摘 要：文章主要介紹了將虛擬實驗室與實物實驗室相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實驗室。首先分別闡述了虛擬實驗室和實物實驗室兩種實驗室所具有的特點，并將兩類實驗室做了一定的對比。之后提出基于虛實結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實驗室的概念。最后就網(wǎng)絡(luò)實驗室中的模擬電子技術(shù)實驗各個環(huán)節(jié)的設(shè)計方案進行了詳盡的分析，并總結(jié)了虛實結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實驗室這一科學(xué)技術(shù)的發(fā)展前景等。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)實驗室；電工電子實驗；模擬電子技術(shù)實驗

中圖分類號：TP391.9

網(wǎng)絡(luò)實驗室又被簡稱為iLab，是科學(xué)技術(shù)與信息網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的產(chǎn)物，是一種依靠因特網(wǎng)的信息傳輸機制實現(xiàn)信息互換的實驗系統(tǒng)。主要是結(jié)合了計算機的仿真技術(shù)、計算機的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及遠程控制，以此實現(xiàn)使用的用戶能夠通過遠程登入操作系統(tǒng)進行實驗。與傳統(tǒng)的實驗室相比較，網(wǎng)絡(luò)實驗室具有更好的資源共享性，具有不受時間地點的約束，能夠?qū)υO(shè)備高效利用等等一系列的優(yōu)點。是能夠緩解實驗教學(xué)中日益增加的需求的一種有效解決方案。

1 虛實兩類實驗室的特點分析

就目前情況來說，網(wǎng)絡(luò)實驗室的研究主要分為兩個類別。一是實物網(wǎng)絡(luò)實驗室，是以遠程數(shù)據(jù)的采集和控制方案為基礎(chǔ)的一類網(wǎng)絡(luò)實驗室；另一類是虛擬實驗室，主要是以計算機仿真等等技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)實驗室。

1.1 虛擬實驗室特點分析

虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室實際上就是指基于Virtual Reality虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進行實驗的教學(xué)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種教學(xué)實驗室數(shù)字化以及虛擬化。結(jié)合了計算機具有的圖形處理技術(shù)以及設(shè)備控制，能夠在計算機上展現(xiàn)出一個虛擬環(huán)境。學(xué)生能夠子啊這一個實驗平臺上自主進行實驗的設(shè)計，具體的實驗操作以及對實驗結(jié)果進行驗證。在虛擬實驗室的設(shè)計中，客戶端以及服務(wù)器之間是通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。用戶通過網(wǎng)頁登錄虛擬實驗室，即可進入一個虛擬的實驗環(huán)境。由于虛擬網(wǎng)絡(luò)實驗室在主體上的設(shè)計是純軟件性的，所以同時能夠具備實驗啟動的速度較快以及實驗結(jié)果能夠即使反饋等特點。

1.2 實物網(wǎng)絡(luò)實驗室特點分析

實物網(wǎng)絡(luò)實驗室保留了現(xiàn)實中真實的實驗所需設(shè)備，并通過多媒體、數(shù)據(jù)采集以及遠程控制等技術(shù)將其與互聯(lián)網(wǎng)很好的結(jié)合在一起，將實驗場景從現(xiàn)實的實驗室轉(zhuǎn)向用戶。使得用戶能夠通過電腦進行實物網(wǎng)絡(luò)實驗室，遠程操控實驗室內(nèi)的實驗設(shè)備，并能夠通過網(wǎng)絡(luò)反饋實驗所得的數(shù)據(jù)和結(jié)果。與虛擬實驗室進行比較可發(fā)現(xiàn)，實物網(wǎng)絡(luò)實驗室更加適合用于遠程控制一些高端的精密的實驗儀器和一些較難進行虛擬化的實驗所用設(shè)備。

2 基于虛實結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實驗室的結(jié)構(gòu)

虛實結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實驗室是指將虛擬仿真以及實物實驗進行結(jié)合的一種電工電子技術(shù)實驗網(wǎng)絡(luò)實驗室，可簡稱為LEE-Lab。使用此項技術(shù)的用戶能夠通過Web遠程登錄指定的實驗系統(tǒng)并能夠進行在線實驗，不會受到任何時間以及地點的限制。當(dāng)用戶在使用此平臺時，不僅能夠選擇進行某一項虛擬仿真實驗，并獲得實驗結(jié)果，還可以選擇進行同一實驗的實物的實驗，能夠獲得通過硬件實驗而得到的實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)。虛實結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實驗室主要包括了客戶端、服務(wù)器端以及實驗端三大部分。下面就從這幾個方面的設(shè)計理念和原理等做詳細的闡述。

