基于虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用型大學(xué)生化實驗系統(tǒng)設(shè)計

牛麗偉

（錦州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)療學(xué)院，遼寧 錦州）

引言

目前，存在部分高校雖然應(yīng)用生化類型的實驗室及管控系統(tǒng)，但其達不到預(yù)期的教學(xué)效果[1-2]?；诖?，本次研究提出了一種基于虛擬仿真的應(yīng)用型大學(xué)生化實驗管理系統(tǒng)設(shè)計。將虛擬仿真技術(shù)(Virtual Reality)與應(yīng)用型大學(xué)生化實驗管理系統(tǒng)的相結(jié)合，可在一定程度上擴大實際的管控范圍，逐步形成一個更加靈活、多變的管理結(jié)構(gòu)[3]。希望可通過本次研究，增強學(xué)生對生化教學(xué)信息和定向資源的利用率，為后續(xù)應(yīng)用關(guān)聯(lián)及生化實驗轉(zhuǎn)換奠定基礎(chǔ)。

1 設(shè)計應(yīng)用型大學(xué)生化實驗虛擬仿真系統(tǒng)硬件

1.1 識別讀寫器設(shè)計

基于實際生化實驗的系統(tǒng)需求進行讀寫器的設(shè)計[4]，其具體如圖1 所示。

圖1 HF RFID 嵌入式讀寫器關(guān)聯(lián)

根據(jù)圖1，完成對HF RFID 嵌入式讀寫器的關(guān)聯(lián)與設(shè)定。在電路中增設(shè)一個ARM7 型號的控制芯片，將讀寫器與芯片搭接，形成一個覆蓋性的讀寫范圍，然后寫入具體的生化實驗初始管理命令及任務(wù)，使其由ARM7 芯片篩選下達，啟動所屬區(qū)域的射頻前端裝置，設(shè)置工作頻率為128.55 HZ，發(fā)射功率比為5.2[5]。當信號發(fā)出時，通過天線形成有效的讀寫服務(wù)區(qū)，此時將標簽中的數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入內(nèi)置的讀寫硬件中，主要包含分類信息、數(shù)據(jù)和控制信息兩種，設(shè)置ADC 轉(zhuǎn)換器進行錯誤校驗處理，接入ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)，形成多層級、多目標的硬讀寫器硬件控制結(jié)構(gòu)，完成對系統(tǒng)基礎(chǔ)硬件環(huán)境的構(gòu)建。

1.2 射頻前端模塊電路設(shè)計

結(jié)合當前系統(tǒng)的設(shè)計需求及標準，對初始的前端電路進行處理和優(yōu)化調(diào)整。以射頻收發(fā)芯片控制為核心，設(shè)置電路的執(zhí)行參數(shù)及信息如表1 所示。

根據(jù)表1，結(jié)合實際的電路設(shè)置方向和標準，進行電路零中頻硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)置，為避免自阻塞直流的干擾，設(shè)置電路的抑制比，在小型的控制電路中增設(shè)一個DRM 濾波器替換電容，同時與振蕩器、鎖相環(huán)相關(guān)聯(lián)，使其形成更為可控的R1000 外圍發(fā)射前端電路。

1.3 CMU 控制板設(shè)計

將初始的CMU 控制板接入上述構(gòu)建的射頻前端模塊電路中，并與小型的控制電路呈現(xiàn)出串聯(lián)的關(guān)系。在小型電路中的模組上配套設(shè)置一個單元控制板CMU，設(shè)置電芯的數(shù)量為6 個，采用FPC 軟排線將控制板與設(shè)置的識別讀寫器進行搭接和關(guān)聯(lián)。測定計算出CMU 控制板的供電單元值，其計算如式(1)所示：

式中：A 表示CMU 控制板的供電單元值；γ 表示單元覆蓋范圍；R 表示轉(zhuǎn)換比；n 表示芯片的工作頻率；?表示均衡偏差。為確保應(yīng)用型大學(xué)生化實驗管控系統(tǒng)的功能安全等級，在運行穩(wěn)定的狀態(tài)下，設(shè)置8節(jié)的應(yīng)用控制電芯，電壓控制在3.5 V～5.5 V 之間為最佳，模組總電壓為35 V 到42.5 V。在電路的外側(cè)接入NPN 三極管，對關(guān)聯(lián)元件進行降壓處理，將設(shè)置的電路劃分為采集電路、通信電路、供電電路和總控電路四種，采用PCB 的布局管控方式，完成初始硬件的搭接與關(guān)聯(lián)。

