基于WEB的電工電子實驗系統(tǒng)設計與分析

楊蘭

（寶雞職業(yè)技術學院陜西寶雞721013）

基于WEB的電工電子實驗系統(tǒng)設計與分析

楊蘭

（寶雞職業(yè)技術學院陜西寶雞721013）

針對實現遠距離的教學及交流，通過B/S網絡模型作為基礎，以現代計算機網絡及數字電子技術作為前提，設計了基于Web的電工電子實驗系統(tǒng)，通過對基于Web技術的電工電子實驗系統(tǒng)系統(tǒng)進行仿真實驗，表示此系統(tǒng)使用方便，并且具有較高實用性，能夠通過任何瀏覽器的計算機使用網絡進行訪問，適用于遠程的教學及教育中。此系統(tǒng)自開通之后，已經成為學生電路知識及電子技術知識學習的重要途徑之一，具有良好的效果。

Web；電工電子；實驗系統(tǒng)；設計與分析

多媒體技術、網絡技術及電子技術的不斷發(fā)展為教育事業(yè)及科學研究體用了全新的發(fā)展環(huán)境，開發(fā)遠程教育實驗是促進現代技術的發(fā)展，通過Web界面能夠實現遠程實驗教育。用戶能夠通過標準Web瀏覽器登錄到遠程實驗室中，之后設置參數，以此能夠實現設備的控制，通過實驗得到數據和結果。這種實驗系統(tǒng)適應于沒有在校園中上課的學生，拓展了工科教學的環(huán)境，用戶的實驗設備共享是通過計算機網絡實現的，以此有效節(jié)約了資源的開銷。

1 基于Web的電工電子實驗系統(tǒng)的整體結構

圖1為基于Web的電工電子實驗系統(tǒng)的整體結構圖，系統(tǒng)的設計可以分為硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)兩部分。

圖1 基于Web的電工電子實驗系統(tǒng)的整體結構

通過圖1可以看出來，硬件系統(tǒng)主要包括:Web任務調度機為NT服務器，根據Web服務器自身的實際情況選擇合適的服務器，實驗的裝置主要為遠程實驗系統(tǒng)需要的各種原件及儀器設備，比如電阻、運算放大器、晶體管、電感器、電容、示波器及信號源等，通過模塊化將設備制作為實驗的專用裝置[1]。

電工電子實驗系統(tǒng)的主要目的就是連接硬件設備及服務器，傳統(tǒng)Web服務器的設備連接存在一系列的安全漏洞，容易導致服務器及系統(tǒng)出現受到攻擊，多以就要開發(fā)具有較強針對性的應用服務器。另外，由于計算機網絡用戶的不斷增多，Web服務器種類也在不斷增加，以此Web站點的要求就進一步的提高，那么基于Web的電工電子實驗系統(tǒng)中的Web服務器方式就要選擇分布集群式，使用高速局域網連接多臺獨立的Web服務器，將其作為一個整體系統(tǒng)提供性能及訪問服務[2]。

2 基于Web電工電子實驗系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)的硬件設計

基于Web電工電子實驗系統(tǒng)的硬件裝置主要由主板實驗板、信號源/示波器集成板及多通道信息電路板構成[3]。其中主板實驗板能夠創(chuàng)建實驗電路，通用模板中還包括各種原件，比如二極管、數字可變電阻、三極管等，通過單片機及智能接線使電路元件能夠和電子開關相互連接，之后對電路的參數進行設置。信號源/示波器集成板主要由兩部分組成，分別為信號源和示波器。前者通過可編程邏輯對器件進行控制，通過高速D/A器件創(chuàng)建任意波形發(fā)生器，通過程序進行控制。后者主要由可編程控制器件、A/D器件和高速存儲器芯片組成，使用電子開關連接采樣端口及數字示波器輸入部分，A/D實現數據采樣，在高速存儲芯片中儲存數據[4]。多通道信息電路板能夠使系統(tǒng)硬件平臺中器件收集的數據進行實時通信，現在一般使用可變波特率單通道串行方式實現數據通信。

實現實驗系統(tǒng)步驟為:在處理過信號源、用戶實驗數據及網絡表等數據之后，通訊電路板將實驗參數及網絡表數據傳送到實驗板中，之后通過實驗板創(chuàng)建試驗點路，將信號發(fā)送到示波器及信號源集成板中，通過通信電路板向示波器及信號源集成板發(fā)送源參數，以此能夠得到自身需求的節(jié)點測試波形、驅動信號等數據，通過信息電路板將得到的信息數據發(fā)送到用戶中[5]。

