虛實結(jié)合的“模擬電子技術(shù)”課程遠程實驗系統(tǒng)

虛實結(jié)合的"模擬電子技術(shù)”課程遠程實驗系統(tǒng)呂昌遠;吳涓【摘要】本文介紹了一套基于B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)的“”模擬電子技術(shù)“〃課程遠程實驗系統(tǒng).系統(tǒng)同時提供虛擬仿真實驗和硬件實物實驗兩種實驗?zāi)Ｊ?，其中虛擬仿真實驗利用Muhisim和LabVIEW聯(lián)合仿真技術(shù)實現(xiàn),多種電子電路硬件實物實驗平臺利用STM32微控制器設(shè)計實現(xiàn).虛實結(jié)合實驗?zāi)Ｊ接兄趦?yōu)化實驗安推通過虛實結(jié)果對比，使學生認識到理論與實踐的差異.【期刊名稱】《電氣電子教學學報》【年(卷)，期】2016(038)005【總頁數(shù)】5頁(P103-107)【關(guān)鍵詞】模擬電子技術(shù);遠程實驗;虛實結(jié)合【作者】呂昌遠;吳涓【作者單位】東南大學儀器科學與工程學院，江蘇南京210096;東南大學儀器科學與工程學院，江蘇南京210096【正文語種】中文【中圖分類】TN710工科院校實驗教學中，遠程實驗系統(tǒng)是其重要組成部分。遠程實驗系統(tǒng)能夠解決實驗儀器數(shù)量和質(zhì)量不足的問題，學生可以利用網(wǎng)絡(luò)，在任何時候，從任何地點遠程訪問實驗室，完成實驗操作，從而大大提高實驗教學效率［1］。遠程實驗系統(tǒng)可分為兩類：一類是基于計算機仿真技術(shù)的虛擬仿真實驗，如北京郵電大學采用Flash和HTML等技術(shù)所設(shè)計的電類課程虛擬實驗系統(tǒng)，可為學習者提供相關(guān)課程的實驗演示及功能操作等方面的訓練［2］。這類實驗雖然節(jié)約硬件成本、使用方便，但學生不能面向真實電路對象，對提高學生動手實踐能力有一定局限性。另一類是基于遠程數(shù)據(jù)采集控制的實物實驗，如美國麻省理工學院設(shè)計的以iLab為構(gòu)架的遠程實驗系統(tǒng)，世界各地的研究人員均可以通過網(wǎng)絡(luò)對該實驗系統(tǒng)進行訪問，這類遠程實驗?zāi)茏層脩舨倏卣鎸崈x器設(shè)備，實踐性強，但由于硬件實驗?zāi)K固定，實驗內(nèi)容相對單一［3］。在過去的十多年中，虛擬仿真實驗和遠程實物實驗呈現(xiàn)獨立發(fā)展態(tài)勢。實物實驗具有較強的交互性和臨場感，虛擬仿真實驗則不受外界影響，維護更新方便。整合虛擬仿真實驗資源與實物實驗資源，開發(fā)虛實結(jié)合遠程實驗平臺，是一項取其兩者優(yōu)勢的有益嘗試。在實驗資源受限的情況下，學生可以先進行虛擬仿真實驗，后進行實物實驗。通過將虛實實驗結(jié)果對比，使學生進一步理解理論結(jié)果與真實實驗結(jié)果的差異，加深學生對知識的理解，同時這種先虛后實實驗?zāi)Ｊ竭€可提高實驗系統(tǒng)安全性。〃模擬電子技術(shù)”是電子信息類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，具有較強的理論性和實踐性?！M電子技術(shù)”實驗教學是培養(yǎng)學生工程意識和創(chuàng)新能力，以及提高學生綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)［4］。構(gòu)建虛實結(jié)合〃模擬電子技術(shù)”課程遠程實驗平臺，能夠解決實驗設(shè)備短缺問題，且能夠進一步促進學生對該課程知識的學習。LabVIEW是由美國NI公司開發(fā)的圖形化編程語言，具有易學、方便、快捷的特點，廣泛應(yīng)用于遠程實驗系統(tǒng)［5-7］。LabVIEW軟件具有強大的網(wǎng)絡(luò)互連特性，其程序可以很方便地嵌入HTML網(wǎng)頁中，并實現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上的發(fā)布。利用此特性開發(fā)遠程實驗系統(tǒng)可以避免開發(fā)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，而將開發(fā)重點放在實驗項目本身。