網絡虛擬電子實驗室的構建與設計＊

馬梅娟,李 明

(濰坊學院,山東 濰坊 261061;東營市質量技術監督局,山東 東營 257000)

虛擬電子實驗室的設計是在通用計算機平臺上,運用虛擬儀器技術,設計出能夠替代電子實驗室中的多種傳統儀器的虛擬電子實驗室,此系統可集多種測試功能于一身。隨著計算機的性價比和易用性的提高,使得虛擬實驗室在教學、科普教育和技術研究領域應用成為可能。所謂虛擬實驗室[1-3],是指由虛擬現實技術生成的一類適于進行虛擬實驗的實驗系統,包括相應實驗室環境、有關的實驗儀器設備、實驗對象以及實驗信息資源等。這種虛擬電子實驗室具有靈活、成本低、高效率的特點,在高校的教學與科研中將會發揮極大的作用。

1 虛擬實驗室特點

(1)成本低。虛擬實驗室基于虛擬原型技術[4-5],即利用VR在可視化方面的強大優勢以及可交互地探索虛擬物體的功能,對對象進行幾何、功能、制造等方面交互的建模與分析。

(2)效率高。虛擬實驗室省去了大量的基于物理原型實驗的簡單勞動,使用者集中精力研究實驗對象本身的特性和規律,還可充分利用計算機優勢,使虛擬實驗室具有良好的在線幫助和學習功能,從而可幫助使用者迅速掌握實驗研究本身和達到實驗研究的具體目標和要求,大大提高了學習和研究效率。

(3)功能全。虛擬實驗室的數據庫可做到規格品種齊全,并易于升級換代和增加新品種,從根本上解決了因實驗元器件和儀器儀表不全而影響實驗的問題。

(4)協作性。在協同虛擬環境技術下,可實現合作實驗、遠程實驗、協同研究等。

2 網絡虛擬電子實驗室的技術選擇

2.1 軟件選擇

網絡虛擬實驗實現技術的選擇構建網絡虛擬實驗有多種方法[6-8],目前常用的實驗構建技術有JAVA、ActiveX、VRML、Q TVR、Flash等,這幾種技術各有特點(見表1),用這些技術構建虛擬實驗的基本思想一致的,即用軟件方法來模擬硬件設備的功能。它們具有下面的一些共同的特性:

(1)數據資源的共享。虛擬實驗室涉及大量數據信息,為了能更好地管理數據,提高數據資源的共享能力。

(2)建立共享軟件庫。如虛擬測量儀器、數據處理等程序的遠程共享、隊列問題等。

(3)支持用戶與教師間的交互。可通過W EB頁面、BBS、個人目錄等手段實現。

(4)可靠的安全機制。安全性是所有合作環境和共享資源建立的基礎。主要技術有用戶的鑒別注冊和權限驗證技術,郵件、個人數據的加密和數字簽名技術等。

(5)協同虛擬環境實現技術。基于網絡環境下的多個用戶遠程共同研討同一個問題的實現技術。這是一個難點,必須解決一致性、協作性、擴展性、交互性、實時性等問題。

(6)面向對象編程方法的實現。

網絡虛擬實驗系統的建立可以充分利用校園網的資源,大力構建網絡虛擬實驗系統[9-10]是實驗教學的必然趨勢。針對已有的網絡虛擬實驗系統存在的不足,結合以上分析,網絡虛擬實驗系統實現技術的選擇不應該追求技術的難度,而是根據具體實驗課程的特點,選擇合適的技術。一個優秀的網絡虛擬實驗系統不可能只通過單一的技術實現,因此,在網絡虛擬實驗系統實現技術上必將形成多種實現技術相結合的局面。將多個技術按照教育的要求相融合,取長補短,發揮各自的優勢,是網絡虛擬實驗系統實現技術的主要趨勢。

