（计算机应用技术专业论文）基于internet的eda虚拟实验室及虚拟仪器系统研究.pdf

摘要 随着互联网技术的迅猛发展及高校规模的急骤扩张，各类网上远程教育及网 上虚拟实验室应运而生。本论文提出了基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室概念，并 对其意义、特点、发展现状及设计原理、方法做了详细描述。 在基于i n t e r n e * 的e d a 虚拟实验室系统中，采用了b s 网络结构模型，并 将b s 与c s 两种网络结构模型进行了对比，对b s 结构模型进行了详细论述。 本系统在应用服务器上的设计采用了a s p 动态网页技术及a c t i v e x 技术。虚拟仪 器系统是e d a 虚拟实验室的核心，在论文中首先介绍了虚拟仪器的概念，特点及 发展现状，然后在分析传统面向功能设计模型的特点和局限性基础上提出了应用 u m l 的面向对象分析与设计方法，并以虚拟示波器的设计与实现为例给出了虚拟 仪器系统的具体实现方法。 关键词：e d a 虚拟实验室虚拟仪器i n t e r n e tb s 结构模型 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h es p e e dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e tt e c h n o l o g ya n dt h es p e e d e x p a n d i n go fc o l l e g e ，v a r i o u sr e m o t ee d u c a t i o no ni n t e r n e ta n dv i r t u a ll a b o r a t o r y b a s e do ni n t e r n e ta p p e a r t h i sp a p e r p u t sf o r w a r dt h ec o n c e p to f t h ev i r t u a ll a b o r a t o r y b a s e do ni n t e r n e t ，a n dd e s c r i b e si t ss i g n i f i c a n c e 、c h a r a c t e r i s t i c 、d e v e l o p m e n t 、d e s i g n t h e o r ya n dm e t h o d i nd e t m l t h es y s t e mo fe d av i r t u a ll a bb a s e do ni n t e r n e ta p p l i e sb ss t r u c t u r em o d e l i t d e s c r i b e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nb sa n dc s ，a n dd e s c r i b e st h ef u n c t i o na n d a d v a n t a g eo fb s i nd e t a i l i nt h ed e s i g no fa p p l i c a t i o ns e r v e r , i ta p p l i e st h ea s p t e c h n o l o g ya n da c t i v e xt e c h n o l o g y ，v i r t u a li n s t r u m e n t ss y s t e mi st h ec o r eo ft h e v i r t u a ll a b f i r s t l y , t h ep a p e rd e s c r i b e st h ec o n c e p t ，c h a r a c t e r i s t i ca n dd e v e l o p m e n to f v i r t u a li n s t r u m e n t s ，b a s e do nt h e a n a l y s i s o ft h ec h a r a c t e r i s t i ca n dl i m i t a t i o no f t r a d i t i o n