本文設(shè)計完成了一套基于B/S架構(gòu)的〃模擬電子技術(shù)”虛實結(jié)合遠程實驗系統(tǒng)（以下簡稱本遠程實驗系統(tǒng)），重點介紹了先虛后實遠程實驗系統(tǒng)的構(gòu)架和實現(xiàn)方法，其中包括利用LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真技術(shù)實現(xiàn)虛擬仿真實驗系統(tǒng)、利用STM32微控制器實現(xiàn)遠程實物實驗所需的可控信號源調(diào)節(jié)、實驗電路切換、關(guān)鍵元器件值更改、電路結(jié)構(gòu)重構(gòu)等幾個關(guān)鍵問題。目前，遠程實驗系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)主要有兩種模式：一種是C/S（客戶端/服務(wù)器）模式，另一種是B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式。這兩種架構(gòu)方式各有優(yōu)缺點，應(yīng)用于不同場合。C/S模式技術(shù)成熟、交互性強，但是不便于維護和升級；B/S模式使用方便、且易于移植，便于升級維護。本遠程實驗系統(tǒng)采用B/S模式，用戶只需使用標準的Internet瀏覽器，直接訪問專用Web服務(wù)器的頁面就可以完成整個實驗過程。本遠程實驗系統(tǒng)由客戶端、服務(wù)器端、實驗端三部分組成，如圖1所示。用戶直接面對客戶端，在瀏覽器網(wǎng)頁內(nèi)設(shè)計實驗、發(fā)送操作指令、查看實驗結(jié)果；服務(wù)器端連接客戶端及實驗端，負責將客戶端實驗命令轉(zhuǎn)發(fā)至實驗端，并將實驗結(jié)果返回至客戶端；實驗端包括虛擬仿真實驗端和硬件實物實驗端兩個部分，這兩者接收各自實驗命令，并控制實驗運行。為增加遠程實物實驗真實感，通過USB攝像頭開發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本遠程實驗系統(tǒng)提供6個典型模擬電子技術(shù)實驗，實驗內(nèi)容如圖2所示。用戶先完成仿真實驗，獲取理論結(jié)果，再通過遠程控制實驗電路板完成實物實驗。仿真實驗利用Multisim軟件和LabVIEW軟件聯(lián)合仿真實現(xiàn)，用戶在LabVIEW搭建的界面內(nèi)加載電路并進行仿真實驗，觀察仿真結(jié)果。實物實驗基于STM32為控制核心的電路實驗平臺，用戶在LabVIEW控制界面內(nèi)配置相關(guān)實驗電路參數(shù)，通過視頻觀察顯示的實驗結(jié)果。使用LabVIEW的Web工具將實驗面板進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，用戶不需要安裝客戶端軟件，只需在瀏覽器內(nèi)輸入相應(yīng)URL，打開控制界面，獲取控制權(quán)限后便可進行仿真或?qū)嵨飳嶒灐?.1虛擬仿真實驗在LabVIEW編寫的程序界面內(nèi)加載電路文件，并對電路進行必要的參數(shù)修改是實現(xiàn)整個虛擬仿真實驗的關(guān)鍵。本文使用LabVIEW和Multisim聯(lián)合仿真技術(shù)實現(xiàn)，由系統(tǒng)提供Multisim電路文件。聯(lián)合仿真技術(shù)用到LabVIEWMultisimConnectivityToolkit工具包，它是對MultisimAutomationAPI的封裝。打開、關(guān)閉、查看電路，以及運行、暫停和停止仿真等各種函數(shù)都被添加到了VI中。通過調(diào)用工具包包含的各類函數(shù)可方便實現(xiàn)對電路的仿真操作，程序采用循環(huán)事件結(jié)構(gòu)和隊列結(jié)構(gòu)實現(xiàn)［8］，仿真實驗面板如圖3所示，聯(lián)合仿真實驗流程如圖4所示。2.2硬件實物實驗系統(tǒng)提供的六個模擬電子技術(shù)實驗，都需要使用可調(diào)信號源（正弦波振蕩電路除外），為此設(shè)計了一個可調(diào)信號源作為公用，通過切換給不同的實驗電路作為輸入信號。六個實驗電路采用模塊化思想，設(shè)計在同一塊電路板上。