基于WEB技術的電工電子實驗仿真的實現

孫長智

亳州師范高等專科學校理化系，安徽亳州，236800

基于WEB技術的電工電子實驗仿真的實現

孫長智

亳州師范高等專科學校理化系，安徽亳州，236800

基于WEB技術，設計了電工電子實驗仿真系統。實現在遠程實驗系統的支持下，用戶可通過某個標準WEB瀏覽器進入遠程實驗室，并可對WEB界面上的實驗參數進行直接控制，進而可對實驗設備進行控制，最終完成實驗數據和實驗結果的獲取。

WEB技術；電工電子實驗；遠程實驗；LabVIEW

基于WEB技術的遠程實驗室的研究興起于21世紀，已成為全球科學家共同關注的話題。中國研發成功了基于WEB技術的智能化電工電子實驗仿真系統，大大改善了遠程實驗教學的教學環境和教學條件。本文在概述仿真實驗在電工電子實驗方面的重要作用的基礎上，詳細分析了基于WEB技術的電工電子實驗仿真系統的構造、開發途徑和實現形式等。

1 仿真實驗在電工電子實驗方面的作用

1.1 仿真軟件的輔助功能

WEB技術以計算機為載體，以WEB界面為操作平臺，就硬件予以自動化的邏輯編輯→化簡→分割→綜合→構建→仿真測試。現階段，WEB技術、EWB技術等被廣泛應用于各高等院校的教學、科研中，此類技術均具備“邏輯編輯→化簡→分割→綜合→構建→仿真測試”方面的自動實現功能[1]。但基于仿真軟件的虛擬實驗室或仿真軟件均不可完全替代傳統硬件的實驗平臺，因此僅起輔助作用。

1.2 仿真虛擬實驗與傳統硬件實驗間的關聯

為最大化發揮仿真虛擬實驗的優越性及最大化開發學習者的學習潛力，基于仿真軟件的電工電子實驗的開設應分基礎性、設計性和創新性實驗三個階段，并做到循序漸進。基礎性實驗要求解決學習者學會如何測量電量、如何使用設備和儀器、如何記錄實驗結果和數據、如何運用實驗方法、如何分析實驗結果和數據等問題；設計性實驗要求學習者掌握某些關鍵性仿真技術的應用，如WEB技術、EWB技術、Pro-tel技術等；創新性實驗要求學習者自主完成電路板的制作和電路的焊接等。

2 電工電子實驗仿真系統的功能

基于仿真軟件的虛擬實驗是指虛擬實驗室的實驗，類似于傳統的硬件實驗室，即具備實驗環境、實驗設備和儀器和實驗對象等，但虛擬實驗室對網絡環境和仿真技術的依賴性強。因此，基于仿真軟件的虛擬實驗室具有真實重現硬件實驗室的功能。基于虛擬實驗室的特殊屬性，基于WEB技術的電工電子實驗仿真必須具備如下功能。

2.1 仿真性

系統的仿真性可為用戶提供不亞于真實實驗室的實驗環境，即基于WEB技術的虛擬實驗室能夠順利使用各類儀器設備和電子元件等，使用方法應與真實實驗室基本相同，電子線路的搭接、電路效果的呈現均與真實實驗室高度一致。

2.2 開放性

開放性指系統可不擇時間和地點地為用戶提供實驗場所，即僅依賴計算機和暢通的網絡，便可通過虛擬實驗室完成實驗。

2.3 可操作性

系統的可操作性支持用戶根據自身需要操作虛擬實驗室內的儀器和設備。

2.4 其他

該系統還具有課后自主學習、實驗演示、實驗報告提交、評閱功能、考核功能及實驗資料檢索等功能[2]。

3 基于WEB技術的電工電子實驗仿真

3.1 仿真系統的結構分析

基于WEB技術的電工電子實驗仿真系統主要基于WEB發布方式和WEB服務器/瀏覽器計算模式。虛擬實驗室僅需開發者設計一個服務器程序，Windows的網頁瀏覽器即為用戶端程序，進而支持用戶僅需輸入網址便可通過虛擬實驗室完成實驗[3](圖1)。

