基于虚实结合网络实验室的模拟电子技术实验

【前言】基于虚实结合网络实验室的模拟电子技术实验由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。就目前情况来说，网络实验室的研究主要分为两个类别。一是实物网络实验室，是以远程数据的采集和控制方案为基础的一类网络实验室；另一类是虚拟实验室，主要是以计算机仿真等等技术为基础的网络实验室。 1.1 虚拟实验室特点分析 虚拟网络实验室实际上就是指基于Virtua...

摘 要：文章主要介绍了将虚拟实验室与实物实验室相结合的网络实验室。首先分别阐述了虚拟实验室和实物实验室两种实验室所具有的特点，并将两类实验室做了一定的对比。之后提出基于虚实结合的网络实验室的概念。最后就网络实验室中的模拟电子技术实验各个环节的设计方案进行了详尽的分析，并总结了虚实结合的网络实验室这一科学技术的发展前景等。

关键词：网络实验室；电工电子实验；模拟电子技术实验

中图分类号：TP391.9

网络实验室又被简称为iLab，是科学技术与信息网络快速发展的产物，是一种依靠因特网的信息传输机制实现信息互换的实验系统。主要是结合了计算机的仿真技术、计算机的网络技术以及远程控制，以此实现使用的用户能够通过远程登入操作系统进行实验。与传统的实验室相比较，网络实验室具有更好的资源共享性，具有不受时间地点的约束，能够对设备高效利用等等一系列的优点。是能够缓解实验教学中日益增加的需求的一种有效解决方案。

1 虚实两类实验室的特点分析

就目前情况来说，网络实验室的研究主要分为两个类别。一是实物网络实验室，是以远程数据的采集和控制方案为基础的一类网络实验室；另一类是虚拟实验室，主要是以计算机仿真等等技术为基础的网络实验室。

1.1 虚拟实验室特点分析

虚拟网络实验室实际上就是指基于Virtual Reality虚拟现实技术的进行实验的教学系统，能够实现各种教学实验室数字化以及虚拟化。结合了计算机具有的图形处理技术以及设备控制，能够在计算机上展现出一个虚拟环境。学生能够子啊这一个实验平台上自主进行实验的设计，具体的实验操作以及对实验结果进行验证。在虚拟实验室的设计中，客户端以及服务器之间是通过互联网进行数据传输的。用户通过网页登录虚拟实验室，即可进入一个虚拟的实验环境。由于虚拟网络实验室在主体上的设计是纯软件性的，所以同时能够具备实验启动的速度较快以及实验结果能够即使反馈等特点。

1.2 实物网络实验室特点分析

实物网络实验室保留了现实中真实的实验所需设备，并通过多媒体、数据采集以及远程控制等技术将其与互联网很好的结合在一起，将实验场景从现实的实验室转向用户。使得用户能够通过电脑进行实物网络实验室，远程操控实验室内的实验设备，并能够通过网络反馈实验所得的数据和结果。与虚拟实验室进行比较可发现，实物网络实验室更加适合用于远程控制一些高端的精密的实验仪器和一些较难进行虚拟化的实验所用设备。

2 基于虚实结合的网络实验室的结构

虚实结合的网络实验室是指将虚拟仿真以及实物实验进行结合的一种电工电子技术实验网络实验室，可简称为LEE-Lab。使用此项技术的用户能够通过Web远程登录指定的实验系统并能够进行在线实验，不会受到任何时间以及地点的限制。当用户在使用此平台时，不仅能够选择进行某一项虚拟仿真实验，并获得实验结果，还可以选择进行同一实验的实物的实验，能够获得通过硬件实验而得到的实验结果和数据。虚实结合的网络实验室主要包括了客户端、服务器端以及实验端三大部分。下面就从这几个方面的设计理念和原理等做详细的阐述。

2.1 客户端

电工电子实验网络实验室采用了浏览器/服务器的架构，是通过将实验场景的插件内嵌入浏览器中，登录即可进入网络实验室。这样的浏览器客户端具有的通用性极高，并不需要用户事先对客户端的APP进行下载，只需要安装了基于IE等的浏览器既可以通过互联网进行登录。对实验室场景的插件在登录是从服务器进行下载即可使用。

2.2 服务器端

服务器端用于将客户端以及实验端之间进行连接，包括Web服务器、应用的服务器以及数据库服务器还有视频服务器这四个部分。这四台服务器是处在统一高速局域网当中的，这样就能够保证数据在传输过程中的实时性以及稳定性。

（1）Web服务器。可以使用的Web服务器例如Tomcat，其具有的特点是技术先进、性能较稳定，且在运行时占的系统资源较少，适合用于电工电子网络实验室的Web服务器。

（2）应用服务器。此类服务器主要用于监听用户的连接以及请求等。应用服务器包括了虚拟调度模块以及实物的实验服务两个模块。分别能够起到的作用是能够相应用户发送的虚拟实验的请求以及实物的实验请求。

（3）数据库的服务器。适合作为电工电子网络实验室的数据库服务器主要是MySQL，这是一个开放源代码的关联式的数据库管理系统，由于MySQL具有体积较小、速度较快且成本较低等优点，在互联网的小型网站中都得到了广泛的应用。电工电子网络实验室的数据库服务器采用MySQL能够用来记录用户登陆的信息以及实验完成后的实验结果和实验数据的存储和管理。

（4）视频服务器。视频服务器采用了嵌入式的视频服务器设计方案，上电后就能够稳定的进行工作，并不需要进行编程。使用电工电子网络实验室的用户能够通过网页的直接连接，通过视频来对实验结果进行观察和分析。

