0 引言

    實(shí)驗(yàn)教育是現(xiàn)代教學(xué)不可或缺的一部分，是學(xué)生實(shí)踐技能提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在工科類高等教育中扮演著尤其重要的角色。但由于設(shè)備老化速度快、故障率高、維護(hù)投入大、資金需求高等問(wèn)題，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的局限性比較大。因此，有必要建立一個(gè)滿足學(xué)習(xí)和培訓(xùn)需要的、具有較高開放性和實(shí)用性的基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室主要有兩種形式：一種是基于實(shí)物設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室；另一種是虛擬仿真的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室。由于基于實(shí)物設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室資源有限，無(wú)法同時(shí)滿足所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)請(qǐng)求，而一些EDA商業(yè)軟件（如Pspice和Multisim）既沒有針對(duì)課程實(shí)驗(yàn)的具體場(chǎng)景，過(guò)高的操作基礎(chǔ)要求也帶來(lái)了很大的局限性�；�于TCP/IP協(xié)議的雙CS結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室，利用流式套接字技術(shù)和自定義TCP/IP協(xié)議，優(yōu)化了通訊流程。所介紹的是基于B/S架構(gòu)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，客戶端由Java Applet實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)Java類來(lái)傳輸用戶操作請(qǐng)求。提出基于Web技術(shù)，在LabVIEW環(huán)境下利用Remote Panels技術(shù)和Run-Time Engine引擎實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)及控制的虛擬實(shí)驗(yàn)室解決方案。

    浙江大學(xué)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“電工電子學(xué)科在線虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”是國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”的子課題。虛擬實(shí)驗(yàn)室采用Web瀏覽器方式構(gòu)建平臺(tái)，避免了多個(gè)操作系統(tǒng)間的兼容問(wèn)題，利用Modelica進(jìn)行元件的統(tǒng)計(jì)建模，并開放代碼以方便新實(shí)驗(yàn)的增加和項(xiàng)目的擴(kuò)展。  本研究著重討論利用虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)界面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以及Modelica對(duì)元件的建模方法，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與EDA軟件仿真結(jié)果相對(duì)比，用以展示統(tǒng)一建模語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)和影響。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

    虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)需要考慮通訊協(xié)議、模型建立、界面可視化等多方面因素。浙江大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用統(tǒng)一建模語(yǔ)言Modelica對(duì)實(shí)驗(yàn)所需元件進(jìn)行建模，界面中的所有器件均可自由拖動(dòng)連接，用戶可以方便地組建電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，管理員也可以在后臺(tái)直接操作更改實(shí)驗(yàn)。

    1.1 結(jié)構(gòu)組成

    虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)由瀏覽器端、管理端和實(shí)驗(yàn)端3部分組成，如圖1所示。

    圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

    (1)瀏覽器端�？蛻舳瞬捎脼g覽器方式，作為人機(jī)交互的界面，用戶在此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作。客戶端開發(fā)的基本結(jié)構(gòu)有兩種典型結(jié)構(gòu)：客戶機(jī)/服務(wù)器(Client/Server)結(jié)構(gòu)和瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server)結(jié)構(gòu)。由于前者需要安裝客戶端桌面程序，通常會(huì)出現(xiàn)兼容性問(wèn)題，并且操作復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳輸速度慢。本研究采用Web瀏覽器方式，既避免了多個(gè)操作系統(tǒng)間的兼容問(wèn)題，并且應(yīng)用簡(jiǎn)單方便、穩(wěn)定性強(qiáng)。

    (2)管理端。服務(wù)器是管理端的主要結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和用戶管理；平臺(tái)共有3個(gè)相應(yīng)的服務(wù)器：數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web服務(wù)器以及計(jì)算服務(wù)器，各自獨(dú)立存儲(chǔ)管理端所用的全部數(shù)據(jù)，保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的正常運(yùn)行。

    (3)實(shí)驗(yàn)端。其功能是專注于仿真計(jì)算和結(jié)果數(shù)據(jù)的傳輸。平臺(tái)通過(guò)多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)共同承擔(dān)虛擬仿真的結(jié)果計(jì)算工作，整個(gè)流程為：計(jì)算監(jiān)控模塊監(jiān)聽用戶請(qǐng)求，實(shí)驗(yàn)調(diào)度模塊分配計(jì)算任務(wù)，計(jì)算模塊完成仿真計(jì)算等過(guò)程后將結(jié)果反饋，同時(shí)關(guān)閉計(jì)算進(jìn)程以釋放系統(tǒng)資源。

