孫長(zhǎng)智

亳州師范高等?？茖W(xué)校理化系，安徽亳州，236800

基于WEB技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)仿真的實(shí)現(xiàn)

孫長(zhǎng)智

亳州師范高等?？茖W(xué)校理化系，安徽亳州，236800

基于WEB技術(shù)，設(shè)計(jì)了電工電子實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的支持下，用戶可通過某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)WEB瀏覽器進(jìn)入遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室，并可對(duì)WEB界面上的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行直接控制，進(jìn)而可對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行控制，最終完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲取。

WEB技術(shù)；電工電子實(shí)驗(yàn)；遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)；LabVIEW

基于WEB技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的研究興起于21世紀(jì)，已成為全球科學(xué)家共同關(guān)注的話題。中國(guó)研發(fā)成功了基于WEB技術(shù)的智能化電工電子實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，大大改善了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)環(huán)境和教學(xué)條件。本文在概述仿真實(shí)驗(yàn)在電工電子實(shí)驗(yàn)方面的重要作用的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了基于WEB技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的構(gòu)造、開發(fā)途徑和實(shí)現(xiàn)形式等。

1 仿真實(shí)驗(yàn)在電工電子實(shí)驗(yàn)方面的作用

1.1 仿真軟件的輔助功能

WEB技術(shù)以計(jì)算機(jī)為載體，以WEB界面為操作平臺(tái)，就硬件予以自動(dòng)化的邏輯編輯→化簡(jiǎn)→分割→綜合→構(gòu)建→仿真測(cè)試。現(xiàn)階段，WEB技術(shù)、EWB技術(shù)等被廣泛應(yīng)用于各高等院校的教學(xué)、科研中，此類技術(shù)均具備“邏輯編輯→化簡(jiǎn)→分割→綜合→構(gòu)建→仿真測(cè)試”方面的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)功能[1]。但基于仿真軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)室或仿真軟件均不可完全替代傳統(tǒng)硬件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，因此僅起輔助作用。

1.2 仿真虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)間的關(guān)聯(lián)

為最大化發(fā)揮仿真虛擬實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性及最大化開發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)潛力，基于仿真軟件的電工電子實(shí)驗(yàn)的開設(shè)應(yīng)分基礎(chǔ)性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三個(gè)階段，并做到循序漸進(jìn)?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)要求解決學(xué)習(xí)者學(xué)會(huì)如何測(cè)量電量、如何使用設(shè)備和儀器、如何記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)、如何運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法、如何分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)等問題；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)習(xí)者掌握某些關(guān)鍵性仿真技術(shù)的應(yīng)用，如WEB技術(shù)、EWB技術(shù)、Pro-tel技術(shù)等；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)習(xí)者自主完成電路板的制作和電路的焊接等。

2 電工電子實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的功能

基于仿真軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)是指虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)，類似于傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)室，即具備實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器和實(shí)驗(yàn)對(duì)象等，但虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和仿真技術(shù)的依賴性強(qiáng)。因此，基于仿真軟件的虛擬實(shí)驗(yàn)室具有真實(shí)重現(xiàn)硬件實(shí)驗(yàn)室的功能?；谔摂M實(shí)驗(yàn)室的特殊屬性，基于WEB技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)仿真必須具備如下功能。

2.1 仿真性

系統(tǒng)的仿真性可為用戶提供不亞于真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，即基于WEB技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠順利使用各類儀器設(shè)備和電子元件等，使用方法應(yīng)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室基本相同，電子線路的搭接、電路效果的呈現(xiàn)均與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室高度一致。

2.2 開放性

開放性指系統(tǒng)可不擇時(shí)間和地點(diǎn)地為用戶提供實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，即僅依賴計(jì)算機(jī)和暢通的網(wǎng)絡(luò)，便可通過虛擬實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)。

2.3 可操作性

系統(tǒng)的可操作性支持用戶根據(jù)自身需要操作虛擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的儀器和設(shè)備。

2.4 其他

該系統(tǒng)還具有課后自主學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交、評(píng)閱功能、考核功能及實(shí)驗(yàn)資料檢索等功能[2]。

3 基于WEB技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

基于WEB技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)主要基于WEB發(fā)布方式和WEB服務(wù)器/瀏覽器計(jì)算模式。虛擬實(shí)驗(yàn)室僅需開發(fā)者設(shè)計(jì)一個(gè)服務(wù)器程序，Windows的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器即為用戶端程序，進(jìn)而支持用戶僅需輸入網(wǎng)址便可通過虛擬實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)[3](圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室由網(wǎng)上交流系統(tǒng)、用戶管理系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交管理子系統(tǒng)、網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)考試系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)儀器子系統(tǒng)組合而成，各大子系統(tǒng)所具備的功能均不相同。