2.2 系統(tǒng)的軟件設計

基于Web的電工電子實驗系統(tǒng)中，Web任務調度機具有明顯的作用，其主要目的就是實現實驗人員的請求，并且將請求發(fā)送到Web服務其中，維護服務器的負載平衡。Web任務調度及是本文設計實驗系統(tǒng)的核心內容，其中的分配策略決定了系統(tǒng)的整體性能。相關研究表示，開放系統(tǒng)互聯模型對應的Web服務任務調度能夠在網絡層、鏈路層和應用層中集中分配策略，要求最佳的分配策略的連接較少，比重選擇較全、相應速度最快等特點。為了保證HTTP請求的響應速度較快并且精準，Web任務調度機的算法要簡單易懂，并且還要能夠兼容現行Web協議及標準[6]。針對上述需求，本文使用應用層動/靜的調度算法，通過HTTP協議計算。根據Web任務調度機的工作過程，本文通過文件的不同類型請求，實現實驗人員的調度，這屬于靜態(tài)調度算法，對操作實驗裝置的處理要根據“*.ps”文件類型實現，并且還要注意應用服務器負載請求的總體有效度，如果請求的總和超出了限度，那么服務器就會停止請求的接收[7]。圖3為應用層調度算法。

圖2 設計示波器正弦信號

圖3 應用層調度算法

2.3 基于Web服務器的數據通信

以實驗實驗系統(tǒng)的需求為基礎，創(chuàng)建多個應用服務器，最重要的一點就是要求應用服務器能夠連接實驗裝置，此方面通過專用Web服務器實現，比如對用戶實驗請求進行解析，對任務進行調度等。系統(tǒng)通過單通道串行數據通信，任務的調度使用先進后出實現，那么此方式較為簡單。相反通道數據通信是實驗硬件裝置和計算機相互連接的重要內容[8]。

在目前計算機網絡環(huán)境中，以C++為主的開發(fā)工具通過計算機串行端口和裝置實現數據交換，其是面向對象的設計程序，包括多種編程工具，代碼的編程效率較高，并且還具有和計算機系統(tǒng)的接口，以此能夠實現硬件的訪問。調用API函數，封裝串口及屬性設置，成為專用串口類，并且根據動態(tài)鏈接庫、非阻塞通信等計算機的相關技術實現[9]。因為實驗裝置具有較小的數據接收量，但是實驗結果具有較大的數量，那么在創(chuàng)建創(chuàng)建全新的輔助線程，后臺處于串口監(jiān)視狀態(tài)中，如果數據出現，相應的主線程就會啟動，從而能夠接受來自用戶的實驗參數，向實驗裝置發(fā)送用戶的實驗參數[10]。圖4為Web服務器數據通信。

圖4 Web服務器數據通信

文中將通信協議距離，根據系統(tǒng)的實際需求設置網絡表數據格式，代碼為:

根據相應的數據幀傳送方式，在傳送幀中添加協議域，從而實現所有串口協議的相互通信。數據幀的結構詳見表1，幀頭標志表示數據包在串口通信協議中，如果標準通過接收方接收，就能夠實現串口數據的接收和發(fā)送。相反，串口的數據就不能夠被處理。地址0和地址1為數據的通道，其能夠卻別硬件裝置板卡。數據校驗能夠對結構網表數據進行校驗，通過直接累加求和的方式對數據傳輸正確性進行檢驗[11]。

表1 數據幀的結構

2.4 系統(tǒng)其他技術設計

基于Web的電工電子實驗系統(tǒng)設計還包括以下技術:

1）設置數據安全訪問。設置安全數據訪問的主要目的是使網絡用戶的數據具有一定的安全性，因為系統(tǒng)的連接模式是固定的，綜合應用報警、檢測、跟蹤等多種安全技術，以此使系統(tǒng)中的各種數據信息足夠安全。系統(tǒng)人員也能夠根據實際情況拒絕IP地址的訪問，設置入侵機制，對日志進行分類管理[12]；

2）訪問數據庫。傳統(tǒng)Web服務器的功能只有文件訪問，但是絕大多數的應用系統(tǒng)的支撐都是通過數據庫實現的，小部分用戶通過ASP、GGI等服務器編程技術對數據庫進行訪問。因為服務器端具有多種因素，對其的測試困難，并且沒有良好的精準性和安全性，所以成為黑客的攻擊目標。通過開放式數據庫互聯中的結構化查詢語言結構，對應用服務端進行設置，從而直接在瀏覽器中實現數據庫的直接訪問[13]。

