（测试计量技术及仪器专业论文）测试网体系结构与网上实验技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文以现代测试技术与应用实验室为背景， 传感器振动测试平台远程实物实验系统的组建， 介绍了现代测试技术与应用网上实验室和 并就组建网上实验系统的若干关键技术进 行了深入的阐述。 为了实现测试系统的网络化、开放化和标准化，基于对传感器振动测试平台远程实物 实验系统的深入探索和研究，本文提出了一种以测控中心服务器为核心，由测试服务器和 标定服务器组成的、具有开放与互联能力、支持网上测试应用服务功能的分布式网络化测 试系统体系结构，并分析了刨建此类结构的网络化测试系统的关键技术。 另外，本文针对分布式网络化测试系统体系结构，提出了测控中心服务器、测试服务 器和标定服务器等三个新的概念，并对这些概念进行了定义和阐述，以及对其结构组成和 组建技术进行了分析。 ， i 垫宇：网络教长远程实粤网络化测试；哒墨堕塑型笙! ! 竺璺苎鹭测试脾舞墅握j 妻夥 ，一一一o + 一 店两 7 77 、； 闻露拉l 式三。j i 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t b a s i n go nt h em o d e m t e s tt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o nl a b o r a t o r y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h eb u i l do ft h em o d e mt e s tt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o nn e t w o r kv i r t u a ll a b o r a t o r ya n dt h e s e n s o rv i b r a t i o nm e a s u r ep l a t f o r md i s t a n c ep r a c t i c a l i t ye x p e r i m e n ts y s t e m t h ep a p e ra l s o e x p a t i a t e so ns e v e r a lk e yt e c h n i q u e so f b u i l d i n gn e t w o r kl a bs y s t e m 。 i no r d e rt or e a l i z et h en e t w o r k e dt e s t s y s t e mw i t ho p e na r c h i t e c t u r ea n dp r o m o t et h e s t a n d a r d i z a t i o no ft h ea r c h i t e c t u r e ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r t ha no p e na r c h i t e c t u r eo fd i s t r i b u t e d n e t w o r k e dt e s ts y s t e mb a s e do nt h ee x p l o r a t i o na n dr e s e a r c ho ft h es e n s o rv i b r a t i o nm e a s u r e p a f r o r md i s t a n c ep r a c t i c a l i t ye x p e r i m e n ts y s t e m ，w h i c hi s c o m p o s e do ft e s t c e n t e rs e r v e l t e s ts e r v e ra n dc a l i b r a t i o ns e n ，e lt h ep a p e ra l s oa n a l y s e st h ek e y t e c h n i q u e so fb u i l d i n gt h e n e t w o r k e dt e s ts y s t e m 。 i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rs e tf o r t ht h ec o n c e p to ft h et e s t - c e n t e rs e r v e r , t h et e s ts e r v e ra n dt h e c a l i b r a t i o ns e r v e r , a l s od e f i n e st h e s ec o n c e p t ，a n a l y s e st h es t r u c t u r ea n d b u i l d i n gt e c h n o l o g yo f t h e s es e r v e l k e y w o r d s ：n e t w o r ke d u c a t i o n ，d is t a n c ee x p e r i m e n t ，n e t w o r k e dt e s t 。