一种B/S架构的电工电子云实验系统设计与实现

肖 建，邓薛强，薛 梅，郭宇锋，刘芫健

一种B/S架构的电工电子云实验系统设计与实现

肖 建1，邓薛强2，薛 梅1，郭宇锋1，刘芫健3

（1. 南京邮电大学 电子与光学工程学院，江苏 南京 210023；2. 深圳市鼎阳科技有限公司，广东 深圳 518101；3. 南京邮电大学 教务处，江苏 南京 210023）

运用智能化仪表控制技术、网络服务器技术以及嵌入式技术，设计和实现了一种B/S架构的云实验系统，包括网络服务器、远程可控电工电子实验箱、底层驱动、应用软件和实验内容，可通过广域网远程实时获取实际仪表界面和被测硬件对象的数据，可获得比纯软件仿真的远程实验更为真实准确的实验结果，在实际教学应用中获得较好的效果，具备一定应用与推广价值。

云实验系统；B/S架构；虚拟仿真；远程实验

2012年3月，教育部在《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》[1]中提出建设有中国特色的教育信息化体系，创建优质教育资源共享的信息化学习环境，并提出建设学习型社会的信息化支撑服务体系。借助技术手段建设信息化的实验环境与条件成为实验建设工作的重要部分。作为实际操作实验的补充与强化，虚拟仿真实验可以作为高成本、高危险以及不易观察等实验的有益补充[2-4]，也为理论计算和实验预习提供了方便。远程虚拟仿真实验[5-7]的开展，为学生提供不限时间和空间的实验资源访问权限，具有很大的灵活性，在虚拟仿真实验的建设中，多个高校获得了很多远程实验方面的建设成果[8-19]。

1 云实验系统整体架构

本文所构建的云实验系统，整体目标定位为虚实结合的远程实验系统，可通过广域网提供校内外学生随时随地访问与使用。

1.1 设计背景

本云实验系统主要分成2个模块，一是纯软仿真模块，即基于高性能服务器部署对运行性能要求较高的仿真软件，提供给学生远程使用；二是结合服务器、智能仪表和远程实验箱构建的实物远程实验。模块一是为了解决实验中心计算机老化、部分学生没有个人计算机、专业软件对运行平台的性能要求不断提升的问题，采用了瘦客户机模式，学生只要具备上网条件，在低计算性能设备上，也可完成较为复杂的高性能要求的虚拟仿真实验。模块二为远程实物的信息化实验方法，采用远程数据采集与控制方式，对真实实验对象进行操作和数据获取。以下重点介绍模块二的远程实验系统部分。

1.2 远程实验系统框架

如图1所示，远程实验系统分为3个部分：一是深圳鼎阳科技提供的电工电子智能化仪表套件，包括SDG2042X信号发生器、SDM3055数字万用表、SPD3302X-E稳压电源和SDS1102X数字示波器，都具备网络测控接口，可远程设置参数控制其工作方式和实时获取数据；二是远程电工电子实验箱，由ARM内核单片机主控、模拟电路模块和FPGA数字电路模块构成，可通过网络进行远程控制，实现多种远程实验操作；三是基于B/S架构的服务器端，实现数据网络传输、管理与界面呈现。

图1 远程实验系统框架

2 服务器端设计

服务器端采用了基于Java技术的J2EE架构，具备较好的伸缩性和扩展性，易于开发维护。

如图2所示，Controller层实现与前端的MVC分发；DAO（data access object）层实现数据访问对象；业务逻辑部分实现业务对象；Service层实现与业务逻辑的接口服务；驱动层实现与智能仪器的远程控制层与数据交换。

图2 服务器端技术分层架构框图

服务器端软件实现用户管理、资产管理、实验台管理、实验管理、仪器控制、资料管理和安全验证几大模块，为远程实验的开展提供了高速稳定的服务器平台，其典型用户界面如图3所示。

