基于WEB技术的电工电子实验仿真的实现

孙长智

亳州师范高等专科学校理化系，安徽亳州，236800

基于WEB技术的电工电子实验仿真的实现

孙长智

亳州师范高等专科学校理化系，安徽亳州，236800

基于WEB技术，设计了电工电子实验仿真系统。实现在远程实验系统的支持下，用户可通过某个标准WEB浏览器进入远程实验室，并可对WEB界面上的实验参数进行直接控制，进而可对实验设备进行控制，最终完成实验数据和实验结果的获取。

WEB技术；电工电子实验；远程实验；LabVIEW

基于WEB技术的远程实验室的研究兴起于21世纪，已成为全球科学家共同关注的话题。中国研发成功了基于WEB技术的智能化电工电子实验仿真系统，大大改善了远程实验教学的教学环境和教学条件。本文在概述仿真实验在电工电子实验方面的重要作用的基础上，详细分析了基于WEB技术的电工电子实验仿真系统的构造、开发途径和实现形式等。

1 仿真实验在电工电子实验方面的作用

1.1 仿真软件的辅助功能

WEB技术以计算机为载体，以WEB界面为操作平台，就硬件予以自动化的逻辑编辑→化简→分割→综合→构建→仿真测试。现阶段，WEB技术、EWB技术等被广泛应用于各高等院校的教学、科研中，此类技术均具备“逻辑编辑→化简→分割→综合→构建→仿真测试”方面的自动实现功能[1]。但基于仿真软件的虚拟实验室或仿真软件均不可完全替代传统硬件的实验平台，因此仅起辅助作用。

1.2 仿真虚拟实验与传统硬件实验间的关联

为最大化发挥仿真虚拟实验的优越性及最大化开发学习者的学习潜力，基于仿真软件的电工电子实验的开设应分基础性、设计性和创新性实验三个阶段，并做到循序渐进。基础性实验要求解决学习者学会如何测量电量、如何使用设备和仪器、如何记录实验结果和数据、如何运用实验方法、如何分析实验结果和数据等问题；设计性实验要求学习者掌握某些关键性仿真技术的应用，如WEB技术、EWB技术、Pro-tel技术等；创新性实验要求学习者自主完成电路板的制作和电路的焊接等。

2 电工电子实验仿真系统的功能

基于仿真软件的虚拟实验是指虚拟实验室的实验，类似于传统的硬件实验室，即具备实验环境、实验设备和仪器和实验对象等，但虚拟实验室对网络环境和仿真技术的依赖性强。因此，基于仿真软件的虚拟实验室具有真实重现硬件实验室的功能。基于虚拟实验室的特殊属性，基于WEB技术的电工电子实验仿真必须具备如下功能。

2.1 仿真性

系统的仿真性可为用户提供不亚于真实实验室的实验环境，即基于WEB技术的虚拟实验室能够顺利使用各类仪器设备和电子元件等，使用方法应与真实实验室基本相同，电子线路的搭接、电路效果的呈现均与真实实验室高度一致。

2.2 开放性

开放性指系统可不择时间和地点地为用户提供实验场所，即仅依赖计算机和畅通的网络，便可通过虚拟实验室完成实验。

2.3 可操作性

系统的可操作性支持用户根据自身需要操作虚拟实验室内的仪器和设备。

2.4 其他

该系统还具有课后自主学习、实验演示、实验报告提交、评阅功能、考核功能及实验资料检索等功能[2]。

3 基于WEB技术的电工电子实验仿真

3.1 仿真系统的结构分析

基于WEB技术的电工电子实验仿真系统主要基于WEB发布方式和WEB服务器/浏览器计算模式。虚拟实验室仅需开发者设计一个服务器程序，Windows的网页浏览器即为用户端程序，进而支持用户仅需输入网址便可通过虚拟实验室完成实验[3](图1)。

图1 实验仿真系统网络拓扑

虚拟仿真实验室由网上交流系统、用户管理系统、实验报告提交管理子系统、网上实验考试系统和虚拟实验仪器子系统组合而成，各大子系统所具备的功能均不相同。

(1)网上交流系统：通过网上交流系统，学习者就学习上遇到的问题与教师进行沟通和交流。

(2)用户管理系统：用户管理系统把访问用户分成三个等级，管理员属最高级别，主要负责用户管理系统的维护及管理；教师次之，主要负责实验题目的选定、实验内容的设计、实验报告的批阅和管理；学习者属第三等级，拥有用户管理系统的使用权[4]。

(3)实验报告提交管理子系统：该系统自动生成实验报告模板，实验者根据实验情况把内容填写完毕的实验报告提交至该系统，教师可查看和批改实验报告，实验者可下载阅读实验报告。

(4)网上实验考试系统：教师可设计填空和选择类型的实验题目，学习者可根据预习来完成，并通过网上仿真实验，获取该次实验数据和实验结果。

(5)虚拟实验仪器子系统：该系统主要向实验者提供所需的虚拟实验仪器和设备。

3.2 基于WEB技术的电工电子实验仿真系统的实现

3.2.1 定制虚拟仪器

图形化编程语言(LabVIEW)是一套基于G语言的数据采集与仪器控制和数据分析与表达的专用开发软件，属程序开发平台。图形化编程语言应用程序设计由程序框图设计和前面板设计组合而成，其中前面板类似于操作面板，用户可通过工具模板完成输入控制器和输出指示器的添加；程序框图是确保虚拟仪器功能得以正常发挥的关键部分，其由节点设计、数据端口设计和连线设计组合而成。

