一種B/S架構(gòu)的電工電子云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖 建，鄧薛強(qiáng)，薛 梅，郭宇鋒，劉芫健

一種B/S架構(gòu)的電工電子云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖 建1，鄧薛強(qiáng)2，薛 梅1，郭宇鋒1，劉芫健3

（1. 南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 深圳市鼎陽(yáng)科技有限公司，廣東 深圳 518101；3. 南京郵電大學(xué) 教務(wù)處，江蘇 南京 210023）

運(yùn)用智能化儀表控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器技術(shù)以及嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種B/S架構(gòu)的云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、遠(yuǎn)程可控電工電子實(shí)驗(yàn)箱、底層驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用軟件和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可通過(guò)廣域網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)獲取實(shí)際儀表界面和被測(cè)硬件對(duì)象的數(shù)據(jù)，可獲得比純軟件仿真的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)更為真實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中獲得較好的效果，具備一定應(yīng)用與推廣價(jià)值。

云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；B/S架構(gòu)；虛擬仿真；遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)

2012年3月，教育部在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》[1]中提出建設(shè)有中國(guó)特色的教育信息化體系，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)教育資源共享的信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，并提出建設(shè)學(xué)習(xí)型社會(huì)的信息化支撐服務(wù)體系。借助技術(shù)手段建設(shè)信息化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與條件成為實(shí)驗(yàn)建設(shè)工作的重要部分。作為實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充與強(qiáng)化，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以作為高成本、高危險(xiǎn)以及不易觀察等實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充[2-4]，也為理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)提供了方便。遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[5-7]的開(kāi)展，為學(xué)生提供不限時(shí)間和空間的實(shí)驗(yàn)資源訪問(wèn)權(quán)限，具有很大的靈活性，在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建設(shè)中，多個(gè)高校獲得了很多遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方面的建設(shè)成果[8-19]。

1 云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文所構(gòu)建的云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，整體目標(biāo)定位為虛實(shí)結(jié)合的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可通過(guò)廣域網(wǎng)提供校內(nèi)外學(xué)生隨時(shí)隨地訪問(wèn)與使用。

1.1 設(shè)計(jì)背景

本云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要分成2個(gè)模塊，一是純軟仿真模塊，即基于高性能服務(wù)器部署對(duì)運(yùn)行性能要求較高的仿真軟件，提供給學(xué)生遠(yuǎn)程使用；二是結(jié)合服務(wù)器、智能儀表和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)箱構(gòu)建的實(shí)物遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。模塊一是為了解決實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)老化、部分學(xué)生沒(méi)有個(gè)人計(jì)算機(jī)、專業(yè)軟件對(duì)運(yùn)行平臺(tái)的性能要求不斷提升的問(wèn)題，采用了瘦客戶機(jī)模式，學(xué)生只要具備上網(wǎng)條件，在低計(jì)算性能設(shè)備上，也可完成較為復(fù)雜的高性能要求的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。模塊二為遠(yuǎn)程實(shí)物的信息化實(shí)驗(yàn)方法，采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制方式，對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)獲取。以下重點(diǎn)介紹模塊二的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部分。

1.2 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架

如圖1所示，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為3個(gè)部分：一是深圳鼎陽(yáng)科技提供的電工電子智能化儀表套件，包括SDG2042X信號(hào)發(fā)生器、SDM3055數(shù)字萬(wàn)用表、SPD3302X-E穩(wěn)壓電源和SDS1102X數(shù)字示波器，都具備網(wǎng)絡(luò)測(cè)控接口，可遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)控制其工作方式和實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)；二是遠(yuǎn)程電工電子實(shí)驗(yàn)箱，由ARM內(nèi)核單片機(jī)主控、模擬電路模塊和FPGA數(shù)字電路模塊構(gòu)成，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)多種遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作；三是基于B/S架構(gòu)的服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、管理與界面呈現(xiàn)。

圖1 遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架

2 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

服務(wù)器端采用了基于Java技術(shù)的J2EE架構(gòu)，具備較好的伸縮性和擴(kuò)展性，易于開(kāi)發(fā)維護(hù)。

如圖2所示，Controller層實(shí)現(xiàn)與前端的MVC分發(fā)；DAO（data access object）層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)對(duì)象；業(yè)務(wù)邏輯部分實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)對(duì)象；Service層實(shí)現(xiàn)與業(yè)務(wù)邏輯的接口服務(wù)；驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)與智能儀器的遠(yuǎn)程控制層與數(shù)據(jù)交換。

