网络虚拟电子实验室的设计与实现

网络虚拟电子实验室的设计与实现

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陈　安

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(广东工业大学实验教学部,广州　510006)

摘要:文章以网络虚拟电子实验室的构建为例,讨论了虚拟实验室的建模方法、网络架构以及虚拟实验设计方法等关键技术;提出了构建网络电子实验室的技术方案,对网络虚拟实验室的创建有一定的指导意义。关　键　词:虚拟实验室;虚拟控件;SP I CE 电路仿真程序中图分类号:TP39119;G424131 文献标识码:B 文章编号:1672-4550(2007)06-0045-04

Desi gn and I mple ment ati on of W eb -based

Vi rtual Electron i c Laboratory

CHE N An

(Depart m ent of Experi m ent Teaching,Guangdong University of Technol ogy,Guangzhou 510006,China )

Abstract:This thesis discusses the constructi on of web -based virtual electr onic laborat ory,f ocusing on modeling methods,net w ork infrastructure and design method,brings for ward the technical sche me of constructing the web -based virtual electr onic laborat ory,and bears s ome significance f or the constructi on of the web -based virtual e -labs .Key words:virtual laborat ory;virtual contr ol;SP I CE

1　引　言

目前,国内各高校的电工电子实验教学,大都存在着实验形式、内容、要求与实验设备、器材、场地、经费保障间的矛盾。实验保障条件的制约在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。因此,开发研制网络虚拟实验室对缓解实验仪器设备不足,进一步提升学生创新能力和实践能力培养的力度,降低实验教学对客观物质条件的依赖有着积极的促进作用。并且,基于网络的虚拟实验比传统实验更为灵活多样,是实验教学技术的发展方向。本文将针对电子实验课程,探讨网络虚拟电子实验室的创建过程及方法。

2　网络虚拟实验室的结构设计

211　虚拟实验室网络结构设计

整个网络虚拟实验室系统采用基于W eb 的三

层结构技术实现,其网络结构如图1所示。第1层为客户端程序即用户界面程序,它通过使用中间层部件提供的业务服务来实现其功能,本身不进行任何业务数据处理,故客户端配置很简单,

客户利用

图1　网络结构图

浏览器完成操作;第2层是中间层,即应用服务层,包括许多提供各种服务的独立的中间层部件,对数据库访问均采用对象嵌入引擎的方法,避免了使用ODBC 需要设置的不便;第3层是数据服务层,系统采用MS S QL Server 作为数据库服务器。在基于W eb 的3层结构中,系统管理员只需要对应用服务器和W eb 服务器进行维护,而在客户端实现了零维护,提高了工作效率。212　虚拟实验室系统组成结构设计

系统主要由虚拟中心、交流中心、资料中心、

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54・第5卷　第6期实验科学与技术

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33收稿日期:2007-06-09作者简介:陈　安(1979-),男,助教,硕士研究生,主要研究方向:智能控制技术与应用。

下载中心4个板块构成,系统结构图如图2所示。

电工电子网上实验室

虚拟中心仪器介绍虚拟实验实验报告自学自测

交流中心

在线答疑

网上论坛

问答集锦

资料中心

实验指导

电子手册

其他资料

自学自测

下载中心图2　系统组成结构图

虚拟中心是整个虚拟实验室的核心,它由仪器介绍、虚拟实验、实验报告、自学自测4个部分组成。其中虚拟实验是在网上做实验的场所,主要由3部分实验内容组成:基本电路实验、模拟电路实验、数字电路实验,此外还有一个开放性的综合实验平台,可以根据需要自主进行各种电路与电子技术实验,如图3所示。每一个典型实验的结构又包括4个部分:实验目的、实验原理、实验步骤、仿真实验平台。其中实验仿真平台就是一个虚拟电子实验室,用户在此环境下可完成实验的过程,而实验结果通过实时仿真得到。

虚拟实验

基本电路实验直流电路

交流电路

动态电路模拟电路实验

放大电路

振荡电路

电源电路

数字电路实验

触发电路

组合电路

时序电路

开放实验平台图3　虚拟实验组成结构图

3　网络虚拟仿真实验平台的建立

311　实验仿真平台的工作过程

网络虚拟仿真平台包括虚拟实验环境(图像模型)和计算机仿真模块(数学模型),作为人机交换界面的虚拟实验环境表现为一个电路图形编辑器,在此环境下,提供了各种具有逼真外形的虚拟元件和虚拟仪器,使用者用鼠标自由拖曳器件连接电路,就像在真实电路板上搭接电路一样方便。网络虚拟仿真平台上的实验过程如图4所示。

可视化映射是一个双向系统,一方面将图形在

图4　系统仿真实验过程模型

屏幕上的表现形式映射成系统仿真所需的数据格式,另一方面把系统仿真计算产生的数字信息转变为直观的、以图像或图形信息表示的随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在用户面前。计算仿真模块(系统仿真器)作为系统的核心模块完成电路的科学计算。

312　计算机仿真模块的设计

电路仿真软件很多,如加拿大I nteractive I m age Technol ogies公司的Electr onicsWorkbench软件,美国M icr osi m公司的Ps p ice系列软件,美国Anal ogy 公司的Saber软件等,这些都是比较优秀的电路仿真软件。但这些软件都是对原理电路的仿真,而且软件不具有开放性,仿真只能在这些软件本身的环境下实现,无法在多媒体环境下进行,从而无法实现仿真技术与多媒体技术的有机结合。这些软件都是以电路仿真程序SP I CE(Si m ulati on Pr ogra m W ith I ntergrated Circuit E mphasis)为核心的。SP I CE是由美国加州大学伯莱克分校研制的,被公认为电路仿真中最优秀的程序,而且其源代码已公开,便于进行二次开发,因此,可以以SP I CE作为电路仿真的核心开发工具,实现系统仿真模块。

以模拟电路的计算机仿真模块开发为例,我们在通用电路仿真软件SP I CE3f5源程序的基础上,进行必要的改造和扩展,将其实质计算模块作为模拟电路的仿真内核,并将其移植到多媒体虚拟环境中,其电路仿真过程模型及流程图如图5和图6所示。用户首先在逼真的“虚拟场景”中,利用各种“虚拟元器件”任意搭接电子线路,并由电路转换接口程序将其转换为SP I CE能够识别的电路描述语言,经过SP I CE实时仿真的分析结果输入到“虚拟仪器”控件,给出图形化的显示。其中由于SP I CE3f5的输入输出均是一定格式的文本文件,为了调用方便分别将其输入输出改造为AP I接口的入口和出口参数,这样使数据只在程序接口之间传递,而不必进行磁盘文件操作,加快了仿真速度,也增强了网络的安全性。如果仿真中遇到错误, SP I CE3f5也会将它输出到err文件中。

由于SP I CE3f5是用电路描述文件来描述电路,而多媒体仿真环境下采用图形方式描述电路,因此

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・实验科学与技术2007年12月