2.1 客戶端

電工電子實驗網(wǎng)絡(luò)實驗室采用了瀏覽器/服務(wù)器的架構(gòu)，是通過將實驗場景的插件內(nèi)嵌入瀏覽器中，登錄即可進入網(wǎng)絡(luò)實驗室。這樣的瀏覽器客戶端具有的通用性極高，并不需要用戶事先對客戶端的APP進行下載，只需要安裝了基于IE等的瀏覽器既可以通過互聯(lián)網(wǎng)進行登錄。對實驗室場景的插件在登錄是從服務(wù)器進行下載即可使用。

2.2 服務(wù)器端

服務(wù)器端用于將客戶端以及實驗端之間進行連接，包括Web服務(wù)器、應(yīng)用的服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器還有視頻服務(wù)器這四個部分。這四臺服務(wù)器是處在統(tǒng)一高速局域網(wǎng)當(dāng)中的，這樣就能夠保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的實時性以及穩(wěn)定性。

（1）Web服務(wù)器?？梢允褂玫腤eb服務(wù)器例如Tomcat，其具有的特點是技術(shù)先進、性能較穩(wěn)定，且在運行時占的系統(tǒng)資源較少，適合用于電工電子網(wǎng)絡(luò)實驗室的Web服務(wù)器。

（2）應(yīng)用服務(wù)器。此類服務(wù)器主要用于監(jiān)聽用戶的連接以及請求等。應(yīng)用服務(wù)器包括了虛擬調(diào)度模塊以及實物的實驗服務(wù)兩個模塊。分別能夠起到的作用是能夠相應(yīng)用戶發(fā)送的虛擬實驗的請求以及實物的實驗請求。

（3）數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器。適合作為電工電子網(wǎng)絡(luò)實驗室的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要是MySQL，這是一個開放源代碼的關(guān)聯(lián)式的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，由于MySQL具有體積較小、速度較快且成本較低等優(yōu)點，在互聯(lián)網(wǎng)的小型網(wǎng)站中都得到了廣泛的應(yīng)用。電工電子網(wǎng)絡(luò)實驗室的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用MySQL能夠用來記錄用戶登陸的信息以及實驗完成后的實驗結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的存儲和管理。

（4）視頻服務(wù)器。視頻服務(wù)器采用了嵌入式的視頻服務(wù)器設(shè)計方案，上電后就能夠穩(wěn)定的進行工作，并不需要進行編程。使用電工電子網(wǎng)絡(luò)實驗室的用戶能夠通過網(wǎng)頁的直接連接，通過視頻來對實驗結(jié)果進行觀察和分析。

2.3 實驗端

電工電子網(wǎng)絡(luò)實驗室的實驗端包括兩個部分，分別是虛擬仿真以及實物實驗，以此能夠?qū)崿F(xiàn)分別對某項實驗進行仿真的計算以及實物的實驗運行這兩部分的工作。其中虛擬仿真端是由分布式的一組計算集群構(gòu)成的，每個節(jié)點都能夠運行一個監(jiān)控程序，并承擔(dān)起應(yīng)用服務(wù)器中的虛擬調(diào)度的模塊所分配給的仿真計算的任務(wù)。實物的實驗端主要是包括了實驗板、實驗的儀器以及數(shù)據(jù)的采集卡還有工控機和攝像頭這五個部分。實驗所得的結(jié)果是由實驗板產(chǎn)生的，并通過實驗的儀器以及數(shù)據(jù)采集卡的采集傳送至工控機，然后由工控機的控制程序?qū)⑦@種數(shù)據(jù)反饋到服務(wù)器上。

3 基于網(wǎng)絡(luò)實驗室的模電實驗

3.1 數(shù)據(jù)的通信方式

在基于網(wǎng)絡(luò)實驗室的模電實驗中系統(tǒng)可以采用可擴展標(biāo)記語言的數(shù)據(jù)交換格式以及對場景的描述方式。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對電子文件進行標(biāo)記并使其具有了結(jié)構(gòu)性的標(biāo)記言語，這一方案可以用作對數(shù)據(jù)進行標(biāo)記以及定義數(shù)據(jù)的類型的方式。并且能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中存在的數(shù)據(jù)交換以及表示進行適當(dāng)?shù)暮喕?。使得代碼、數(shù)據(jù)以及表示能夠分隔開來。概括來說XML具有簡單性，可重用性，可擴展性等等許多的特點。由于電工電子網(wǎng)絡(luò)實驗室的數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程是十分繁復(fù)的，且涉及到的領(lǐng)域很廣，于是就需要采用粘合性較強的通用的一種通信方式來連接各個模塊之間所要進行的數(shù)據(jù)交換。結(jié)合XML所具有的許多特點，可以選用XML作為各模塊間數(shù)據(jù)的通信方式。