3.2.2 实验装置设计

电子电路实验硬件平台的智能化和专用性是实验装置设计的目标。该类电子电路实验硬件平台主要由示波器和信号源集成版、主体实验板、多通道通信电路板组合而成，其中示波器和信号源集成版主要由示波器部分和信号源部分组合而成。信号源部分是基于可编程逻辑控制器件、程控增益原理、DDS(直接频率数字合成技术)和高速D/A器件的任意波形发生器，示波器部分主要由高速存储器芯片、高速A/D器件、可编程逻辑控制器件组合而成。主体实验板负责实验电路搭建，各实验板均包含了四个由数量一定的数字式可变电阻、电容/感、二/三极管、运算放大器等原件组成的通用模块，并基于智能连线方式和单片机控制电子开关连接一切电路元件，设置一切参数。多通道通信电路板集中完成主体实验板、服务器系统、示波器和信号源集成板彼此间的数据通信。

虚拟实验室实验的完成过程：源于用户的实验参数、网络表数据、信号源等实验数据被简析处理后，经通讯电路板把实验参数和网络表数据等向主体实验板传送→经主体实验板搭接完毕实验电路→把信号传送给示波器和信号源集成板→经通信电路板向示波器和信号源集成板传送信号源参数，进而获取所需驱动信号、节点数据和节点测试波形→经通信电路板把其返给用户(图2)。

图2 示波器正弦信号的设计

3.3 WEB任务调度机的调度策略

在基于WEB技术的电子电工实验仿真系统内，WEB任务调度机的作用尤其突出，即完成实验者请求的接收、把各实验请求分配给WEB服务器、维持各WEB服务器负载的平衡状态。WEB任务调度机是该系统的核心成分，其分配策略对该系统的整体性能起决定性的作用[5]。

研究证实，开放式系统互联(OSI)模型对应的WEB任务调度机多把分配策略集中到数据链路层(L2)/网络层(L3)/应用层(L7)，而最佳分配策略应具备全比重选择、最少连接/最快响应最优、LARD/RR等特性[6]。为确保对各HTTP请求的响应更快更精准，WEB任务调度机的调度算法不能过于复杂，且能兼容于现行的WEB协议/标准。基于对上述要求的考虑，本文选择了基于应用层的动/静态调度算法，且严格按照HTTP1.1协议规程展开计算。WEB任务调度机的调度流程为：创建客户端TCP连接→基于HTTP请求完成任务分类，以确保各任务均能对应最佳的WEB服务器。鉴于此，本文首先基于文件类型的不同就实验者的请求作出调度，此乃基于请求内容的调度策略，亦属静态调度算法的一种，但处理操作硬件实验装置的命令应按“*.ps”文件类型展开，且注意各应用服务器负载请求的总和皆存有限度，请求总和一旦超出此限度，服务器会停止接收请求。

3.4 WEB发布

图形化编程语言采用了Remote panel技术，待WEB服务器程序设计完毕，可经图形化编程语言的WEB Publishing Tools把服务器程序嵌入HTML文件，并经图形化编程语言的WEB Server发布至网络，进而实现对浏览器的访问[7]。若实验者输入HTML文件网络路径，则可支持实验者在该计算机上调用WEB服务器程序内的虚拟仪器和设备，实现过程如下。

第一步：从虚拟实验室调出待发布的虚拟仪器→单击图形化编程语言主菜单内的“Tools”子菜单→进入“Options”子菜单→选中“WEB server Configuration”选项→把待发的VI程序路径输入Root Directory(图3)。

图3 设计界面

第二步:单击“Tools”菜单内的WEB Publishing Tools选项→设定有关参数→单击“Save to Disk”选项，把HTML文件保存在磁盘内→单击“保存”选项→获取该HTML文件的网址→实验者把HTML文件的网址输入浏览器→实验者可通过该计算机设定虚拟仪器的有关参数→远程控制和远程实验完成(图4)。

图4 发布页面

4 结束语

综上所述，网络技术的发展为现代远程教学的实现提供了可能，但基于仿真软件的电工电子实验的实现却遭遇诸多瓶颈。虚拟网络实验室是一种对立于传统真实实验室的实现形式，作为远程教学的发展导向，属于一种新型的教学模式，但实验的安全性和实验经费等问题急需解决。本文讨论了基于WEB技术的电工电子实验仿真系统。研究证实，该系统在图形化编程语言的支持下，简化了远程虚拟实验室的创建和维护等程序，且随着网络水平和仿真技术的快速发展，网络虚拟实验室将会得到更广泛的应用。

[1]吴建平,骆正茂,熊邦国，等.基于校园网的电工电子实验Web站点设计[J].职业技术教育,2008(2):51-52

[2]程楠楠.网上虚拟电工电子实验运行系统的开发与研究[D].北京：北方工业大学研究生院,2007：6-49

[3]庄如平.虚拟电工电子实验系统软件平台探论[J].安顺学院学报,2008,10(2):80-82

[4]刘凯,胡仁杰.基于XML Web Service的新型C/S、B/S混合模式应用[J].计算机与现代化,2008(7):117-119

[5]李艳生,汪自云.基于遗传算法的Web主题库成长技术研究[J].湖北师范学院学报：自然科学版,2010,30(4):38-42

[6]张雪冬.开放实验室预约及信息服务系统设计[D].北京：北京交通大学电子信息工程学院,2008：15-31

[7]林小芳.基于ODBC的ASP数据库访问技术[J].中国科技信息,2010(18):95-96

(责任编辑：汪材印)

2014-10-12

安徽省优秀青年人才基金项目“高职电子类专业实验实训网站开发研究”(2012SQRL274)。

孙长智(1977-)，安徽蒙城人，硕士，副教授，主要研究方向：电工电子、仿真实验。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.12.022

TP393.09/N945.13

A

1673-2006(2014)12-0076-03