圖2 服務(wù)器端技術(shù)分層架構(gòu)框圖

服務(wù)器端軟件實(shí)現(xiàn)用戶管理、資產(chǎn)管理、實(shí)驗(yàn)臺(tái)管理、實(shí)驗(yàn)管理、儀器控制、資料管理和安全驗(yàn)證幾大模塊，為遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展提供了高速穩(wěn)定的服務(wù)器平臺(tái)，其典型用戶界面如圖3所示。

圖3 典型用戶界面

云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的服務(wù)器端對(duì)使用者屏蔽了硬件細(xì)節(jié)，使用者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)、平板和手機(jī)等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的瀏覽器，訪問(wèn)服務(wù)器數(shù)據(jù)，獲得所需要的實(shí)驗(yàn)資料并完成實(shí)驗(yàn)。使用者包括教師和學(xué)生，實(shí)現(xiàn)從教師課件下達(dá)、學(xué)生預(yù)習(xí)、操作實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集、報(bào)告生成和教師批改等實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程。

3 遠(yuǎn)程電工電子實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程電工電子實(shí)驗(yàn)箱是基于ARM+FPGA結(jié)構(gòu)，主要包括電源模塊、通信模塊、電路控制模塊以及受控電路模塊。電源模塊采用了XL2576S降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓模塊、AMS1117-3.3和AMS1117-1.2穩(wěn)壓芯片，獲得實(shí)驗(yàn)箱所需的5 V、3.3 V和1.2 V的電壓，給整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓。

通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)箱與服務(wù)器之間的信息交互，采用RS232串口單元以及網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口單元，因?yàn)閿?shù)據(jù)量較小，采用了9600bit/s的低速波特率進(jìn)行通信。由于TTL和RS232接口工作電平不同，在串口和控制電路之間增加了ADM3202RN作為電平轉(zhuǎn)換器，隔離串口與單片機(jī)和FPGA接口，以保護(hù)電路，防止高電壓損壞相關(guān)器件。

受控電路模塊是整個(gè)實(shí)驗(yàn)箱的核心，其主要器件由STM32F103主控單片機(jī)和FPGA構(gòu)成。STM32F103是32位Cortex-M3內(nèi)核CPU，最高工作頻率為72 MHz；FPGA則采用了Xilinx Spartan-XC3S50，作為可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字實(shí)驗(yàn)電路部分。由STM32F103通過(guò)串口接收由通信模塊傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并應(yīng)答，然后控制FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路部分重構(gòu)，或者控制模擬電路繼電器，實(shí)現(xiàn)模擬電路部分的重構(gòu)。

圖4為遠(yuǎn)程電工電子實(shí)驗(yàn)箱印刷電路板截圖。

圖4 遠(yuǎn)程電工電子實(shí)驗(yàn)箱印刷電路板截圖

4 教學(xué)應(yīng)用

基于本文云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)典型流程如圖5所示。首先由指導(dǎo)教師下達(dá)實(shí)驗(yàn)任務(wù)與預(yù)習(xí)要求，學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，通過(guò)計(jì)算或者M(jìn)ultisim等仿真軟件獲得實(shí)驗(yàn)理論結(jié)果，提交預(yù)習(xí)報(bào)告；獲得指導(dǎo)教師批準(zhǔn)，方可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)課程；按照頁(yè)面提示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完成實(shí)驗(yàn)步驟，獲得遠(yuǎn)程儀表、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)箱返回的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在網(wǎng)頁(yè)上即可實(shí)現(xiàn)儀表截圖、數(shù)據(jù)表格導(dǎo)出，通過(guò)填寫(xiě)電子報(bào)告模版完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告；報(bào)告提交后，教師完成電子報(bào)告批改，從而完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程。

以RLC串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生預(yù)習(xí)報(bào)告中應(yīng)完成仿真計(jì)算，獲得理論結(jié)果，如圖6所示。

