劉紅亮　王丹志

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)可以借助現(xiàn)代通信和信息處理技術(shù)帶給學(xué)生更真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比具有投入成本低廉、無損耗、維護(hù)簡單、更新速度快，容易實(shí)現(xiàn)相同條件下的重復(fù)實(shí)驗(yàn)、容易擴(kuò)展和共享等優(yōu)點(diǎn)。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺逐漸成為熱門的研究方向。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；虛擬實(shí)驗(yàn)室；Flex

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著高校教育在現(xiàn)階段以課堂教學(xué)為主，隨著素質(zhì)教育的深入擴(kuò)展，實(shí)驗(yàn)課程的重要性開始得到學(xué)校、老師的重視，通過實(shí)驗(yàn)課可以聯(lián)系實(shí)際和課本上的知識，培養(yǎng)學(xué)生的興趣養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際中發(fā)現(xiàn)問題，思考問題，開拓學(xué)生的思維，提高學(xué)生解決問題的能力，從而最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主管能動(dòng)性和鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力。然而很多高校由于資金匱乏，很多實(shí)驗(yàn)設(shè)備在數(shù)量上和質(zhì)量上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)可以借助現(xiàn)代通信和信息處理技術(shù)帶給學(xué)生更真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室相比具有投入成本低廉、無損耗、維護(hù)簡單、更新速度快，容易實(shí)現(xiàn)相同條件下的重復(fù)實(shí)驗(yàn)、容易擴(kuò)展和共享等優(yōu)點(diǎn)。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺逐漸成為設(shè)計(jì)和開發(fā)的熱門項(xiàng)目。

虛擬實(shí)驗(yàn)室利用計(jì)算機(jī)來模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)過成，學(xué)生無需進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，只需要通過計(jì)算機(jī)登錄實(shí)驗(yàn)平臺既可以選擇實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)室包括實(shí)驗(yàn)室信息管理平臺，學(xué)生實(shí)驗(yàn)信息管理平臺，虛擬實(shí)驗(yàn)器材以及虛擬實(shí)驗(yàn)儀器等部分組成。實(shí)驗(yàn)室信息管理平臺向教師提供了開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程、管理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及管理選課學(xué)生等服務(wù)，學(xué)生可以預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自己動(dòng)手配置連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文致力于開發(fā)一個(gè)，高性能、高可用、高可擴(kuò)展性、體驗(yàn)友好的遠(yuǎn)程網(wǎng)路虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。系統(tǒng)要滿足大學(xué)基本的電子電路實(shí)驗(yàn)，信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、通信原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)需求，能夠提供大綱要求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。并且系統(tǒng)能夠提供一套易用的API方便增加實(shí)驗(yàn)。

通過對比國內(nèi)外已有的虛擬實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，基于Flash的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有用戶交互性好、開發(fā)速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)、對服務(wù)器性能要求低等優(yōu)點(diǎn)。本文采用基于Flex的Cairngorm框架開發(fā)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面（UI）。Cairngorm是Flex的一個(gè)快速開發(fā)框架，框架本身提供了很多封裝好的功能，用戶只需調(diào)用對應(yīng)的類實(shí)現(xiàn)即可，無需自己重復(fù)編程，極大的提高了開發(fā)的效率，并且Caimgorm框架框架提供了與Java服務(wù)器通信的方案，不需要再去集成第三方應(yīng)用，即可實(shí)驗(yàn)與服務(wù)器異步通信。后臺采用Struts2+Spring+Hibernate框架開發(fā)，用戶數(shù)據(jù)通過Caimgorm框架調(diào)用異步通信的接口同Struts2框架進(jìn)行通信，Struts2框架接受到用戶請求后，將請求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的Spring管理的service層，由Spring進(jìn)行具體的業(yè)務(wù)邏輯處理，最后再交由Hibernate保存到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)用戶進(jìn)行導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告操作時(shí)，自動(dòng)評價(jià)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫里讀取用戶實(shí)驗(yàn)結(jié)果信息，將其與實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行對比給出評分，整個(gè)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1。