a r c h i t e c t u r e t e s t c e n t e rs e r v e r ，t e s ts e r v e r ，c alib r a tj0 ns e r v e r i i 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 。1 课题磷究的鹜景与意义 远程教育的蓬勃发展，使得人们基于网络的学习成为可能。在远稷教育给人们的学习 提供巨大方便的同时，也渐渐地突出了另一个方面的矛盾，那就是稆对于可醣远程进行静 理论教学模式而言，传统实验教学模式是近距离往的，僵由于教学机构与学习者奁空溺上 分离，学习者到学校实验室做邋距离的现场实验总是相当潮难，当然遣不群麓在每个学习 者所在处( 如众监、家庭等 建立实验室，这样就产生了东远程教育串实验教学与远程教 学模式不适应静状况，并爵经蔽蠹了制约远程教育覆量熬一个蓬要因素。妇每处理运纛教 学有关实验方瑟的教学内容，远程学习耆黧留远程接受实验方甄的训练，这在远爨教育中 或许是浸荚挑战性豹课题之一。 磊嚣，解决远程教育实验教学颚节的方法大致寿以下几季申： l 、采熠计算枫软传技术，开发各秽c a i 实验教学课l 牛，企真模拟实验过程，并通过 网络让学生操纵各搴中c a i 谋 牛进行实骏过程的学习，从而达到远稷虚拟实验教学的目的； 2 、采用以通用微型计算机为基础的虚拟仪器技术，构建虚拟仪器教学平台，开展远 程仪器教学。学生在计算机上操纵各种虚拟仪器进行实验，就如同是在操作传统仪器一样 有效，与在真实实验室的现场实验做出的实验结果是一样的； 3 、以计算机为核心，组建基于网络的远程实物实验系统，结合虚拟现实技术，开展 远程实物实验。这样，学生可以通过网络鼗陆到实验系统，从远端计算机感觉亲临实验现 场感受，并远程操纵和控制实验系统备实验设备进行实验，采集到真实实验数据，从而解 决远程教育中远程实验教学的问题。同时，通过仪器设备的网上共享，大大提高裔效实验 资源的使用效率，增强实验室实验菔务能力。 随着现代测试技术、计算梳和网络技术的飞速发展，备式各样豹测试系统、测试仪器 也都比迅速逾汗发出来并投入剜实际应用中。新型镤试系统帮测试仪器与计算极瞧雯翔紧 密结合，戳网络、计算辊髑现代测试技术为基础豹现代远程实验技术瞧褥到了发攫和应用 静可能，戒必现 弋远程教霄孛解决运稷异缝实验数重娶途径秘方法之。 毽纹器设备及其与诗算极接口戆多样化，不可避免地导致了现代测试系统多样化翔复 杂纯，因射也增攘了缀建现代测试系统的难度。憋别是对于组建基于网络的测试系统，由 于设备和接日豹多样化以及各类接口躲兼容性问题，其难度变褥更大，往往导致网络测试 系统中期阉功能熬测试平台或测试设备熏复建设和重复投入，大大降低了设备的使用效 率，墁加了设备缎护的复杂稷度。 对网络测试技术和测试网组建技术进行深入的研究，通过各种软硬件技术，将不同设 备、不同接口之间通过计髯机及网络进行互联，并充分利用网络共享的思想，实现仪器设 第1 贳 国防科学技术大学研究生院学位论文 备、测试乎套乃至测试系统的共享，从而提高设螯使用效率，降低系统组建成本，增强系 统的可维护性。 现代传感技术与应用实验整主要通过传感器振动测试平台汗震振绷l 量、传感器特性 测试以及传感器标定等系列实验教学。基于传感器振动测试平台及其相关实验设备。组建 基于全军军事稍练磷静测试实验系统郎传感器振动测试平台远稷实物实验系统具有重要 的意义。 曹先，通过凰终舜展远程实物实验，实现实验系统、实验设餐、实验经验以及实验数 据的网上共享，不仅可以大大提高实验室实验资源静利用率和实验室实验教学服务能力， 恧且可以通过网络向远程异地用户提供实验服务，满足和解决异地用户的实验需要和实验 请求。 其次，通过鼹络开展远程实物实验是解决现代远程教育中实验环节的一个重要方法和 思路。传感器振动测试平台远程实物实验系统的成功应用，对于组建测试实验网络特别是 纂予现代测试技术与应用实验室缀建若干套网络测试实验系统有重要参考价值，对子促进 我国现代远程教育中远程实验技术的发展与应用具有重要的指导意义。 最后，通过组建传惑器振动瓣l 试平台远程实物实骏系统，对网络测试技术进行研究， 就测试网组建相关问题进行深入探讨和实践，有稍于推动现代网络测试技术的发展鞍促避 测试网络与信息嬲络的融会，也有刹予促进具有开放奠联能力的分布式网络化测试系统体 系结构的形成与宪善，并最终形成标准化。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 隧着计算极、网络、多媒体、w e b 及数据库等技术鲍发展与应翅，远稷教育已在国内 外蓬勃发展。阏上课堂、网上虚拟实验、远程实物实验良及协同实验赛龟应运而生并发展 迅速。以网上c a i 教学漾 孛和虚拟仪器为主的远程虚拟教学在远程教育中起着越来越重要 的作用。目前，我国醢经设立了4 5 所开展现代远程教育试点院校和3 l 所嗣上大学。但由 予受远稷测控技术、网络技术，特别是实验设备的多样性、复杂性和难豆联髓的限制，基 于潮络豹远程实物实验系统以及泌网实验的建设和发展在国内外基本上还处在研究和试 验阶段。 舅翦，国内终磺究机均都进行皮拟实验室和实物实验室建设与研究，典型范例主要有： 1 、v r i c h e l ( v i r t u a lr e a l i t yi nc h e m i c a l e n g i n e e r i n gl a b o r a t o r y ) 实验室，由美嗣 m i c h i g a n 大学化学工程系创建，主要用来探索和开发虚拟现实技术在化学工程领域的应用。 