    1.2 平臺(tái)可視化及用戶界面設(shè)計(jì)

    在虛擬實(shí)驗(yàn)前臺(tái)界面的設(shè)計(jì)中，開發(fā)者利用Flex Builder開發(fā)Flex插件應(yīng)用程序，使得其運(yùn)行在用戶瀏覽器中的Flash Player中，用戶的任何操作都將通過(guò)Flex插件顯示于瀏覽器中。Flex插件提供可視化的操作環(huán)境，供用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作；同時(shí)與數(shù)據(jù)交換層進(jìn)行通信，完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

    1.2.1 平臺(tái)可視化開發(fā)

    在應(yīng)用程序開發(fā)中，開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境都和開發(fā)語(yǔ)言分不開，ActionScript是一種面向?qū)ο蟮拈_發(fā)語(yǔ)言，起初只能在Flash開發(fā)環(huán)境中開發(fā)和編譯，隨著技術(shù)的發(fā)展，能夠開發(fā)ActionScript的軟件逐漸增多。但是，無(wú)論ActionScript程序是在何種環(huán)境或工具下開發(fā)的，最終都會(huì)被編譯生成擴(kuò)展名為.swf的文件，在Flash Player上運(yùn)行。Flex Builder是用于構(gòu)建應(yīng)用程序的集成開發(fā)環(huán)境(Integrated Development Environment，IDE)，是一個(gè)基于豐富的ActionScript語(yǔ)言的開發(fā)框架。Flex Builder集成了大量的可視化組件，如滾動(dòng)條、復(fù)選框、列表框等。這些組件都由適當(dāng)?shù)男袨闃?gòu)成，所有添加具備強(qiáng)大功能的交互界面元素只是一拖一放這樣簡(jiǎn)單。因?yàn)樗�有的組件都由標(biāo)準(zhǔn)的圖形構(gòu)成，只需編輯組成組件外觀的圖形或者使用外觀樣式就可以改變組件外觀。

    1.2.2 用戶界面設(shè)計(jì)

    用戶操作平臺(tái)所包含的界面元素由MXML語(yǔ)言描述，主體界面元素包含3個(gè)組成部分：器件列表、實(shí)驗(yàn)桌和實(shí)驗(yàn)工具欄。每個(gè)Flex插件將覆蓋一門課程的虛擬場(chǎng)景操作平臺(tái)，左側(cè)器件列表羅列了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)課程可供使用的元器件（使用XML統(tǒng)一描述列表內(nèi)容），右側(cè)實(shí)驗(yàn)桌供用戶拖拽和連接元器件，上方工具欄供用戶對(duì)操作平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置。除了這3個(gè)主要界面元素以外，每個(gè)元器件都需要一個(gè)屬性面板供元器件屬性配置，測(cè)量?jī)x器儀表類元器件還需要一個(gè)虛擬儀器面板供結(jié)果顯示。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用戶登錄界面如圖2所示。

    圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用戶登錄界面

2 Modelica統(tǒng)一建模

    Modelica語(yǔ)言是日前被廣泛使用于不同領(lǐng)域建模的統(tǒng)一建模語(yǔ)言，它具有模型重用性高、建模語(yǔ)言簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。作為一種基于陳述式方程的建模語(yǔ)言，Modelica模型由描述不同領(lǐng)域子模型規(guī)律特性的一系列數(shù)學(xué)方程構(gòu)成，系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算求解微分代數(shù)方程實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行，因此開發(fā)者可以任意開發(fā)具有特定屬性規(guī)律的相應(yīng)器件。

    2.1 器件的建模

    Modelica提供了一個(gè)常用的模型庫(kù)，內(nèi)容包括各個(gè)領(lǐng)域的器件模型，一些最基本的對(duì)象已經(jīng)預(yù)存到Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中，用戶町以直接調(diào)用，復(fù)雜對(duì)象則需要用戶自行構(gòu)建。虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中所需的大部分元器件均來(lái)自于模型庫(kù)，模型庫(kù)中不存在的元件由開發(fā)者自行建模。