a lf u n c t i o no r i e n t e dd e s i g nm o d e l ，t h eo b j e c to r i e n t e da n a l y s i sa n dd e s i g n b a s e do nu m la r ei n t r o d u c e da n da p p l i e d a tl a s t ，t h ec o n c r e t ei m p l e m e n t a t i o n m e t h o da n dt h ek e yt e c h n o l o g yu s e da r ei n t r o d u c e d k e y w o r d ：e d a v i r t u a l l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n ti n t e r n e tb sm o d e l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 虚拟实验室系统概述 近1 0 年里，随着计算机技术的高速发展，i n t e r n e t 在全球得到了迅猛的发 展，取得了巨大的成功，已成为当今世界上覆盖面最大、规模最大、信息资源最 丰富的计算机信息网络。作为信息高速公路的原型，i n t e r n e t 极大地推动了世界 科学研究的发展，展示了信息网络对科研发展的巨大推动作用。在现代信息社会 里，科研项目日渐复杂、规模日益扩大，许多项目需要跨学科大规模的合作才能 得到有效的解决；现代科研活动耗资巨大，实验设备呈大型化趋势，造价昂贵， 因此也迫切需要共享实验设备以降低科研成本；信息网络的全球化和通信、计算 机技术的新成就，极大地增强了科研人员交互、协作和资源共享的能力，为不同 领域的科研人员提供了更有效的手段，能更好地面对信息急增所带来的挑战。在 此背景下，“虚拟实验室”概念应运而生，为人们展示出信息社会科研环境和方式 的发展趋势。 所谓虚拟实验室，是指由虚拟现实技术生成的一类适于进行虚拟实验的实验 系统，包括相应实验室环境、相关的实验仪器设备、实验对象以及实验信息资源 等。网络虚拟实验就是在w e b 中创建出一个可视化的三维环境，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 虚拟的实验。网络虚拟实验室实现的基础是多媒体计算机技术、网络技术与仿真 技术的结合。虚拟实验室可以是某一现实实验室的真实实现，也可以是虚拟构想 成的实验室。在虚拟实验室中，实验者有逼真的感觉，他似乎是在真正的现实实 验室里近距离进行现场操作。虚拟实验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。 “合作实验室( c o l l a b o r a t o r y ) ”是虚拟实验室的最初提法，在1 9 8 9 年由 美国弗吉尼亚大学的w i l l i a m w u l f 教授提出【l 】，用来描述一个计算机网络化的虚 拟实验室环境。它致力于构筑一个综合不同工具和技术的电子化、网络化的科学 研究集成环境。在这个环境里，科学家们可以非常有效地利用地理上分布的各种 资源( 数据、信息、设备、人力) 来从事科研活动。w u l f 形象地把虚拟实验室称 为“无墙的研究中心”。在其间，科研人员不管其地理位置分布如何，都能共同从 事研究与同事们相互交流，使用仪器，共享数据和资源，在数字式图书馆中 基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室及虚拟仪器系统研究 存取信息，共同撰写研究报告等。所有这些活动不必面对面进行，而是在分布式 网络环境支持下，通过电子邮件系统、多媒体会议系统等手段来实现。因此，虚拟 实验室实质上是一个分布式计算机系统。在系统中，配置有具有遥控遥测能力的 网络化研究设备和数据采集平台，有支持协作活动的各种工具，建有可以支持大规 模数据共享的数字式图书馆。虚拟实验室的所有技术支持都旨在增强科学家、仪 器设备和数据等资源之间的交互交融，以提高科研效率，降低科研成本，为发展 高新科学技术提供强有力的技术保障，最终促进人类社会的进步。 以上是在科学研究方面对虚拟实验室的定义，它强调协作，科研人员通过这 个平台进行交流合作，共同完成科研任务。