2 、袭拟王程，科学实验系统，由j o h n sh o p k i n s 大学化学王程系建立，实验的是的是弓l 导学生尽快地掌握实验、问题求解、数据采集和科学分析的方法。 3 、o o r a n g e 一试验数学虚拟实验系统，魍媳林大学予1 9 9 6 年研制完成，它由一组支 持数学试验的刨建、执行和发布的底层服务构成。 4 、美豳c i s c o 公司设置了远程实验室( d l a b ) ，提供c i s c o 相关技术的真实环境，设定 第2 菱 国防科学技术大学研究生院学位论文 有关实验环境( 如c c n a 实验) 供客户选择，客户只需连接上互联网，就可以远程配置 c i s e o 系列设备。 5 、美国伊利诺斯州的b e c k m a n i n s t i t u t e f o r a d v a n c e ds c i e n c ea n d t e c h n o l o g y u n i v e r s i t y 研制了一套基于w e b 的远程电子显微镜实验系统，用于通过网络开展远程显微镜使用方法 的教学。 6 、华中理工大学机械学院建立了一个工程测试网上虚拟实验室，学生可以通过联网 计算机终端来进行仿真实验。 7 、中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室最新研制出我国第一套虚拟现实 教学软件“几何光学实验设计平台”。该软件将计算机技术、虚拟现实技术与物理实验教 学有机结合，使物理实验教学进入一个全新领域。 8 、北京师范大学现代化教育技术研究所研制的e v l a b 系统是个基于虚拟空间的三维 电子线路实验环境。 9 、北方交通大学提出了一套基于信息网络技术的远程电子电路实验教学解决方案， 并研制开发了w e b l a b 远程电子技术实物实验系统，实现远程控制实验仪器箱、可程控的 示波器以及信号发生器等实验设备完成实验。 1 0 、清华大学精密仪器系测控技术及仪器专业在2 0 0 2 年招生中，开始着手基于因特 网的实时远程实验技术与系统方面的研究。 网络技术和计算机技术的发展，促进了以协同实验和远程综合实物实验为主的网上实 验技术的研究与应用：微电子技术、计算机技术以及网络技术的结合，也促使现代测试技 术向着高速、高精度以及数字化、智能化、网络化的方向发展。 1 3 课题来源及研究的主要内容 本课题来源于国防科学技术大学“2 1 1 工程”教学与公共服务体系重点建设项目“现 代测试技术与应用实验室”，基于该实验室，设计开发网上虚拟实验室和传感器振动测试 平台远程实物实验系统，并对分布式网络化测试系统体系结构、网上虚拟实验技术以及远 程实物实验技术进行深入研究和探索。本课题主要完成以下内容： l 、以现代传感技术与应用实验室的传感器测试平台为背景，组建基于全军军事训练 网的网上实物实验系统，实现传感器测试平台的在线远程实物实验； 2 、通过远程实验系统，实现实验资料、测试经验和测试数据的网上共享，并在实验 设备共享基础上实现实验系统乃至实验室的网上共享： 3 、通过组建传感器测试平台远程实物实验系统，对网络测试技术、网上实验系统组 建技术以及分布式网络化测试系统体系结构进行研究和实践，并就测试网组建相关的中心 服务器、测试服务器和标定服务器等技术进行研究； 4 、通过该远程实物实验系统，对现代远程教育中的虚拟实验技术和实物实验技术进 行研究。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章网上实验系统总体方案 远程教学不仅仅是将教学资源在网上进行发布，而更多的是学生与教师之间、学生与 学生之间的充分沟通与交流，由于远程教学教师与学生之间在空间上的分离，这种沟通与 交流就显得尤为重要。同时，实验教学环节应在远程教学中给予足够的支持，实现通过网 络开展实验教学和远程实验。另外，传统教学过程中一些保证教学质量的关键环节，如作 业、考试、图书馆、笔记记录等，也都应该能够在网上得到很好的实现。所有的沟通与交 流以及关键教学实验环节的支持，都需要一些专用的工具和系统来支持。此外网上交互式 的程序设计和远程实验系统开发，是一般非计算机专业教师所难以做到的，因此需要一套 网上的教学实验支持平台，为教师在网上实施远程教学和远程实验提供全面的工具支持， 屏蔽程序设计的复杂性，使得教师能够集中精力于教学，也使得网上教学从简单的教学信 息发布变成一个充满交互与交流的虚拟与实物相结合的学习社区。 2 1 系统需求分析 2 1 1 系统定位分析 学生综合实验素质的培养和实验技能的训练是实验教学的核心任务，实验素质和实验 技能的培养必须通过实验教学的各个环节来实现。网上实验教学可以作为实验室教学的完 善和补充，两者互有优势，互为补充，相辅相成。 网上实验系统最重要的作用应定位于设计性实验和综合性实验的开设。设计性实验是 培养学生实验素质的有效途径，系统中可提供大量的设计性实验课题，供学生选择。同时， 通过系统开展必要的远程教学服务。 开设反映新技术新成果的应用以及其它新型实验是网上实验系统又一重要应用形式， 这种类型实验由于内容新颖，应用性较强，实验室往往无法及时开出。通过网上实验，可 将相应的网络资源进行组合，开发相应的实验内容。