馬超偉，王平安，張佳麗，王學(xué)力

（1.河南惠思通電子科技有限公司，河南 鄭州 450001；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在線實驗系統(tǒng)的應(yīng)用對電子設(shè)備的教育和學(xué)習(xí)產(chǎn)生了重大影響。在常用的實驗?zāi)Ｊ街校瑢W(xué)生在常規(guī)實驗室動手進行實驗操作，期間可能會遇到設(shè)備故障、外界干擾或其他不確定因素的影響，造成實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的偏差。并且，由于實驗室維護成本較高和學(xué)生使用時間受限等因素，無法與不斷上升的工程實驗教學(xué)需求相適應(yīng)[1]。而仿真實驗雖因其靈活方便在一定程度上滿足了實驗需求，但其因缺乏實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性而備受詬病[2]。

因此，開發(fā)一套基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)的電工電子在線實驗室系統(tǒng)是大勢所趨。系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制真實實驗設(shè)備，遠(yuǎn)程測量實驗設(shè)備信號數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)反饋給用戶，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離做實驗。

1 系統(tǒng)架構(gòu)和主要功能

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

電工電子在線實驗室系統(tǒng)平臺采用三級架構(gòu)模式設(shè)計，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，包含客戶端、服務(wù)器端及實驗端3 部分，其中前臺為用戶提供統(tǒng)一的圖形界面，后臺按實物平臺和虛擬平臺進行統(tǒng)一管理和數(shù)據(jù)傳輸與處理等功能，實驗端為實驗操作用戶提供真實有效的實驗數(shù)據(jù)，具有良好的可擴展性。

圖1 電工電子在線實驗室系統(tǒng)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 客戶端

客戶端分為2 個角色，分別為學(xué)生用戶和教師用戶，用戶可以直接通過瀏覽器登錄實驗系統(tǒng)。學(xué)生角色具有用戶注冊、登錄、瀏覽實驗步驟、查看實驗指導(dǎo)、遠(yuǎn)程操作實驗、在線填寫實驗報告等功能，教師角色主要完成實現(xiàn)項目的發(fā)布、實驗報告的批閱、成績統(tǒng)計、學(xué)生信息統(tǒng)計等功能。

客戶端頁面使用HTML5、CSS3、Vue2.0 腳本語言進行開發(fā)，通過WebSocket 全雙工通信協(xié)議和服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)交互通信。頁面采用虛擬儀器儀表、真實電路、真實數(shù)據(jù)反饋記錄學(xué)生的實驗過程，讓用戶在實驗過程中身臨其境。

1.3 服務(wù)器端

服務(wù)器端主要包括主服務(wù)器、Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及消息分發(fā)服務(wù)器等部分。

（1）主服務(wù)器。主要完成用戶注冊、實驗交互數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等工作，是電工電子在線實驗室系統(tǒng)的核心。主服務(wù)器主要運行基于Java EE 開發(fā)的后臺接口服務(wù)器，為客戶端前臺頁面提供業(yè)務(wù)邏輯數(shù)據(jù)處理和資源管理[3]，主要功能有實驗課程的添加和修改管理，實驗內(nèi)容、實驗報告、實驗指導(dǎo)書的上傳和修改管理，班級學(xué)生管理，學(xué)生用戶批量導(dǎo)入導(dǎo)出功能、在線用戶監(jiān)控、實驗室環(huán)境監(jiān)控，系統(tǒng)參數(shù)配置管理等。

（2）Web 服務(wù)器。為通過瀏覽器登錄的用戶提供網(wǎng)頁瀏覽、界面交互等功能，使用開源服務(wù)器Nginx 部署運行，主要功能有域名綁定、訪問限制、流量限制、SSL 安全訪問證書管理、重定向、反向代理設(shè)置以及防盜鏈的設(shè)置等[4]。

（3）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。存儲用戶信息和實驗數(shù)據(jù)記錄等，使用MySQL 數(shù)據(jù)庫，對實驗過程中的用戶數(shù)據(jù)進行動態(tài)存儲、管理和維護[5]。

（4）消息分發(fā)服務(wù)器。為完成主服務(wù)器端程序和實驗裝置之間的數(shù)據(jù)通信交互，使用了基于發(fā)布/訂閱模型的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議MQTT。因為它輕量可靠、報文數(shù)量密集，能在低帶寬、高延時的互聯(lián)網(wǎng)上進行穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸[6]。消息分發(fā)服務(wù)器的主要功能有心跳機制、遺囑消息、QoS 質(zhì)量等級+離線消息、主題和安全管理功能等，將給整個實驗過程的數(shù)據(jù)傳輸帶來較為全面的應(yīng)用特點。

