虚实结合的“模拟电子技术”课程远程实验系统

吕昌远， 吴 涓

(东南大学 仪器科学与工程学院， 江苏 南京 210096)

虚实结合的“模拟电子技术”课程远程实验系统

吕昌远， 吴 涓

(东南大学 仪器科学与工程学院， 江苏 南京 210096)

本文介绍了一套基于B/S(浏览器/服务器)架构的“”模拟电子技术“”课程远程实验系统。系统同时提供虚拟仿真实验和硬件实物实验两种实验模式，其中虚拟仿真实验利用Multisim和LabVIEW联合仿真技术实现，多种电子电路硬件实物实验平台利用STM32微控制器设计实现。虚实结合实验模式有助于优化实验安排，通过虚实结果对比，使学生认识到理论与实践的差异。

模拟电子技术；远程实验；虚实结合

0 引言

工科院校实验教学中，远程实验系统是其重要组成部分。远程实验系统能够解决实验仪器数量和质量不足的问题，学生可以利用网络，在任何时候，从任何地点远程访问实验室，完成实验操作，从而大大提高实验教学效率[1]。

远程实验系统可分为两类：一类是基于计算机仿真技术的虚拟仿真实验，如北京邮电大学采用Flash和HTML等技术所设计的电类课程虚拟实验系统，可为学习者提供相关课程的实验演示及功能操作等方面的训练[2]。这类实验虽然节约硬件成本、使用方便，但学生不能面向真实电路对象，对提高学生动手实践能力有一定局限性。另一类是基于远程数据采集控制的实物实验，如美国麻省理工学院设计的以iLab为构架的远程实验系统，世界各地的研究人员均可以通过网络对该实验系统进行访问，这类远程实验能让用户操控真实仪器设备，实践性强，但由于硬件实验模块固定，实验内容相对单一[3]。

在过去的十多年中，虚拟仿真实验和远程实物实验呈现独立发展态势。实物实验具有较强的交互性和临场感，虚拟仿真实验则不受外界影响，维护更新方便。整合虚拟仿真实验资源与实物实验资源，开发虚实结合远程实验平台，是一项取其两者优势的有益尝试。在实验资源受限的情况下，学生可以先进行虚拟仿真实验，后进行实物实验。通过将虚实实验结果对比，使学生进一步理解理论结果与真实实验结果的差异，加深学生对知识的理解，同时这种先虚后实实验模式还可提高实验系统安全性。

“模拟电子技术”是电子信息类专业的基础课程，具有较强的理论性和实践性。“模拟电子技术”实验教学是培养学生工程意识和创新能力，以及提高学生综合素质的重要环节[4]。构建虚实结合“模拟电子技术”课程远程实验平台，能够解决实验设备短缺问题，且能够进一步促进学生对该课程知识的学习。

LabVIEW是由美国NI公司开发的图形化编程语言，具有易学、方便、快捷的特点，广泛应用于远程实验系统[5-7]。LabVIEW软件具有强大的网络互连特性，其程序可以很方便地嵌入HTML网页中，并实现在互联网上的发布。利用此特性开发远程实验系统可以避免开发复杂网络通信协议，而将开发重点放在实验项目本身。

本文设计完成了一套基于B/S架构的“模拟电子技术”虚实结合远程实验系统(以下简称本远程实验系统)，重点介绍了先虚后实远程实验系统的构架和实现方法，其中包括利用LabVIEW和Multisim联合仿真技术实现虚拟仿真实验系统、利用STM32微控制器实现远程实物实验所需的可控信号源调节、实验电路切换、关键元器件值更改、电路结构重构等几个关键问题。

1 本远程实验系统架构

目前，远程实验系统体系结构主要有两种模式：一种是C/S(客户端/服务器)模式，另一种是B/S(浏览器/服务器)模式。这两种架构方式各有优缺点，应用于不同场合。C/S模式技术成熟、交互性强，但是不便于维护和升级；B/S模式使用方便、且易于移植，便于升级维护。本远程实验系统采用B/S模式，用户只需使用标准的Internet浏览器，直接访问专用Web服务器的页面就可以完成整个实验过程。

本远程实验系统由客户端、服务器端、实验端三部分组成，如图1所示。

图1 远程实验系统架构

用户直接面对客户端，在浏览器网页内设计实验、发送操作指令、查看实验结果；服务器端连接客户端及实验端，负责将客户端实验命令转发至实验端，并将实验结果返回至客户端；实验端包括虚拟仿真实验端和硬件实物实验端两个部分，这两者接收各自实验命令，并控制实验运行。为增加远程实物实验真实感，通过USB摄像头开发视频监控系统。