这种实验可以开拓学生视野，提高学 生兴趣，有助于学生创新能力的培养。 2 1 2 网上教学功能 网上教学是现代远程教育的个重要方面，也是系统核心内容之一，主要实现实验相 关的基本概念、原理和要点等内容的网上教学，其功能应该包括课程自学、教员讲授、考 核评价以及教学资源下载等。 1 、课程自学 通过交互式教学方式，向学生提供自学相关知识的虚拟学习环境。为达到预定的学习 效果，需要提供必要的自测习题和相关的预习效果评测手段。 2 、教员讲授 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 教员讲授主要实现向学生提供必要的讲解和辅导。可以将教员的授课内容进行录像， 并整理成视频文件在网上发布，以视频点播的方式实现课程的讲解功能：也可以通过在线 答疑系统，实现网上在线辅导功能。另外，要通过多媒体、虚拟现实和j a v aa p p l e t 等技术， 仿真和模拟教学内容中的重点和难点，达到传统教学模式所不及的教学效果。 3 、考核评价 考核评价环节对于评价教学质量和学生的学习效果具有重要的意义。按照一定的规则 对教学质量和学生学习效果进行评估和考核，对于提高教学质量和学生的学习效果具有一 定的促进作用。 4 、教学资源 为拓宽学生的知识面、提高学生的学习兴趣，网上教学系统中要提供相关的教学资源， 并提供下载与在线阅读功能。 2 1 3 网上实验功能 实验是教学活动中一个必不可少的过程，很多学习科目都是以实验课程为基础的，尤 其是对于一些实践性较强的课程，实验对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力是 至关重要的。在远程教育中，由于教学机构与学生在空间上分离，学生无法到学校实验室 做具体的实验，这已经成为了制约远程教育质量的一个重要因素。近年来，由于虚拟仪器 和网络技术的飞速发展，通过网络来组建实验系统已经成为可能，网上实验已成为远程教 学研究的重要方面。 在远程教育中，网上实验应该包括实验预习、设备教学、虚拟实验、远程实物实验、 实验数据分析、实验报告管理和实验资源下载等功能。 1 、实验预习 通过各种技术和手段，提供实验预习功能，实现实验内容、实验方法和实验原理的预 习和教学功能。为提高学生的实验预习效果，系统要提供必要的实验预习题及相应的预习 效果考核评判系统。 2 、设备教学 设备是实验的基础，也是实验教学的核心内容之一。采用w e b 、多媒体和虚拟仪器等 技术，设计开发可在广域网上发布的设备教学课件，开展设备原理、操作过程、注意事项 以及设备应用等方面的教学。对于贵重的、具有危险性的设备，要结合虚拟仪器技术，设 计开发交互性和仿真性强的虚拟仪器，全真模拟仪器设备的各项功能和操作过程。 3 、虚拟实验 网络虚拟实验的实现基础是多媒体技术、计算机技术、网络技术与虚拟仪器技术的结 合。虚拟仪器技术与认知模拟方法的结合也赋予虚拟实验室的智能化特征，无论是学生还 是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验。不但为 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持，还可以随时为学生提供更多、 更新、更好的仪器。 4 、远程实物实验 远程实物实验是网上实验系统中不可缺少的个重要组成部分之一。它是指通过网络 远程控制实验设备、采集真实实验数据并进行实时数据分析的实验。在虚拟实验的基础上 开展实物实验，保证了实验数据来源的真实性，为实验的建模、仿真提供有力的数据。 通过网络开展远程实物实验，不仅可以实现实验设备、实验数据、实验经验和方法的 网上共享，而且可以实现设备共享基础之上的实验系统乃至实验室的网上共享，从而大大 提高实验设备的利用率和实验室的实验服务能力。同时，远程实物实验可以满足和解决远 程异地实验用户的实验需要。 5 、实验数据分析 实验数据分析功能包括两个方面，一方面要提供客户端的数据分析模块，以便用户对 下载的实验数据进行分析，另一方面要提供服务器端的合法数据分析功能，也就是服务器 要向用户提供数据分析服务，以便对用户提交到服务器的数据进行分析，并向客户提供分 析结果。 6 、实验报告管理 系统要提供实验报告管理功能，允许学生在客户端提交各种文件格式的实验报告，教 师可以随时在网络上调阅某个学生的实验报告。 7 、实验资源下载 为了拓展和丰富学生的知识面，系统要提供实验相关的资源下载功能。 2 2 系统组成 基于网络的实验系统由网络教学管理、教学资源管理、网络教学和网络实验四个子系 统组成。 2 2 1网络教学管理子系统 教学管理在远程教育中居于一个至关重要的地位，它起着调配教学资源、组织教学活 动、总结教学数据等重要作用。教学管理系统使得教学能够顺利实施。也可实现整个教学 管理过程的现代化和管理的规范化，另外还能及时、准确地反映教学现状，分析教学效果。 教学管理可划分为三个相对独立的模块：课程管理、教务管理和系统管理，为学生、教师、 管理人员提供全面的服务。学生可以通过管理系统保存自己的个人档案，及时获取最新教 学信息，得到教师的帮助与辅导等；教师可通过管理系统设置课程与教学计划，查看学生 的学习档案，提供有针对性的帮助；管理者可管理教师档案、学生档案、发布最新信息、 对远程教学系统进行管理和维护等。