1.4 實驗端

實驗端為用戶的實驗操作提供對應(yīng)的真實實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)各個實驗課程的不同，實驗端所進行的數(shù)據(jù)采集方式也有所不同，主要有兩種實現(xiàn)方式。

（1）數(shù)字電子電路。Quartus 是一種功能強大的EDA 軟件，提供了完善的用戶圖形界面設(shè)計方式、邏輯電路的可視化設(shè)計以及向量波形的仿真等功能，可以使抽象的理論形象化和直觀化，在數(shù)字電路的設(shè)計過程中有著廣泛的應(yīng)用[7]。因此，數(shù)字電路采用真實電路與虛擬仿真電路相結(jié)合的方法，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集需要控制端服務(wù)器安裝Quartus 并運行相應(yīng)的程序設(shè)計，遠(yuǎn)程服務(wù)器端傳遞過來的處理命令下載接收后按照對應(yīng)指令采集實驗設(shè)備數(shù)據(jù)并返回給主服務(wù)器程序。

（2）模擬電子電路。模擬電子電路由負(fù)責(zé)消息接收處理的主控板和進行數(shù)據(jù)采集工作的被測板組成。主控板接收到數(shù)據(jù)指令后與被測板進行通信，通過串口操控繼電器控制被測板進行數(shù)據(jù)采集工作。主控板則通過網(wǎng)口與MQTT服務(wù)器獲取連接，進行命令和數(shù)據(jù)的分發(fā)處理。

2 系統(tǒng)分析與測試

2.1 實驗頁面詳情

目前系統(tǒng)已實現(xiàn)電工電子課程體系中的模擬電子電路、數(shù)字電子電路、電路原理、電工技術(shù)、電氣控制技術(shù)五門實驗課程。其中模擬電子電路為用戶提供了單級放大電路、共射共集放大電路、差動放大電路、運放的線性應(yīng)用、運放的非線性應(yīng)用、OTL 功率放大電路、整流濾波穩(wěn)壓電源、正弦波發(fā)生器共8 門實驗電路的訓(xùn)練。以單級放大電路為例介紹整個實驗過程的數(shù)據(jù)交互以及操作流程問題。

用戶通過點擊相對應(yīng)的實驗項目進入實驗詳情頁面。用戶在進行遠(yuǎn)程實驗之前可以先瀏覽實驗描述和實驗步驟，在對實驗有了一定的了解認(rèn)識之后方可進入遠(yuǎn)程實驗進行實驗操作。

進入實驗頁面，按照相應(yīng)要求完成線路連接后，點擊測試按鈕即可發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求。在此過程中，Web 端服務(wù)器首先對用戶的連線請求進行判斷，如有重大連線失誤則直接返回并告知用戶連線錯誤，避免因誤操作造成對實際電路的損壞，如圖2 所示。

圖2 實驗操作頁面詳情圖

2.2 實驗流程分析

連接正確后，Web 服務(wù)器將用戶對應(yīng)的電路發(fā)送給主服務(wù)器程序進行數(shù)據(jù)命令分析處理，主服務(wù)器將用戶命令轉(zhuǎn)換為機器指令后將其發(fā)送給MQTT 消息分發(fā)服務(wù)器，MQTT 服務(wù)器通過數(shù)據(jù)報文將命令發(fā)送給指定的硬件設(shè)備，硬件設(shè)備根據(jù)指令進行數(shù)據(jù)采集后再將結(jié)果返回給MQTT 消息分發(fā)服務(wù)器，MQTT 服務(wù)器再將實驗結(jié)果數(shù)據(jù)按照原路徑返回給實驗操作用戶。整個數(shù)據(jù)采集過程時長約為1～3 s，數(shù)據(jù)采集傳遞過程如圖3 所示。

圖3 通信流程圖

2.3 實驗結(jié)果分析

經(jīng)比較，同樣的電路在遠(yuǎn)程實驗和真實實驗室環(huán)境中用示波器觀測的波形情況基本一致，符合教育教學(xué)要求。

3 結(jié)語

防疫常態(tài)化形勢下，電工電子遠(yuǎn)程在線實驗室在教學(xué)工作中發(fā)揮著越來越重要的作用。雖然疫情是暫時的，但是在線開放課程的影響已經(jīng)深深融入了教學(xué)中。使用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程電子電氣實驗系統(tǒng)的優(yōu)勢是非常明顯的，是未來教學(xué)發(fā)展的重要趨勢，但對于學(xué)生而言，仍存在著親身體驗不足、操作感弱、意識需求增加等問題。因此，不能僅僅簡單地以互聯(lián)網(wǎng)上的遠(yuǎn)程實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗，應(yīng)當(dāng)相互交替使用，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。