随着以计算机和网络为代表的现代信 息技术快速地进入到人们的学习工作生活当中，以多媒体网络教学和远程教育为 代表的先进的教育方式，成为人类学习的重要方式之一。服务于网络教育的虚拟 实验室，更符合人们对虚拟实验室的一般理解。 虚拟实验室的实现应有多种途径，但无论如何实现，虚拟实验室应具备一些 基本特征：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。 1 2 系统研究目的及意义 理论联系实际是现代教学的一项基本原则。理论知识的掌握和动手能力的 培养是理、工科类教育必要的两个部分。在学习过程中，学生应该不但地将所学 理论知识实践于实验中，锻炼自己的动手能力。通过实验，学生能够观察到一些 常常在书面中很难解释的动态现象，加深对理论知识的理解，提高自己的实践能 力。但是，随着我国高等教育体制的深化改革以及招生规模扩大方针实施以来， 学生规模急剧膨胀的普通高等院校普遍陷入了实验教学的困境。特别是一般工科 院校、民办院校，由于底子薄、基础差、经费紧张，实验室建设规模严重滞后于 迅速膨胀的学生规模。目前学生难以走进实验室的状况主要有两个原因，一是学 校实验室建设本身的不足，由于经费的不足造成场地、仪器设备严重缺乏；另一 个是由于地域空间的原因，学校实验室只能满足住在学校中的学生使用，但住在 校外离实验室较远的学生，或是科研人员就很难使用实验室了。这种状况使一般 的学生和科研人员很少有自由进入实验室的机会，如此以来严重影响了学生和科 研人员的学习和研究。 在学生规模迅速膨胀的今天，如果仍然采用传统的实验教学方法，那么不仅 要耗费巨额资金来扩大实验室的建设规模、增添大量的仪器设备，而且也要扩大 实验管理人员队伍以加强实验管理环节，否则，不仅不时损坏仪器设备，直接造 第一章绪论 成经济损失，也严重影响实验教学秩序。即便加强实验管理水平，保证实验教学 秩序良好进行，也要消耗易耗元器件，日积月累，巨大的经济负担对于目前各高 校的经济实力来说都是难以承担的。就目前的经济条件，想通过扩大实验室的规 模、增添大量仪器设备来满足传统的实验教学，肯定是难以实现。 为了满足目前的实验教学，我们产生了建造网络虚拟实验室，在网匕进行虚 拟实验的构想，即用软件代替硬件，用编程模拟实验的全过程。网络虚拟实验室 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。网上虚拟实验将 大夫简化实验的搡竹过程，节省实验巾备种仪器的使用费用实现实验数据的电 子化，打破了传统实验室在地域窄划和时间 二的约束，使人们在任何地方、任何 时间都可以进入实验室。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，不但为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。 近年来，国际上对e d a 虚拟仿真实验室的开发得到了广泛的关注，国内外的 一些大学已经组建了虚拟实验室，如剑桥大学、斯坦福大学、新加坡国立大学以 及清华大学等都已开展了远程实验室方面的研究，并取得了一定的进展。著名的 e d a 软件平台，如e 1 e c t r o n i c sw o r kb e n c h ( e w b ) 软件就是一个集电路原理设计、 电路功能测试的虚拟仿真软件，已包括m i t 、斯坦福大学等世界一流大学和 i n t e l 、i b m 等大公司在内的客户使用，全球客户已超过十万。但国内才刚刚开始 处于了解和简单的使用阶段。根本谈不上此类软件的开发。另外，尽管国外这些 软件功能强大，但是却存在着无法实施远程实验教学的情况，仅使得将实验教学 由实物实验教学变为虚拟实验教学。由此可见，实验教学正在由实物实验教学向 虚拟实验教学、远程虚拟实验教学发展。为了实现我国自主知识产权软件的跨越 式发展，解决远程虚拟实验教学短缺的困扰，顺应时代的发展，开发基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室是十分必要的，也是具有深远的社会效益和巨大的经济效益。 此外，在高等学校学生规模膨胀的今天，充分利用高校计算机资源，大力发展虚 拟实验室，在实验教学改革中更显得其重要意义和重大价值。 与传统实验室实验相比，网络虚拟实验室的优点可归纳为： i 不受时空的限制，学生可以在任何时间，任何地点进行实验，他们所需要 的只足一台可以 ：网的计算机，在：某些大学，已经实现了宿舍上网，这样学生就 可以稿：宿舍随时进i j ：虚拟实验。 