圖1 實驗仿真系統網絡拓撲

虛擬仿真實驗室由網上交流系統、用戶管理系統、實驗報告提交管理子系統、網上實驗考試系統和虛擬實驗儀器子系統組合而成，各大子系統所具備的功能均不相同。

(1)網上交流系統：通過網上交流系統，學習者就學習上遇到的問題與教師進行溝通和交流。

(2)用戶管理系統：用戶管理系統把訪問用戶分成三個等級，管理員屬最高級別，主要負責用戶管理系統的維護及管理；教師次之，主要負責實驗題目的選定、實驗內容的設計、實驗報告的批閱和管理；學習者屬第三等級，擁有用戶管理系統的使用權[4]。

(3)實驗報告提交管理子系統：該系統自動生成實驗報告模板，實驗者根據實驗情況把內容填寫完畢的實驗報告提交至該系統，教師可查看和批改實驗報告，實驗者可下載閱讀實驗報告。

(4)網上實驗考試系統：教師可設計填空和選擇類型的實驗題目，學習者可根據預習來完成，并通過網上仿真實驗，獲取該次實驗數據和實驗結果。

(5)虛擬實驗儀器子系統：該系統主要向實驗者提供所需的虛擬實驗儀器和設備。

3.2 基于WEB技術的電工電子實驗仿真系統的實現

3.2.1 定制虛擬儀器

圖形化編程語言(LabVIEW)是一套基于G語言的數據采集與儀器控制和數據分析與表達的專用開發軟件，屬程序開發平臺。圖形化編程語言應用程序設計由程序框圖設計和前面板設計組合而成，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揮的關鍵部分，其由節點設計、數據端口設計和連線設計組合而成。

3.2.2 實驗裝置設計

電子電路實驗硬件平臺的智能化和專用性是實驗裝置設計的目標。該類電子電路實驗硬件平臺主要由示波器和信號源集成版、主體實驗板、多通道通信電路板組合而成，其中示波器和信號源集成版主要由示波器部分和信號源部分組合而成。信號源部分是基于可編程邏輯控制器件、程控增益原理、DDS(直接頻率數字合成技術)和高速D/A器件的任意波形發生器，示波器部分主要由高速存儲器芯片、高速A/D器件、可編程邏輯控制器件組合而成。主體實驗板負責實驗電路搭建，各實驗板均包含了四個由數量一定的數字式可變電阻、電容/感、二/三極管、運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控制電子開關連接一切電路元件，設置一切參數。多通道通信電路板集中完成主體實驗板、服務器系統、示波器和信號源集成板彼此間的數據通信。

虛擬實驗室實驗的完成過程：源于用戶的實驗參數、網絡表數據、信號源等實驗數據被簡析處理后，經通訊電路板把實驗參數和網絡表數據等向主體實驗板傳送→經主體實驗板搭接完畢實驗電路→把信號傳送給示波器和信號源集成板→經通信電路板向示波器和信號源集成板傳送信號源參數，進而獲取所需驅動信號、節點數據和節點測試波形→經通信電路板把其返給用戶(圖2)。

圖2 示波器正弦信號的設計

3.3 WEB任務調度機的調度策略

在基于WEB技術的電子電工實驗仿真系統內，WEB任務調度機的作用尤其突出，即完成實驗者請求的接收、把各實驗請求分配給WEB服務器、維持各WEB服務器負載的平衡狀態。WEB任務調度機是該系統的核心成分，其分配策略對該系統的整體性能起決定性的作用[5]。