图3 典型用户界面

云实验系统的服务器端对使用者屏蔽了硬件细节，使用者可以通过计算机、平板和手机等联网设备的浏览器，访问服务器数据，获得所需要的实验资料并完成实验。使用者包括教师和学生，实现从教师课件下达、学生预习、操作实验、数据采集、报告生成和教师批改等实验教学全过程。

3 远程电工电子实验箱设计

远程电工电子实验箱是基于ARM+FPGA结构，主要包括电源模块、通信模块、电路控制模块以及受控电路模块。电源模块采用了XL2576S降压型开关稳压模块、AMS1117-3.3和AMS1117-1.2稳压芯片，获得实验箱所需的5 V、3.3 V和1.2 V的电压，给整个实验箱系统提供稳定的工作电压。

通信模块负责实验箱与服务器之间的信息交互，采用RS232串口单元以及网口转串口单元，因为数据量较小，采用了9600bit/s的低速波特率进行通信。由于TTL和RS232接口工作电平不同，在串口和控制电路之间增加了ADM3202RN作为电平转换器，隔离串口与单片机和FPGA接口，以保护电路，防止高电压损坏相关器件。

受控电路模块是整个实验箱的核心，其主要器件由STM32F103主控单片机和FPGA构成。STM32F103是32位Cortex-M3内核CPU，最高工作频率为72 MHz；FPGA则采用了Xilinx Spartan-XC3S50，作为可编程逻辑器件实现数字实验电路部分。由STM32F103通过串口接收由通信模块传送过来的数据并应答，然后控制FPGA来实现数字电路部分重构，或者控制模拟电路继电器，实现模拟电路部分的重构。

图4为远程电工电子实验箱印刷电路板截图。

图4 远程电工电子实验箱印刷电路板截图

4 教学应用

基于本文云实验系统的实验典型流程如图5所示。首先由指导教师下达实验任务与预习要求，学生进行课前预习，通过计算或者Multisim等仿真软件获得实验理论结果，提交预习报告；获得指导教师批准，方可进入实验课程；按照页面提示的实验内容，完成实验步骤，获得远程仪表、远程实验箱返回的实验数据，在网页上即可实现仪表截图、数据表格导出，通过填写电子报告模版完成实验报告；报告提交后，教师完成电子报告批改，从而完成整个实验流程。

以RLC串联谐振电路实验为例，学生预习报告中应完成仿真计算，获得理论结果，如图6所示。

图5 云实验系统典型实验流程

通过远程实验平台，采用逐点法测量不同输入频率情况下RLC串联电路的输入输出电压比，即远程调节数字信号源输出不同频率、有效值不变的正弦信号，用数字万用表测量输出端（需要通过ARM主控芯片控制继电器实现测量端口切换）信号有效值，从而计算出输出信号相对于输入信号的电压比值，获得如表1所示实验数据（R为电阻两端电压，为输入信号频率），并与理论结果进行比对分析。实验过程中，所有远程智能仪表的数字化面板都显示在学生端显示设备上，较为直观、清晰，且可截图复制到电子报告中；所测量的数据也无需通过实物示波器屏幕读取，极大地提高了实验效率。采用远程实验的方法，获得的RLC串联电路幅频特性实际测量数据见表1所示，对应的幅频特性曲线如图7所示。

图6 RLC串联谐振电路软件仿真结果

表1 逐点法远程测量RLC电路的幅频特性测量数据

图7 逐点法远程测量RLC电路的幅频特性曲线

本文构建的云实验系统已经在我校国家级电子科学与技术实验教学示范中心、国家级信息电子技术虚拟仿真实验教学中心应用2年，可完成电工电子模拟类实验5个、数字类实验20余个，为学生的实验预习与复习提供方便。

5 结语

运用智能化仪表控制技术、网络服务器技术、物联网技术的基础上，设计和实现了全套B/S架构的云实验系统，包括网络服务器、远程可控电工电子实验箱、底层驱动、应用软件和20多个远程实验，编写了相关讲义，在教学中获得比较好的效果。作为实际操作的有益补充，学生通过多种显示终端，即可通过浏览器远程获取实际仪表界面和实验对象的数据，在提高设备利用率、提升实验效果方面本系统很有应用价值，并具备一定推广价值。实验内容还在不断丰富与扩展中。

[1] 教育部. 国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）[N]. 人民日报，2010-03-01(05).