表1 常用的網絡實驗構建技術對比

2.2 硬件選擇

不同的測試任務對測試系統有不同的要求,一種虛擬儀器測試系統不可能涵蓋整個社會對測量的要求。對虛擬儀器測試系統的發展應該有一個客觀的認識,基于PCI總線的虛擬儀器測試系統通常適用于低頻低速的過程測控系統、教學實驗和實驗室常規測試。基于PXI總線的虛擬儀器測試系統由于電磁兼容性能及冷卻性能的改善和模塊式結構可用在一般要求的自動測試系統場合和系統總價格有所限制的自動測試系統。基于VXI虛擬儀器測試系統具有良好的性能,可用于自動措施系統特別是高速且大數據量自動測試系統,寬頻帶自動測試系統和軍用自動化測量,代表著二十一世紀測試技術的發展方向。

PX I兼備了compactPCI標準的高性能和VX I儀器系統的高可靠性,同時,保持了比VXI更具吸引力的價格優勢,是能滿足高標準測試要求的最佳性價比選擇。開放式PXI規范利用了多項現有工業標準技術,以提供最佳的測量和自動化平臺。其中最主要的電氣規范由非常成功的PCI總線擴展而來。面向儀器的電氣擴展包括內置的觸發和局部總線,而這些又是由高性能的VXI儀器結構擴展而來。鑒于系統的可靠性,可擴展性,適用性,PXI是目前構建電工電子類虛擬實驗室硬件平臺最佳選擇。

2.3 網絡技術B/S(Brow ser/Server)體系結構

隨著計算機網絡及其相關技術的不斷發展與完善,Interent已成為一個大的分布式計算平臺。其瀏覽器由于具有良好的跨平臺和多媒體功能,越來越受到人們的青睞。瀏覽器/服務器(Brow ser/Server,簡稱B/S)[11]體系結構是一種基于Web的三層計算模型。它由瀏覽器、Web服務器和數據服務器組成。圖1為典型的瀏覽器/服務器體系結構。

在B/S體系結構中,客戶端通過瀏覽器發出訪問服務器的服務請求,服務器進行相應的處理后將響應結果返回給客戶端,與傳統C/S結構相比,B/S結構具有以下優點:

(1)C/S結構必須根據客戶端所使用的操作系統及后臺應用的不同,安裝不同的軟件;B/S結構簡化了客戶端軟件,只須安裝Web瀏覽器作為客戶端應用的運行平臺,所有的開發、維護和升級工作集中在服務器端。

(2)C/S結構需混合多種傳輸協議;B/S結構中所有系統都使用TCP/IP協議進行通信。

(3)C/S結構需要不斷使用新的軟件版本,用以更新用戶系統;B/S結構中,系統版本的升級及維護是在服務器端進行的,用戶需要訪問時才動態下載,這就保證了用戶每次使用的都是最新版本。

通過以上對B/S和C/S模式的優缺點的比較以及開發的網絡虛擬實驗系統所要達到的目的,因此選擇了B/S模式。

圖1 典型的瀏覽器/服務器體系結構

3 網絡虛擬電子實驗室的總體設計

整個網絡虛擬實驗室系統以電子線路、電工技能課中的實訓內容為實驗,學生首先通過實驗管理系統進行預約模擬仿真實驗,然后通過IP及MAC地址的聯合認證,并在預習通過的基礎上,在約定時間內完成實時操作實驗,并提交Word實驗報告,教師可進行評閱,給出實驗成績。本系統采用基于Web的三層結構技術實現,系統管理員只需要對應用服務器和Web服務器進行維護,而在客戶端實現了零維護,提高了工作效率。虛擬實驗室網絡結構如圖2所示。