3.2 客戶端的設(shè)計

由于Adobe Flex瀏覽器插件技術(shù)是可以進行移植的、可重用的、可以進行調(diào)整且靈活多變，可以采用Adobe Flex的瀏覽器播放器插件進行網(wǎng)絡(luò)實驗室中的實驗場景設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的進行動態(tài)交互。設(shè)計者應(yīng)當(dāng)先設(shè)計出獨立的實驗場景的界面，然后將其編譯成Flash插件，這樣能夠使用戶只需要進行一次下載就可以獲取到實驗場景，不需要多次進行下載。該實驗操作界面應(yīng)當(dāng)主要由三個部分組成：實驗工具欄、實驗器件列表、操作界面。在實驗場景界面中，實驗所需的元器件可以將其放置在器件列表以及操作面板這兩個模塊中。

3.3 虛擬仿真端的設(shè)計

仿真語言可以采用Modelica作為基礎(chǔ)的建模語言。Modelica是新型的、面向大型復(fù)雜異構(gòu)的物理系統(tǒng)對象的建模語言。[1]基于虛實結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實驗室具有極強的跨學(xué)科性，所以Modelica能夠支持多領(lǐng)域進行統(tǒng)一建模這一特性，很好的符合了設(shè)計的需求。就從模電實驗角度來說，Modelica標(biāo)準庫中包含了電阻、電源、運算放大器等等常用的元器件模型，開發(fā)人員能夠直接從標(biāo)準庫中調(diào)用模型來進行模擬電路的系統(tǒng)性建模。

電工電子網(wǎng)絡(luò)實驗室的虛擬仿真端是由虛擬的實驗計算調(diào)度的模塊以及計算節(jié)點這兩大部分組成。虛擬實驗的計算調(diào)度的模塊屬于電工電子網(wǎng)絡(luò)實驗室中的應(yīng)用服務(wù)器，主要是負責(zé)對客戶端傳入的實驗場景的文件進行接受，并能夠根據(jù)當(dāng)前的計算集群中的計算節(jié)點所具有的負載，將需要執(zhí)行的任務(wù)進行有效分配給較為空閑的一些計算節(jié)點，能夠有效的提高工作效率。計算節(jié)點是指已經(jīng)安裝Open Modelica的仿真環(huán)境，其任務(wù)主要是能夠承擔(dān)起由計算調(diào)度模塊分配而來的任務(wù)。

3.4 實物實驗端的設(shè)計

這里就模擬電子技術(shù)的實物實驗端的設(shè)計框架作一個大致的描述。在對LEE-Lab進行設(shè)計的過程中，所涉及的各個學(xué)科的實物實驗端對其結(jié)構(gòu)的設(shè)計都是大致相同的，主要包含了三個部分：實驗?zāi)K、數(shù)據(jù)采集的模塊以及控制端。這里就以模擬電路的實驗作為例子，簡述其硬件結(jié)構(gòu)的大致框架。

實驗?zāi)K即指實驗電路板，是由I/O型擴展芯片8255A以及繼電器還有具體的實驗電路三大模塊組成，其中包含了模電技術(shù)基礎(chǔ)中的共射極放大電路以及同相比例的放大電路等等基礎(chǔ)的實驗電路。數(shù)據(jù)采集的模塊首要任務(wù)是進行數(shù)據(jù)的采集，采用了多功能的數(shù)據(jù)采集卡例如PCL-812，可以通過ISA插槽進行安裝?？刂贫藢嶋H上指的就是已經(jīng)安裝到工控機上面的C++語言匯編的控制程序，可以通過接口函數(shù)來進行數(shù)據(jù)采集卡的調(diào)用，以此就能夠?qū)崿F(xiàn)控制端與實驗板之間數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié)束語

總的來說，基于虛實結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實驗室不僅是通過將虛擬實驗室以及實物實驗室相結(jié)合的綜合性的設(shè)計方案，有效的整合了系統(tǒng)的軟硬件資源，還簡化了系統(tǒng)低層的傳輸協(xié)議，整體上實現(xiàn)了操作的便捷化、響應(yīng)更加快速，演示過程更加逼真的這樣一種遠程實驗控制技術(shù)。和其他的網(wǎng)絡(luò)實驗室進行比較，虛實結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實驗室具有一定的超前性，不僅在功能上十分的實用，在用戶的操作以及實驗效果兩方面也十分優(yōu)秀。雖然該技術(shù)優(yōu)點是顯而易見的，缺點也是必然存在的。所以，在將來的研究過程中，應(yīng)該及時提出缺點不足和存在的問題，并及時進行分析，提出解決方案。只有這樣才能設(shè)計出一個更加完善的基于虛實結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)實驗室。

參考文獻：

[1]何振磊.基于虛實結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實驗室的模擬電子技術(shù)實驗[D].浙江大學(xué)，2013.

[2]謝瑞杰.構(gòu)建虛實結(jié)合的計算機網(wǎng)絡(luò)實驗室[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2014.

[3]張守恒.虛實結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實驗室服務(wù)端設(shè)計與實現(xiàn)[D].浙江大學(xué)，2013.

作者簡介：吳毅君（1983.11-），女，福建福州人，助教，工程碩士，研究方向：計算機應(yīng)用。

作者單位：福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007