2 将极大的降低实验成本。建1 菠网上虚拟实验室将省去实验室的建设费用， 将实验通过软件模拟实现，将省去实验室仪器的使用费用，许多贵熏的仪器在网 络卜都t 玎以得到，实现了资源共享。 3 可以方便学牛与老师之削的交流。首先，可以通过在网页中插入通信软件 基于i n t e m e t 的e d a 虚拟实验室及虚拟仪器系统研究 粜实现闱w i j 卜f 交流，在线指导实验，为老师j 学7 卜提供埘的交流，方便学 生j 老师之川的沟通。其次，叫以建立相! 与：留南的功能，老师i t j 以提日口将衍要 进行的实验与实验原理、方法、细则，应注意的问题等在网上发布，供学生瓷阅， 学生可以将诬实验过程r 1 遇剑的问题及时反映给老师使教师与学生在不同时在 线时也可以进行交流。 ：i ，将极大地便利校与校之f n j 的交流。互联嘲是一一个开放的虚拟世界，网 ：虚 拟实验室也足一一个| ：；h = 放的实验室，不仅本校学生可以在这里实验，其他学校的学 7 卜电町以在此实验，这就为校弓校之问建立了座沟通的桥梁，校与校之蚴可以 共享资源，交流经验，优势互补，共同前进。 虚拟实验室的出现是对传统实验教学模式的改革，为打破传统模式的局限性， 提高实验教学质量，促使实验教学由实物实验教学向虚拟实验教学、远程虚拟实 验教学发展，实现我国自主知识产权软件的跨越式发展，解决远程虚拟实验教学 短缺的困扰，提供了最佳解决办法。 1 3 国内外现状及发展趋势 网络虚拟实验室概念的提出至今仅为十余年的时间，但因其诱人的应用前景， 各国均在大力开发，已经取得了一些进展。 远程教育目前已被广泛的应用到大学的实验教学中来。国内外的一些大学已 经组建了虚拟实验室，如剑桥大学、斯坦福大学、新加坡国立大学以及清华大学等 都已开展了远程实验室方面的研究，并取得了一定的进展。但目前还没有大规模的 成功应用实例，也未形成国际通用的标准。 作为首先提出虚拟实验室概念，并具有雄厚的科研实力和强大财力的美国， 从一开始就十分重视虚拟实验室的研究与开发，在该领域的研究已处于领先地位。 虚拟仪器系统及其图形编程语言己成为各大学理工科学生的一门必修课，其普及 程度是相当广泛的。国外的一些大学已组建了远程虚拟实验室。德国的汉诺威大 学建立了虚拟自动化实验室；西班牙大学电子系开发了电子仪器虚拟工作平台： 意大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；新加坡国立大学开发了远程示波 器实验和压力容器实验。 目前，网络虚拟实验室在发达国家已十分普及。美国作为当今的科技强国，为 继续保持其在科学技术领域的领先地位，尤其重视信息技术的研究，并已将虚拟实 验室列入其科研发展的战略规划。在1 9 9 1 年底，美国科学基金会、美国国家科学 研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了一个“全国( 科学) 合作实验室 委员会”，其任务是调查科学家对信息技术的需求，协调科研合作关系，组织并实 第一章绪论 施具体的信息技术开发。此后，美国联邦政府投入资金在海洋学、天体物理学和分 子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室作为示范工程，开展了一系歹0 探索性 研究并取得了实质性进展。美国一些政府部门，如能源部，正在制定计划将其所属 的科研机构过渡到虚拟实验室环境中。目前，越来越多的科学家正投身于构筑一个 覆盖全美国的虚拟实验室的工作中来。 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，已有部分高校初步建 立了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；华中 理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公开展示，供远程 教育使用；四川联合大学基于虚拟仪器的设计思路，研制了“航空电台二线综合测 试仪”，将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统；复旦大学、上海交通大学、 广州暨南大学等一批高校，也开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。 