圖5 云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)典型實(shí)驗(yàn)流程

通過(guò)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用逐點(diǎn)法測(cè)量不同輸入頻率情況下RLC串聯(lián)電路的輸入輸出電壓比，即遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)數(shù)字信號(hào)源輸出不同頻率、有效值不變的正弦信號(hào)，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量輸出端（需要通過(guò)ARM主控芯片控制繼電器實(shí)現(xiàn)測(cè)量端口切換）信號(hào)有效值，從而計(jì)算出輸出信號(hào)相對(duì)于輸入信號(hào)的電壓比值，獲得如表1所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（R為電阻兩端電壓，為輸入信號(hào)頻率），并與理論結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所有遠(yuǎn)程智能儀表的數(shù)字化面板都顯示在學(xué)生端顯示設(shè)備上，較為直觀、清晰，且可截圖復(fù)制到電子報(bào)告中；所測(cè)量的數(shù)據(jù)也無(wú)需通過(guò)實(shí)物示波器屏幕讀取，極大地提高了實(shí)驗(yàn)效率。采用遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的方法，獲得的RLC串聯(lián)電路幅頻特性實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示，對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線如圖7所示。

圖6 RLC串聯(lián)諧振電路軟件仿真結(jié)果

表1 逐點(diǎn)法遠(yuǎn)程測(cè)量RLC電路的幅頻特性測(cè)量數(shù)據(jù)

圖7 逐點(diǎn)法遠(yuǎn)程測(cè)量RLC電路的幅頻特性曲線

本文構(gòu)建的云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)在我校國(guó)家級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、國(guó)家級(jí)信息電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心應(yīng)用2年，可完成電工電子模擬類實(shí)驗(yàn)5個(gè)、數(shù)字類實(shí)驗(yàn)20余個(gè)，為學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)提供方便。

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用智能化儀表控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了全套B/S架構(gòu)的云實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、遠(yuǎn)程可控電工電子實(shí)驗(yàn)箱、底層驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用軟件和20多個(gè)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，編寫(xiě)了相關(guān)講義，在教學(xué)中獲得比較好的效果。作為實(shí)際操作的有益補(bǔ)充，學(xué)生通過(guò)多種顯示終端，即可通過(guò)瀏覽器遠(yuǎn)程獲取實(shí)際儀表界面和實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)據(jù)，在提高設(shè)備利用率、提升實(shí)驗(yàn)效果方面本系統(tǒng)很有應(yīng)用價(jià)值，并具備一定推廣價(jià)值。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還在不斷豐富與擴(kuò)展中。

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·字義辨析· 粘與黏國(guó)家語(yǔ)言文字工作委員會(huì)和中華人民共和國(guó)新聞出版暑于1988年3月25日《關(guān)于發(fā)布〈現(xiàn)代漢語(yǔ)通用字表〉的聯(lián)合通知》中恢復(fù)使用“黏(nián)”字，在表達(dá)“黏”的概念時(shí)，恢復(fù)使用“黏”字，如：黏膜、黏液、黏度系數(shù)、黏性等；在表達(dá)“粘（zhān）”的概念時(shí)，使用“粘”字，如：粘貼等?！秾?shí)驗(yàn)技術(shù)與管理》編輯部編錄

Design and realization of electrical and electronic cloud experimental system based on B/S architecture

XIAO Jian1, DENG Xueqiang2, XUE Mei1, GUO Yufeng1, LIU Yuanjian3

(1. College of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China; 2. Siglent Technologies, Shenzhen 518101, China; 3. Teaching Affairs Department, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

Based on intelligent instrument control technology, network server technology and embedded technology, a B/S-based cloud experiment system is designed and realized, which includes the network server, remote controllable electrical and electronic experiment box, bottom driver, application software and experiment content. This system can acquire real-time reality remotely through WAN. The instrument interface and the data of the tested hardware object can obtain more real and accurate experimental results than the remote experiment of pure software simulation, which has better effect in practical teaching application and has certain application and popularization value.

cloud experimental system; B/S architecture; virtual simulation; remote

TN710-33; TP391.9

A

1002-4956(2019)12-0094-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.022

2019-04-03

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61874059）；江蘇省高等教育教改研究課題（2017JSJG531）；江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”資助；南京郵電大學(xué)實(shí)驗(yàn)室工作研究課題（2016XSG01）

肖建（1976—），男，江蘇金壇，博士，副教授，副院長(zhǎng)，國(guó)家級(jí)電子科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心副主任，主要從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方面的研究。E-mail: xiaoj@njupt.edu.cn