    以數(shù)字電路譯碼器實(shí)驗(yàn)為例，數(shù)字電路譯碼器實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是對(duì)器件進(jìn)行建模，澤碼器實(shí)驗(yàn)主要依托74LS138譯碼器元件，其他元件包括電源、電壓表、示波器等，而Modelica模型庫(kù)中已有其他器件的模型，所以本研究在此將工作的重點(diǎn)投入到74LS138譯碼器建模上來(lái)。虛擬實(shí)驗(yàn)室中非標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)內(nèi)元件的建模通常有兩種途徑：①基于標(biāo)準(zhǔn)模型庫(kù)中的已有模型，即按照所需器件的性質(zhì)或邏輯，對(duì)已有模型進(jìn)行相應(yīng)的連接，完成建模；②自主構(gòu)建，即按照所需器件的電路特性，完全通過(guò)建立描述方程來(lái)創(chuàng)造新的器件模型，不需要Modelica基本庫(kù)中的模型信息。由于74LS138譯碼器邏輯特性復(fù)雜，若采取上述第②種方法自主構(gòu)建，特性方程很難描述且過(guò)于繁瑣，因此本研究采用方法①。本研究利用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的“與非門”基本模型，按照譯碼器邏輯（如圖3所示），通過(guò)連接相應(yīng)的管腳，完成對(duì)譯碼器元件模型的組建。Modelica提供了非常強(qiáng)大的組件模型，因此通過(guò)Modelica語(yǔ)言的連接機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)組件虛擬連接。但是連接必須基于相同類型的連接器connector，各種元件的連接器類都已經(jīng)定義完成。在建模中，connect語(yǔ)句用來(lái)連接各個(gè)部件，體現(xiàn)了模型組織的組件連接機(jī)制，組件之間的耦合關(guān)系(connect)需要在生成方程中體現(xiàn)。

    圖3 74LS138譯碼器邏輯圖

    2.2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的搭建及可視化關(guān)聯(lián)

    實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的搭建利用上述Modelica基本器件，通過(guò)連接器，按照實(shí)驗(yàn)要求連接而成，同時(shí)需要完成實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景模型中參數(shù)的初始化設(shè)置。除此之外，本研究還需要將譯碼器實(shí)驗(yàn)添加到整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)插件中，以確保元件及試驗(yàn)場(chǎng)景可以正常的供用戶使用。

    以數(shù)字譯碼器實(shí)驗(yàn)為例，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為驗(yàn)證74LS138譯碼器元件的內(nèi)部邏輯．因此需要令控制端G1=1，G2A+G2B=0，使譯碼器處于工作狀態(tài)，通過(guò)改變輸入端A、B、C的輸入信號(hào)組合，觀察輸出端Y0～Y7的信號(hào)，以此驗(yàn)證澤碼器的邏輯。試驗(yàn)場(chǎng)景的搭建需要首先定義控制端信號(hào)BT(k=true)、BF(k=false)和輸入端信號(hào)DT（k=true）、DF(k=false)。然后，本研究將BT與G1相連，BF與C1A和C1B相連，使譯碼器處于工作狀態(tài)。輸入端則可以通過(guò)不同組合來(lái)模擬不同的輸入，同時(shí)輸出端Y0～Y7分別接LED指示燈(Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)內(nèi)基本模型)，用以判斷電平的高低。

    實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒�立完畢，但Modelica模型僅僅是后臺(tái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)所依托的模型，只有將其與前臺(tái)FLEX插件可視化元素之前通過(guò)數(shù)據(jù)交換層建立通信后才可完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的可視化界面。當(dāng)用戶在FLEX插件上進(jìn)行操作時(shí)，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)包將會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)交換層以XML語(yǔ)言的格式被交換到實(shí)驗(yàn)端，實(shí)驗(yàn)端解析數(shù)據(jù)包并調(diào)用OpenModelica求解編譯器OMC將信息編譯為可執(zhí)行文件并存儲(chǔ)在本地。本研究運(yùn)行可執(zhí)行文件進(jìn)行計(jì)算仿真后將結(jié)果數(shù)據(jù)返回，并在Flex插件上顯示相應(yīng)可視化結(jié)果。因此本研究需要給器件建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)插件關(guān)聯(lián)才可以使其在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中出現(xiàn)，供用戶拖拽擺放。本研究首先將譯碼器的可視化圖片添加到平臺(tái)素材庫(kù)中，使用SVG以XML語(yǔ)言描述圖片的二維屬性，并將譯碼器元件名稱添加到描述器件列表的文件（后綴名為.as）中，編寫譯碼器的XML描述文件，定義各管腳的坐標(biāo)，并與素材庫(kù)中元件的可視化圖片二維屬性相關(guān)聯(lián)。完成譯碼器元件的可視化工作后，譯碼器元件才會(huì)出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)界面左側(cè)的器件列表中。