基于i n t e m e t 的e d a 虚拟实验室及虚拟仪器系统研究 第二章基于in t e r n e t 的e d a 虚拟实验室系统结构 2 1 1 系统分析 2 i 系统总体目标与分析 基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室系统，目的是满足网络用户可以随时随地进 入实验室实现电子电路的设计、远程模拟、虚拟仪器及数据显示以及优化设计等 功能。网络用户在客户端登录本系统后可根据自己的需要完成电子电路设计，而 后通过i n t e r n e t 向远程服务器提交电路中各元器件的设定数据，服务器对客户数 据进行模拟分析与计算，然后再通过i n t e r n e t 将分析后的实验数据回传到客户 端，当接收到回传的模拟数据后，客户端调用所选虚拟仪器实现对实验数据的仿 真显示。调用优化设计模块，通过对结果数据的分析，可根据自己的要求实现对 电路的优化设计。 7 j j一、7 r i t e ”“一、 ，c ： h 、一，j 、一一， 系统用户、 电路编辑器 远程模拟 、小 、遍丘v 7 一、一 、 ? ， 、一1 。一7 。一。 优化设计虚拟仪器 | 玺| 2 1系统用例例 服务器接收来自客户端的实验操作请求，根据客户端不同的实验请求，调整 仪器的状态，模拟产生各种实验结果，输出相应的实验数据。用户在客户端进行 实验，其中实验过程中的数据和实验结果数据可以放置于服务器端，对于一些需 要备用或是进行进一步分析的数据也可以存放在客户端。为了在多人合作实验过 程保持同步，实验人员可以利用w e b 或利用其它途径进行联系，服务器端的后台 数据库提供了可以共享的实验数据和实验方法。 本系统主要功能是模拟e d a 实验室的各项功能，除了根据用户自己需要搭建 各种电路图外，可对所建电路进行各种电路分析并进行相应的实验数据图形化显 示，本系统可实现的电路分析按其特性可分为6 类1 5 种，如表2 1 所示。 第章基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室系统结构 类别电路特性 ( 1 ) 直流工作点( b i a sp o i n td e t a i l ) 直流特性( 2 ) 直流灵敏度( d cs e n s i t i v i t y ) ( 3 ) 直流传输特性( t f ：t r a n s f e rf u n c t i o n ) ( 4 ) 直流特性扫描( d cs w e e p ) 交流特性( 1 ) 交流小信号频率特性( a cs w e e p ) ( 2 ) 噪声特性( n o i s e ) 瞬态特性( 1 ) 瞬态响应( t r a n s i e n ta n a l y s i s ) ( 2 ) 傅里叶分析( f o u r i e ra n a l y s i s ) 参数扫描( 1 ) 温度特性( t e m p e r a t u r ea n a l y s i s ) ( 2 ) 参数扫描( p a r a m e t r i ca n a l y s i s ) 统计分析( 1 ) 梦托卡诺分析( m c ：m o n tc a r l o ) ( 2 ) 最坏情况分析( w c ：w o r s tc a s e ) ( 1 ) 逻辑模拟( d i g i t a ls i m u l a t i o n ) i 逻辑模拟( 2 ) 数模混合模拟( m i x e da ds i m u l a t i o n ) ( 3 ) 最坏情况时序分析( w o r s t c a s et i m i n ga n a y s i s ) 表2 ，1 电路分析功能列表 需要实现虚拟元器件和虚拟仪器构建具体内容是： 基本无源器件，如电阻、电容、电感、互感、传输线等。常用的半导体 器件，如二极管、双级晶体管、结型场效应晶体管、 m o s 场效应品体管、 g a a s 场效应晶体管、绝缘栅双级晶体管( i g b t ) 等。 独立电压源和独立电压源。可产生用于直流( d c ) 、交流( a c ) 、瞬态( t r a n ) 分析和逻辑模拟所需的各种激励信号波形。 各种受控电压源、受控电流源和受控开关。 基本数字电路单元，包括常用的门电路、传输门、延迟线、触发器、可编 基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室及虚拟仪器系统研究 稃逻辑阵列、r a m 、r o m 等。 