网络虚拟电子实验室的设计与实现3陈　安33(广东工业大学实验教学部,广州　510006)摘要:文章以网络虚拟电子实验室的构建为例,讨论了虚拟实验室的建模方法、网络架构以及虚拟实验设计方法等关键技术;提出了构建网络电子实验室的技术方案,对网络虚拟实验室的创建有一定的指导意义。关　键　词:虚拟实验室;虚拟控件;SPICE电路仿真程序中图分类号:TP39119;G424131 文献标识码:B 文章编号:1672-4550(2007)06-0045-04

DesignandImplementationofWeb-basedVirtualElectronicLaboratory

CHENAn(DepartmentofExperimentTeaching,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou　510006,China)

Abstract:Thisthesisdiscussestheconstructionofweb-basedvirtualelectroniclaboratory,focusingonmodelingmethods,networkinfrastructureanddesignmethod,bringsforwardthetechnicalschemeofconstructingtheweb-basedvirtualelectroniclaboratory,andbearssomesignificancefortheconstructionoftheweb-basedvirtuale-labs.Keywords:virtuallaboratory;virtualcontrol;SPICE

1　引　言目前,国内各高校的电工电子实验教学,大都存在着实验形式、内容、要求与实验设备、器材、场地、经费保障间的矛盾。实验保障条件的制约在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。因此,开发研制网络虚拟实验室对缓解实验仪器设备不足,进一步提升学生创新能力和实践能力培养的力度,降低实验教学对客观物质条件的依赖有着积极的促进作用。并且,基于网络的虚拟实验比传统实验更为灵活多样,是实验教学技术的发展方向。本文将针对电子实验课程,探讨网络虚拟电子实验室的创建过程及方法。

2　网络虚拟实验室的结构设计211　虚拟实验室网络结构设计整个网络虚拟实验室系统采用基于Web的三层结构技术实现,其网络结构如图1所示。第1层为客户端程序即用户界面程序,它通过使用中间层部件提供的业务服务来实现其功能,本身不进行任何业务数据处理,故客户端配置很简单,客户利用

图1　网络结构图浏览器完成操作;第2层是中间层,即应用服务层,包括许多提供各种服务的独立的中间层部件,

对数据库访问均采用对象嵌入引擎的方法,避免了使用ODBC需要设置的不便;第3层是数据服务层,系统采用MSSQLServer作为数据库服务器。在基于Web的3层结构中,系统管理员只需要对应用服务器和Web服务器进行维护,而在客户端实现了零维护,提高了工作效率。212　虚拟实验室系统组成结构设计系统主要由虚拟中心、交流中心、资料中心、

・54・第5卷　第6期实验科学与技术

333收稿日期:2007-06-09

作者简介:陈　安(1979-),男,助教,硕士研究生,主要研究方向:智能控制技术与应用。下载中心4个板块构成,系统结构图如图2所示。电工电子网上实验室虚拟中心仪器介绍虚拟实验实验报告自学自测交流中心在线答疑网上论坛问答集锦资料中心实验指导电子手册其他资料自学自测下载中心

图2　系统组成结构图 虚拟中心是整个虚拟实验室的核心,它由仪器介绍、虚拟实验、实验报告、自学自测4个部分组成。其中虚拟实验是在网上做实验的场所,主要由3部分实验内容组成:基本电路实验、模拟电路实验、数字电路实验,此外还有一个开放性的综合实验平台,可以根据需要自主进行各种电路与电子技术实验,如图3所示。每一个典型实验的结构又包括4个部分:实验目的、实验原理、实验步骤、仿真实验平台。其中实验仿真平台就是一个虚拟电子实验室,用户在此环境下可完成实验的过程,而实验结果通过实时仿真得到。

虚拟实验基本电路实验直流电路交流电路动态电路模拟电路实验放大电路振荡电路电源电路数字电路实验触发电路组合电路时序电路开放实验平台

图3　虚拟实验组成结构图3　网络虚拟仿真实验平台的建立311　实验仿真平台的工作过程网络虚拟仿真平台包括虚拟实验环境(图像模型)和计算机仿真模块(数学模型),作为人机交换界面的虚拟实验环境表现为一个电路图形编辑器,

在此环境下,提供了各种具有逼真外形的虚拟元件和虚拟仪器,使用者用鼠标自由拖曳器件连接电路,就像在真实电路板上搭接电路一样方便。网络虚拟仿真平台上的实验过程如图4所示。可视化映射是一个双向系统,一方面将图形在

图4　系统仿真实验过程模型屏幕上的表现形式映射成系统仿真所需的数据格式,另一方面把系统仿真计算产生的数字信息转变为直观的、以图像或图形信息表示的随时间和空间变化的物理现象或物理量呈现在用户面前。计算仿真模块(系统仿真器)作为系统的核心模块完成电路的科学计算。312　计算机仿真模块的设计电路仿真软件很多,如加拿大InteractiveImage