2 設(shè)計應(yīng)用型大學(xué)生化實驗管理虛擬仿真系統(tǒng)軟件

2.1 虛擬仿真生化實驗管理指令集群設(shè)計

首先，在初始化的管控結(jié)構(gòu)中增設(shè)管理標簽，采集關(guān)聯(lián)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和信息，通過閱讀器讀取識別數(shù)據(jù)信息的種類，將每一組信息數(shù)據(jù)進行格式的轉(zhuǎn)化，形成數(shù)據(jù)包的格式。

其次，將同種類的數(shù)據(jù)包進行指令導(dǎo)入，并進行編碼設(shè)計，遵循唯一性和統(tǒng)一性，在指令設(shè)計中增設(shè)交流和共享的輔助指令，以最大程度上減少指令的轉(zhuǎn)換差錯率，以此來提高系統(tǒng)對于日常任務(wù)管控效果。對系統(tǒng)指令建立標簽，設(shè)置EPC96 位的編碼。結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，對指令的初始控制指標及參數(shù)進行設(shè)置，如表2 所示。

表2 虛擬仿真指令初始控制指標及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)表2，實現(xiàn)對虛擬仿真指令初始控制指標及參數(shù)設(shè)置，接下來，綜合當前的實驗管理需求，將所屬設(shè)計的指令按照實際的種類進行劃分和集成處理，形成循環(huán)性的集成指令群體，構(gòu)建為指令集群。

2.2 多層級虛擬仿真生化實驗管理功能模塊設(shè)計

完成對虛擬仿真生化實驗管理指令集群的設(shè)計后，基于虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建多層級生化實驗管理功能模塊。本次研究結(jié)合生化實驗室的管控需求，采用主流的B/S 架構(gòu)設(shè)計，融合ASP 的管控方式，在虛擬仿真技術(shù)的輔助和支持下，先進行基礎(chǔ)性功能模塊的設(shè)計，如圖2 所示。

圖2 多層級虛擬仿真生化實驗基礎(chǔ)管理功能模塊

根據(jù)圖2，完成對多層級虛擬仿真生化實驗基礎(chǔ)管理功能模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析。在基礎(chǔ)性模塊的控制程序之中，建立內(nèi)置的管控體系，進一步深化管理的質(zhì)量和效率，建立虛擬仿真的功能單元，在軟件結(jié)構(gòu)中形成多層級的管理可變程序，與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，設(shè)置可視化的透明實驗管理體系，如圖3 所示。

圖3 虛擬仿真下可視化實驗管理體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3，完成對虛擬仿真下可視化實驗管理體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計與實踐應(yīng)用。

2.3 虛擬仿真實驗自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，進行自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增設(shè)一個自適應(yīng)的篩選程序，使其可通過登錄密碼使用自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫。在系統(tǒng)對實驗管理任務(wù)進行處理的過程中，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)和信息，部分是存在可應(yīng)用價值的，所以，將數(shù)據(jù)信息以數(shù)據(jù)包形式傳輸?shù)綄?yīng)位置后，利用自適應(yīng)的程序?qū)ζ溥M行可控性的篩選與分類處理，以此來提高其安全性。

在虛擬仿真技術(shù)輔助下，虛擬可視化處理所采集的數(shù)據(jù)和信息，形成仿真防護機制，可在最大程度上確保自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不被非法竊取。在虛擬仿真技術(shù)引導(dǎo)下，對各區(qū)域形成的數(shù)據(jù)及信息進行標準化處理，形成仿真數(shù)據(jù)管理結(jié)構(gòu)。將其轉(zhuǎn)換為具體的程序，設(shè)置在數(shù)據(jù)庫的控制結(jié)構(gòu)中，形成正向關(guān)聯(lián)條件，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫及軟件設(shè)計。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試準備