(1)網(wǎng)上交流系統(tǒng)：通過網(wǎng)上交流系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者就學(xué)習(xí)上遇到的問題與教師進(jìn)行溝通和交流。

(2)用戶管理系統(tǒng)：用戶管理系統(tǒng)把訪問用戶分成三個(gè)等級(jí)，管理員屬最高級(jí)別，主要負(fù)責(zé)用戶管理系統(tǒng)的維護(hù)及管理；教師次之，主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)題目的選定、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的批閱和管理；學(xué)習(xí)者屬第三等級(jí)，擁有用戶管理系統(tǒng)的使用權(quán)[4]。

(3)實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交管理子系統(tǒng)：該系統(tǒng)自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，實(shí)驗(yàn)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況把內(nèi)容填寫完畢的實(shí)驗(yàn)報(bào)告提交至該系統(tǒng)，教師可查看和批改實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)者可下載閱讀實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

(4)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)考試系統(tǒng)：教師可設(shè)計(jì)填空和選擇類型的實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)習(xí)者可根據(jù)預(yù)習(xí)來完成，并通過網(wǎng)上仿真實(shí)驗(yàn)，獲取該次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(5)虛擬實(shí)驗(yàn)儀器子系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要向?qū)嶒?yàn)者提供所需的虛擬實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備。

3.2 基于WEB技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 定制虛擬儀器

圖形化編程語(yǔ)言(LabVIEW)是一套基于G語(yǔ)言的數(shù)據(jù)采集與儀器控制和數(shù)據(jù)分析與表達(dá)的專用開發(fā)軟件，屬程序開發(fā)平臺(tái)。圖形化編程語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)由程序框圖設(shè)計(jì)和前面板設(shè)計(jì)組合而成，其中前面板類似于操作面板，用戶可通過工具模板完成輸入控制器和輸出指示器的添加；程序框圖是確保虛擬儀器功能得以正常發(fā)揮的關(guān)鍵部分，其由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)端口設(shè)計(jì)和連線設(shè)計(jì)組合而成。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

電子電路實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)的智能化和專用性是實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的目標(biāo)。該類電子電路實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)主要由示波器和信號(hào)源集成版、主體實(shí)驗(yàn)板、多通道通信電路板組合而成，其中示波器和信號(hào)源集成版主要由示波器部分和信號(hào)源部分組合而成。信號(hào)源部分是基于可編程邏輯控制器件、程控增益原理、DDS(直接頻率數(shù)字合成技術(shù))和高速D/A器件的任意波形發(fā)生器，示波器部分主要由高速存儲(chǔ)器芯片、高速A/D器件、可編程邏輯控制器件組合而成。主體實(shí)驗(yàn)板負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)電路搭建，各實(shí)驗(yàn)板均包含了四個(gè)由數(shù)量一定的數(shù)字式可變電阻、電容/感、二/三極管、運(yùn)算放大器等原件組成的通用模塊，并基于智能連線方式和單片機(jī)控制電子開關(guān)連接一切電路元件，設(shè)置一切參數(shù)。多通道通信電路板集中完成主體實(shí)驗(yàn)板、服務(wù)器系統(tǒng)、示波器和信號(hào)源集成板彼此間的數(shù)據(jù)通信。

虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的完成過程：源于用戶的實(shí)驗(yàn)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)表數(shù)據(jù)、信號(hào)源等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被簡(jiǎn)析處理后，經(jīng)通訊電路板把實(shí)驗(yàn)參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)表數(shù)據(jù)等向主體實(shí)驗(yàn)板傳送→經(jīng)主體實(shí)驗(yàn)板搭接完畢實(shí)驗(yàn)電路→把信號(hào)傳送給示波器和信號(hào)源集成板→經(jīng)通信電路板向示波器和信號(hào)源集成板傳送信號(hào)源參數(shù)，進(jìn)而獲取所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)測(cè)試波形→經(jīng)通信電路板把其返給用戶(圖2)。

圖2 示波器正弦信號(hào)的設(shè)計(jì)

3.3 WEB任務(wù)調(diào)度機(jī)的調(diào)度策略

在基于WEB技術(shù)的電子電工實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)內(nèi)，WEB任務(wù)調(diào)度機(jī)的作用尤其突出，即完成實(shí)驗(yàn)者請(qǐng)求的接收、把各實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求分配給WEB服務(wù)器、維持各WEB服務(wù)器負(fù)載的平衡狀態(tài)。WEB任務(wù)調(diào)度機(jī)是該系統(tǒng)的核心成分，其分配策略對(duì)該系統(tǒng)的整體性能起決定性的作用[5]。