Technologies公司的ElectronicsWorkbench软件,美国Microsim公司的Pspice系列软件,美国Analogy

公司的Saber软件等,这些都是比较优秀的电路仿真软件。但这些软件都是对原理电路的仿真,而且软件不具有开放性,仿真只能在这些软件本身的环境下实现,无法在多媒体环境下进行,从而无法实现仿真技术与多媒体技术的有机结合。这些软件都是以电路仿真程序SPICE(SimulationProgramWith

IntergratedCircuitEmphasis)为核心的。SPICE是由美国加州大学伯莱克分校研制的,被公认为电路仿真中最优秀的程序,而且其源代码已公开,便于进行二次开发,因此,可以以SPICE作为电路仿真的核心开发工具,实现系统仿真模块。以模拟电路的计算机仿真模块开发为例,我们在通用电路仿真软件SPICE3f5源程序的基础上,

进行必要的改造和扩展,将其实质计算模块作为模拟电路的仿真内核,并将其移植到多媒体虚拟环境中,其电路仿真过程模型及流程图如图5和图6所示。用户首先在逼真的“虚拟场景”中,利用各种“虚拟元器件”任意搭接电子线路,并由电路转换接口程序将其转换为SPICE能够识别的电路描述语言,经过SPICE实时仿真的分析结果输入到“虚拟仪器”控件,给出图形化的显示。其中由于SPICE3f5的输入输出均是一定格式的文本文件,为了调用方便分别将其输入输出改造为API接口的入口和出口参数,这样使数据只在程序接口之间传递,而不必进行磁盘文件操作,加快了仿真速度,

也增强了网络的安全性。如果仿真中遇到错误,

SPICE3f5也会将它输出到err文件中。由于SPICE3f5是用电路描述文件来描述电路,

而多媒体仿真环境下采用图形方式描述电路,因此

・64・实验科学与技术2007年12月图5　模拟电路仿真过程模型

图6　模拟实验仿真过程流程图电路描述文件是连接图形电路和SPICE软件之间的桥梁,只有将图形电路翻译成SPICE可以识别的,反映电路中所有元器件性能和相互之间连接关系的文件,图形电路才能作为SPICE的输入被调用。为了实现上述图形数据化过程,系统扩充了电路描述转换接口程序,以双极型晶体管B/T为例其算法实现为(VB610):

PublicSubcir_scriptDC()Fori=0Todev_countsStep1//遍历所有元器件Selectdev_ary(i)1name//判断元器件类别……Case"BJT"//元器件类别:NPNandPNP双极型晶体管BJT//检测管脚位置check_pointdev_ary(i)1legs(0,0),dev_ary(i)1legs(0,1),check_par1_1,check_par1_2check_pointdev_ary(i)1legs(1,0),dev_ary(i)1legs(1,1),check_par2_1,check_par2_2check_pointdev_ary(i)1legs(3,0),dev_ary(i)1legs(3,1),check_par3_1,check_par3_2Ifcheck_par1_1<>-1Andcheck_par2_1<>-1Andcheck_par3_1<>-1Then/判断是否正确连接cir_=cir+"Q"+dev_ary(i)1name+""+str(point_xy_sn(check_par3_1))+""+tr(point_xy_sn(check_par1_1))+""+str(point_xy_sn(check_par2_1))+"QM"+dev_ary(i)1name+ChrS(10)//将电路连接关系转换为SPICE识别

的字符串描述语言　SelectCasedev_ary(i)1value//判断晶体管模型类型

　Case0

cir_=cir+"1MODELQM"+dev_ary(i)1name+"NPNBF=300CJC=2PFCJE=015PF"+ChrS(10)//NPN晶体管模型参数

Case1

cir_=cir+"1MODELQM"+dev_ary(i)1name+"NPNBF=80CJC=1PFCJE=015PF"+ChrS(10)//NPN晶体管模型参数

Case2

cir_=cir+"1MODELQM"+dev_ary(i)1name+"NPNBF=80"+ChrS(10)//NPN晶体管模型参数

EndSelect

EndIf……

EndSelect

NextEndSub313　虚拟仪器控件的设计建立起实验仿真平台后,还需要对实验所需要的仪器进行软件化,即虚拟化。系统开发的虚拟仪器主要包括示波器、万用表、直流稳压电源、低频信号发生器、函数信号发生器和电子电压表等常用仪器。考虑到虚拟仪器的可重用性,采用基于组件的软件开发(CBD)方法,即采用基于COM/DCOM

规范的Active组件技术来创建虚拟仪器。每一个虚拟仪器就是一个Active控件,这样使仪器的构造变得更加便捷,而且使开发的虚拟仪器具有高度的封装性、集成性和可移植性,可以方便地被仿真实验环境主程序调用,也易于在网上发布。虚拟仪器控件将每个实验仪器独立出来,采用数值仿真与图像仿真技术,虚拟出了每个仪器的内部工作机制、面板上的各种操作与响应以及对电路中其他仪器的影响。每一个仪器由仪器模板、可操作部件、显示部件、输入/输出模块组成。它们之间由仪器内部工作原理联系,虚拟仪器之间由实验场景相互关联。