基于ＭＡＴＬＡＢ Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｅｒ的虛擬實驗室實現

文章編號：1672-5913(2008)10-0039-02

摘要：本文提出了MATLAB Web Server 遠程服務設計方案，并在研究MATLAB Web Server 技術、M函數文件的結構、功能和設計方法的基礎上，設計了一個“信號與系統”課程虛擬實驗室系統，為計算機實驗輔助教學提供了一種可行的解決方案。

關鍵詞：遠程虛擬實驗；MATLAB Web Server；信號與系統

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1 引言

“信號與系統”課程的特點是概念抽象，數學知識含量大，繁雜的數學公式推導及數學結果都使學生較難于理解，這就更加需要通過實驗來幫助學生理解這些抽象概念。建立虛擬實驗室是解決這一難題的很好的途徑。開發“信號與系統”課程相關的計算機虛擬實驗室，能充分利用寶貴的計算機資源為基礎課程服務。

MATLAB Web Server是MATLAB的一個可選組件，允許工程人員將MATLAB應用程序通過Internet進行發布，使用者不用學會MATLAB，只要通過點擊鼠標就可以訪問MATLAB應用程序，獲得計算的結果或相應的圖形結果，特別適合于網絡虛擬實驗平臺的開發。

本文以Browser/Server(B/S)模式的分布式網絡結構，將應用程序MATLAB部署在WEB服務器端，從而達到跨平臺的作用。服務器端的應用程序使用WEB服務器端作為和客戶端瀏覽器的接口，應用程序在WEB服務器上生成的HTML文檔可以給所在平臺上的用戶瀏覽，從而實現遠程虛擬實驗室。

2 基于MATLAB Web Server的遠程虛擬實驗技術

2.1MATLAB Web Server基本配置

首先采用Windows XP中自帶的組件IIS5.0對計算機進行WEB服務器配置；建立虛擬目錄/cgi2/bin和/icons，并把它們和WEB服務器主目錄一起指向/matlab/toolbox/webserver/wsdemos。

安裝程序在/matlab/webserver目錄下創建一個matlabserver.conf文件。首次打開時，該文件只有一行“-m 1”，該參數表示允許同時運行的MATLAB 進程數，可以根據需要改變其數目。調用MatlabWeb Server，要事先對應用程序的信息表matlabserver.conf文件進行配置，將所有由網頁調用的M文件進行列表。每增加一個MATLAB WEB應用，都需要在matlabserver.conf中增加一項配置。即：

[文件名] /*Matlab進行調用的M文件的名字*/

mlserver=/*服務器名稱或IP地址，單機測試可配置為127. 0. 0. 1*/

mldir= /*設置MATLAB程序的路徑，同時也是讀寫文件的目錄*/

注意，要使應用生效服務器必須重啟。

2.2建立一個向MATLAB提交數據的HTML輸入文檔

根據實驗設計需求，建立一個處理輸入數據和計算結果的m文件，如抽樣定理實驗sample.m。把所有要使用的m函數文件都移至/matlab/toolbox/webserver/wsdemos中，通過MATLAB Web Server調用MATLAB操作的都是這個文件夾里面的m函數文件。

隨后建立一個向MATLAB提交數據的HTML輸入文檔。參數提交是通過HTML頁面中的表單來完成的，形式如＜form action=“/cgi-bin/matweb.exe” method=“post” ＞。表單中一個重要和必須的輸入變量是mlmfile，標明處理該表單的MATLAB程序名，其屬性為隱含。例如，＜ input type=“hidden” name=“mlmfile” value = “sample” ＞，其中，value值為接收該表單參數的MATLAB程序。簡化的HTML代碼為

＜html＞＜body＞

＜form action=“/matlab/cgi-bin/matweb.exe” method=

“post”

target=\"outputwindow\"＞

＜input type=“hidden” name=“mlmfile” value=

“sample”＞＜table＞

……

＜input type=“submit” name=“submit” value=“確定”＞＜table＞

＜/form＞

＜/body＞＜/html＞

在Web頁面中，點擊 “確定”按鈕，將調用MATLAB WEB服務器的入口程序matweb.exe，從HTML表單中提取數據，運行MATLAB M函數文件sample.m。

