將套接字傳遞給副線程，自己重新進(jìn)入監(jiān)聽等待狀態(tài)。

為了對用戶行為進(jìn)行響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)該具有監(jiān)管模塊，當(dāng)有用戶與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器建立連接后，監(jiān)管模塊將同時(shí)創(chuàng)建用戶服務(wù)線程和控制線程，在用戶實(shí)驗(yàn)過程中通過兩個(gè)線程的綁定來實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳遞。

另外，在實(shí)驗(yàn)過程中各個(gè)對象間有大量數(shù)據(jù)需要交互，這就需要網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端提供數(shù)據(jù)管理模塊，該模塊應(yīng)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫相連，從而實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的訪存。

3.2 設(shè)備服務(wù)器

設(shè)備服務(wù)器的功能是通過與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器建立的通道接收用戶傳遞過來的儀器控制信息，啟動(dòng)相應(yīng)虛擬儀器，并實(shí)現(xiàn)虛擬儀器與用戶間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)的具體操控。

虛擬實(shí)驗(yàn)室的各類虛擬儀器可以通過美國NI公司的LABVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)，構(gòu)成一個(gè)虛擬儀器庫供用戶調(diào)用。用LABVIEW中的DataSocket技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備服務(wù)器端與用戶端的通信，只需對控件的DataSocket Connection屬性以及DataSocket服務(wù)器進(jìn)行簡單設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)向多個(gè)遠(yuǎn)程終端廣播數(shù)據(jù)的功能。

3.3 用戶操作平臺

用戶通過該平臺實(shí)現(xiàn)具體實(shí)驗(yàn)的所有操控，整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能圍繞該平臺展開，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和設(shè)備服務(wù)器也是為該平臺提供具體的服務(wù)。

具體而言用戶可以通過用戶端選取、添加、移動(dòng)、刪除各類虛擬設(shè)備，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求自主連接各類虛擬設(shè)備，調(diào)整虛擬設(shè)備的具體參數(shù)，并能運(yùn)行、中斷及修改實(shí)驗(yàn)，輸出、保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

用戶端的運(yùn)行過程先由用戶通過用戶端向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提交用戶信息，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的身份認(rèn)證后建立連接，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器再向設(shè)備服務(wù)器提交用戶實(shí)驗(yàn)申請，申請通過后，用戶端將得到設(shè)備服務(wù)器的IP地址及對應(yīng)端口號，用戶端與設(shè)備服務(wù)器間建立連接，用戶端將用戶實(shí)驗(yàn)過程中的具體操控轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制信號發(fā)生給設(shè)備服務(wù)器由設(shè)備服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，為了保證實(shí)驗(yàn)過程中用戶端與設(shè)備服務(wù)器間不中斷，需要由設(shè)備服務(wù)器循環(huán)執(zhí)行向用戶端發(fā)生、接受一組數(shù)據(jù)來保持連接狀態(tài)，另外，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)定時(shí)查詢設(shè)備服務(wù)器的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備服務(wù)器的異常并通知系統(tǒng)及用戶端，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)用戶端與設(shè)備服務(wù)器斷開連接，并通知網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器刷新設(shè)備服務(wù)器狀態(tài)。

3.4 虛擬實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控程序

為了使虛擬實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)定的運(yùn)行，需要對用戶端與服務(wù)器間進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)過程中也需對用戶操作和虛擬設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。從功能上說，對用戶端的監(jiān)控要包含用戶信息的創(chuàng)建及查詢、對用戶訪問的集中控制、對用戶操作的監(jiān)控；對虛擬設(shè)備的監(jiān)控主要是從用戶對虛擬設(shè)備占用的狀態(tài)來更改設(shè)備的忙、閑。

對整個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控程序可利用Java Servlet和JSP技術(shù)創(chuàng)建MVC模式來設(shè)計(jì)界面。MVC（模型視圖控制器）中的模型是JavaBean，視圖是JSP，控制器則是Servlet。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將用戶端請求轉(zhuǎn)發(fā)給Servlet控制器，由Servlet對Javabean模型進(jìn)行操作，并將結(jié)果傳給Jsp視圖，由Jsp格式化模型后將結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，再由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)送給用戶端。

4 結(jié)語

本文在對高頻虛擬實(shí)驗(yàn)室功能分析的基礎(chǔ)上從宏觀架構(gòu)角度將其劃分為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端、設(shè)備服務(wù)器端、用戶端及虛擬實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控程序，并對各部分的工作流程、實(shí)現(xiàn)技術(shù)做了概括性介紹，為日后本院高頻虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)做了初步的方案規(guī)劃。

[1]彭暉，王宇棟，侯進(jìn)軍，沈亞軍.遠(yuǎn)程教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì). 湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)報(bào))，2003，25(2): 35一37.

[2]賈皓麗，宋端智，馮雪君. 網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用研究. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2002.24-28.

[3]蔡國英. 基于虛擬技術(shù)的虛擬高頻實(shí)驗(yàn)室儀器的實(shí)現(xiàn)（碩士論文).南京信息工程大學(xué)，2008年5月.