常用的单元电路。常用的单元电路，特点是像运算放大器一类集成电路， 可将其作为一个单元电路整体出现在电路中，且不考虑该单元电路的内 部电路结构。 虚拟仪器仪表有示波器、万用表、数字信号发生器等。 2 1 _ 2 功能描述 ( 1 ) 客户端 用户要想使用本系统，首先要通过注册系统申请成为本系统的注册用户。用 户注册后便拥有自己的用户名和密码，每个用户的用户名在系统中都是唯一的， 并存储在文件服务器中，供用户登录时使用。用户通过登录系统的资格验证后， 即可登录到本系统，进入系统后便可以使用系统的所有功能。在本系统中存放有 多个电路实例，用户可以在客户端直接打开这些电路实例来进行一些电路模拟和 分析，在所打开的电路基础上，用户可以根据自己的需要对其进行修改，也可以 根据自己的需要新建一个电路，修改后的电路图可根据用户所指定的路径被保存 在本地计算机上。新建一个电路时，用户通过鼠标拖动屏幕上元件库中的可视化 元件( 如电源、电阻、电流表等) ，并把它放在屏幕上合适的位置，对于每一个元 器件都要根据需要设置其属性，为了电路设计的美观性。系统具有可以随意改变 元器件的位置及方向的功能，对于元器件可以对其进行旋转9 0 度或是1 8 0 度。元 件间的导线连接通过鼠标拖动( 从一个元件的连接点到另一个元件的连接点，例 如，从电源的正极到电阻的一个端点) 划线来完成。如果用户对于设计不满意， 可以删除元件或者连线( 即导线) ，就像实际试验中拆除导线一样。图2 2 是一个 电路图实例。 图2 2 电路设计图示例 第二章基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室系统结构 电路设计完成后，用户可以点击菜单项中电路分析模块的各种分析功能对电 路进行分析，此时，用户所设计的电路的相关数据就被传送到服务器端，服务器 端调用p s pic e 组件对电路进行分析处理，数据分析完成后，将分析结果返回客户 端，客户端再通过图形分析功能将结果以图形形式展现给用户。图2 3 为电路的 瞬态分析结果图。 图2 3 电路的瞬态分析图 如果要用示波器或是安培表等仪器来测量电路，则只需将此仪器连接在电路 中的适当位置，电路设计完毕在电路图中双击此仪器符号即可。本系统还具有电 路优化设计功能，新建一个电路后，点击优化设计功能项，设定优化目标值，便 可对此电路进行优化设计。 用户在客户端所能实现的功能可归结为向服务器发出连接请求，设置实验环 境，寻找所有适合的实验设备和共享资源，定制自己的实验方式和规范，完成电 路设计，通过设置限制来保护数据，通过网络寻找所有的研究人员和合作者，网 络数据传输( 和服务器以及实验人员之间) ，实验结果仿真显示，电路优化设计等。 ( 2 ) 服务器端 向客户端提供连接，保存用户的登录信息，用户登录时根据所保存的登录信 息对用户进行验证，如果是合法用户则允许进入本系统。接受客户端实验请求， 存储客户端上传的初始实验数据和实验边界条件以及实验结果数据，调用p s p i c e 软件对实验数据进行分析处理，将处理后的实验数据下传到客户端，对设备进行 控制、采集数据。提供各种通讯服务( 电子邮件、视频会议、共享文档、共享应 用程序) ，网络流量监控，数据流量控制等。 基于i m e m e t 的e d a 虚拟实验室及虚拟仪器系统研究 虚拟实验室系统中客户与服务器端之刚存在大量的数据交互，包括文本数 据、文件传输、图像、视频、音频等多种媒体数据，要求数据传输要有很强的准 确性和保密性，更要求较高的实时性，这一点在虚拟实验室系统中显得尤为重要， 尤其在大型的分布式系统中，如何适应整个系统的拓扑结构以及各终端用户的复 杂网络环境，实现高速、准确的数据通讯，是虚拟实验室关键技术。 基于以上的讨论，本系统将服务器端按功能拆分为实验数据模拟和网络服务 两个模块，不仅使得系统设计、建模、软件设计实现模块化，而且完全符合网络 设计的三层结构思想。 2 1 3 系统设计目标 基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室系统的总体目标是设计实现一个互联网上的 虚拟实验室环境，该虚拟环境应该具有可视化、全交互、资源共享、安全性等特 点，真正突破地域和时间上的限制，达到远程实验教学和科研的目的。 虚拟实验室系统建设的目标是应使系统具有以下特点： 1 开放性 任何用户只需注册登录本系统就能使用本系统，即对用户身份没有任何限制。 