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 2 教学资源管理子系统 远程教学的基础是教学资源，为了更好地发挥网络远程教育的优势，将优秀教学资源 划分成各种素材，进行系统化、科学化的分类，并以多媒体化的电子信息形式存储于各种 数据库中，构建成统一的教学资源库。教学资源一般包括媒体素材库、试题素材库、案例 库、网络课件库、文献资料库等，通过资源管理系统对它们进行采集、管理、检索和利用。 2 2 3 网络教学子系统 网络教学系统是一整套提供远程教学服务的系统软件，它以网络课件为核心，在教学 管理系统的支持下，合理有效地利用学科教学资源。为实施全方位的现代远程教学提供服 务，它将网络课件与学校的远程教学服务进行了有机的集成。网络教学系统不仅是先进计 算机科学和技术水平的体现，更重要的是要符合现代化教育的一般规律，能够为远程教育 提供一个真正高效的现代化教育手段。网络教学系统主要内容包括：流媒体的授课、适应 性超媒体学习、测评系统、自动答疑系统、师生交互工具、学习管理系统和基于w e b 的虚 拟实验室。 2 2 4 网络实验子系统 实验是培养学生动手能力和实践能力的重要环节，只有通过足够的验证性实验和一定 数量的综合性实验，学生才能真正理解和掌握该学科的理论知识，才能获得一定的实验能 力和综合测试技能，并初步具有处理实际测试工作的能力。网上教学实验系统要具有网上 虚拟实验和网上远程实物实验功能。总的来说，网络实验子系统一般是由设备教学、虚拟 实验和实物实验三部分组成。 1 、设备教学 设备是实验的基础，因此设备教学是网络实验子系统应具备的基本功能，需要采用文 本、图像、视频等方式和多媒体、w e b 等技术设计开发相关仪器设备教学资源，以交互式 教学方法通过网络开展仪器设备远程教学。 2 、虚拟实验 虚拟实验是指借助于图形，图像、仿真和虚拟现实等技术在计算机上所营造的可辅助、 部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境。网上虚拟实验是指可 在互连网络环境下完成的各类虚拟实验。虚拟实验采用软件设计开发工具开发一系列虚拟 实验课件来全真模拟实验过程，以交互式教学方法实现实验过程的教学，使学生在进入实 验室之前对整个实验过程及实验注意事项等进行学习，从而提高实验效率和减少不必要的 实验损失。 3 、实物实验 实物实验是采用相关的软硬件技术，组建基于网络的远程实物实验系统，实现通过网 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 络控制相关仪器设备，采集真实实验数据，并对实验数据进行实时分析的远程实验功能。 2 3 系统总体方案 2 3 1 总体方案设计 根据现代测试技术与应用实验室的具体建设需要，网上实验系统包括教学管理系统、 网上教学系统和网上实验系统三个部分。根据内容、功能以及提供服务的方式的不同，网 上实验系统又可分为网上虚拟实验系统和网上实物实验系统。 如图2 1 为网上实验系统的网络结构图。为了达到网上教学及网上实验的目的，网上 实验系统通过构建实时网和以太网两套网络来实现。 圈2 - 1 分布式网上实验系统网络结构图 服务器是教学数据存储中心，通过网络连接四个综合实验平台及内部教学网，并且通 过校园网与全军军事训练网相连。各综合实验平台都是以计算机为核心组成的综合测试实 验网，各测试实验网分别具有独自的服务器和测试数据存储中心，与教学虚拟实验网一起 构成分布式网上实验系统。内部教学实验网、校园网、军训网上的用户可随时访问服务器 中的教学资源或进行远程实验。 网上实验系统采用t c p 佃和h t t p 协议，各综合实验平台以计算机为中心，通过通 信控制器以r s 2 3 2 协议和通过内部局域网以t c p i p 协议进行通信。采用r s 4 8 5 、e p p 、 g p i b 等多种接口，并通过总线接口控制器与计算机进行连接。 2 3 2 开发工具选择 开发工具可分为三个部分：系统运行环境支持工具、教学实验课件与虚拟仪器开发工 具以及远程实验系统开发工具。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 、系统运行环境支持工具 主要包括网络操作系统、后台数据库、w e b 服务器软件、系统维护工具等。 网络操作系统 目前使用较多的有n o v e l l 、w i n d o w sn t 2 0 0 0 、u n i x 等。在网上实验系统中，选择应 用和普及面广的w i n d o w sn t 2 0 0 0 作为网络操作系统。 后台数据库软件 目前，使用较多的有o r a c l e ，s y b a s es q ls e r v e r ，m i c r o s o f ts q ls e r v e r 。在实验系统 建设中，考虑要维护的信息量较少并且信息更新频率不高，所以选择m i c r o s o f ts q ls e r v e r 为佳。 m i c r o s o f ts q ls e r v e r 是用于分布式c l i e n t s e r v e r 计算的功能强、性能好的关系数据库 管理系统，是新型多线程、并行式数据库设计，能满足有关可靠性、数据完整性和安全性 的要求。 