一種B/S架構的電工電子云實驗系統設計與實現

肖 建，鄧薛強，薛 梅，郭宇鋒，劉芫健

一種B/S架構的電工電子云實驗系統設計與實現

肖 建1，鄧薛強2，薛 梅1，郭宇鋒1，劉芫健3

（1. 南京郵電大學 電子與光學工程學院，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 教務處，江蘇 南京 210023）

運用智能化儀表控制技術、網絡服務器技術以及嵌入式技術，設計和實現了一種B/S架構的云實驗系統，包括網絡服務器、遠程可控電工電子實驗箱、底層驅動、應用軟件和實驗內容，可通過廣域網遠程實時獲取實際儀表界面和被測硬件對象的數據，可獲得比純軟件仿真的遠程實驗更為真實準確的實驗結果，在實際教學應用中獲得較好的效果，具備一定應用與推廣價值。

云實驗系統；B/S架構；虛擬仿真；遠程實驗

2012年3月，教育部在《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》[1]中提出建設有中國特色的教育信息化體系，創建優質教育資源共享的信息化學習環境，并提出建設學習型社會的信息化支撐服務體系。借助技術手段建設信息化的實驗環境與條件成為實驗建設工作的重要部分。作為實際操作實驗的補充與強化，虛擬仿真實驗可以作為高成本、高危險以及不易觀察等實驗的有益補充[2-4]，也為理論計算和實驗預習提供了方便。遠程虛擬仿真實驗[5-7]的開展，為學生提供不限時間和空間的實驗資源訪問權限，具有很大的靈活性，在虛擬仿真實驗的建設中，多個高校獲得了很多遠程實驗方面的建設成果[8-19]。

1 云實驗系統整體架構

本文所構建的云實驗系統，整體目標定位為虛實結合的遠程實驗系統，可通過廣域網提供校內外學生隨時隨地訪問與使用。

1.1 設計背景

本云實驗系統主要分成2個模塊，一是純軟仿真模塊，即基于高性能服務器部署對運行性能要求較高的仿真軟件，提供給學生遠程使用；二是結合服務器、智能儀表和遠程實驗箱構建的實物遠程實驗。模塊一是為了解決實驗中心計算機老化、部分學生沒有個人計算機、專業軟件對運行平臺的性能要求不斷提升的問題，采用了瘦客戶機模式，學生只要具備上網條件，在低計算性能設備上，也可完成較為復雜的高性能要求的虛擬仿真實驗。模塊二為遠程實物的信息化實驗方法，采用遠程數據采集與控制方式，對真實實驗對象進行操作和數據獲取。以下重點介紹模塊二的遠程實驗系統部分。

1.2 遠程實驗系統框架

如圖1所示，遠程實驗系統分為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信號發生器、SDM3055數字萬用表、SPD3302X-E穩壓電源和SDS1102X數字示波器，都具備網絡測控接口，可遠程設置參數控制其工作方式和實時獲取數據；二是遠程電工電子實驗箱，由ARM內核單片機主控、模擬電路模塊和FPGA數字電路模塊構成，可通過網絡進行遠程控制，實現多種遠程實驗操作；三是基于B/S架構的服務器端，實現數據網絡傳輸、管理與界面呈現。

圖1 遠程實驗系統框架

2 服務器端設計

服務器端采用了基于Java技術的J2EE架構，具備較好的伸縮性和擴展性，易于開發維護。

如圖2所示，Controller層實現與前端的MVC分發；DAO（data access object）層實現數據訪問對象；業務邏輯部分實現業務對象；Service層實現與業務邏輯的接口服務；驅動層實現與智能儀器的遠程控制層與數據交換。

圖2 服務器端技術分層架構框圖

服務器端軟件實現用戶管理、資產管理、實驗臺管理、實驗管理、儀器控制、資料管理和安全驗證幾大模塊，為遠程實驗的開展提供了高速穩定的服務器平臺，其典型用戶界面如圖3所示。

圖3 典型用戶界面

云實驗系統的服務器端對使用者屏蔽了硬件細節，使用者可以通過計算機、平板和手機等聯網設備的瀏覽器，訪問服務器數據，獲得所需要的實驗資料并完成實驗。使用者包括教師和學生，實現從教師課件下達、學生預習、操作實驗、數據采集、報告生成和教師批改等實驗教學全過程。

