【毕业学位论文】（Word原稿）基于实时交互的电基础虚拟实验平台的设计与实现-软件工程

硕士学位论文 （专业学位） 姓 名： 学 号： 所在院系：软件学院 职业类别：工程硕士 专业领域：软件工程 指导教师： 副指导教师： 二一四年三 月 基于实时交互的电基础虚拟实验平台 的设计与 实现 A in 2010 基于 人力资源管理系统的设计与实现 陈世军 同济大学 2014 F N 基于实时交互的电基础虚拟实验平台的设计与实现 同济大学 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 同济大学 硕士学位论文 摘要 I 摘要 随着快速发展的数字技术、网络技术、多媒体技术等，己经重新定义了我们的生活、学习和工作环境，在现实之外，形成了一个虚拟环境，并且与现实进行互相作用，影响现实世界。但是目前在虚拟实验软件和虚拟实验平台的设计上，存在着协作化教学环境欠缺、交互界面与实际实验差别较大等问题，这在一定的程度上影响了虚拟实验教学效果。 基于此，本项目结合电子技术的特性和具 体的教学特点，运用仿真技术、多媒体技术和网络技术，通过 术、 术，并辅以必要的网络分析法等电路分析方法， 构建实时交互的电子虚拟实验平台。 项目涵盖了电路分析课程、模拟电子线路、高频电子线路、数字电子线路等四个电学模块，涉及了相关电路模块的特征电路实验。在数据存储上，采用 术进行文件的存储，保存了实验数据和实验交互界面描述。运用 术，构建了协作性学习环境，即在该项目中设置了求助大厅和聊天窗口的功能，使得用户可以与其他在线用户形成互助的网 络操作者可将疑问上交至服务器，其他在线操作者可在登录后在求助大厅发现问题，然后对疑问行解答，并可进行在线演示操作，实现基于网络环境的协作化学习。在对于复杂电路模型，采用网络分析法，对电路内部原理进行必要的分析，将逻辑相对复杂的实验电路简化为可用编程逻辑实现的模块化电路模型，建立抽象的数学关系，实现了对于相对复杂的实验电路的真实性德模拟，保证了虚拟实验数据、实验现象的准确性。 通过本项目的设计，对于电基础相关实验课程的模式，满足电子技术相关课程实验教学的基本要求，实现了从辅助教学、自主实验到实验报告的网上提交 与批阅的全程操作与管理，能满足网上实验教学的需要，实现了实验教学方法和手段的突破与创新。通过教学系统，使学生能够通过虚拟的操作界面实现与传统的实验操作相类似的过程，实现通过软件进行设计实验以及实验电路逻辑实现等过程，使学生的实验过程更加具有针对性，将会大大的提高学生的实际实验效果。 关键词 ： 拟实验； 作化学习；网络分析法 I of in a in of a a to a on is of of of of IR by as so on of In is to is to in up to of to a to be in be on In on is be as to of to of of of to II to of of so be in to to 济大学 硕士学位论文 目录 录 第 1 章 概述 . 1 题背景 . 1 题意义 . 2 内外研究现状 . 2 目主要研究内容 . 4 文章节安排 . 5 第 2 章 相关 技术 介绍 . 6 术现状分析 . 6 台技术上划分 . 6 台技术上划分 . 6 术概述 . 7 据存储 . 9 第 3 章 需求分析 . 13 统需求概述 . 13 验课程内容需求分析 . 14 统架构需求分析 . 15 统功能需求分析 . 16 功能性需求分析 . 17 统的性能需求 . 17 作可用性 . 17 统的可扩充性及可维护性 . 17 全性需求 . 18 第 4 章 系统设计 . 19 统架构设计 . 19 统功能设计 . 20 拟实验设备功能设计 . 20 拟实验器件功能设计 . 22 拟实验内容设计 . 22 路分析实验模块 . 22 拟电子线路实验模块 . 23 频电子线路实验系统 . 24 拟实验协作化流程设计 . 25 同济大学 硕士学位论文 目录 V 第 5 章 系统 实现 . 27 统架构的实现 . 27 统功能实现 . 27 拟实验设备的实现 . 