1.2登錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

整個(gè)登錄系統(tǒng)獨(dú)立于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用SSH（Struts2+Hibernate+Spring）框架進(jìn)行開發(fā)，在實(shí)驗(yàn)平臺平臺上分三種角色：教師、學(xué)生、管理員。教師可以在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上開設(shè)自己的實(shí)驗(yàn)課程，然后選擇教授的課程編寫課程大綱，學(xué)生注冊后可以登錄實(shí)驗(yàn)平臺然后根據(jù)自身需求選擇有興趣的老師的實(shí)驗(yàn)課程。然后根據(jù)課程要求完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。管理員可以管理整個(gè)試驗(yàn)平臺，可以開閉教師的課程，管理選課的學(xué)生。

1.3虛擬數(shù)字信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)

信號發(fā)生器作為模擬信號的產(chǎn)生設(shè)備，可以提供標(biāo)準(zhǔn)的方波、三角波、正弦波等信號，并且可以設(shè)置這幾種波形的頻率、幅值、方波的占空比等參數(shù)。使用信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形模擬生產(chǎn)環(huán)境的信號，用來測試元器件、電路在不同信號下的響應(yīng)，從而可以在電路的開發(fā)階段就測試出電路的性能。虛擬數(shù)字信號發(fā)生器界面的總體設(shè)計(jì)如圖3。

虛擬數(shù)字信號發(fā)生器界面的設(shè)計(jì)：界面上主要包括波形選擇下拉菜單，頻率設(shè)置輸入框、幅度設(shè)置輸入框、兩路輸出選擇復(fù)選框、開始按鈕這幾種控件。Flex已經(jīng)提供了這幾種控件的封裝。FlashBuilder4.5支持兩種開發(fā)模式，可以選擇設(shè)計(jì)視圖或者源代碼視圖。我們選擇可視化設(shè)計(jì)方式/Design mode，F(xiàn)lex界面上將出現(xiàn)設(shè)計(jì)面板/design canvas、所支持的組件/Components、以及Flex屬性欄/Properties views。我們可以將自己需要的控件拖放到主視圖上，然后通過控件的位置屬性調(diào)整控制的位置，通過控件的事件屬性調(diào)整控件的事件相應(yīng)。虛擬數(shù)字信號發(fā)生器設(shè)計(jì)如圖4所示。

1.4虛擬示波器的設(shè)計(jì)

示波器是一種能夠用途廣泛的、顯示電壓信號動(dòng)態(tài)波形的電子測量儀器。主要由三部分組成，探頭、控制面板、顯示面板。示波器的原理是將單位時(shí)間通過探頭采集到的電壓信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換計(jì)算然后由控制部分控制顯示的顯示，最后以隨著時(shí)間推移的動(dòng)態(tài)波形。示波器提供了豐富的控制功能，對于頻率較高的波形我們可以設(shè)置采樣時(shí)間，這樣我們就能看到單個(gè)波形的形狀，對于幅度較小的波形，我們可以調(diào)節(jié)示波器的采樣幅度，這樣就能就波形放大顯示到顯示屏上。示波器還提供了頻率計(jì)算，峰峰值計(jì)算，有效值計(jì)算，等豐富的測量功能。還可以通過顯示器上的刻度線來計(jì)算某一時(shí)刻波形的幅值。

虛擬示波器不僅在外觀上同真實(shí)的示波器相同，而且需要具有真實(shí)示波器的主要功能：能夠支持雙通道數(shù)據(jù)的顯示，并且能夠分別對其進(jìn)行控制，可以設(shè)置耦合方式，能夠單獨(dú)調(diào)節(jié)每一路波形的垂直方向便宜和水平方向便宜；支持電壓檔位選擇和頻率檔位選擇，顯示電壓檔位為10mv-5v，頻率檔位為lus-10ms；支持測量功能，可以顯示出每一路波形的最大值、最小值、峰峰值、有效值、頻率和周期等參數(shù)；可以接收并且顯示虛擬數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生的波形。實(shí)驗(yàn)平臺所設(shè)計(jì)的示波器如圖5所示。

