肖 建，鄧薛強(qiáng)，薛 梅，郭宇鋒，劉芫健

一種B/S架構(gòu)的電工電子云實(shí)驗系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

肖 建1，鄧薛強(qiáng)2，薛 梅1，郭宇鋒1，劉芫健3

（1. 南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2. 深圳市鼎陽科技有限公司，廣東 深圳 518101；3. 南京郵電大學(xué) 教務(wù)處，江蘇 南京 210023）

運(yùn)用智能化儀表控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器技術(shù)以及嵌入式技術(shù)，設(shè)計和實(shí)現(xiàn)了一種B/S架構(gòu)的云實(shí)驗系統(tǒng)，包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、遠(yuǎn)程可控電工電子實(shí)驗箱、底層驅(qū)動、應(yīng)用軟件和實(shí)驗內(nèi)容，可通過廣域網(wǎng)遠(yuǎn)程實(shí)時獲取實(shí)際儀表界面和被測硬件對象的數(shù)據(jù)，可獲得比純軟件仿真的遠(yuǎn)程實(shí)驗更為真實(shí)準(zhǔn)確的實(shí)驗結(jié)果，在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中獲得較好的效果，具備一定應(yīng)用與推廣價值。

云實(shí)驗系統(tǒng)；B/S架構(gòu)；虛擬仿真；遠(yuǎn)程實(shí)驗

2012年3月，教育部在《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》[1]中提出建設(shè)有中國特色的教育信息化體系，創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)教育資源共享的信息化學(xué)習(xí)環(huán)境，并提出建設(shè)學(xué)習(xí)型社會的信息化支撐服務(wù)體系。借助技術(shù)手段建設(shè)信息化的實(shí)驗環(huán)境與條件成為實(shí)驗建設(shè)工作的重要部分。作為實(shí)際操作實(shí)驗的補(bǔ)充與強(qiáng)化，虛擬仿真實(shí)驗可以作為高成本、高危險以及不易觀察等實(shí)驗的有益補(bǔ)充[2-4]，也為理論計算和實(shí)驗預(yù)習(xí)提供了方便。遠(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗[5-7]的開展，為學(xué)生提供不限時間和空間的實(shí)驗資源訪問權(quán)限，具有很大的靈活性，在虛擬仿真實(shí)驗的建設(shè)中，多個高校獲得了很多遠(yuǎn)程實(shí)驗方面的建設(shè)成果[8-19]。

1 云實(shí)驗系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文所構(gòu)建的云實(shí)驗系統(tǒng)，整體目標(biāo)定位為虛實(shí)結(jié)合的遠(yuǎn)程實(shí)驗系統(tǒng)，可通過廣域網(wǎng)提供校內(nèi)外學(xué)生隨時隨地訪問與使用。

1.1 設(shè)計背景

本云實(shí)驗系統(tǒng)主要分成2個模塊，一是純軟仿真模塊，即基于高性能服務(wù)器部署對運(yùn)行性能要求較高的仿真軟件，提供給學(xué)生遠(yuǎn)程使用；二是結(jié)合服務(wù)器、智能儀表和遠(yuǎn)程實(shí)驗箱構(gòu)建的實(shí)物遠(yuǎn)程實(shí)驗。模塊一是為了解決實(shí)驗中心計算機(jī)老化、部分學(xué)生沒有個人計算機(jī)、專業(yè)軟件對運(yùn)行平臺的性能要求不斷提升的問題，采用了瘦客戶機(jī)模式，學(xué)生只要具備上網(wǎng)條件，在低計算性能設(shè)備上，也可完成較為復(fù)雜的高性能要求的虛擬仿真實(shí)驗。模塊二為遠(yuǎn)程實(shí)物的信息化實(shí)驗方法，采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制方式，對真實(shí)實(shí)驗對象進(jìn)行操作和數(shù)據(jù)獲取。以下重點(diǎn)介紹模塊二的遠(yuǎn)程實(shí)驗系統(tǒng)部分。

1.2 遠(yuǎn)程實(shí)驗系統(tǒng)框架

如圖1所示，遠(yuǎn)程實(shí)驗系統(tǒng)分為3個部分：一是深圳鼎陽科技提供的電工電子智能化儀表套件，包括SDG2042X信號發(fā)生器、SDM3055數(shù)字萬用表、SPD3302X-E穩(wěn)壓電源和SDS1102X數(shù)字示波器，都具備網(wǎng)絡(luò)測控接口，可遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)控制其工作方式和實(shí)時獲取數(shù)據(jù)；二是遠(yuǎn)程電工電子實(shí)驗箱，由ARM內(nèi)核單片機(jī)主控、模擬電路模塊和FPGA數(shù)字電路模塊構(gòu)成，可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)多種遠(yuǎn)程實(shí)驗操作；三是基于B/S架構(gòu)的服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、管理與界面呈現(xiàn)。