注册用户无论在何时，何地都可以自由地使用虚拟实验室系统，即在时间和空间 上对使用者也没有限制。此特性为使用者提供了很大的便利性。 2 交互性 用户可以根据自己的需要来制定电路，服务器端能够根据所建电路实时地反 馈给用户相应的实验数据。实时性是虚拟实验室的一大要求增强了虚拟实验室 的真实性。网上交流和答疑也是一种交互手段。 3 易于维护 在软件设计上要采用跨平台的组件原则，以便于维护和管理。图像、声音、 动画等采用标准格式，网络应用程序必须采用跨平台设计方案。应允许虚拟实验 室能够不断增加新的服务和特性，且扩展后的虚拟实验室对使用者没有任何不方 便之处，且要保证使用者每次使用的都是最新的系统。 4 安全性与可靠性 系统运行一定要安全可靠。安全性是开放的、透明的、资源共享的虚拟实验 环境所必需的保障条件。这个安全性不仅指保证访问虚拟实验室的用户机器、数 据的安全，也指虚拟实验室能够禁止非法用户的访问。 第二章基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室系统结构 2 2 系统的结构模型 2 2 1 b s 结构与c s 结构的比较 一c s 结构 c s 结构是客户n 务器( c l i e n t s e r v e r ) 的简称，c s 结构是出现较早、应用 范围很广的一种体系结构，它属于两层结构的系统：第一层是在客户机系统上结 合了表示与业务逻辑，第二层是通过网络结合了数据库服务器。c s 结构通过将 任务合理分配到客户端和服务器端，从而降低了系统的通讯开销，可以充分利用 两端硬件环境的优势。早期的软件系统多以此作为首选设计标准。 图2 4 为c s 结构的结构模型图。 图2 4c s 结构图 二b s 结构 b s 结构，即b r o w s e r s e r v e r ( 浏览器n 务器) 结构，是随着i n t e r n e t 技术的兴起，对c s 结构的一种变化或者改进的结构。它的客户端是标准的浏览 器，服务器端为标准的w e b 服务器协同应用服务器响应浏览器的请求。在这种结 构下，用户界面完全通过w w w 浏览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，但是主 要事务逻辑在服务器端实现，形成所谓3 - t i e r 结构。b s 结构，主要是利用了不 断成熟的w w w 浏览器技术，结合浏览器的多种s c r i p t 语言( v b s c r i p t 、 j a v a s c r i p t ) 和a c t i v e x 技术用通用浏览器就实现了原来需要复杂专用软件才 能实现的强大功能，并节约了开发成本，是一种全新的软件系统构造技术。 图2 5 是b s 三层结构的模型。 基于i n t e m e t 的e d a 虚拟实验室及虚拟仪器系统研究 j ，。、 ，、 il 口口口，口i 通 数 据 用库 歉 管 理 、 九 n ， 时关i j 卜一? 据 坑 服务器 怠当 接 口 聩i e 暑 图2 5b s 三层结构模型 三b s 结构与c s 结构的比较 c s 结构的系统多见于局域网，而b s 结构建立在广域网的基础上： 1 硬件环境不同：c s 一般建立在专用的网络上或小范围的网络环境，局域 网之间再通过专门服务器提供连接和数据交换服务：b s 结构建立在广域网之上， 不必是专门的网络硬件环境，信息自己管理，有比c s 更强的适应范围，一般只 要有操作系统和浏览器就行。 2 对安全要求不同：c s 一般面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能 力很强；b s 对安全的控制能力相对弱，面向是不可知的用户群。 3 对程序架构不同：c s 程序可以更加注重流程，可以对权限多层次校验， 对系统运行速度可以较少考虑；8 s 对安全以及访问速度的多重考虑，建立在需 要更加优化的基础之上。 4 软件重用不同：c s 程序不可避免的需要进行整体性考虑，构件的重用性 差：b s 的多重结构，要求构件具有相对独立的功能，能够较好的重用。 5 系统维护不同：c s 程序整体性强，必须进行整体考察，处理出现的问题 以及系统升级，升级难，可能是再做一个全新的系统：b s 由构件组成，仅更换 个别的构件，就可实现系统的无缝升级。系统维护开销较小。 