基于虛實(shí)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)

摘 要：文章主要介紹了將虛擬實(shí)驗(yàn)室與實(shí)物實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。首先分別闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)室和實(shí)物實(shí)驗(yàn)室兩種實(shí)驗(yàn)室所具有的特點(diǎn)，并將兩類實(shí)驗(yàn)室做了一定的對比。之后提出基于虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的概念。最后就網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室中的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)各個環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳盡的分析，并總結(jié)了虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室這一科學(xué)技術(shù)的發(fā)展前景等。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室；電工電子實(shí)驗(yàn)；模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：TP391.9

網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室又被簡稱為iLab，是科學(xué)技術(shù)與信息網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的產(chǎn)物，是一種依靠因特網(wǎng)的信息傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)信息互換的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。主要是結(jié)合了計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及遠(yuǎn)程控制，以此實(shí)現(xiàn)使用的用戶能夠通過遠(yuǎn)程登入操作系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室相比較，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室具有更好的資源共享性，具有不受時間地點(diǎn)的約束，能夠?qū)υO(shè)備高效利用等等一系列的優(yōu)點(diǎn)。是能夠緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)中日益增加的需求的一種有效解決方案。

1 虛實(shí)兩類實(shí)驗(yàn)室的特點(diǎn)分析

就目前情況來說，網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的研究主要分為兩個類別。一是實(shí)物網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，是以遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和控制方案為基礎(chǔ)的一類網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室；另一類是虛擬實(shí)驗(yàn)室，主要是以計(jì)算機(jī)仿真等等技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。

1.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)分析

虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際上就是指基于Virtual Reality虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的教學(xué)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化以及虛擬化。結(jié)合了計(jì)算機(jī)具有的圖形處理技術(shù)以及設(shè)備控制，能夠在計(jì)算機(jī)上展現(xiàn)出一個虛擬環(huán)境。學(xué)生能夠子啊這一個實(shí)驗(yàn)平臺上自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，具體的實(shí)驗(yàn)操作以及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)中，客戶端以及服務(wù)器之間是通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。用戶通過網(wǎng)頁登錄虛擬實(shí)驗(yàn)室，即可進(jìn)入一個虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。由于虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室在主體上的設(shè)計(jì)是純軟件性的，所以同時能夠具備實(shí)驗(yàn)啟動的速度較快以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠即使反饋等特點(diǎn)。

1.2 實(shí)物網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)分析

實(shí)物網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室保留了現(xiàn)實(shí)中真實(shí)的實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備，并通過多媒體、數(shù)據(jù)采集以及遠(yuǎn)程控制等技術(shù)將其與互聯(lián)網(wǎng)很好的結(jié)合在一起，將實(shí)驗(yàn)場景從現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向用戶。使得用戶能夠通過電腦進(jìn)行實(shí)物網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，遠(yuǎn)程操控實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并能夠通過網(wǎng)絡(luò)反饋實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)和結(jié)果。與虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)，實(shí)物網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室更加適合用于遠(yuǎn)程控制一些高端的精密的實(shí)驗(yàn)儀器和一些較難進(jìn)行虛擬化的實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備。

2 基于虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)

虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室是指將虛擬仿真以及實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合的一種電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，可簡稱為LEE-Lab。使用此項(xiàng)技術(shù)的用戶能夠通過Web遠(yuǎn)程登錄指定的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并能夠進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)，不會受到任何時間以及地點(diǎn)的限制。當(dāng)用戶在使用此平臺時，不僅能夠選擇進(jìn)行某一項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，并獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還可以選擇進(jìn)行同一實(shí)驗(yàn)的實(shí)物的實(shí)驗(yàn)，能夠獲得通過硬件實(shí)驗(yàn)而得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)。虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室主要包括了客戶端、服務(wù)器端以及實(shí)驗(yàn)端三大部分。下面就從這幾個方面的設(shè)計(jì)理念和原理等做詳細(xì)的闡述。

2.1 客戶端

電工電子實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室采用了瀏覽器/服務(wù)器的架構(gòu)，是通過將實(shí)驗(yàn)場景的插件內(nèi)嵌入瀏覽器中，登錄即可進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。這樣的瀏覽器客戶端具有的通用性極高，并不需要用戶事先對客戶端的APP進(jìn)行下載，只需要安裝了基于IE等的瀏覽器既可以通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行登錄。對實(shí)驗(yàn)室場景的插件在登錄是從服務(wù)器進(jìn)行下載即可使用。