w e b 信息服务器软件 i n t e m e t i n f o r m a t i o ns e r v e r ( i i s ) 是微软公司推出的w e b 服务器，它是当今w i n d o w s n t 平台上执行效率最佳的w e b 服务器之一，其最大的特点就是支持m i c r o s o f t 的动态服务器 页面( a c t i v es e r v e rp a g e ，缩写为a s p ) 以及a c t i v e x 数据对象( a c t i v e xd a t ao b j e c t ) 。 采用i i s 的4 0 版本，具有高性能、高集成、扩展性、广泛性、可管理性、易用性以及与 n t 无缝集成等特点。 系统维护工具 作为系统维护工具，目前较为流行的有p o w e r b u i l d e r ，a s p 等。 p o w e r b u i l d e r 是由s y b a s e 公司推出的一个功能强大的数据库前端开发工具。此工具开 发效率高、成本低；面向对象的开发工具，代码的可重用性好，开发的软件易于维护；客 户r 务器计算模式的前端工具，支持多种数据库接口；提供了丰富的对象、控件和函数， 为开发人员提供强大的开发环境。p o w e r b u i l d e r 是用于开发实验系统教学管理子系统的理 想工具。 a s p 是服务器端的脚本编写环境，是微软公司的新一代开发动态网页的技术，可用它 来创建动态w e b 页或生成功能强大的w e b 应用程序。a s p 作为远端客户访问数据库的工 具，从软件的技术层看，具有无须编译、编辑简单、独立于浏览器、面向对象、源程序码 不会外漏、扩充功能的能力强等特点。 2 、教学实验课件、虚拟仪器的开发工具 a u t h o r w a r e 由m a c r o m e d i a 公司推出的多媒体软件集成开发工具a u t h o r w a r e ，是开发多媒体课件 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的理想工具。a u t h o r w a r e 是一个可视化的设计平台。一个多媒体设计程序的逻辑结构可以 通过主流线及支流线以设计按钮图标的方式在设计平台上反映出来，其逻辑结构清晰，便 于组织和开发，这使得不具有高水平编程能力的用户能够创作出一些高水平的多媒体应用 软件产品。同时，通过m a c r o m e d i a 公司提供的w e bp l a y e r 插件，可以实现a u t h o r w a r e 多 媒体课件的网上发布，从而方便地实现网上教学。 l a b v i e w l a b v i e w 是美国国家仪器公司( n i ) 推出的图形化的虚拟仪器开发平台，它是一种基 于图形开发、调试和运行的集成化开发环境，也是目前国际上唯一的编译型的图形化编程 语言。l a b v i e w 开发平台以流程图式的方式编程，不需要预先编译就可以进行语法检查， 调试过程使用数据探针，并且具有丰富的函数功能、数值分析、信号处理和设备驱动等功 能。另外，n i 公司还提供了i n t e m e t 工具箱，利用该工具箱可以把l a b v i e w 开发的应用程 序转换成可以在i n t e r n e t 执行的应用程序，从而实现网上虚拟实验及远程实验。 另外，还有图像处理软件p h o t o s h o p 以及多媒体视频、声音编辑软件p r e m i e r e ，这两 个工具可以编辑和处理专业级图像和视频素材，为网上教学提供所需的多媒体素材。 3 、远程实验系统开发工具 远程实验系统不仅要具备网络交互、访问和控制等功能，而且要具备交互性强的测试 用户界面，同时，也要具有稳定可靠的底层设备驱动。组建远程实验系统，其开发工具选 择p o w e r b u i l d e r 和c + + b u i l d e r 。 p o w e r b u i l d e r p o w e r b u i l d e r 除了具有功能强大的数据库设计开发功能以外，还对网络程序设计提供 了强大的支持，特别是对s o c k e t 程序设计，提供了专用的事件和函数。系统采用s o c k e t 技术，并选用p o w e r b u i l d e r 开发网上实验系统的主干程序。 c h b u i l d e r c + + b u i l d e r 是b o r l a n d 公司推出的应用程序快速开发工具，支持完整的c + + 语言规则， 是一个可视化的c + + 语言开发工具。 c + + b u i l d e r 有一个可视化组件库，包含1 3 0 多个可重构组件，其功能范围包括完整的 用户界面元素、数据库、多媒体、报表和i n t e m e t ，可以帮助用户在短时间内开发出复杂 w i n d o w s 应用程序。 c + + b u i l d e r 具备对底层设备的访问和驱动功能，是开发远程实验系统底层设备驱动程 序和设备管理控制程序的理想开发工具。 2 3 3 系统实施计划 系统总体实施计划分为需求分析、方案设计、系统开发、系统总结、发表文章、测试 网体系结构标准化及推广应用等七步进行。具体计划实施流程如表2 1 所示的网上实验系 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 统计划实施示意图。 