2 本远程实验系统实现

本远程实验系统提供6个典型模拟电子技术实验，实验内容如图2所示。

◎细菌性腹泻一般也叫痢疾，典型症状是发热、阵发性腹痛、脓血便或黏液便。如果白细胞和脓细胞很高（建议标准是每高倍视野白细胞或脓细胞>10个），高度怀疑是细菌感染，需要带宝宝去医院，医生会化验血常规、C反应蛋白、细菌培养、药敏试验等做参考，遵医嘱，使用抗生素。

图2 模拟电子技术远程实验内容

用户先完成仿真实验，获取理论结果，再通过远程控制实验电路板完成实物实验。仿真实验利用Multisim软件和LabVIEW软件联合仿真实现，用户在LabVIEW搭建的界面内加载电路并进行仿真实验，观察仿真结果。实物实验基于STM32为控制核心的电路实验平台，用户在LabVIEW控制界面内配置相关实验电路参数，通过视频观察显示的实验结果。

使用LabVIEW的Web工具将实验面板进行网络发布，用户不需要安装客户端软件，只需在浏览器内输入相应URL，打开控制界面，获取控制权限后便可进行仿真或实物实验。

2.1 虚拟仿真实验

在LabVIEW编写的程序界面内加载电路文件，并对电路进行必要的参数修改是实现整个虚拟仿真实验的关键。本文使用LabVIEW和Multisim联合仿真技术实现，由系统提供Multisim电路文件。联合仿真技术用到LabVIEW Multisim Connectivity Toolkit工具包，它是对Multisim Automation API的封装。打开、关闭、查看电路，以及运行、暂停和停止仿真等各种函数都被添加到了VI中。

通过调用工具包包含的各类函数可方便实现对电路的仿真操作，程序采用循环事件结构和队列结构实现[8]，仿真实验面板如图3所示，联合仿真实验流程如图4所示。

图3 模拟电子技术仿真实验面板

图4 模拟电子电路仿真实验流程

2.2 硬件实物实验

系统提供的六个模拟电子技术实验，都需要使用可调信号源(正弦波振荡电路除外)，为此设计了一个可调信号源作为公用，通过切换给不同的实验电路作为输入信号。六个实验电路采用模块化思想，设计在同一块电路板上。

实物实验电路结构如图5所示。

图5 实物实验硬件电路结构

1)主控单元

STM32主控单元是整个实验板电路的核心，它通过串口与服务器PC进行通信，完成命令解析后，控制各个实验电路运行，完成实验电路切换、元器件值更改、电路结构重构等功能。

2)信号源及实验电路切换

采用STM32自带12位DAC产生正弦波、三角波、方波等信号，并将此单极性信号转为双极性信号作为实验电路所需信号源。信号源由六路实验共用，幅值-3.3V～+3.3V，频率可调。由于用户无法实现对示波器的远程调控，可观测的信号频率一定，因此将信号源频率限制在0.5～2 kHz。

由STM32控制模拟多路开关将信号源接入所控制某一实验电路，完成实验电路切换。将六路实验输出结果接入另一片模拟多路开关芯片，将对应的输出信号接入示波器，供用户通过视频远程查看。

3)元器件值更改及电路结构重构

针对不同实验需求，通过控制数字电位器解决电阻值更改问题，采用继电器控制电路通断解决实验电路结构重构问题。

以共射放大电路实验为例，选取数字电位器MCP41100作为该电路基极电阻， 用户进行实验时，可以通过调节该放大电路基极电阻值改变三极管的静态工作点，观察静态工作点的改变对输出波形和放大倍数的影响。MCP41100的数字调节范围是0～256，数字每增加(或减少)一位，电位器的值就会成比例地增加(或减少)。STM32与MCP41100通过SPI总线进行通信，通过向MCP41100写数据命令实现对数字电位器的阻值调节。

4)模块化接入功能

为实现电路实验板“硬件升级”，设计两路实验扩展接口，每路实验均提供两路继电器控制接口、一路数字电位器控制接口以及信号输入输出控制接口。当用户需要扩展实验电路内容时，只需要将新设计的实验电路模块通过标准接口接入此实验板，并添加对应LabVIEW控制面板程序即可。

最终设计出硬件电路板实物如图6所示。

图6 硬件电路实物图

2.3 实时视频监控系统

用户通过视频监控可获取示波器监测结果以及实验端工作状况。NI公司的Vision Development Module(视觉开发模块)是专为开发机器视觉和科学成像而设计，该模块包括NI Vision Builder和IMAQ Vision两部分。针对目前视频监控系统价格昂贵的现状，采用普通USB摄像头和Vision Development Module开发稳定、流畅的视频监视系统，避免了用户在远程实验时仅仅是设置参数、得到实验数据，增加了远程实验的真实感。