2.2 服務(wù)器端

服務(wù)器端用于將客戶端以及實(shí)驗(yàn)端之間進(jìn)行連接，包括Web服務(wù)器、應(yīng)用的服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器還有視頻服務(wù)器這四個部分。這四臺服務(wù)器是處在統(tǒng)一高速局域網(wǎng)當(dāng)中的，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的實(shí)時性以及穩(wěn)定性。

（1）Web服務(wù)器?？梢允褂玫腤eb服務(wù)器例如Tomcat，其具有的特點(diǎn)是技術(shù)先進(jìn)、性能較穩(wěn)定，且在運(yùn)行時占的系統(tǒng)資源較少，適合用于電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的Web服務(wù)器。

（2）應(yīng)用服務(wù)器。此類服務(wù)器主要用于監(jiān)聽用戶的連接以及請求等。應(yīng)用服務(wù)器包括了虛擬調(diào)度模塊以及實(shí)物的實(shí)驗(yàn)服務(wù)兩個模塊。分別能夠起到的作用是能夠相應(yīng)用戶發(fā)送的虛擬實(shí)驗(yàn)的請求以及實(shí)物的實(shí)驗(yàn)請求。

（3）數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器。適合作為電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要是MySQL，這是一個開放源代碼的關(guān)聯(lián)式的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，由于MySQL具有體積較小、速度較快且成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在互聯(lián)網(wǎng)的小型網(wǎng)站中都得到了廣泛的應(yīng)用。電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用MySQL能夠用來記錄用戶登陸的信息以及實(shí)驗(yàn)完成后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲和管理。

（4）視頻服務(wù)器。視頻服務(wù)器采用了嵌入式的視頻服務(wù)器設(shè)計(jì)方案，上電后就能夠穩(wěn)定的進(jìn)行工作，并不需要進(jìn)行編程。使用電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的用戶能夠通過網(wǎng)頁的直接連接，通過視頻來對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察和分析。

2.3 實(shí)驗(yàn)端

電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)端包括兩個部分，分別是虛擬仿真以及實(shí)物實(shí)驗(yàn)，以此能夠?qū)崿F(xiàn)分別對某項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真的計(jì)算以及實(shí)物的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行這兩部分的工作。其中虛擬仿真端是由分布式的一組計(jì)算集群構(gòu)成的，每個節(jié)點(diǎn)都能夠運(yùn)行一個監(jiān)控程序，并承擔(dān)起應(yīng)用服務(wù)器中的虛擬調(diào)度的模塊所分配給的仿真計(jì)算的任務(wù)。實(shí)物的實(shí)驗(yàn)端主要是包括了實(shí)驗(yàn)板、實(shí)驗(yàn)的儀器以及數(shù)據(jù)的采集卡還有工控機(jī)和攝像頭這五個部分。實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果是由實(shí)驗(yàn)板產(chǎn)生的，并通過實(shí)驗(yàn)的儀器以及數(shù)據(jù)采集卡的采集傳送至工控機(jī)，然后由工控機(jī)的控制程序?qū)⑦@種數(shù)據(jù)反饋到服務(wù)器上。

3 基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的模電實(shí)驗(yàn)

3.1 數(shù)據(jù)的通信方式

在基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的模電實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)可以采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言的數(shù)據(jù)交換格式以及對場景的描述方式。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對電子文件進(jìn)行標(biāo)記并使其具有了結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記言語，這一方案可以用作對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記以及定義數(shù)據(jù)的類型的方式。并且能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中存在的數(shù)據(jù)交換以及表示進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?。使得代碼、數(shù)據(jù)以及表示能夠分隔開來。概括來說XML具有簡單性，可重用性，可擴(kuò)展性等等許多的特點(diǎn)。由于電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程是十分繁復(fù)的，且涉及到的領(lǐng)域很廣，于是就需要采用粘合性較強(qiáng)的通用的一種通信方式來連接各個模塊之間所要進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換。結(jié)合XML所具有的許多特點(diǎn)，可以選用XML作為各模塊間數(shù)據(jù)的通信方式。

3.2 客戶端的設(shè)計(jì)

由于Adobe Flex瀏覽器插件技術(shù)是可以進(jìn)行移植的、可重用的、可以進(jìn)行調(diào)整且靈活多變，可以采用Adobe Flex的瀏覽器播放器插件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)場景設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的進(jìn)行動態(tài)交互。設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)先設(shè)計(jì)出獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)場景的界面，然后將其編譯成Flash插件，這樣能夠使用戶只需要進(jìn)行一次下載就可以獲取到實(shí)驗(yàn)場景，不需要多次進(jìn)行下載。該實(shí)驗(yàn)操作界面應(yīng)當(dāng)主要由三個部分組成：實(shí)驗(yàn)工具欄、實(shí)驗(yàn)器件列表、操作界面。在實(shí)驗(yàn)場景界面中，實(shí)驗(yàn)所需的元器件可以將其放置在器件列表以及操作面板這兩個模塊中。