28 拟实验器件功能实现 . 31 统实验内容的实现 . 35 作化学习流程的实现 . 38 作过程的 件存储 . 38 作化流程的实现 . 39 第 6 章 总结与展望 . 42 结 . 42 望 . 43 参考文献 . 45 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成 果 . 47 第 1 章 引言 1 第 1 章 引言 近年来，随着科学技术的飞速发展，诞生了一批又一批的新技术、新理念与新成果。在此背景下，虚拟实验室 技术应运而生，虚拟实验室是一种基于 拟仿真技术构建的开放式网络化的虚拟实验教学系统。虚拟实验室是将现有的各种实验室数字化和虚拟化，虚拟实验室由虚拟实验台、虚拟实验器材库、虚拟实验管理系统等组成。虚拟实验台与真实的实验台类似，可供操作者自己动手配置、连接、调节和使用实验设备，构建实验并呈现实验结果。 电子线路的相关实验对学校实验室的要求十分高，不仅要拥有相应的设备，而且要对设备进行定期更换和养护，资金的需求十分庞大。因此，在学校的教学活动中，学生可以利用虚拟实验室来预习、回顾和设计实验，提高在实际 实验中的动手能力与解决问题的能力；教师利用虚拟实验台和虚拟实验器材库中的器材自由搭建合理的实验或者实验案例，作为在课堂上教学呈现或者作为辅助学生理解实验呈现。利用虚拟实验室老师可以辅导学生实验，也可以帮助学生设计实验，以此来达到良好的沟通与提高实验能力。 题背景 计算机和网络技术的飞速发展深刻地改变着人们的生活。事实上，快速发展的数字技术、网络技术、多媒体技术等，己经重新定义了我们的生活、学习和工作环境，在现实之外，形成了一个虚拟的 (非物质的 )环境，并且与现实进行互相作用，影响现实世界。作为虚拟环 境中的一部分，虚拟实验是现实中科学技术领域的镜像反映。虚拟实验室已经对科学研究、教育培训等领域产生了越来越重要的影响。因此对于虚拟实验室的研究己经形成了一种新的趋势 1。 目前，国内各高校对实验课的教学，大都存在着实验形式、内容、要求与实验设备、器材、场地、经费的保障相对滞后的矛盾，实验保障条件的限制在一定程度上影响了实验教学的开展和学生实践创新能力的培养。因此，开发网上虚拟实验室可以缓解实验仪器设备不足等问题，为进一步加强实验教学和实验教学对学生创新能力、实践能力培养的力度，同时降低实验教学对客观条件的 依赖都有积极的促进作用 2。基于网络的虚拟实验作为一种新型的实验类型，具有比传统实验更为灵活多样的表现形式，在提高学生素质，促进实验教学技术手段创新发展等方面将发挥重要的作用，必将有力地推动教学内容与教学方法的深刻变革，是实验教学技术的发展方向 3 4。 同济大学 硕士学位论文 基于实时交互的电基础虚拟实验平台的设计与实现 2 在虚拟技术发展的前提下，结合数字电子技术的特性和具体的教学特点，运用仿真技术、多媒体技术和网络技术构建可验证性数字电子技术虚拟实验教学软件系统，实验内容满足数字电子技术课程实验教学的基本要求，集实验教学、实验操作与实验报告于一体，实现了从辅助教学、 自主实验到实验报告的网上提交与批阅的全程操作与管理，能满足网上实验教学的需要，实现了实验教学方法和手段的突破与创新。通过教学系统，使学生能够通过虚拟的操作界面实现与传统的实验操作相类似的过程，实现通过软件进行设计实验以及实验电路逻辑实现等过程，使学生的实验过程更加具有针对性，将会大大的提高学生的实际实验效果。 题意义 虚拟实验室是建立在现实实验台基础之上的。虚拟实验教学模型是建立在现实实验教学过程、学生的认知过程、实践过程和实验教学的基本规律之上的一种教学模型。该模型由使用者实验界面呈现、实验情景 设置、实验过程模拟与仿真、实验结果总结与评价等部分组成。它可以迁移学生的学习方法，由传统的课堂教学迁移到网络和电脑教学以及更加好的高科技手段教学。这样就使得学习向多样化发展，在实际的教学过程中提高学生的学习能力与认知能力，在了解知识的前提下提高学生自我获取知识的方法与手段 5。 虚拟实验本身实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与仪器技术的结合，通过这些技术，对实验内容的体现可以很好地辅助课堂教学。