1.5虛擬實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)

對已有的實(shí)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，每塊電路板上會(huì)有兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端，以此為基礎(chǔ)建立我們的虛擬實(shí)驗(yàn)板模型，新添加實(shí)驗(yàn)時(shí)只要按照這個(gè)模版添加對應(yīng)對電路圖和計(jì)算方法即可。

首先實(shí)現(xiàn)電路板輸入端與信號發(fā)生器輸出端的連接功能。這里我們采用自定義事件的方式來進(jìn)行連接。采用ActionScript封裝了PinPoint類，PinPoint類繼承了Event類，這樣它就可以以事件的方式傳播出去。PinPoint中還有x、y屬性用來保存當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的位置，在連線的時(shí)候就可以通過起始點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)值和終點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)值來進(jìn)行連線了。PinPoint還有type屬性，用來區(qū)分不同的節(jié)點(diǎn)。

其次在連接建立之后，就需要把信號發(fā)生器的數(shù)據(jù)讀入到電路板中，這時(shí)候就需要建立對數(shù)字信號發(fā)生器數(shù)據(jù)的監(jiān)聽。虛擬電路實(shí)現(xiàn)效果圖如圖6。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試

選擇集成運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試。首先打開系統(tǒng)選擇模擬實(shí)驗(yàn)，然后選擇集成運(yùn)放實(shí)驗(yàn)，對數(shù)字信號發(fā)生器進(jìn)行設(shè)置，選擇波形為正弦波，輸入頻率值為1000HZ，輸入幅度為1V，將輸出一與輸出二都勾選上。

其次對運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置管腳4的輸入值為-12V，管腳7的輸入為12V，輸入R₁=R_F=R_P=1000Ω。

對電路進(jìn)行連線（如圖7），開啟示波器的CH1，CH2通道并且選擇耦合方式為交流，此時(shí)打開數(shù)字信號發(fā)生器的START按鈕，可以觀察到示波器上顯示出兩個(gè)相位相反的波形，旋轉(zhuǎn)頻率按鈕，讓波形變的稀疏易于觀察，然后旋轉(zhuǎn)幅度調(diào)節(jié)旋鈕，增大波形的幅度。改變的輸入電壓的值將觀察結(jié)果填寫到表格中。

3 結(jié)論

最終網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺完成了模擬實(shí)驗(yàn)、信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、通信原理實(shí)驗(yàn)三門實(shí)驗(yàn)課程主要實(shí)驗(yàn)的開發(fā)工作。其中模擬實(shí)驗(yàn)包括：電阻非線性實(shí)驗(yàn)、二端網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、諧振電路研究實(shí)驗(yàn)、RC充放電實(shí)驗(yàn)、三極管放大實(shí)驗(yàn)、差動(dòng)放大實(shí)驗(yàn)、集成運(yùn)放實(shí)驗(yàn)。信號與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)包括：信號的抽樣恢復(fù)實(shí)驗(yàn)、零狀態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、二階網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、無源濾波器實(shí)驗(yàn)、有源濾波器實(shí)驗(yàn)、信號分解實(shí)驗(yàn)。通信原理實(shí)驗(yàn)包括：數(shù)字基帶實(shí)驗(yàn)、AM調(diào)制解調(diào)實(shí)驗(yàn)、濾波器實(shí)驗(yàn)、相對解碼實(shí)驗(yàn)、2ASK實(shí)驗(yàn)、2FSK實(shí)驗(yàn)、2PSK實(shí)驗(yàn)、DPSK實(shí)驗(yàn)、PAM實(shí)驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路按照真實(shí)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來看，還存在一些需要改進(jìn)的部分，比如：模擬實(shí)驗(yàn)中電路對輸入信號相位的影響還無法計(jì)算出來，虛擬示波器尚不支持波形的水平方向移動(dòng)。要完成這些功能，還需要深入研究，進(jìn)一步進(jìn)行開發(fā)測試。