圖2 虛擬實驗室網絡結構

3.1 系統功能模塊設計

虛擬網絡實驗系統分為實驗平臺和實驗信息管理系統兩部分進行開發,其系統結構設計如圖3所示,下面結合設計對各模塊進行說明。

圖3 系統結構設計

3.1.1 RBAC訪問控制

信息管理系統采用B/S結構,使用Jsp以及J2EE開發。按照實驗教學的需要,將用戶分三種角色:老師、學生和管理員,不同角色具有不同的權限。

在平臺采用了基于角色的訪問控制(RBAC),它的模型包括用戶/組、角色、許可權限和會話四個組件。用戶是計算機系統資源的交互者,組是滿足一定特征的多個用戶的集合。

角色是系統的一組特定的功能集,它描述了授予該角色的用戶的職責和權限。許可權限是作用在一個或多個對象上的一組特定的操作。會話是一個角色實例根據許可權限對系統資源的一次操作。平臺將能夠從客戶端登錄的用戶分成多個組,并根據其特性賦予不同的角色,同時為不同的角色賦予不同的操作權限及對象。客戶端有學生、教師、系統管理員等不同角色,他們登錄后根據RBAC機制獲取不同的操作權限。

3.1.2 系統和實驗管理

針對需求,系統將每門課的實驗分割成幾個實驗流程,而每個實驗相對于每個實驗流程都配置不同的內容,這樣使實驗能夠更靈活地管理和進行。實驗主要分為三個子模塊:實驗內容預習、實驗操作、實驗報告,功能模塊圖如圖4所示。

圖4 網絡虛擬實驗系統功能模塊圖

實驗內容預習從儀器介紹、實驗原理和實驗注意事項三方面呈現。儀器介紹部分主要是通過3DSM X制作三維儀器,通過文本介紹常用儀器的功能和使用方法。采用文本、圖形、圖像、動畫、視頻、音效等多媒體技術呈現實驗原理、目的、內容以及實驗場景、器材和實驗注意事項,使軟件界面清晰、美觀。

實驗操作子模塊主要包括用戶對實驗初始狀態的設定、實驗過程的呈現和實驗結果的呈現三部分。實驗初始狀態的設定主要是實驗參數的設定,服務器端對實驗參數進行處理,將實驗運算數據返回至客戶端來控制實驗模型的變化,同時返回實驗結果,如包括實驗數據和結果圖等。實驗報告子模塊是實驗中的一項重要的工作。

實驗報告是實驗教學的一個重要環節,不同課程不同實驗的實驗報告格式也不同,平臺首先要求實驗管理教師對每個實驗的實驗流程進行配置,而后學生做實驗的流程相應地按照這個流程來進行,撰寫實驗報告,不僅要簡要說明實驗內容、原理、使用元件、儀器,還要記錄實驗中測試的數據、觀測的實驗結果圖形等信息,同時還要對實驗結果進行相應的計算、判斷和分析。實驗完畢后平臺可以按照實驗流程自動生成實驗報告供學生修改后上傳至服務器,教師可以在本機或是通過網絡調閱、批改學生的實驗報告,甚至檢查實驗數據和結果圖。

3.1.3 服務器需求響應

平臺擺脫現有的Web服務器,重新針對需求設計對遠程客戶需求進行響應的服務器模塊。這是整個平臺的核心部分。根據客戶的各種需求,服務器對數據庫進行各種操作,或認證、或讀取、或修改,然后再將操作結果通過網絡傳輸部分傳送到客戶端,完成一次需求響應。