尤其是在完成具体实验的时候因为器材昂贵或者实验危险等问题，以及现实实验中不可以完成具体操作的时候，虚拟实验就 可以展现其完美的特性，为课堂教学提供服务。对于工程类课程和应用类课程如果缺少了实验动手机会，课程的教学效果将大打折扣。虚拟实验则为它们提供了快速、廉价的获取各种知识和实验技能的途径。 利用虚拟实验，开展探究式教学，对于学生自主学习以及对知识地掌握都有很大帮助。虚拟实验应该具备的最基本特征有，与现实的一致性 (或现实的延伸 )、高度交互性、实施的信息反馈性。因此在虚拟实验中学生能够得到亲自动手操作的体验，并能够得到操作的及时反馈，这样的学习体验是网络课程中的文字、音频、视频无法给予的。因此，虚拟实验教学能够为学习 者提供前所未有的学习体验。 内外研究现状 虚拟实验从 1989年弗吉尼亚大学最早的提出，发展至今，演变出很多技术方法来实现。虚拟实验室综合运用了虚拟仪器、虚拟现实、数据库、网络和计算机第 1 章 引言 3 实时控制等多种技术，为实验者营造虚拟的实验环境。实验者的指令通过网络发送给服务器端的实际设备或者仿真对象，实验的结果以图表、动画等形式反馈给用户，以达到与在普通实验室中相同的实验效果。实验者可以在计算机终端自由地浏览、学习有关实验内容并进行实验。在实现手段上划分，可以从后台技术或者是前台技术作为划分依据 6 7。 1）国内外虚拟实验研究现状。 麻省理工学院的微电子实验室 (一个在线设备检测实验室，与 1998年投入教学应用测试。新版本的虚拟系统包括 作为系统性控制器和网络服务器的计算机， 个外界设备 8。验室，由美国 要用于探索和开发虚拟现实技术在化学工程领域的应用。美国密西根大学的虚拟工程 /科学试验系统能够提供以下实验项目：逻辑电路实验、扩散过程实验、石油勘探实验、机器人手臂控制实验、桥梁设计实验、管道传热实验、树木测量实验、声音传播实验、热传导实验、概率分布实验 9 10。 国内很多高校致力于虚拟实验的研究，尽管起步晚，但发展很快。已有部分高校初步建立了虚拟实验。中国科技大学研制的虚拟现实教学软件 “几何光学实验设计平台 ”是全国第一套真正意义上的虚拟实验教学软件 。清华大学构建了工程力学虚拟实验室，通过利用实际试验所得数据对力学实验进行模拟，实现了良好的实验交互，并将结果放到网上公开展示 11。上海交通大学国家工科物理教学基地物理实验中心的数据采集实验室是正在建立和完善的面向大学物理实验教学的虚拟实验系统。四川大学基于虚拟仪器的思想研制出了 “航空电台二线综合测试仪 ”，将 8台集成于一体，组成虚拟仪器系统 12。 2）目前电子类虚拟实验研究现状 以上是当前国内外关于虚拟实验技术的研究，而该项目涉猎的范围为电子线路方面，注力与电学的研究。目前，对于电子电路类虚拟实验开 发上，主要采用以下几种技术手段： 1）基于 采用 计模拟真实实验箱操作界面，以丰富的多媒体交互手段，实现数字电路及电路分析实验模拟连线操作等过程。此类虚拟实验软件良好的模拟了数字电路及电路分析实验的操作过程，但由于局限于数据处理方面的问题，此类模拟软件对于模拟实验结果上存在一定的不足，缺乏良好的扩展性和应用性 13。 2）基于第三方的电子设计类软件的虚拟实验实现 同济大学 硕士学位论文 基于实时交互的电基础虚拟实验平台的设计与实现 4 通过对于第三方电子设计类软件的设计，如 子工作平台电子设计自动化）， ，通过开发或设计手段的应用，模拟数字电子技术实验的结果，可以准确的反应数字电子技术的实验过程以及在理论上展示数字电子技术的输出结果，严谨的模拟数字电路及电路分析实验理论设计。但是，由于此类第三方软件的技术实现特点，在操作过程上和操作界面上与实际的数字电子技术实验存在着一定的差异，缺乏实际操作的真实感受，影响虚拟实验的教学效果 14 15 16。 目主要研究内容 该项目基于 术， 并结合 术，并辅以必要的网络分析法，编写了该虚拟实验操作练习系统。对于该项目的设计思路，分以下几点分别阐述： （ 1）项目的涵盖内容。该项目涵盖了电路分析课程、模拟电子线路、高频电子线路、数字电子线路等四个电学模块，涉及了相关电路模块的特征电路实验，涉及范围广，内容实施多样，知识点全面，使电子线路的相关课程的学习具有目的性和针对性，适用于电子类专业的大学生和电子线路爱好者。 （ 2）可视化界面。使用 件作为编写平台， 置的可视化组件加快应用开发的速度。另外， 供的扩展功能，可以定制个性化的界面，为电路线路的相关实验增添了趣味性和生动，激发学生的学习兴趣。 （ 3）文件的存储。采用 术进行文件的存储，保存了实验数据。将软件实验台的数据以 式保存起来。这样做主要是为了方便保存数据和交流讨论，以创造合作、交流的学习环境，使得电子线路的学习更加具有针对性和目的性，这样的帮助才更有意义。 （ 4）协作化学习环境。运用 建了协作性学习环境，即在该项目中设置了求助大厅和聊天窗口的功能，使得用户可以与其他在线用户形成互助的网络操作者可将疑问 上交至服务器，其他在线操作者可在登录后在求助大厅发现问题，然后对疑问行解答，并可进行在线演示操作，让协作性环境更加生动具体。 （ 5）网络分析法的应用。对于复杂电路模型，采用网络分析法，对电路内部原理进行必要的分析，将逻辑相对复杂的实验电路简化为可用编程逻辑实现的模块化电路模型，建立抽象的数学关系，如负反馈放大电路等电路模型，从而实现虚拟操作。实现了对于相对复杂的实验电路的真实性德模拟，保证了虚拟实验数据、实验现象的准确性。 第 1 章 引言 5 文章节安排 针对以上对于当前项目相关背景的分析以及项目内容的设计，本文在软 件工程理论以及相关技术知识体系的指导下，以服务的形式，对于电子商务业务流程进行抽象化处理，构建服务模块，并对于服务模块进行组合和流程控制，建立粗粒度的视频电子商务业务模板，实现相应的电子商务业务流程。在论文内容上，主要包含以下几个部分： 第一部分，首先论述了当前基于移动终端的视频业务发展状况，并阐述了目前移动业务架构以及运营过程中存在的问题，在此基础上，分析了本项目的选题意义和开发的必要性，并进一步介绍了项目实现的主要内容以及本论文的主要结构。 第二部分，在第一章的基础上，结合所学的理论知识，结合软件工程技 术基础，对于项目开发的过程中所需要应用的技术进行必要的阐述和分析，并阐述了各项技术结合的优缺点，为项目开发提供了一定的技术背景。 第三部分，在前面两章分析的基础上，根据实际的系统需要以及技术特点，对于系统进行详细的分析和方案的设计，包括需求分析、系统结构分析和技术分析等部分，通过这部分内容使系统设计更加合理。 第四部分，在对于系统进行详细分析的基础上，对于系统进行必要的设计，特别是针对系统的数据流程的设计以及数据关系的设计，建立必要的数据模型进行相关数据操作的表征，并设计数据关系 ，并在 的基础上进 一步的设计详细的数据表，建立完整的系统数据存储结构。 第五部分，在前面分析和设计的基础上，实现项目设计过程中所要求的各个功能，并在此基础上，对于在实现过程中的关键技术进行详细的分析，阐述关键功能的实现方法和手段，并对于系统的测试、调试等方面相关进行了一定的叙述。 第六部分，对于前面五个部分进行必要的总结，并分析了项目目前存在的问题和需要进一步改进的方法。 同济大学 硕士学位论文 基于实时交互的电基础虚拟实验平台的设计与实现 6 第 2 章 相关 技术 介绍 虚拟实验从 1989 年弗吉尼亚大学最早的提出，发展至今，演变出很多技术方法来实现。虚拟实验室综合运用了虚拟仪器、虚拟现实、数据库、网 络和计算机实时控制等多种技术，为实验者营造虚拟的实验环境。实验者的指令通过网络发送给服务器端的实际设备或者仿真对象，实验的结果以图表、动画等形式反馈给用户，以达到与在普通实验室中相同的实验效果。实验者可以在计算机终端自由地浏览、学习有关实验内容并进行实验。在实现手段上划分，可以从后台技术或者是前台技术作为划分依据。 术现状分析 目前，各个教学部门根据自身的教学需求，开发了符合教学需求的虚拟实验软件。对于虚拟实验软件从后台技术和前台技术上，可以做如下的划分： 台技术上划分 （ 1）利用 造的虚拟实验系统。 供了便利的设备访问能力和强大的实时控制能力，尤其是对虚拟仪器技术的强大支持，使得仅使用 可以构建一个完整的虚拟实验室系统。它提供的界面功能强大，外观接近真实仪器、仪表，不但可以开发各种虚拟实验，而且还可以作为训练学生掌握仪器、仪表的有力辅助工具，因而成为虚拟实验室中设备访问的首选标准 17。 （ 2）利用 造的虚拟实验系统 有强大的仿真和计算能力，一直是控制领域里最为重要的工具之一，自然也被广泛地用于虚拟实验室的开发， 尤其是对于控制类实验的开发 18。 （ 3）自行编程 (C/C+， )实现的虚拟实验系统 由于自行开发的实验系统可以最大程度地适应设备的性能，灵活定制实验的功能，因而该类型占据大多数 19。当然，在自行实现相同功能时，难度也是最大的。 台技术上划分 （ 1）利用 造的系统 由于 面向对象、面向网络、跨平台等优点，使得该方案成为目前各第 2 章 相关技术介绍 7 个虚拟实验室的首选， 仅提供了强大的设计用户界面的图形功能，而且具有较强的逻辑处理能力。 （ 2）利用组件 (术构造的系统 组件技术将单个的应用程序分隔成多个独立的模块，开发者可以随着技术的发展用新的组件取代己有的组件，使系统不断趋于完善。目前最为常用的组件技术规范有 类。该方案提供了良好的代码重用性和平台无关性，适合开发复杂的系统。 （ 3）基于 其他多媒体手段的虚拟实验系统 通过多媒体技术手段，采用 术或者其他多 媒体技术手段，设计模拟真实实验箱操作界面，以动画和交互手段，实现模拟真实的实验连线操作过程。此类虚拟实验软件可以实现数字电子技术实验的操作特点，但由于局限于数据处理方面的问题，此类模拟软件对于模拟实验结果上存在一定的不足，缺乏良好的扩展性和应用性 20。 （ 4）使用非浏览器中运行的客户端软件 该方案不通过浏览器，直接使用 P 技术与服务器相连，直接使用 服务器相连的。 术概述 2004 年， 司发布了 术，这是 展过程中的重大事件，标志着 大规模普及迈出了第一步。此后， 由于各种不为人知的原因， 司后来被大名鼎鼎的 司收购。有关 基本概念， 方的定义如下： “术可以在企业内部或在 创建并交付丰富 用程序（ 堪称最完整、最强大的 发解决方案。它使企业能够创建个性化的丰富多媒体应用程序，极大地提高用户的体验，彻底革新人与 交互关系。 ” 司于 2006 年发布了 前最新版本是 2008 年 2 月发布的术进一步迎合 发展趋势以及市场 和用户的需求，其大大超越了它的上一版本。尤其是新增的技术特性更是锦上添花，例如全面支持 增的高级 件、增加提高性能和缩减 文件体积的特性、增强与后台服务器交互等。经过多年发展过程， 术已经成为目前最完整、功能最强大的 发解决方案 21。 同济大学 硕士学位论文 基于实时交互的电基础虚拟实验平台的设计与实现 8 目前，已经有多家著名企业使用 术实施应用开发，例如 ，其所构建的应用范围包括富媒体应用程序、电子商 务、数据可视化、 在线产品定制等。这些复杂的应用与 术所具有的丰富技术特性有着密切联系。究竟最新版的 有哪些主要的技术特性呢？ 可创建跨平台跨浏览器的 用程序，并为其提供丰富的用户体验 用程序运行在 ，而该播放器在 98%以上的计算机中都已经安装，这为创建跨平台跨浏览器的应用程序奠定了坚 实基础。使用 用程序，这样可以吸引更多用户，提高效率和满意度 22。 1）支持 用开发 持 用程序开发。 一个跨平台的运行时。 够使得开发人员利用现 有的 发技能（包括 势，建立和配置跨平台的桌面 用。 行了全面支持，其内置新的 时 集成开发环境对创建 用程序进行了优化。 支持与 协同工作 将 合应用能够 实现流畅统一的工作流程。例如，使用 够创建为 接受的资源，接着利用 可轻松导入这些资源，并使之成为 户界面的构成部分。 2）提供高级数据服务 开发人员利用开源 够轻松的将 用程序与后台分布式数据和 务器之间连接起来，从而实现实时的数据驱动的交互应用。 3）支持开源 司已经宣布对 源。这样，任何人都能够免费使用，并且对开源框架进行扩展和 改进，从而满足自身需要。这是 一步走向普及，对抗竞争对手的重要措施 24。 4）有效提高开发人员生产效率 为了提高开发人员生产效率， 置了很多应用程序组件，这些组件能够帮助开发人员快速构建规范丰富的用户界面，例如文本类控件、数据和图表组件、各种容器等。另一方面， 为开发、调试、部署应用程序提供了强大支持。 就目前而言， 术是构建 最佳解决方案。无论国外国内，多数组织