表2 1 网上实验系统计划实施示意图 第1 l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 续表2 - 1 网上教学实验系统计划实施示意图 l 发表文章 l i i 传感器振动测试上上平台远程实验系统测试网上乡体系结构 l1 1 1 、基于园区网的传感器振动测试平台 2 1 1 、基于网络互联的分布式测试系统开 i 远程实验系统与技术 放体系结构与技术 、 上上 1 2 1 、传感器振动测试平台远程实验系统2 2 1 、组件技术研究与应用 组件开发技术2 2 2 、访问控制技术研究 1 2 2 、一套远程实验室建设软件解决方案2 2 3 、推送技术应用 1 2 3 、基于i i s 的远程数据访问解决方案2 2 4 、中间件技术 1 2 4 、访问控制技术研究2 2 5 、中心服务器技术与研究 1 2 5 、客户请求与服务器推送技术 2 2 6 、系统标准化 溺黼蠲黼燃黼溅瓣 1 3 1 、传感器振动1 4 1 、传感器振动 2 3 1 、分布式网络2 4 1 、分布式网络 测试平台远程实测试平台远程实测试系统测试服测试系统标定服 验系统测试服务验系统标定服务务器技术与研究务器技术与研究 器组建技术器组建技术 1 3 2 、共享多线程1 4 2 、传感器振动 技术远程实物实测试平台远程实 验系统中的应用：验系统信号源反 馈校正技术 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 续表2 - 1 网上教学实验系统计划实施示意图 2 4 技术可行性分析 计算机技术、网络技术、多媒体技术、现代测试技术的发展，为网上实验系统以及网 络化测试系统的建设和发展提供了技术支持和保障。 计算机技术和网络技术的发展，为现代远程教育的发展提供了基础和保障，同时也为 基于网络的教学实验系统的建设提供基本保证。多媒体技术的发展，使得基于网络的表现 和仿真手段大大提高，交互能力强、界面友好。 随着现代测试技术的发展，出现了以计算机及其软件技术为基础的虚拟仪器技术以及 新型嵌入式智能仪器，使得基于w e b 的设备和系统出现并快速发展。 相关技术的发展与应用，使得以现代测试技术与应用实验室为背景的网上实验系统的 组建和实现具有可行性。而且，从技术角度讲，组建分布式网络化测试系统和实现其体系 结构的标准化是完全可行的。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章网上虚拟实验室 网上虚拟实验室是在虚拟实验室的基础上发展起来的概念，“虚拟实验室”是创建和 执行仿真实验的交互环境。实验数据资源对象、仿真模型与表现被公认为是虚拟实验室三 大主要逻辑部件。在虚拟实验室的早期研制阶段，三大逻辑部件一般是紧耦合结构，与应 用领域紧密相关。这个时期的虚拟实验室以单机版为主，功能上注重于领域专业化、原理 验证与仿真、图形用户接口等，虽然出现了一些在某些领域应用十分广泛的虚拟实验室系 统，但是实现这样一个虚拟实验室是一项烦琐与费时费力的工作。随着面向对象软件技术 的发展，三大逻辑部件可以采用松耦合结构，将应用领域不相关的逻辑部件与应用领域相 关的逻辑部件进行分离设计与开发，使应用领域不相关的逻辑部件可以为具有共性的虚拟 实验室所共享，尤其是随着网络教育、创新教育与协同教育发展，虚拟实验的共享性与协 同性也成为“网上”虚拟实验室所研究的重点。 基于现代测试技术与应用实验室，我们设计开发了现代测试技术与应用网上虚拟实验 室，以实现通过全军军事训练网开展有关现代测试技术领域的测试原理教学和虚拟实验。 3 1虚拟实验室的功能与特点 3 1 1 虚拟实验室的功能 现代测试技术网上虚拟实验室具有以下主要功能： l 、教学管理 使用专用的数据库开发工具，设计开发实验室管理信息系统，实现对教学资源、学生 账号、申请信息、实验开设信息、教员基本信息以及测试习题等信息进行管理与维护。 2 、网上教学 采用w e b 、多媒体、a s p 等技术，通过网络开展相关的课程、测试理论、测试方法、 仪器设备使用等方面的教学。 3 、虚拟实验 采用多媒体、虚拟仪器等技术，通过网络开展相关实验的原理、方法以及仿真教学， 以便让学生在进入实验室进行动手实验之前，了解和熟悉实验原理、实验过程以及注意事 项，从而提高实验效率和降低实验中出现不必要损失的几率。 现代测试技术网上虚拟实验室主要开设以下栏目： 1 、网上教学 包括测试基本原理、常用测试仪器的原理与操作、专业课程等的交互式学习。为实现 优秀教学资源的共享，将优秀的教学课件在网上进行发布。 2 、网上实验 包括现代传感技术实验、数据采集与虚拟仪器实验、智能仪器与自动测试系统、m c 3 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一体化技术等方面的网上模拟和仿真实验。 3 、网上预约 学生可以通过网络申请实验，并可在网上察看实验安排时间。 4 、交流与讨论 交流与讨论是发挥学员学习主动性的一个重要方面，通过交流与讨论，能够使学员尽 快地掌握教学内容、实验方法和技巧。 5 、教务管理 指导老师可在网上管理网站、安排实验时间等。 另外，还有教研室简介、网站简介、下载园地等栏目。 3 1 2 虚拟实验室的特点 网上虚拟实验室的特点如下： 1 、仿真性 虚拟实验室“虚拟”的重点和难点就在于“仿真”，仿真模型与应用领域紧密相关， 仿真模型的正确性与科学性直接决定虚拟实验室的性能与可用性。 2 、交互性 为了激发学生的参与兴趣、满足其好奇心，虚拟实验室应提供用户输入自己的选择或 设计来得到相应实验结果的手段，虚拟实验室应允许学生实验出错。