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，對D 學(xué)校的生化實驗系統(tǒng)實際應(yīng)用測定環(huán)境作出搭接。首先，對實驗室的基礎(chǔ)性環(huán)境及應(yīng)用測定程序進行設(shè)置。生化實驗系統(tǒng)的開發(fā)基于ASP.Net 平臺，采用Visual Studio 2015 作為實踐性開發(fā)工具，增設(shè)ADODC 的應(yīng)用控件，搭接Web應(yīng)用程序。采用B/S 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過ASP 作編程處理，設(shè)置三個階層的訪問服務(wù)體系，接入數(shù)據(jù)庫之后，設(shè)置一個通用性的實踐結(jié)構(gòu)以及初始的管控機制，基于模塊與組件的搭配接入，設(shè)定具體的管控處理周期。設(shè)定系統(tǒng)初始背景，如表3 所示。

表3 測試系統(tǒng)初始背景設(shè)定

根據(jù)表3，綜合當前系統(tǒng)需求及標準變化，設(shè)置測試初始指令，其必須符合系統(tǒng)日常的管理內(nèi)容及目標，同時將預(yù)設(shè)的指令依照特征分類處理，構(gòu)建為一個指令集群。結(jié)合獲取的數(shù)據(jù)和信息，計算出系統(tǒng)指令的單元基準值，如公式(2)所示：

式中：G 表示指令的單元基準值；m 表示管控覆蓋范圍；η 表示轉(zhuǎn)換定向值；? 表示堆疊管偏差。根據(jù)上述測定，完成對指令單元執(zhí)行值的計算，將其設(shè)置在標定的管控程序之中，完成對基礎(chǔ)性系統(tǒng)測試環(huán)境的關(guān)聯(lián)和搭建。

3.2 測試過程及結(jié)果分析

結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，對D 系統(tǒng)進行具體的驗證和分析?？蓪⑷粘Ｉ瘜嶒灥墓芾碚埱笤O(shè)置為基礎(chǔ)性的管理指令，該學(xué)校的生化實驗室共5 個，所以，將系統(tǒng)下達的管控指令也分為5 個小組。設(shè)置定向的管控周期，每個周期為1 天，共設(shè)置3 個周期，第一小組的管控指令共35 條、第二小組的管控指令共40 條、第三小組的管控指令共45 條、第四小組的管控指令共50條、第五小組的管控指令共55 條?；谏鲜鲇嬎愕贸龅闹噶顔卧鶞手担{(diào)整所采集管控指令的自適應(yīng)調(diào)度格式，進行單向轉(zhuǎn)換處理，以待后續(xù)使用。

將導(dǎo)入系統(tǒng)中的各個指令作出分類，依據(jù)管控程序設(shè)置，分組進行測定與處理。將設(shè)置的仿真程序與內(nèi)置的初始程序進行融合，構(gòu)建一個管理矩陣，每一條指令都是各個管理層級形成的獨立性目標，系統(tǒng)實現(xiàn)預(yù)期的管理后，結(jié)合獲取采集的數(shù)據(jù)和信息，計算出管理指令平均響應(yīng)時間，如公式（3）所示：

式中：L 表示管理指令平均響應(yīng)時間；β 表述轉(zhuǎn)換比；u 表示響應(yīng)次數(shù)；R 表示復(fù)合響應(yīng)范圍；h 表示指令的響應(yīng)偏差；o 表示總管控范圍。利用上述的方式，對5個小組分別進行測定，最終得出的測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 測試結(jié)果對比分析

根據(jù)圖4 可知，在3 個周期之內(nèi)，最終測定得出的系統(tǒng)管控指令平均響應(yīng)時間被較好地控制在0.3 s 以下，說明此系統(tǒng)對于生化管理任務(wù)的執(zhí)行效果更佳，反饋速度較快，針對性更強，具有實際的應(yīng)用價值。

結(jié)束語

在本次研究中，綜合虛擬仿真技術(shù)所構(gòu)建的實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對更加靈活、多變，自身具有更強的穩(wěn)定性與可靠性，有利于提升實驗學(xué)員的學(xué)習(xí)效率，同時提高共享學(xué)習(xí)的效率，具有良好的可拓展性，為該類型系統(tǒng)后續(xù)的創(chuàng)新與升級提供參考依據(jù)和理論借鑒。