3 遠程電工電子實驗箱設計

遠程電工電子實驗箱是基于ARM+FPGA結構，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降壓型開關穩壓模塊、AMS1117-3.3和AMS1117-1.2穩壓芯片，獲得實驗箱所需的5 V、3.3 V和1.2 V的電壓，給整個實驗箱系統提供穩定的工作電壓。

通信模塊負責實驗箱與服務器之間的信息交互，采用RS232串口單元以及網口轉串口單元，因為數據量較小，采用了9600bit/s的低速波特率進行通信。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作為電平轉換器，隔離串口與單片機和FPGA接口，以保護電路，防止高電壓損壞相關器件。

受控電路模塊是整個實驗箱的核心，其主要器件由STM32F103主控單片機和FPGA構成。STM32F103是32位Cortex-M3內核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現數字實驗電路部分。由STM32F103通過串口接收由通信模塊傳送過來的數據并應答，然后控制FPGA來實現數字電路部分重構，或者控制模擬電路繼電器，實現模擬電路部分的重構。

圖4為遠程電工電子實驗箱印刷電路板截圖。

圖4 遠程電工電子實驗箱印刷電路板截圖

4 教學應用

基于本文云實驗系統的實驗典型流程如圖5所示。首先由指導教師下達實驗任務與預習要求，學生進行課前預習，通過計算或者Multisim等仿真軟件獲得實驗理論結果，提交預習報告；獲得指導教師批準，方可進入實驗課程；按照頁面提示的實驗內容，完成實驗步驟，獲得遠程儀表、遠程實驗箱返回的實驗數據，在網頁上即可實現儀表截圖、數據表格導出，通過填寫電子報告模版完成實驗報告；報告提交后，教師完成電子報告批改，從而完成整個實驗流程。

以RLC串聯諧振電路實驗為例，學生預習報告中應完成仿真計算，獲得理論結果，如圖6所示。

圖5 云實驗系統典型實驗流程

通過遠程實驗平臺，采用逐點法測量不同輸入頻率情況下RLC串聯電路的輸入輸出電壓比，即遠程調節數字信號源輸出不同頻率、有效值不變的正弦信號，用數字萬用表測量輸出端（需要通過ARM主控芯片控制繼電器實現測量端口切換）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所示實驗數據（R為電阻兩端電壓，為輸入信號頻率），并與理論結果進行比對分析。實驗過程中，所有遠程智能儀表的數字化面板都顯示在學生端顯示設備上，較為直觀、清晰，且可截圖復制到電子報告中；所測量的數據也無需通過實物示波器屏幕讀取，極大地提高了實驗效率。采用遠程實驗的方法，獲得的RLC串聯電路幅頻特性實際測量數據見表1所示，對應的幅頻特性曲線如圖7所示。

圖6 RLC串聯諧振電路軟件仿真結果

表1 逐點法遠程測量RLC電路的幅頻特性測量數據

圖7 逐點法遠程測量RLC電路的幅頻特性曲線

本文構建的云實驗系統已經在我校國家級電子科學與技術實驗教學示范中心、國家級信息電子技術虛擬仿真實驗教學中心應用2年，可完成電工電子模擬類實驗5個、數字類實驗20余個，為學生的實驗預習與復習提供方便。

5 結語

運用智能化儀表控制技術、網絡服務器技術、物聯網技術的基礎上，設計和實現了全套B/S架構的云實驗系統，包括網絡服務器、遠程可控電工電子實驗箱、底層驅動、應用軟件和20多個遠程實驗，編寫了相關講義，在教學中獲得比較好的效果。作為實際操作的有益補充，學生通過多種顯示終端，即可通過瀏覽器遠程獲取實際儀表界面和實驗對象的數據，在提高設備利用率、提升實驗效果方面本系統很有應用價值，并具備一定推廣價值。實驗內容還在不斷豐富與擴展中。

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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《關于發布〈現代漢語通用字表〉的聯合通知》中恢復使用“黏(nián)”字，在表達“黏”的概念時，恢復使用“黏”字，如：黏膜、黏液、黏度系數、黏性等；在表達“粘（zhān）”的概念時，使用“粘”字，如：粘貼等。《實驗技術與管理》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

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

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