六個實驗電路的輸出信號可相應(yīng)地進行選擇控制輸出，并接入示波器。遠程實物實驗應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)實驗電路關(guān)鍵元器件值的更改及關(guān)鍵電路結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，使遠程實驗成為〃可調(diào)”實驗，而不是〃驗證性”實驗。同時還為實驗系統(tǒng)設(shè)計模塊化接入功能，以滿足后續(xù)硬件實驗擴展要求。實物實驗電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。1） 主控單元STM32主控單元是整個實驗板電路的核心，它通過串口與服務(wù)器PC進行通信，完成命令解析后，控制各個實驗電路運行，完成實驗電路切換、元器件值更改、電路結(jié)構(gòu)重構(gòu)等功能。2） 信號源及實驗電路切換采用STM32自帶12位DAC產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等信號，并將此單極性信號轉(zhuǎn)為雙極性信號作為實驗電路所需信號源。信號源由六路實驗共用，幅值-3.3V~+3.3V，頻率可調(diào)。由于用戶無法實現(xiàn)對示波器的遠程調(diào)控，可觀測的信號頻率一定，因此將信號源頻率限制在0.5~2kHz。由STM32控制模擬多路開關(guān)將信號源接入所控制某一實驗電路，完成實驗電路切換。將六路實驗輸出結(jié)果接入另一片模擬多路開關(guān)芯片，將對應(yīng)的輸出信號接入示波器，供用戶通過視頻遠程查看。3） 元器件值更改及電路結(jié)構(gòu)重構(gòu)針對不同實驗需求，通過控制數(shù)字電位器解決電阻值更改問題，采用繼電器控制電路通斷解決實驗電路結(jié)構(gòu)重構(gòu)問題。以共射放大電路實驗為例，選取數(shù)字電位器MCP41100作為該電路基極電阻，用戶進行實驗時，可以通過調(diào)節(jié)該放大電路基極電阻值改變?nèi)龢O管的靜態(tài)工作點，觀察靜態(tài)工作點的改變對輸出波形和放大倍數(shù)的影響。MCP41100的數(shù)字調(diào)節(jié)范圍是0~256，數(shù)字每增加（或減少）一位，電位器的值就會成比例地增加（或減少）。STM32與MCP41100通過SPI總線進行通信，通過向MCP41100寫數(shù)據(jù)命令實現(xiàn)對數(shù)字電位器的阻值調(diào)節(jié)。4） 模塊化接入功能為實現(xiàn)電路實驗板〃硬件升級”，設(shè)計兩路實驗擴展接口，每路實驗均提供兩路繼電器控制接口、一路數(shù)字電位器控制接口以及信號輸入輸出控制接口。當用戶需要擴展實驗電路內(nèi)容時，只需要將新設(shè)計的實驗電路模塊通過標準接口接入此實驗板，并添加對應(yīng)LabVIEW控制面板程序即可。最終設(shè)計出硬件電路板實物如圖6所示。2.3實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)用戶通過視頻監(jiān)控可獲取示波器監(jiān)測結(jié)果以及實驗端工作狀況。NI公司的VisionDevelopmentModule（視覺開發(fā)模塊）是專為開發(fā)機器視覺和科學成像而設(shè)計，該模塊包括NIVisionBuilder和IMAQVision兩部分。針對目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)價格昂貴的現(xiàn)狀，采用普通USB攝像頭和VisionDevelopmentModule開發(fā)穩(wěn)定、流暢的視頻監(jiān)視系統(tǒng)，避免了用戶在遠程實驗時僅僅是設(shè)置參數(shù)、得到實驗數(shù)據(jù)，增加了遠程實驗的真實感。2.4遠程實驗網(wǎng)絡(luò)發(fā)布網(wǎng)絡(luò)發(fā)布是搭建本遠程實驗系統(tǒng)的關(guān)鍵。通過配置LabVIEW的Web服務(wù)器將VI前面板進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，遠程用戶通過網(wǎng)頁瀏覽的方式操作VI前面板，完成遠程實驗。