3 基于Web的電工電子實驗系統(tǒng)設計的仿真分析

3.1 系統(tǒng)仿真的結構

基于Web的電工電子實驗系統(tǒng)主要是以Web發(fā)布方式實現的，虛擬實驗室只需要開發(fā)人員設計服務器程序，Windows的網頁瀏覽器就是用戶端程序，從而支持用戶主要輸入網址就能夠通過虛擬實驗室實現實驗，詳見圖5。

圖5 系統(tǒng)仿真的網絡拓撲

虛擬仿真實驗室包括網絡交流、用戶管理、實驗報告提交、網絡實驗考試及虛擬實驗儀器等系統(tǒng)構成。仿真界面由圖像化編程語言構成，其主要包括程序框圖及前面板設計，其中的前面板與操作面板相同，用戶能夠通過工具模板實現輸入控制器及輸出指示器的增加。程序框圖保證虛擬儀器的功能能夠正常發(fā)揮，主要包括節(jié)點、數據端口的連線組成。

通過仿真實驗，系統(tǒng)能夠實現網絡交流、管理、實驗報告的提交、網絡實驗考試及虛擬實驗，學生能夠通過系統(tǒng)與教師進行交流和溝通，并且系統(tǒng)能夠自動生成實驗報告模板，實驗人員能夠根據實驗情況填寫實驗報告，將實驗報告進行提交，從而使教師能夠呈看并且批改。教師還能夠設計相應的實驗題目，學生能夠根據預習情況完成實驗，并且通過網絡中的仿真實驗，獲得此次的實驗數據及結果。

3.2 Web的發(fā)布

系統(tǒng)的圖像化編程語言使用Rp技術，在設計Web服務器程序之后，通過圖像化編程語言中的Publishing Tools將服務器程序嵌入到HTML文件中，并且通過圖像化編程語言的Server發(fā)布到網絡中，以此實現瀏覽器的訪問。如果實驗人員在輸入HTML文件網絡路徑之后，就能夠支持計算機Web服務程序中虛擬設備及儀器的調用[14]，實現過程為:

首先，將虛擬實驗室中的虛擬儀器調出；單擊圖像化編程語言中的Tools子菜單；進入到Options子菜單；選擇WEB server Configuration；將將要發(fā)出的VI程序路徑輸入到Root中。

之后，單擊Tool菜單中的Publishing Tools；設置相關參數；單擊Save to Disk，在磁盤中保存HTML文件；單擊保存；得到HTML文件網址；實驗人員將網址輸入到瀏覽器中；實驗人員通過計算機設置虛擬儀器相關參數；實現系統(tǒng)的遠程控制及實驗[15-16]。

4 結束語

計算機網絡的普及促進了現代遠程教育的不斷發(fā)展，有效解決電工電子專業(yè)教育過程中的實驗支持課程問題，是未來的主要研究內容。虛擬網絡實驗室創(chuàng)新了傳統(tǒng)教學手段，創(chuàng)建全新的教學模式，其是未來遠程教育發(fā)展的方向，并且還能夠有效解決學校實驗的經費問題及安全性問題。通過對本文設計系統(tǒng)的仿真實驗可以看出來，此系統(tǒng)使用方便，并且能夠在任何瀏覽器中通過網絡實現訪問。以此就能夠看出，現代遠程實驗系統(tǒng)在不斷的成熟，并且得到了廣泛的認可，在現代技術不斷提高的過程中，人性化并且功能完善的網絡實驗室會成為未來實驗教學的主流。

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Design and analysis of electrical and electronic experiment system based on WEB

YANG Lan
（Baoji Vocational Technology College，Baoji721013，China）

Aiming at the realization of teaching and communication distance，through the B/S network model as the foundation，is the premise of modern computer network and digital electronic technology，the design of electrical and electronic experiment system based on Web，the system of electrical and electronic experiment system of Web technology in simulation experiments based on this system is convenient to use，and has high practical that can be accessed through any browser computer network，suitable for teaching and education in the distance.Since the system opened，it has become one of the important ways for students to learn circuit knowledge and electronic technology knowledge，and has good effect.

Web；electrical and electronic；experimental system；design and analysis

TN99

A

1674-6236（2017）23-0035-04

2017-05-24稿件編號：201705148

楊蘭（1982—），女，陜西寶雞人，碩士，講師。研究方向：計算機應用及軟件開發(fā)。