2.4 远程实验网络发布

网络发布是搭建本远程实验系统的关键。通过配置LabVIEW的Web服务器将VI前面板进行网络发布，远程用户通过网页浏览的方式操作VI前面板，完成远程实验。

首先要对Web服务器进行相应配置，远程用户才能浏览Web服务器发布的网页。配置过程如下：①勾选“启动远程前面板服务器”，输入Web服务器根目录位置，Web服务器开始运行；②勾选“允许访问”，使得所有用户都可以访问；③浏览器访问设置“允许查看和控制”，用户可以通过浏览器进行访问。配置完成后，点击Web发布选项就可以实现VI的发布。发布后的地址格式为：http://IPadress:Port/VIname.html，其中IPadress为服务器IP地址，Port为服务器端HTTP端口号，VIname为VI名。

在第一次使用本远程实验系统时，需要在客户端安装LabVIEW Run Time Engine插件。用户通过在浏览器上输入URL地址进入实验页面，点击“请求VI控制权”选项就可以获取VI控制权限，系统遵循“先申请先获取”原则。同一时刻，只有一个用户可以获得程序控制权限。为避免用户长时间“霸占”实验资源，提高系统运行的安全性，在发布的实验网页中加入一段JavaScript代码，设定实验时间结束时，网页自动关闭，程序控制权限自动解除。

图7为客户端用户正在使用本远程实验系统，进行硬件实物实验，图8为远程实验现场。

图7 客户端

图8 远程实验现场

3 结语

本文所设计“模拟电子技术”课程远程实验系统具有以下优势：网页式访问功能，操作简便；成本低廉、通用性强、具有良好的可扩展性；仿真实验和实物实验相结合，丰富了实验内容，加深了学生对知识的理解运用。虚实结合实验模式为远程实验系统的发展提供了新的思路。

本远程实验在优化资源配置等方面具有优势，但不能完全替代传统动手实验。在实验资源紧缺或实验条件受限的情况下，可先进行仿真远程实验和实物远程实验，待条件成熟时仍可补充进行动手实验。

我们计划在后续的研究中，通过进一步丰富本实验系统可调元件参数及电路结构数量，提高用户自主设计能力。通过加入实验管理平台，为用户提供更多的实验课程资源，并引导用户认识、设计、操作实验，激发用户的学习兴趣并提高用户自主解决问题的能力。同时，可以在系统架构不变的基础上，开发电子信息类其它实验课程，比如数字电子技术实验、电路实验等。

[1] 刘婷, 钱杨义, 彭豪. 基于网络的远程实验室研究：国内13年研究回顾[J]. 杭州: 远程教育杂志, 2013, (2): 107-112.

[2] 王昀. 基于JAVA技术的虚拟仪器元件库设计与实现[D]. 北京: 北京邮电大学, 2010.

[3] J. L. Hardison, K. DeLong, P. H. Bailey, et al. Deploying Interactive Remote Labs Using the iLab Shared Architecture[C]. 38th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference, 2008.

[4] 晏湧. 模拟电子技术实验教学改革的探索与实践[J]. 北京: 实验技术与管理, 2012, 29(4): 288-290.

[5] 邵晓娟, 卢庆林. 基于虚拟仪器技术的远程电子实验平台的设计与实现[J]. 北京: 电子测试, 2014, 18: 23-25.

[6] 屈晓旭, 张用宇, 娄景艺. 基于虚拟仪器的通信原理远程实验平台设计[J]. 上海: 实验室研究与探索, 2011, 33(7): 41-43.

[7] M. Tawfik, E. Sancristobal, S. Martin, et al. Virtual Instrument Systems in Reality (VISIR) for Remote Wiring and Measurement of Electronic Circuits on Breadboard[J]. IEEE Transactions on Learning Technologies, 2013, 6(1): 60-72.

[8] 王文婷, 赵锦成, 刘金宁, 等. 电路分析课程网络化仿真系统设计与开发[J]. 天津: 实验室科学, 2014, 17(3): 83-87.

Development of Analog Electronic Technology Remote Experimental System Based on Virtual and Real Combination Framework

LV Chang-yuan, WU Juan

(SchoolofInstrumentScience&Engineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

A set of B/S (Browser/Server) structure remote experiment system for Analog Electronic Technology Course is designed in this paper. Two experimental models of virtual simulation experiment and hardware practicality experiment are provided in this system. The virtual simulation experiment is conducted using Multisim and LabVIEW Co-simulation technology. The hardware experimental platform of various electronic circuits is based on STM32 microcontroller. The combination of virtual simulation experiment and hardware practicality experiment helps to optimize the experimental arrangement. Through the comparison of the virtual and real results, it will make students aware of the discrepancy of theory and practice.

analog electronic technology; remote experiment; virtual and real combination

2015-12-06;

2016-01-27 基金项目：国家自然科学基金项目(编号：61473088)2015年美国国家仪器公司产学合作国家大学生创新创业计划联合基金项目

吕昌远(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为远程实验系统研究，E-mail：lvchangyuan_seu@163.com

TN710

A

1008-0686(2016)05-0103-05