2.3建立一個顯示MATLAB計算結果的HTML輸出文檔

MATLAB程序將輸入變量進行處理后，計算結果，將其寫入結構outstruct中；然后調用MATLAB的子程序Htmlrep(outstruct，temlatefile)，生成用于輸出的HTML文件，其中，outstruct是包含所有輸出參數的struct結構；templatefile是一個預先編制好的HTML模板文件。Htmlrep執行的具體步驟是把outstruct中的值傳給HTML模板文件，然后把HTML進行轉換。轉換后的HTML是一個純文本文件，其內容通過函數返回值以字符串的形式返回。這樣，網關程序matweb.exe就根據函數返回值的內容生成一個HTML文件，直接送至客戶端瀏覽器。

由于函數返回值是一個字符串，字符串本身是不能包含圖片的。要解決這一問題，與標準的HTML一樣，輸出的動態HTML文件，要事先寫好＜img ＞標記，格式為＜img src=\"$pic $\"＞，而圖片的文件名也作為輸出變量保存在outstruct中。圖片的生成由MATLAB程序完成。可以在生成圖片之前使用set()命令調整圖片的大小。如果希望采用其他格式，可以嘗試使用MATLAB的imread和imwrite命令改變圖片格式。

3 實驗實例

基于MATLAB Web Server虛擬實驗室的主頁如圖1所示。主頁是進入各模塊的門戶，依次進入各個實驗部分，即基本信號、周期信號的傅里葉級數、周期信號的頻譜分析、連續信號的卷積、信號的抽樣及重建。

圖1 虛擬實驗室的主頁

下面以信周期信號的傅里葉級數表示說明基于MATLAB Web Server的虛擬實驗方法和過程。

一些周期函數表示為傅里葉級數通常需要無限多項才能完全逼近原函數。但在實際應用中，經常采用有限項級數來代替無限項級數。因此，取有限項級數是一種近似的方法，項數愈多，有限項數愈逼近原函數。換言之，其方均誤差愈小。選取周期方波信號為例來分析周期信號的傅里葉級數。用戶在客戶端輸入傅里葉級數的項數，可以觀察到有限項級數的傅里葉級數逼近原函數的程度。

已知周期方波信號如圖2所示，周期方波信號的傅里葉級數展開為

利用本系統中的周期信號的傅里葉級數的在線實驗，就可以通過MATLAB Web Server調用服務器上的MATLAB實現其各次諧波的疊加，并返回部分和波形結果。

圖2 周期方波信號

進入周期信號的傅里葉級數頁面，如圖3所示。取消“比較”選項前面的勾選，在參數設置中設置傅里葉級數的項數為3，點擊“確定”，則服務器返回MATLAB計算的圖形結果，如頁面右邊。從返回的WEB頁面上我們可以看到，當傅里葉級數的項數為3時，其各次諧波的疊加波形與原函數的波形的逼近程度。

圖3 周期信號的傅里葉級數頁面

從周期方波信號的傅里葉級數展開中可看出，當有限項級數愈多，與原函數的逼近程度越大。為了觀察這種現象，勾選“比較”選項，設置另一個傅里葉級數的項數，這里選47，點擊“確定”，則服務器返回MATLAB計算的圖形結果，如圖4所示。

對比傅里葉級數的項數為3及47的時候，其各次諧波的疊加波形與原函數的波形的逼近程度?？梢钥吹?，隨著傅里葉級數項數的增多，部分和與周期方波信號的誤差越來越小。在 項的時候，部分和的波形與周期方波信號的波形已經非常接近。并且能清晰地觀察到“吉布斯”現象。

圖4 諧波的疊加波形與原函數的波形比較圖

4結束語

“基MATLAB Web Server虛擬實驗室”對學生學好“信號與系統”課程有非常好的輔助作用。相對于硬件實驗來說，虛擬實驗室不僅有實時性、直觀性的特點，而且大大節約了成本，提高了教學效率，增進了學生學習的興趣，加深了學生對所學課程的理解。

參考文獻

[1] 甘俊英，胡異丁. 基于MATLAB的信號與系統實驗指導[M]. 北京:清華大學出版社，2007.

[2] 陳鴿，常敏慧. MATLAB在信號處理系列課程實驗中的應用[J]. 實驗技術與管理，2006，23(11):77-80.

[3] 何強，何英. MATLAB擴展編程[M]. 北京:清華大學出版社，2002.

[4] 黃斯偉. HTML完全使用詳解[M]. 北京:人民郵電出版社，2006.