圖1 遠(yuǎn)程實(shí)驗系統(tǒng)框架

2 服務(wù)器端設(shè)計

服務(wù)器端采用了基于Java技術(shù)的J2EE架構(gòu)，具備較好的伸縮性和擴(kuò)展性，易于開發(fā)維護(hù)。

如圖2所示，Controller層實(shí)現(xiàn)與前端的MVC分發(fā)；DAO（data access object）層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問對象；業(yè)務(wù)邏輯部分實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)對象；Service層實(shí)現(xiàn)與業(yè)務(wù)邏輯的接口服務(wù)；驅(qū)動層實(shí)現(xiàn)與智能儀器的遠(yuǎn)程控制層與數(shù)據(jù)交換。

圖2 服務(wù)器端技術(shù)分層架構(gòu)框圖

服務(wù)器端軟件實(shí)現(xiàn)用戶管理、資產(chǎn)管理、實(shí)驗臺管理、實(shí)驗管理、儀器控制、資料管理和安全驗證幾大模塊，為遠(yuǎn)程實(shí)驗的開展提供了高速穩(wěn)定的服務(wù)器平臺，其典型用戶界面如圖3所示。

圖3 典型用戶界面

云實(shí)驗系統(tǒng)的服務(wù)器端對使用者屏蔽了硬件細(xì)節(jié)，使用者可以通過計算機(jī)、平板和手機(jī)等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的瀏覽器，訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)，獲得所需要的實(shí)驗資料并完成實(shí)驗。使用者包括教師和學(xué)生，實(shí)現(xiàn)從教師課件下達(dá)、學(xué)生預(yù)習(xí)、操作實(shí)驗、數(shù)據(jù)采集、報告生成和教師批改等實(shí)驗教學(xué)全過程。

3 遠(yuǎn)程電工電子實(shí)驗箱設(shè)計

遠(yuǎn)程電工電子實(shí)驗箱是基于ARM+FPGA結(jié)構(gòu)，主要包括電源模塊、通信模塊、電路控制模塊以及受控電路模塊。電源模塊采用了XL2576S降壓型開關(guān)穩(wěn)壓模塊、AMS1117-3.3和AMS1117-1.2穩(wěn)壓芯片，獲得實(shí)驗箱所需的5 V、3.3 V和1.2 V的電壓，給整個實(shí)驗箱系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓。

通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)驗箱與服務(wù)器之間的信息交互，采用RS232串口單元以及網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口單元，因為數(shù)據(jù)量較小，采用了9600bit/s的低速波特率進(jìn)行通信。由于TTL和RS232接口工作電平不同，在串口和控制電路之間增加了ADM3202RN作為電平轉(zhuǎn)換器，隔離串口與單片機(jī)和FPGA接口，以保護(hù)電路，防止高電壓損壞相關(guān)器件。

受控電路模塊是整個實(shí)驗箱的核心，其主要器件由STM32F103主控單片機(jī)和FPGA構(gòu)成。STM32F103是32位Cortex-M3內(nèi)核CPU，最高工作頻率為72 MHz；FPGA則采用了Xilinx Spartan-XC3S50，作為可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字實(shí)驗電路部分。由STM32F103通過串口接收由通信模塊傳送過來的數(shù)據(jù)并應(yīng)答，然后控制FPGA來實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路部分重構(gòu)，或者控制模擬電路繼電器，實(shí)現(xiàn)模擬電路部分的重構(gòu)。

圖4為遠(yuǎn)程電工電子實(shí)驗箱印刷電路板截圖。

圖4 遠(yuǎn)程電工電子實(shí)驗箱印刷電路板截圖

4 教學(xué)應(yīng)用

基于本文云實(shí)驗系統(tǒng)的實(shí)驗典型流程如圖5所示。首先由指導(dǎo)教師下達(dá)實(shí)驗任務(wù)與預(yù)習(xí)要求，學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，通過計算或者M(jìn)ultisim等仿真軟件獲得實(shí)驗理論結(jié)果，提交預(yù)習(xí)報告；獲得指導(dǎo)教師批準(zhǔn)，方可進(jìn)入實(shí)驗課程；按照頁面提示的實(shí)驗內(nèi)容，完成實(shí)驗步驟，獲得遠(yuǎn)程儀表、遠(yuǎn)程實(shí)驗箱返回的實(shí)驗數(shù)據(jù)，在網(wǎng)頁上即可實(shí)現(xiàn)儀表截圖、數(shù)據(jù)表格導(dǎo)出，通過填寫電子報告模版完成實(shí)驗報告；報告提交后，教師完成電子報告批改，從而完成整個實(shí)驗流程。