3 結(jié)果測(cè)試比較

    下面以數(shù)字電路譯碼器實(shí)驗(yàn)為例，利用EDA軟件Multisim對(duì)相同實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行仿真，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本研究將操作界面與結(jié)果反饋同虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相比較，得出虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)及成果。

    3.1 仿真軟件Multisim及測(cè)試結(jié)果

    Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司推出的基于Windows操作系統(tǒng)的商業(yè)仿真軟件，憑借對(duì)SPICE復(fù)雜內(nèi)容的高度提煉，Multisim已經(jīng)廣泛用于電路的仿真和分析，由于對(duì)用戶的SPICE技術(shù)要求不高，相較于其他PDA軟件，Multisim更適合電子電路的教學(xué)。Multisim軟件中提供了可供選擇、拖拽的可視化模型庫(kù)，幾乎涵蓋了大部分電路設(shè)計(jì)所需的元器件。本研究利用模型庫(kù)內(nèi)元件搭建譯碼器實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，令G1=1，G2A+G2B=O，使譯碼器處于工作狀態(tài)。以輸入端A=B=C=1為例，得到輸出端結(jié)果Y0=Y1=Y2=Y3=Y4=Y5=Y6=1，Y7=0，Multisim中譯碼器實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及輸出結(jié)果如圖4所示。

    圖4 Multisim譯碼器實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及輸出結(jié)果

    3.2 操作及結(jié)果比較

    浙江大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為用戶提供了基于Web網(wǎng)頁(yè)形式的開放實(shí)驗(yàn)室，用戶無(wú)需下載客戶端，登錄網(wǎng)頁(yè)即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用戶通過(guò)從左側(cè)器件欄中拖拽元件，完成電路連接后，點(diǎn)擊“運(yùn)行實(shí)驗(yàn)”即可進(jìn)行仿真。以譯碼器實(shí)驗(yàn)中輸入信號(hào)A=B=C=1為例，實(shí)驗(yàn)開始，數(shù)據(jù)返回�？梢娸敵龉苣_Y0～Y6所接的發(fā)光二級(jí)管均為點(diǎn)亮狀態(tài)，說(shuō)明這7個(gè)管腳的輸出為高電平；輸出管腳Y7仍然處于熄滅狀態(tài)，說(shuō)明該管腳輸出為低電平。結(jié)論與Multisim仿真一致，符合譯碼器元件的輸入，輸出邏輯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。浙江大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)譯碼器實(shí)驗(yàn)界面及返回結(jié)果如圖5所示。

    圖5 浙江大學(xué)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及返回結(jié)果

    與Multisim等商用軟件相比，浙江大學(xué)虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)需付費(fèi)，操作門檻低，更適合中、高等院校的電子電路教學(xué)使用。譯碼器實(shí)驗(yàn)中8個(gè)輸出端(Y0～Y7)分別連接發(fā)光二級(jí)管，通過(guò)觀察二極管的明暗變化來(lái)判斷輸出電平的高低，與EDA軟件的示波器界面相比，結(jié)果顯示更加直觀。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景上方工具按鈕提示清楚，功能明確，實(shí)驗(yàn)界面更加人性化，易于被學(xué)生接受。除此之外，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)避免了軟件下載和本地安裝的麻煩，用戶可以隨時(shí)隨地方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)的可視化效果真實(shí)，場(chǎng)景與實(shí)物電路非常接近，實(shí)驗(yàn)的還原度高，結(jié)果返回準(zhǔn)確快速，便于學(xué)生理解和實(shí)踐學(xué)習(xí)，對(duì)電工電子實(shí)驗(yàn)教育具有很高的價(jià)值和實(shí)際意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

    浙江大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作簡(jiǎn)單，界面可視化拖拽效果流暢，結(jié)果返回準(zhǔn)確快速，整個(gè)平臺(tái)指導(dǎo)性強(qiáng)，有助于提高學(xué)生的知識(shí)理解能力、問(wèn)題分析能力以及新知識(shí)探索和運(yùn)用能力。

    該平臺(tái)可以滿足所有用戶同時(shí)登錄實(shí)驗(yàn)的需求，有效地分擔(dān)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備資源的壓力。同時(shí)，開放的代碼及模型為構(gòu)建添加實(shí)驗(yàn)提供了方便，減少了設(shè)備更新的成本和消耗，提高了實(shí)驗(yàn)效率，在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中有著一定的指導(dǎo)意義。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.ezxoed.cn/

本文標(biāo)題：基于Modelica的數(shù)字電子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文網(wǎng)址：http://www.ezxoed.cn/html/solutions/14019310629.html