基于WEB的电工电子实验系统设计与分析

杨兰

（宝鸡职业技术学院陕西宝鸡721013）

基于WEB的电工电子实验系统设计与分析

杨兰

（宝鸡职业技术学院陕西宝鸡721013）

针对实现远距离的教学及交流，通过B/S网络模型作为基础，以现代计算机网络及数字电子技术作为前提，设计了基于Web的电工电子实验系统，通过对基于Web技术的电工电子实验系统系统进行仿真实验，表示此系统使用方便，并且具有较高实用性，能够通过任何浏览器的计算机使用网络进行访问，适用于远程的教学及教育中。此系统自开通之后，已经成为学生电路知识及电子技术知识学习的重要途径之一，具有良好的效果。

Web；电工电子；实验系统；设计与分析

多媒体技术、网络技术及电子技术的不断发展为教育事业及科学研究体用了全新的发展环境，开发远程教育实验是促进现代技术的发展，通过Web界面能够实现远程实验教育。用户能够通过标准Web浏览器登录到远程实验室中，之后设置参数，以此能够实现设备的控制，通过实验得到数据和结果。这种实验系统适应于没有在校园中上课的学生，拓展了工科教学的环境，用户的实验设备共享是通过计算机网络实现的，以此有效节约了资源的开销。

1 基于Web的电工电子实验系统的整体结构

图1为基于Web的电工电子实验系统的整体结构图，系统的设计可以分为硬件系统及软件系统两部分。

图1 基于Web的电工电子实验系统的整体结构

通过图1可以看出来，硬件系统主要包括:Web任务调度机为NT服务器，根据Web服务器自身的实际情况选择合适的服务器，实验的装置主要为远程实验系统需要的各种原件及仪器设备，比如电阻、运算放大器、晶体管、电感器、电容、示波器及信号源等，通过模块化将设备制作为实验的专用装置[1]。

电工电子实验系统的主要目的就是连接硬件设备及服务器，传统Web服务器的设备连接存在一系列的安全漏洞，容易导致服务器及系统出现受到攻击，多以就要开发具有较强针对性的应用服务器。另外，由于计算机网络用户的不断增多，Web服务器种类也在不断增加，以此Web站点的要求就进一步的提高，那么基于Web的电工电子实验系统中的Web服务器方式就要选择分布集群式，使用高速局域网连接多台独立的Web服务器，将其作为一个整体系统提供性能及访问服务[2]。

2 基于Web电工电子实验系统的设计

2.1 系统的硬件设计

基于Web电工电子实验系统的硬件装置主要由主板实验板、信号源/示波器集成板及多通道信息电路板构成[3]。其中主板实验板能够创建实验电路，通用模板中还包括各种原件，比如二极管、数字可变电阻、三极管等，通过单片机及智能接线使电路元件能够和电子开关相互连接，之后对电路的参数进行设置。信号源/示波器集成板主要由两部分组成，分别为信号源和示波器。前者通过可编程逻辑对器件进行控制，通过高速D/A器件创建任意波形发生器，通过程序进行控制。后者主要由可编程控制器件、A/D器件和高速存储器芯片组成，使用电子开关连接采样端口及数字示波器输入部分，A/D实现数据采样，在高速存储芯片中储存数据[4]。多通道信息电路板能够使系统硬件平台中器件收集的数据进行实时通信，现在一般使用可变波特率单通道串行方式实现数据通信。

实现实验系统步骤为:在处理过信号源、用户实验数据及网络表等数据之后，通讯电路板将实验参数及网络表数据传送到实验板中，之后通过实验板创建试验点路，将信号发送到示波器及信号源集成板中，通过通信电路板向示波器及信号源集成板发送源参数，以此能够得到自身需求的节点测试波形、驱动信号等数据，通过信息电路板将得到的信息数据发送到用户中[5]。

2.2 系统的软件设计

基于Web的电工电子实验系统中，Web任务调度机具有明显的作用，其主要目的就是实现实验人员的请求，并且将请求发送到Web服务其中，维护服务器的负载平衡。Web任务调度及是本文设计实验系统的核心内容，其中的分配策略决定了系统的整体性能。相关研究表示，开放系统互联模型对应的Web服务任务调度能够在网络层、链路层和应用层中集中分配策略，要求最佳的分配策略的连接较少，比重选择较全、相应速度最快等特点。为了保证HTTP请求的响应速度较快并且精准，Web任务调度机的算法要简单易懂，并且还要能够兼容现行Web协议及标准[6]。针对上述需求，本文使用应用层动/静的调度算法，通过HTTP协议计算。根据Web任务调度机的工作过程，本文通过文件的不同类型请求，实现实验人员的调度，这属于静态调度算法，对操作实验装置的处理要根据“*.ps”文件类型实现，并且还要注意应用服务器负载请求的总体有效度，如果请求的总和超出了限度，那么服务器就会停止请求的接收[7]。图3为应用层调度算法。

图2 设计示波器正弦信号

图3 应用层调度算法

2.3 基于Web服务器的数据通信

以实验实验系统的需求为基础，创建多个应用服务器，最重要的一点就是要求应用服务器能够连接实验装置，此方面通过专用Web服务器实现，比如对用户实验请求进行解析，对任务进行调度等。系统通过单通道串行数据通信，任务的调度使用先进后出实现，那么此方式较为简单。相反通道数据通信是实验硬件装置和计算机相互连接的重要内容[8]。