以RLC串聯(lián)諧振電路實(shí)驗為例，學(xué)生預(yù)習(xí)報告中應(yīng)完成仿真計算，獲得理論結(jié)果，如圖6所示。

圖5 云實(shí)驗系統(tǒng)典型實(shí)驗流程

通過遠(yuǎn)程實(shí)驗平臺，采用逐點(diǎn)法測量不同輸入頻率情況下RLC串聯(lián)電路的輸入輸出電壓比，即遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)數(shù)字信號源輸出不同頻率、有效值不變的正弦信號，用數(shù)字萬用表測量輸出端（需要通過ARM主控芯片控制繼電器實(shí)現(xiàn)測量端口切換）信號有效值，從而計算出輸出信號相對于輸入信號的電壓比值，獲得如表1所示實(shí)驗數(shù)據(jù)（R為電阻兩端電壓，為輸入信號頻率），并與理論結(jié)果進(jìn)行比對分析。實(shí)驗過程中，所有遠(yuǎn)程智能儀表的數(shù)字化面板都顯示在學(xué)生端顯示設(shè)備上，較為直觀、清晰，且可截圖復(fù)制到電子報告中；所測量的數(shù)據(jù)也無需通過實(shí)物示波器屏幕讀取，極大地提高了實(shí)驗效率。采用遠(yuǎn)程實(shí)驗的方法，獲得的RLC串聯(lián)電路幅頻特性實(shí)際測量數(shù)據(jù)見表1所示，對應(yīng)的幅頻特性曲線如圖7所示。

圖6 RLC串聯(lián)諧振電路軟件仿真結(jié)果

表1 逐點(diǎn)法遠(yuǎn)程測量RLC電路的幅頻特性測量數(shù)據(jù)

圖7 逐點(diǎn)法遠(yuǎn)程測量RLC電路的幅頻特性曲線

本文構(gòu)建的云實(shí)驗系統(tǒng)已經(jīng)在我校國家級電子科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗教學(xué)示范中心、國家級信息電子技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗教學(xué)中心應(yīng)用2年，可完成電工電子模擬類實(shí)驗5個、數(shù)字類實(shí)驗20余個，為學(xué)生的實(shí)驗預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)提供方便。

5 結(jié)語

運(yùn)用智能化儀表控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計和實(shí)現(xiàn)了全套B/S架構(gòu)的云實(shí)驗系統(tǒng)，包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、遠(yuǎn)程可控電工電子實(shí)驗箱、底層驅(qū)動、應(yīng)用軟件和20多個遠(yuǎn)程實(shí)驗，編寫了相關(guān)講義，在教學(xué)中獲得比較好的效果。作為實(shí)際操作的有益補(bǔ)充，學(xué)生通過多種顯示終端，即可通過瀏覽器遠(yuǎn)程獲取實(shí)際儀表界面和實(shí)驗對象的數(shù)據(jù)，在提高設(shè)備利用率、提升實(shí)驗效果方面本系統(tǒng)很有應(yīng)用價值，并具備一定推廣價值。實(shí)驗內(nèi)容還在不斷豐富與擴(kuò)展中。

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·字義辨析· 粘與黏國家語言文字工作委員會和中華人民共和國新聞出版暑于1988年3月25日《關(guān)于發(fā)布〈現(xiàn)代漢語通用字表〉的聯(lián)合通知》中恢復(fù)使用“黏(nián)”字，在表達(dá)“黏”的概念時，恢復(fù)使用“黏”字，如：黏膜、黏液、黏度系數(shù)、黏性等；在表達(dá)“粘（zhān）”的概念時，使用“粘”字，如：粘貼等?！秾?shí)驗技術(shù)與管理》編輯部編錄

Design and realization of electrical and electronic cloud experimental system based on B/S architecture

XIAO Jian1, DENG Xueqiang2, XUE Mei1, GUO Yufeng1, LIU Yuanjian3

(1. College of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China; 2. Siglent Technologies, Shenzhen 518101, China; 3. Teaching Affairs Department, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

Based on intelligent instrument control technology, network server technology and embedded technology, a B/S-based cloud experiment system is designed and realized, which includes the network server, remote controllable electrical and electronic experiment box, bottom driver, application software and experiment content. This system can acquire real-time reality remotely through WAN. The instrument interface and the data of the tested hardware object can obtain more real and accurate experimental results than the remote experiment of pure software simulation, which has better effect in practical teaching application and has certain application and popularization value.

cloud experimental system; B/S architecture; virtual simulation; remote

TN710-33; TP391.9

A

1002-4956(2019)12-0094-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.022

2019-04-03

國家自然科學(xué)基金項目（61874059）；江蘇省高等教育教改研究課題（2017JSJG531）；江蘇高?！扒嗨{(lán)工程”資助；南京郵電大學(xué)實(shí)驗室工作研究課題（2016XSG01）

肖建（1976—），男，江蘇金壇，博士，副教授，副院長，國家級電子科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗教學(xué)示范中心副主任，主要從事嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方面的研究。E-mail: xiaoj@njupt.edu.cn