3.3 虛擬仿真端的設(shè)計(jì)

仿真語言可以采用Modelica作為基礎(chǔ)的建模語言。Modelica是新型的、面向大型復(fù)雜異構(gòu)的物理系統(tǒng)對象的建模語言。[1]基于虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室具有極強(qiáng)的跨學(xué)科性，所以Modelica能夠支持多領(lǐng)域進(jìn)行統(tǒng)一建模這一特性，很好的符合了設(shè)計(jì)的需求。就從模電實(shí)驗(yàn)角度來說，Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫中包含了電阻、電源、運(yùn)算放大器等等常用的元器件模型，開發(fā)人員能夠直接從標(biāo)準(zhǔn)庫中調(diào)用模型來進(jìn)行模擬電路的系統(tǒng)性建模。

電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的虛擬仿真端是由虛擬的實(shí)驗(yàn)計(jì)算調(diào)度的模塊以及計(jì)算節(jié)點(diǎn)這兩大部分組成。虛擬實(shí)驗(yàn)的計(jì)算調(diào)度的模塊屬于電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用服務(wù)器，主要是負(fù)責(zé)對客戶端傳入的實(shí)驗(yàn)場景的文件進(jìn)行接受，并能夠根據(jù)當(dāng)前的計(jì)算集群中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)所具有的負(fù)載，將需要執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行有效分配給較為空閑的一些計(jì)算節(jié)點(diǎn)，能夠有效的提高工作效率。計(jì)算節(jié)點(diǎn)是指已經(jīng)安裝Open Modelica的仿真環(huán)境，其任務(wù)主要是能夠承擔(dān)起由計(jì)算調(diào)度模塊分配而來的任務(wù)。

3.4 實(shí)物實(shí)驗(yàn)端的設(shè)計(jì)

這里就模擬電子技術(shù)的實(shí)物實(shí)驗(yàn)端的設(shè)計(jì)框架作一個大致的描述。在對LEE-Lab進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，所涉及的各個學(xué)科的實(shí)物實(shí)驗(yàn)端對其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都是大致相同的，主要包含了三個部分：實(shí)驗(yàn)?zāi)K、數(shù)據(jù)采集的模塊以及控制端。這里就以模擬電路的實(shí)驗(yàn)作為例子，簡述其硬件結(jié)構(gòu)的大致框架。

實(shí)驗(yàn)?zāi)K即指實(shí)驗(yàn)電路板，是由I/O型擴(kuò)展芯片8255A以及繼電器還有具體的實(shí)驗(yàn)電路三大模塊組成，其中包含了模電技術(shù)基礎(chǔ)中的共射極放大電路以及同相比例的放大電路等等基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)電路。數(shù)據(jù)采集的模塊首要任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，采用了多功能的數(shù)據(jù)采集卡例如PCL-812，可以通過ISA插槽進(jìn)行安裝。控制端實(shí)際上指的就是已經(jīng)安裝到工控機(jī)上面的C++語言匯編的控制程序，可以通過接口函數(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集卡的調(diào)用，以此就能夠?qū)崿F(xiàn)控制端與實(shí)驗(yàn)板之間數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié)束語

總的來說，基于虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室不僅是通過將虛擬實(shí)驗(yàn)室以及實(shí)物實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合的綜合性的設(shè)計(jì)方案，有效的整合了系統(tǒng)的軟硬件資源，還簡化了系統(tǒng)低層的傳輸協(xié)議，整體上實(shí)現(xiàn)了操作的便捷化、響應(yīng)更加快速，演示過程更加逼真的這樣一種遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)控制技術(shù)。和其他的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行比較，虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室具有一定的超前性，不僅在功能上十分的實(shí)用，在用戶的操作以及實(shí)驗(yàn)效果兩方面也十分優(yōu)秀。雖然該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，缺點(diǎn)也是必然存在的。所以，在將來的研究過程中，應(yīng)該及時提出缺點(diǎn)不足和存在的問題，并及時進(jìn)行分析，提出解決方案。只有這樣才能設(shè)計(jì)出一個更加完善的基于虛實(shí)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張守恒.虛實(shí)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室服務(wù)端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].浙江大學(xué)，2013.

作者簡介：吳毅君（1983.11-），女，福建福州人，助教，工程碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

作者單位：福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007