在目前计算机网络环境中，以C++为主的开发工具通过计算机串行端口和装置实现数据交换，其是面向对象的设计程序，包括多种编程工具，代码的编程效率较高，并且还具有和计算机系统的接口，以此能够实现硬件的访问。调用API函数，封装串口及属性设置，成为专用串口类，并且根据动态链接库、非阻塞通信等计算机的相关技术实现[9]。因为实验装置具有较小的数据接收量，但是实验结果具有较大的数量，那么在创建创建全新的辅助线程，后台处于串口监视状态中，如果数据出现，相应的主线程就会启动，从而能够接受来自用户的实验参数，向实验装置发送用户的实验参数[10]。图4为Web服务器数据通信。

图4 Web服务器数据通信

文中将通信协议距离，根据系统的实际需求设置网络表数据格式，代码为:

根据相应的数据帧传送方式，在传送帧中添加协议域，从而实现所有串口协议的相互通信。数据帧的结构详见表1，帧头标志表示数据包在串口通信协议中，如果标准通过接收方接收，就能够实现串口数据的接收和发送。相反，串口的数据就不能够被处理。地址0和地址1为数据的通道，其能够却别硬件装置板卡。数据校验能够对结构网表数据进行校验，通过直接累加求和的方式对数据传输正确性进行检验[11]。

表1 数据帧的结构

2.4 系统其他技术设计

基于Web的电工电子实验系统设计还包括以下技术:

1）设置数据安全访问。设置安全数据访问的主要目的是使网络用户的数据具有一定的安全性，因为系统的连接模式是固定的，综合应用报警、检测、跟踪等多种安全技术，以此使系统中的各种数据信息足够安全。系统人员也能够根据实际情况拒绝IP地址的访问，设置入侵机制，对日志进行分类管理[12]；

2）访问数据库。传统Web服务器的功能只有文件访问，但是绝大多数的应用系统的支撑都是通过数据库实现的，小部分用户通过ASP、GGI等服务器编程技术对数据库进行访问。因为服务器端具有多种因素，对其的测试困难，并且没有良好的精准性和安全性，所以成为黑客的攻击目标。通过开放式数据库互联中的结构化查询语言结构，对应用服务端进行设置，从而直接在浏览器中实现数据库的直接访问[13]。

3 基于Web的电工电子实验系统设计的仿真分析

3.1 系统仿真的结构

基于Web的电工电子实验系统主要是以Web发布方式实现的，虚拟实验室只需要开发人员设计服务器程序，Windows的网页浏览器就是用户端程序，从而支持用户主要输入网址就能够通过虚拟实验室实现实验，详见图5。

图5 系统仿真的网络拓扑

虚拟仿真实验室包括网络交流、用户管理、实验报告提交、网络实验考试及虚拟实验仪器等系统构成。仿真界面由图像化编程语言构成，其主要包括程序框图及前面板设计，其中的前面板与操作面板相同，用户能够通过工具模板实现输入控制器及输出指示器的增加。程序框图保证虚拟仪器的功能能够正常发挥，主要包括节点、数据端口的连线组成。

通过仿真实验，系统能够实现网络交流、管理、实验报告的提交、网络实验考试及虚拟实验，学生能够通过系统与教师进行交流和沟通，并且系统能够自动生成实验报告模板，实验人员能够根据实验情况填写实验报告，将实验报告进行提交，从而使教师能够呈看并且批改。教师还能够设计相应的实验题目，学生能够根据预习情况完成实验，并且通过网络中的仿真实验，获得此次的实验数据及结果。

3.2 Web的发布

系统的图像化编程语言使用Rp技术，在设计Web服务器程序之后，通过图像化编程语言中的Publishing Tools将服务器程序嵌入到HTML文件中，并且通过图像化编程语言的Server发布到网络中，以此实现浏览器的访问。如果实验人员在输入HTML文件网络路径之后，就能够支持计算机Web服务程序中虚拟设备及仪器的调用[14]，实现过程为:

首先，将虚拟实验室中的虚拟仪器调出；单击图像化编程语言中的Tools子菜单；进入到Options子菜单；选择WEB server Configuration；将将要发出的VI程序路径输入到Root中。

之后，单击Tool菜单中的Publishing Tools；设置相关参数；单击Save to Disk，在磁盘中保存HTML文件；单击保存；得到HTML文件网址；实验人员将网址输入到浏览器中；实验人员通过计算机设置虚拟仪器相关参数；实现系统的远程控制及实验[15-16]。

4 结束语

计算机网络的普及促进了现代远程教育的不断发展，有效解决电工电子专业教育过程中的实验支持课程问题，是未来的主要研究内容。虚拟网络实验室创新了传统教学手段，创建全新的教学模式，其是未来远程教育发展的方向，并且还能够有效解决学校实验的经费问题及安全性问题。通过对本文设计系统的仿真实验可以看出来，此系统使用方便，并且能够在任何浏览器中通过网络实现访问。以此就能够看出，现代远程实验系统在不断的成熟，并且得到了广泛的认可，在现代技术不断提高的过程中，人性化并且功能完善的网络实验室会成为未来实验教学的主流。

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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稿件编号：201705148

杨兰（1982—），女，陕西宝鸡人，硕士，讲师。研究方向：计算机应用及软件开发。