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基于Flex的虚拟实验平台的设计与开发

范文

刘红亮　王丹志

摘要：随着计算机技术的飞速发展，网络虚拟实验系统已经可以借助现代通信和信息处理技术带给学生更真实的实验体验。虚拟实验室与传统实验室相比具有投入成本低廉、无损耗、维护简单、更新速度快，容易实现相同条件下的重复实验、容易扩展和共享等优点。虚拟实验平台逐渐成为热门的研究方向。

关键词：虚拟仪器；虚拟实验室；Flex

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

0 引言

随着高校教育在现阶段以课堂教学为主，随着素质教育的深入扩展，实验课程的重要性开始得到学校、老师的重视，通过实验课可以联系实际和课本上的知识，培养学生的兴趣养成良好的学习习惯，引导学生从实际中发现问题，思考问题，开拓学生的思维，提高学生解决问题的能力，从而最大限度地发挥学生的主管能动性和锻炼学生的实际动手操作能力。然而很多高校由于资金匮乏，很多实验设备在数量上和质量上已经远远不能满足现在实验教学的需要。

随着计算机技术的飞速发展，网络虚拟实验系统已经可以借助现代通信和信息处理技术带给学生更真实的实验体验。虚拟实验室与传统实验室相比具有投入成本低廉、无损耗、维护简单、更新速度快，容易实现相同条件下的重复实验、容易扩展和共享等优点。远程网络虚拟实验平台逐渐成为设计和开发的热门项目。

虚拟实验室利用计算机来模拟实验环境以及实验过成，学生无需进入实验室，只需要通过计算机登录实验平台既可以选择实验。虚拟实验室包括实验室信息管理平台，学生实验信息管理平台，虚拟实验器材以及虚拟实验仪器等部分组成。实验室信息管理平台向教师提供了开设实验课程、管理实验内容以及管理选课学生等服务，学生可以预习实验内容，自己动手配置连接实验设备，观察实验结果生成实验报告。

1 虚拟实验平台系统设计

1.1系统的总体设计

本文致力于开发一个，高性能、高可用、高可扩展性、体验友好的远程网路虚拟实验平台。系统要满足大学基本的电子电路实验，信号与系统实验、通信原理实验的教学需求，能够提供大纲要求的实验项目。并且系统能够提供一套易用的API方便增加实验。

通过对比国内外已有的虚拟实验室发现，基于Flash的实验系统具有用户交互性好、开发速度快、可扩展性强、对服务器性能要求低等优点。本文采用基于Flex的Cairngorm框架开发实验系统界面（UI）。Cairngorm是Flex的一个快速开发框架，框架本身提供了很多封装好的功能，用户只需调用对应的类实现即可，无需自己重复编程，极大的提高了开发的效率，并且Caimgorm框架框架提供了与Java服务器通信的方案，不需要再去集成第三方应用，即可实验与服务器异步通信。后台采用Struts2+Spring+Hibernate框架开发，用户数据通过Caimgorm框架调用异步通信的接口同Struts2框架进行通信，Struts2框架接受到用户请求后，将请求数据转发的Spring管理的service层，由Spring进行具体的业务逻辑处理，最后再交由Hibernate保存到数据库中。当用户进行导出实验报告操作时，自动评价系统从数据库里读取用户实验结果信息，将其与实验要求进行对比给出评分，整个系统框架设计如图1。

1.2登录系统的设计

整个登录系统独立于实验系统，采用SSH（Struts2+Hibernate+Spring）框架进行开发，在实验平台平台上分三种角色：教师、学生、管理员。教师可以在实验系统上开设自己的实验课程，然后选择教授的课程编写课程大纲，学生注册后可以登录实验平台然后根据自身需求选择有兴趣的老师的实验课程。然后根据课程要求完成实验内容。管理员可以管理整个试验平台，可以开闭教师的课程，管理选课的学生。

1.3虚拟数字信号发生器的设计

信号发生器作为模拟信号的产生设备，可以提供标准的方波、三角波、正弦波等信号，并且可以设置这几种波形的频率、幅值、方波的占空比等参数。使用信号发生器产生的波形模拟生产环境的信号，用来测试元器件、电路在不同信号下的响应，从而可以在电路的开发阶段就测试出电路的性能。虚拟数字信号发生器界面的总体设计如图3。