2.3 实验端

电工电子网络实验室的实验端包括两个部分，分别是虚拟仿真以及实物实验，以此能够实现分别对某项实验进行仿真的计算以及实物的实验运行这两部分的工作。其中虚拟仿真端是由分布式的一组计算集群构成的，每个节点都能够运行一个监控程序，并承担起应用服务器中的虚拟调度的模块所分配给的仿真计算的任务。实物的实验端主要是包括了实验板、实验的仪器以及数据的采集卡还有工控机和摄像头这五个部分。实验所得的结果是由实验板产生的，并通过实验的仪器以及数据采集卡的采集传送至工控机，然后由工控机的控制程序将这种数据反馈到服务器上。

3 基于网络实验室的模电实验

3.1 数据的通信方式

在基于网络实验室的模电实验中系统可以采用可扩展标记语言的数据交换格式以及对场景的描述方式。这样就能够实现对电子文件进行标记并使其具有了结构性的标记言语，这一方案可以用作对数据进行标记以及定义数据的类型的方式。并且能够对网络中存在的数据交换以及表示进行适当的简化。使得代码、数据以及表示能够分隔开来。概括来说XML具有简单性，可重用性，可扩展性等等许多的特点。由于电工电子网络实验室的数据传输的过程是十分繁复的，且涉及到的领域很广，于是就需要采用粘合性较强的通用的一种通信方式来连接各个模块之间所要进行的数据交换。结合XML所具有的许多特点，可以选用XML作为各模块间数据的通信方式。

3.2 客户端的设计

由于Adobe Flex浏览器插件技术是可以进行移植的、可重用的、可以进行调整且灵活多变，可以采用Adobe Flex的浏览器播放器插件进行网络实验室中的实验场景设计，能够实现快速的进行动态交互。设计者应当先设计出独立的实验场景的界面，然后将其编译成Flash插件，这样能够使用户只需要进行一次下载就可以获取到实验场景，不需要多次进行下载。该实验操作界面应当主要由三个部分组成：实验工具栏、实验器件列表、操作界面。在实验场景界面中，实验所需的元器件可以将其放置在器件列表以及操作面板这两个模块中。

3.3 虚拟仿真端的设计

仿真语言可以采用Modelica作为基础的建模语言。Modelica是新型的、面向大型复杂异构的物理系统对象的建模语言。[1]基于虚实结合的网络实验室具有极强的跨学科性，所以Modelica能够支持多领域进行统一建模这一特性，很好的符合了设计的需求。就从模电实验角度来说，Modelica标准库中包含了电阻、电源、运算放大器等等常用的元器件模型，开发人员能够直接从标准库中调用模型来进行模拟电路的系统性建模。

电工电子网络实验室的虚拟仿真端是由虚拟的实验计算调度的模块以及计算节点这两大部分组成。虚拟实验的计算调度的模块属于电工电子网络实验室中的应用服务器，主要是负责对客户端传入的实验场景的文件进行接受，并能够根据当前的计算集群中的计算节点所具有的负载，将需要执行的任务进行有效分配给较为空闲的一些计算节点，能够有效的提高工作效率。计算节点是指已经安装Open Modelica的仿真环境，其任务主要是能够承担起由计算调度模块分配而来的任务。

3.4 实物实验端的设计

这里就模拟电子技术的实物实验端的设计框架作一个大致的描述。在对LEE-Lab进行设计的过程中，所涉及的各个学科的实物实验端对其结构的设计都是大致相同的，主要包含了三个部分：实验模块、数据采集的模块以及控制端。这里就以模拟电路的实验作为例子，简述其硬件结构的大致框架。

实验模块即指实验电路板，是由I/O型扩展芯片8255A以及继电器还有具体的实验电路三大模块组成，其中包含了模电技术基础中的共射极放大电路以及同相比例的放大电路等等基础的实验电路。数据采集的模块首要任务是进行数据的采集，采用了多功能的数据采集卡例如PCL-812，可以通过ISA插槽进行安装。控制端实际上指的就是已经安装到工控机上面的C++语言汇编的控制程序，可以通过接口函数来进行数据采集卡的调用，以此就能够实现控制端与实验板之间数据的传输。

4 结束语

总的来说，基于虚实结合的网络实验室不仅是通过将虚拟实验室以及实物实验室相结合的综合性的设计方案，有效的整合了系统的软硬件资源，还简化了系统低层的传输协议，整体上实现了操作的便捷化、响应更加快速，演示过程更加逼真的这样一种远程实验控制技术。和其他的网络实验室进行比较，虚实结合的网络实验室具有一定的超前性，不仅在功能上十分的实用，在用户的操作以及实验效果两方面也十分优秀。虽然该技术优点是显而易见的，缺点也是必然存在的。所以，在将来的研究过程中，应该及时提出缺点不足和存在的问题，并及时进行分析，提出解决方案。只有这样才能设计出一个更加完善的基于虚实结合的网络实验室。

参考文献：

[1]何振磊.基于虚实结合网络实验室的模拟电子技术实验[D].浙江大学，2013.

[2]谢瑞杰.构建虚实结合的计算机网络实验室[J].实验科学与技术，2014.

[3]张守恒.虚实结合网络实验室服务端设计与实现[D].浙江大学，2013.

作者简介：吴毅君（1983.11-），女，福建福州人，助教，工程硕士，研究方向：计算机应用。

作者单位：福建船政交通职业学院，福州 350007