交互的灵活性和多样 性是评价虚拟实验室的重要指标。 3 、可视化 可视化是虚拟实验室“虚拟”的重要内容，可视化一般包括逼真的图形动画效果或虚 拟对象的三维渲染。 4 、共享性 包括实验教学资源共享和虚拟实验对象共享。实验教学资源包括用于实验教学的多媒 体素材( 包括文本、视频、音频、图片等) 、课件、习题、实验报告等；虚拟实验对象包 括基本的虚拟仪器对象、虚拟器件对象等。 5 、协同性 协同性是虚拟实验室适应网络教育与创新教育发展所呈现出的一个新特点，协同实验 室成为近年来虚拟实验室的发展方向。协同虚拟实验室就是在w e b 中创建出一个可视化的 共享三维对象环境，其中每一个可视化的三维物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以 及拖曳操作，用户可以进行虚拟、仿真实验。协同虚拟实验室通过对每个实验课程所提供 的教学资源进行科学有效的组合设计，实现网上实验教学和协同实验的目的。主要功能包 括基于3 d 虚拟对象的协同操纵与“面对面交流”相仿的视频通信功能。 3 2 虚拟实验室的系统结构 3 2 1 基于i n t r a n e t i n t e m e t 的三层c s 结构 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 三层c s 结构将应用系统的三个功能层面进行了明确的分割，使其在逻辑上各自独立， 并且单独加以实现，分别称之为客户、应用服务器、数据库服务器。如果应用服务器为 w e b 服务器，客户通过浏览器查看w e b 服务器发送来的数据信息，则称为b s ( b r o w e r s e r v e r ) 结构模式，如图3 1 所示。 e 二习 削 | 实验设备管理模块主要实现对仪器设备和自研产品信息的管理； 教务管理模块主要实现教师基本档案、课程开设情况、自编教材管理、毕业论文、 课题以及发表论文等信息的管理： 试题管理模块主要实现习题、试卷以及历年考卷等信息的管理： 实验管理模块主要实现所开实验、实验方案、各实验所需设备、实验报告、实验 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 仪 器 设 备 管 理 申请以及实验成绩等信息的管理。 实验 设备 管理 模块 自 研 t 品 管 理 教 师 基 本 档 案 教学管理子系统 课 程 开 设 情 况 自 编 教 材 管 理 教务 管理 模块 毕 业 论 文 管 理 课 题 项 目 管 理 发 表 论 文 管 理 实 验 信 息 管 理 习 题 管 理 试题 管理 模块 试 卷 管 理 历 焦 考 卷 管 理 实验 管理 模块 实 验 方 案 管 理 实 验 设 备 管 理 实 验 报 口 管 理 课 题 项 目 管 理 实 验 申 请 及 成 绩 圈3 - 3 教学管理子系统结构与功能框图 教学管理子系统是在s y b a s e 公司的p o w e r b u i l b e r 7 0 和m i c r o s o f t 公司的s q ls e e r 7 0 集成环境下开发完成，系统的主要界面如图3 - 4 所示。 3 3 2 网上教学子系统 根据对现代测试技术与应用网上实验室的系统分析，网上教学子系统主要提供基本测 量原理、常用的测试设备以及相关专业课程的教学。开设原理篇、设备篇和课程篇三个栏 目，同时提供了网上答疑系统、b b s 讨论组。 原理篇 以w e b 页面、j a v aa p p l e t 小程序和多媒体动画等技术手段，提供相关的测试基本原理 的网上教学； 设备篇 通过交互式手段，开展基本测试仪器的使用方法的网上教学； 课程篇 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 以多媒体课件为主，提供测控专业基础课程的网上教学； 网上答疑系统：实现在线答疑和学习交流。 主要包括： 1 、问与答( q & a ) ：包括仪器方面、实验方面、d s p 方面、专业课方面及其它 方面的问题与解答： 2 、经验交流：是一个聊天室，供学员之间、师生之间沟通思想，交流经验、学 习体会等； 3 、留言：是一个留言板，对实验、课程或其他方面提出建议和意见，对某学术 方面发表高见的地方。 图3 - 4 教学管理子系统部分界面图 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 b b s 讨论组 是一个b b s 论坛，教师可在此开设讲坛，发表观点，建立网上教室。 网上教学子系统主要采用了数据库、w e b 、a s p 、多媒体动画、视频等技术设计实现， 并以网页浏览的形式在军训网上进行发布。网页的发布采用w i n d o w sn t4 0 操作系统和 i i s 4 0 网站管理与发布系统，底层数据库管理系统为m i c r o s o f t 公司的s q ls e r v e r7 0 ，网 页设计采用了m i c r o s o f t 公司的f r o n t p a g e 2 0 0 0 和i n t e r d e v6 0 。该子系统的主要运行界面如 图3 5 所示。 图3 - 5 网上教学子系统部分界面图 3 3 _ 3 虚拟实验子系统 虚拟实验是指采用软件技术开发一系列虚拟实验课件，模拟和仿真实验过程，以交互 式教学方法实现实验过程的网上教