研究證實(shí)，開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型對(duì)應(yīng)的WEB任務(wù)調(diào)度機(jī)多把分配策略集中到數(shù)據(jù)鏈路層(L2)/網(wǎng)絡(luò)層(L3)/應(yīng)用層(L7)，而最佳分配策略應(yīng)具備全比重選擇、最少連接/最快響應(yīng)最優(yōu)、LARD/RR等特性[6]。為確保對(duì)各HTTP請(qǐng)求的響應(yīng)更快更精準(zhǔn)，WEB任務(wù)調(diào)度機(jī)的調(diào)度算法不能過于復(fù)雜，且能兼容于現(xiàn)行的WEB協(xié)議/標(biāo)準(zhǔn)?；趯?duì)上述要求的考慮，本文選擇了基于應(yīng)用層的動(dòng)/靜態(tài)調(diào)度算法，且嚴(yán)格按照HTTP1.1協(xié)議規(guī)程展開計(jì)算。WEB任務(wù)調(diào)度機(jī)的調(diào)度流程為：創(chuàng)建客戶端TCP連接→基于HTTP請(qǐng)求完成任務(wù)分類，以確保各任務(wù)均能對(duì)應(yīng)最佳的WEB服務(wù)器。鑒于此，本文首先基于文件類型的不同就實(shí)驗(yàn)者的請(qǐng)求作出調(diào)度，此乃基于請(qǐng)求內(nèi)容的調(diào)度策略，亦屬靜態(tài)調(diào)度算法的一種，但處理操作硬件實(shí)驗(yàn)裝置的命令應(yīng)按“*.ps”文件類型展開，且注意各應(yīng)用服務(wù)器負(fù)載請(qǐng)求的總和皆存有限度，請(qǐng)求總和一旦超出此限度，服務(wù)器會(huì)停止接收請(qǐng)求。

3.4 WEB發(fā)布

圖形化編程語(yǔ)言采用了Remote panel技術(shù)，待WEB服務(wù)器程序設(shè)計(jì)完畢，可經(jīng)圖形化編程語(yǔ)言的WEB Publishing Tools把服務(wù)器程序嵌入HTML文件，并經(jīng)圖形化編程語(yǔ)言的WEB Server發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)瀏覽器的訪問[7]。若實(shí)驗(yàn)者輸入HTML文件網(wǎng)絡(luò)路徑，則可支持實(shí)驗(yàn)者在該計(jì)算機(jī)上調(diào)用WEB服務(wù)器程序內(nèi)的虛擬儀器和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)過程如下。

第一步：從虛擬實(shí)驗(yàn)室調(diào)出待發(fā)布的虛擬儀器→單擊圖形化編程語(yǔ)言主菜單內(nèi)的“Tools”子菜單→進(jìn)入“Options”子菜單→選中“WEB server Configuration”選項(xiàng)→把待發(fā)的VI程序路徑輸入Root Directory(圖3)。

圖3 設(shè)計(jì)界面

第二步:單擊“Tools”菜單內(nèi)的WEB Publishing Tools選項(xiàng)→設(shè)定有關(guān)參數(shù)→單擊“Save to Disk”選項(xiàng)，把HTML文件保存在磁盤內(nèi)→單擊“保存”選項(xiàng)→獲取該HTML文件的網(wǎng)址→實(shí)驗(yàn)者把HTML文件的網(wǎng)址輸入瀏覽器→實(shí)驗(yàn)者可通過該計(jì)算機(jī)設(shè)定虛擬儀器的有關(guān)參數(shù)→遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)完成(圖4)。

圖4 發(fā)布頁(yè)面

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)的實(shí)現(xiàn)提供了可能，但基于仿真軟件的電工電子實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)卻遭遇諸多瓶頸。虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室是一種對(duì)立于傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)形式，作為遠(yuǎn)程教學(xué)的發(fā)展導(dǎo)向，屬于一種新型的教學(xué)模式，但實(shí)驗(yàn)的安全性和實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等問題急需解決。本文討論了基于WEB技術(shù)的電工電子實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)。研究證實(shí)，該系統(tǒng)在圖形化編程語(yǔ)言的支持下，簡(jiǎn)化了遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建和維護(hù)等程序，且隨著網(wǎng)絡(luò)水平和仿真技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

2014-10-12

安徽省優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目“高職電子類專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)網(wǎng)站開發(fā)研究”(2012SQRL274)。

孫長(zhǎng)智(1977-)，安徽蒙城人，碩士，副教授，主要研究方向：電工電子、仿真實(shí)驗(yàn)。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.12.022

TP393.09/N945.13

A

1673-2006(2014)12-0076-03