3.2 網絡虛擬電子實驗系統實驗信息管理平臺設計

根據對系統所需實現功能的分析和系統結構設計,現對系統的實驗信息管理平臺進行了設計。網絡虛擬實驗信息系統結構如圖5所示。

圖5 網絡虛擬實驗信息系統結構圖

4 網絡虛擬電子實驗系統的實現

網絡虛擬實驗系統的操作界面如圖6所示。界面左右有器材欄、屬性欄,中間為實驗區。下方有信息提示區,屬性欄、器材欄為豎直窗體,位置可自由移動(單擊邊框,鼠標拖動)。

屬性欄:提供用戶在實驗區中所選擇的器材的屬性和對復雜器材的操作,屬性欄將隨著器材欄的大小而改變大小。

器材欄:提供當前實驗所要使用的器材,使用器材的圖標和相應描述文字進行顯示和說明。

實驗區:在此區域中,搭建實驗電路,進行實驗操作、儀表讀數等。提示信息出現在實驗區的中部下方,提示信息有不同的種類,用戶可以選擇顯示何種信息。

圖6 虛擬實驗系統的操作界面

4.1 登錄界面設計

此界面的主要功能是對使用本系統的用戶進行用戶名、密碼、用戶身份的驗證,只有合法的用戶才能使用本系統。進行驗證的表主要是教師信息表,在該表中主要包括教師的姓名即用戶名和密碼。當用戶名和密碼相符則成功登錄教師管理子系統,如不符合則提示錯誤。教師登錄模塊由教師登錄頁面組成,它是實驗管理系統教師的登陸頁面。為完成此功能設計了Login類,此類中設置了LoginAction方法用于實現系統對用戶提交數據的審核,以便用于成功登錄。

4.2 教師管理子系統

成功登錄教師管理子系統之后,教師擁有提交實驗項目計劃表、提交教師課程表、查詢實驗時間安排表、提交留言等功能。并且從頁面的滾動新聞中還可以得知最新的消息,以便老師及時提交實驗項目計劃表和及時查詢時間安排表。

提交的內容有教師所教的班級、教師姓名、教師所代的課程、該課程的日期、相應的周次、星期、節次和該實驗所占用的實驗室。為了降低系統的數據冗余,系統設置同一教師不可以提交相同的信息。當教師提交了相同的信息之后,系統給予提示:該數據已存在,不允許重復提交。

如果管理員公布了實驗室時間,教師可以查詢到最終的實驗室時間安排表。如果管理員還沒有公布實驗室時間,教師查詢到的只是教師提交的實驗項目計劃表。查詢實驗時間安排表,提供的查詢方式有:按時間查詢、按教師查詢、按班級查詢、按實驗室查詢。

學生模塊,管理員模塊這里不再贅述。

5 結束語

盡管虛擬實驗室有很多優點,但在實驗教學中本著提高學生的動手能力,培養學生的實踐經驗,還是不應該完全依賴網上的虛擬儀器。應該是實際的親手操作和虛擬儀器結合使用。首先應該對實驗室的儀器有很深的了解,能夠熟練地使用和操作各種儀器,達到一定水平以后才能在網上進入虛擬實驗室。

實踐證明,基于網絡的虛擬實驗可以作為一種輔助的實驗手段來彌補真實實驗課程的不足,并且可以構建復雜的難以開展的真實實驗,網絡虛擬實驗也為遠程教育開設實驗課程提供了可能性。文章中論述的技術手段是實現網絡虛擬實驗簡單可行的途徑,而且可跨平臺操作,大大豐富了現代化教育的手段。

[1]吳文鐵.基于Web的計算機網絡課程虛擬實驗室探索[J].福建電腦,2008,(4):138-139.

[2]姜淑敏,楊洋,馮巍.機械基礎網絡交互式虛擬實驗室的研究與實現[J].實驗室研究與探索,2005,24(9):17-19.

[3]張立學.基于LabV IEW的虛擬數字示波器設計[J].長沙大學學報,2008,(5):66-69.

[4]高洪波,王鳳先.基于W EB的虛擬實驗系統體系結構設計[J].河北省科學院報,2003,20(2):110-113.

[5]諶志群,曾文華,丁穎.基于Web的虛擬實驗系統研究與實現[J].杭州電子工業學院學報,2005,22(6):53-56.

[6]張克非.虛擬微機接口實驗室設計[J].計算機工程與設計,2005,26(1):22-23.

[7]劉志境,李凌霞.基于Java的網絡虛擬電路實驗室的研究[J].計算機應用,2003,23(8):103-105.

[8]彭珠.基于網絡的數字電路虛擬實驗軟件設計與實現[J].微計算機應用,2006,27(1):42-45.

[9]喬健.網絡教學中的計算機虛擬技術[J].實驗技術與管理,2003,20(6):34-36.

[10]韋素媛.Web環境下的智能網絡教學系統[J].計算機工程與應用,2003,39(35):155-157.

[11]李高升,周東明,何建國,等.LabV IEW中DLL文件的創建及其應用[J].現代電子技術,2005,(5):24-26.