首先要對Web服務(wù)器進行相應(yīng)配置，遠程用戶才能瀏覽Web服務(wù)器發(fā)布的網(wǎng)頁。配置過程如下：①勾選〃啟動遠程前面板服務(wù)器”，輸入Web服務(wù)器根目錄位置，Web服務(wù)器開始運行；②勾選〃允許訪問”，使得所有用戶都可以訪問；③瀏覽器訪問設(shè)置〃允許查看和控制”，用戶可以通過瀏覽器進行訪問。配置完成后，點擊Web發(fā)布選項就可以實現(xiàn)VI的發(fā)布。發(fā)布后的地址格式為：http://IPadress:Port/VIname.html，其中IPadress為服務(wù)器IP地址，Port為服務(wù)器端HTTP端口號，VIname為VI名。在第一次使用本遠程實驗系統(tǒng)時，需要在客戶端安裝LabVIEWRunTimeEngine插件。用戶通過在瀏覽器上輸入URL地址進入實驗頁面，點擊〃請求VI控制權(quán)”選項就可以獲取VI控制權(quán)限，系統(tǒng)遵循〃先申請先獲取”原則。同一時刻，只有一個用戶可以獲得程序控制權(quán)限。為避免用戶長時間〃霸占”實驗資源，提高系統(tǒng)運行的安全性，在發(fā)布的實驗網(wǎng)頁中加入一段JavaScript代碼，設(shè)定實驗時間結(jié)束時，網(wǎng)頁自動關(guān)閉，程序控制權(quán)限自動解除。圖7為客戶端用戶正在使用本遠程實驗系統(tǒng)，進行硬件實物實驗，圖8為遠程實驗現(xiàn)場。本文所設(shè)計〃模擬電子技術(shù)”課程遠程實驗系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：網(wǎng)頁式訪問功能，操作簡便；成本低廉、通用性強、具有良好的可擴展性；仿真實驗和實物實驗相結(jié)合，豐富了實驗內(nèi)容，加深了學生對知識的理解運用。虛實結(jié)合實驗?zāi)Ｊ綖檫h程實驗系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的思路。本遠程實驗在優(yōu)化資源配置等方面具有優(yōu)勢，但不能完全替代傳統(tǒng)動手實驗。在實驗資源緊缺或?qū)嶒灄l件受限的情況下，可先進行仿真遠程實驗和實物遠程實驗，待條件成熟時仍可補充進行動手實驗。我們計劃在后續(xù)的研究中，通過進一步豐富本實驗系統(tǒng)可調(diào)元件參數(shù)及電路結(jié)構(gòu)數(shù)量，提高用戶自主設(shè)計能力。通過加入實驗管理平臺，為用戶提供更多的實驗課程資源，并引導用戶認識、設(shè)計、操作實驗，激發(fā)用戶的學習興趣并提高用戶自主解決問題的能力。同時，可以在系統(tǒng)架構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，開發(fā)電子信息類其它實驗課程，比如數(shù)字電子技術(shù)實驗、電路實驗等?！鞠嚓P(guān)文獻】劉婷,錢楊義，彭豪.基于網(wǎng)絡(luò)的遠程實驗室研究：國內(nèi)13年研究回顧[J].杭州:遠程教育雜志，(2):107-112.王昀.基于JAVA技術(shù)的虛擬儀器元件庫設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學,2010.J.L.Hardison,K.DeLong,P.H.Bailey,etal.DeployingInteractiveRemoteLabsUsingtheiLabSharedArchitecture[C].38thASEE/IEEEFrontiersinEducationConference,2008.晏)勇.模擬電子技術(shù)實驗教學改革的探索與實踐[J].北京:實驗技術(shù)與管理,2012,29(4):288290.邵曉娟，盧慶林.基于虛擬儀器技術(shù)的遠程電子實驗平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].北京:電子測試,2014,18:23-25.屈曉旭，張用宇,婁景藝.基于虛擬儀器的通信原理遠程實驗平臺設(shè)計[J].上海:實驗室研究與探索,2011,33(7):41-43.M.Tawfik,E.S