研究證實，開放式系統互聯(OSI)模型對應的WEB任務調度機多把分配策略集中到數據鏈路層(L2)/網絡層(L3)/應用層(L7)，而最佳分配策略應具備全比重選擇、最少連接/最快響應最優、LARD/RR等特性[6]。為確保對各HTTP請求的響應更快更精準，WEB任務調度機的調度算法不能過于復雜，且能兼容于現行的WEB協議/標準。基于對上述要求的考慮，本文選擇了基于應用層的動/靜態調度算法，且嚴格按照HTTP1.1協議規程展開計算。WEB任務調度機的調度流程為：創建客戶端TCP連接→基于HTTP請求完成任務分類，以確保各任務均能對應最佳的WEB服務器。鑒于此，本文首先基于文件類型的不同就實驗者的請求作出調度，此乃基于請求內容的調度策略，亦屬靜態調度算法的一種，但處理操作硬件實驗裝置的命令應按“*.ps”文件類型展開，且注意各應用服務器負載請求的總和皆存有限度，請求總和一旦超出此限度，服務器會停止接收請求。

3.4 WEB發布

圖形化編程語言采用了Remote panel技術，待WEB服務器程序設計完畢，可經圖形化編程語言的WEB Publishing Tools把服務器程序嵌入HTML文件，并經圖形化編程語言的WEB Server發布至網絡，進而實現對瀏覽器的訪問[7]。若實驗者輸入HTML文件網絡路徑，則可支持實驗者在該計算機上調用WEB服務器程序內的虛擬儀器和設備，實現過程如下。

第一步：從虛擬實驗室調出待發布的虛擬儀器→單擊圖形化編程語言主菜單內的“Tools”子菜單→進入“Options”子菜單→選中“WEB server Configuration”選項→把待發的VI程序路徑輸入Root Directory(圖3)。

圖3 設計界面

第二步:單擊“Tools”菜單內的WEB Publishing Tools選項→設定有關參數→單擊“Save to Disk”選項，把HTML文件保存在磁盤內→單擊“保存”選項→獲取該HTML文件的網址→實驗者把HTML文件的網址輸入瀏覽器→實驗者可通過該計算機設定虛擬儀器的有關參數→遠程控制和遠程實驗完成(圖4)。

圖4 發布頁面

4 結束語

綜上所述，網絡技術的發展為現代遠程教學的實現提供了可能，但基于仿真軟件的電工電子實驗的實現卻遭遇諸多瓶頸。虛擬網絡實驗室是一種對立于傳統真實實驗室的實現形式，作為遠程教學的發展導向，屬于一種新型的教學模式，但實驗的安全性和實驗經費等問題急需解決。本文討論了基于WEB技術的電工電子實驗仿真系統。研究證實，該系統在圖形化編程語言的支持下，簡化了遠程虛擬實驗室的創建和維護等程序，且隨著網絡水平和仿真技術的快速發展，網絡虛擬實驗室將會得到更廣泛的應用。

[1]吳建平,駱正茂,熊邦國，等.基于校園網的電工電子實驗Web站點設計[J].職業技術教育,2008(2):51-52

[2]程楠楠.網上虛擬電工電子實驗運行系統的開發與研究[D].北京：北方工業大學研究生院,2007：6-49

[3]莊如平.虛擬電工電子實驗系統軟件平臺探論[J].安順學院學報,2008,10(2):80-82

[4]劉凱,胡仁杰.基于XML Web Service的新型C/S、B/S混合模式應用[J].計算機與現代化,2008(7):117-119

[5]李艷生,汪自云.基于遺傳算法的Web主題庫成長技術研究[J].湖北師范學院學報：自然科學版,2010,30(4):38-42

[6]張雪冬.開放實驗室預約及信息服務系統設計[D].北京：北京交通大學電子信息工程學院,2008：15-31

[7]林小芳.基于ODBC的ASP數據庫訪問技術[J].中國科技信息,2010(18):95-96

(責任編輯：汪材印)

2014-10-12

安徽省優秀青年人才基金項目“高職電子類專業實驗實訓網站開發研究”(2012SQRL274)。

孫長智(1977-)，安徽蒙城人，碩士，副教授，主要研究方向：電工電子、仿真實驗。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.12.022

TP393.09/N945.13

A

1673-2006(2014)12-0076-03