虚拟数字信号发生器界面的设计：界面上主要包括波形选择下拉菜单，频率设置输入框、幅度设置输入框、两路输出选择复选框、开始按钮这几种控件。Flex已经提供了这几种控件的封装。FlashBuilder4.5支持两种开发模式，可以选择设计视图或者源代码视图。我们选择可视化设计方式/Design mode，Flex界面上将出现设计面板/design canvas、所支持的组件/Components、以及Flex属性栏/Properties views。我们可以将自己需要的控件拖放到主视图上，然后通过控件的位置属性调整控制的位置，通过控件的事件属性调整控件的事件相应。虚拟数字信号发生器设计如图4所示。

1.4虚拟示波器的设计

示波器是一种能够用途广泛的、显示电压信号动态波形的电子测量仪器。主要由三部分组成，探头、控制面板、显示面板。示波器的原理是将单位时间通过探头采集到的电压信号，经过转换计算然后由控制部分控制显示的显示，最后以随着时间推移的动态波形。示波器提供了丰富的控制功能，对于频率较高的波形我们可以设置采样时间，这样我们就能看到单个波形的形状，对于幅度较小的波形，我们可以调节示波器的采样幅度，这样就能就波形放大显示到显示屏上。示波器还提供了频率计算，峰峰值计算，有效值计算，等丰富的测量功能。还可以通过显示器上的刻度线来计算某一时刻波形的幅值。

虚拟示波器不仅在外观上同真实的示波器相同，而且需要具有真实示波器的主要功能：能够支持双通道数据的显示，并且能够分别对其进行控制，可以设置耦合方式，能够单独调节每一路波形的垂直方向便宜和水平方向便宜；支持电压档位选择和频率档位选择，显示电压档位为10mv-5v，频率档位为lus-10ms；支持测量功能，可以显示出每一路波形的最大值、最小值、峰峰值、有效值、频率和周期等参数；可以接收并且显示虚拟数字信号发生器产生的波形。实验平台所设计的示波器如图5所示。

1.5虚拟实验电路的设计

对已有的实验总结发现，每块电路板上会有两个输入端，两个输出端，以此为基础建立我们的虚拟实验板模型，新添加实验时只要按照这个模版添加对应对电路图和计算方法即可。

首先实现电路板输入端与信号发生器输出端的连接功能。这里我们采用自定义事件的方式来进行连接。采用ActionScript封装了PinPoint类，PinPoint类继承了Event类，这样它就可以以事件的方式传播出去。PinPoint中还有x、y属性用来保存当前节点的位置，在连线的时候就可以通过起始点的横纵坐标值和终点的横纵坐标值来进行连线了。PinPoint还有type属性，用来区分不同的节点。

其次在连接建立之后，就需要把信号发生器的数据读入到电路板中，这时候就需要建立对数字信号发生器数据的监听。虚拟电路实现效果图如图6。

2 虚拟实验系统测试

选择集成运算放大器实验进行测试。首先打开系统选择模拟实验，然后选择集成运放实验，对数字信号发生器进行设置，选择波形为正弦波，输入频率值为1000HZ，输入幅度为1V，将输出一与输出二都勾选上。

其次对运算放大器实验板进行设置，设置管脚4的输入值为-12V，管脚7的输入为12V，输入R1=RF=RP=1000Ω。

对电路进行连线（如图7），开启示波器的CH1，CH2通道并且选择耦合方式为交流，此时打开数字信号发生器的START按钮，可以观察到示波器上显示出两个相位相反的波形，旋转频率按钮，让波形变的稀疏易于观察，然后旋转幅度调节旋钮，增大波形的幅度。改变的输入电压的值将观察结果填写到表格中。

3 结论

最终网络虚拟实验平台完成了模拟实验、信号与系统实验、通信原理实验三门实验课程主要实验的开发工作。其中模拟实验包括：电阻非线性实验、二端网络实验、谐振电路研究实验、RC充放电实验、三极管放大实验、差动放大实验、集成运放实验。信号与系统实验包括：信号的抽样恢复实验、零状态响应实验、二阶网络实验、无源滤波器实验、有源滤波器实验、信号分解实验。通信原理实验包括：数字基带实验、AM调制解调实验、滤波器实验、相对解码实验、2ASK实验、2FSK实验、2PSK实验、DPSK实验、PAM实验。

本文设计的实验电路按照真实实验标准来看，还存在一些需要改进的部分，比如：模拟实验中电路对输入信号相位的影响还无法计算出来，虚拟示波器尚不支持波形的水平方向移动。要完成这些功能，还需要深入研究，进一步进行开发测试。

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