[2] 陈静，戚文革，黄珊珊. 导爆管起爆系统仿真实训装置设计与实现[J]. 实验室科学，2018, 21(3): 10–13.

[3] 谌建飞，邓敏，唐俊龙，等. 实时大规模远程实验通信方案研究[J]. 计算机工程与应用，2018, 54(19): 94–100.

[4] 李丞，卢燕飞，赖威，等. 远程软件无线电开放实验平台设计与实践[J]. 实验技术与管理，2018, 35(2): 103–107.

[5] 袁小平，金鹏，蒋硕，等. 基于LabVIEW的远程虚拟实验室建设与应用[J]. 实验技术与管理，2016, 33(12): 114–117.

[6] 赵同刚，申仲舰. 电子信息类虚拟远程实验室建设的探索：以北京邮电大学为例[J]. 中国远程教育，2015(11): 51-56, 66.

[7] 潘玉恒，鲁维佳，陈佳慧，等. 电子信息类专业课程远程虚拟实验平台的构建[J]. 实验室科学，2018, 21(3): 75–77.

[8] 李红莉，胡毅，王永红，等. 基于LabVIEW的远程可视化实验平台开发[J]. 电气电子教学学报，2017, 39(1): 123–126.

[9] 马学条，陈龙. 基于虚拟仿真技术的数字电路实验教学探索[J]. 实验技术与管理，2016, 33(10): 127–129.

[10] 郑磊，胡仁杰，堵国樑. 电工电子远程在线实践的研究与探索[J]. 实验科学与技术，2016, 14(4): 18–22.

[11] 罗继明. 异构多核平台下数电类远程虚拟实验系统的研究与实现[D]. 南京：东南大学，2016.

[12] 谢朝龙. 基于Web的多智能体系统实验平台的设计与实现[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.

[13] 陶冲，李宏. 远程控制数字系统实验平台设计与实现[J]. 实验技术与管理，2018, 35(1): 104-108, 115.

[14] 姜艳红，王开宇，孙鹏，等. “电路实验”课程虚实结合实验教学体系探索与研究[J]. 工业和信息化教育，2018(1): 83–87.

[15] 勾荣，姜春艳. 远程教育实验资源建设与教学研究[J]. 中国教育技术装备，2017(16): 133–135.

[16] 汪鑫，雷勇，涂国强，等. 基于虚拟仪器的远程实验台的改进与实现[J]. 实验室研究与探索，2017, 36(8): 125–128, 172.

[17] 赵湘宁，梁忠. 基于Internet的远程网络工程实验室的设计与实现[J]. 实验科学与技术，2017, 15(6): 202–207.

[18] 王春. 基于ARM的FPGA远程实验系统的研究[D]. 杭州：杭州电子科技大学，2017.

[19] 张彦航，刘宏伟，陈惠鹏，等. 基于FPGA的硬件类课程远程虚拟实验平台[J]. 实验技术与管理，2017, 34(1): 16–20.

·字义辨析· 粘与黏国家语言文字工作委员会和中华人民共和国新闻出版暑于1988年3月25日《关于发布〈现代汉语通用字表〉的联合通知》中恢复使用“黏(nián)”字，在表达“黏”的概念时，恢复使用“黏”字，如：黏膜、黏液、黏度系数、黏性等；在表达“粘（zhān）”的概念时，使用“粘”字，如：粘贴等。《实验技术与管理》编辑部编录

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

国家自然科学基金项目（61874059）；江苏省高等教育教改研究课题（2017JSJG531）；江苏高校“青蓝工程”资助；南京邮电大学实验室工作研究课题（2016XSG01）

肖建（1976—），男，江苏金坛，博士，副教授，副院长，国家级电子科学与技术实验教学示范中心副主任，主要从事嵌入式系统应用方面的研究。E-mail: xiaoj@njupt.edu.cn