6 处理问题不同：c s 程序的用户面固定，并且在相同区域，安全要求高， 与操作系统相关，应该都是相同的系统；b s 建立在广域网上，面向不同的用户 群，地域分散，与操作系统平台关系最小。 7 用户接口不同：c s 多建立在w i n d o w s 平台上，表现方法有限：b s 建立 在浏览器上，用更加丰富和生动的表现形式与用户交流。 8 信息流不同：c s 程序一般是典型的中央集权的机械式处理，交互性相 第二章基于i n t e m e t 的e d a 虚拟实验室系统结构 1 3 对低：b s 信息流向可变化，b bb cb 一( ；等信息、流向的变化，更象交易中心。 c s 结构与b s 结构之削的技术比较如表2 2 所示 技术 客户机服务器浏览器服务器 应用程序位于用户的p c 机主机或服务器 客户端需要的软件定制的客户软件浏览器 用户界面图形用户界面( g u i )图形用户界面( g u i ) 每次传输对网络的要求一次或几次一次 表2 2c s 与b s 结构的技术比较 c 1 i e n t s e r v e r 结构比较适合一些中小规模的系统，在客户端数量不是很大 的情况下，c s 模式确是一个成熟的运行环境，具有很好的可靠性和保密性。但 随着业务规模的不断扩大，客户端数量的增加与区域范围的延伸，c s 结构会显 得力不从心。而b s 模式因为前端只需浏览器，工作量不会因为客户端的增加而 急剧上升，不会影响系统的可靠性。考虑到与外部i n t e r n e t 连接的情况下，可以 建立一道防火墙，这样可以大大提高b s 结构的可靠性和保密性。 相对于c s 结构，b s 具有许多独特的优点，可总结为如下几点： 1 ) b s 是一种跨平台的，一点对多点或多点对多点的应用软件结构，减少 了开发人员在客户端的工作量，使他们可以把注意力集中到怎样合理地组织信息， 提供客户服务上面来。 2 ) b s 具有统一的浏览器客户端软件，不仅节省了开发和维护的工作量， 而且方便了用户的使用。 3 ) 在b s 结构中，客户端只需操作系统和w e b 浏览器，数据的查询、处理 和表示都由服务器完成。和c s 结构相比，客户端变得非常简便。 4 ) 可以透明地跨不同的网络和计算机平台，无缝地联合使用数据库，超文 本等多种形式的信息。 5 )c s 结构需要不断使用新的软件版本，用以更新用户系统；b s 结构中， 系统版本的升级及维护是在w e b 服务器端进行的，用户需要访问时才动态下载， 这就保证了用户每次使用的都是最新版本。 6 ) b s 运行下的i n t e r n e t 易于设置、使用和管理。 基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室及虚拟仪器系统研究 2 2 2 本系统的结构模型 随着i n t e r n e t 的发展和网上浏览器功能的进一步扩展，b s 结构逐渐成为互 联网应用的标准体系结构。对b s 模式面言，程序和数据的物理位置变得不那么 重要了，只关心它们的u r l 即可叽现代网络应用是以w e b 为中心，采用了t c p i p 技术，以h t t p 为传输协议，客户端通过b r o w s e r 访问w e b 以及与w e b 相连的后台 数据库。b s 结构使用简单，用户使用单一的b r o w s e r 端软件，通过鼠标即可访 问文本、图像、声音、电影及数据库等信息，特别适合非计算机人员使用。而且 易于维护，由于用户端无需专用软件，在对网络应用进行升级时，只需要更新服 务器端的软件，从而减轻了系统维护与升级的成本与工作量，且保证了用户每次 使用的总是最新的软件。 基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室及虚拟仪器系统的总体目标是实现一个互联 网上的虚拟实验室环境，为了方便网络客户端的使用，用户端无需安装专门的软 件，仅通过浏览器就可以实现虚拟实验操作。基于此目标，系统将采用b s 结构 进行开发，其网络结构模型如图2 6 所示。 图2 6 系统网络结构模型 从图2 6 可以看出，在e d a 虚拟实验室系统中，客户端使用浏览器，通过h t t p 协议与w e b 服务器交互，请求访问虚拟实验室系统。w e b 服务器实现用户对系统 的正常访问控制，同时完成系统的管理工作；用户管理服务器负责用户验证、用 户权限控制和用户信息管理；数据库服务器保存了系统中相关的数据信息。这种 结构将数据的表现与操作分离，使用专门的服务器处理虚拟实验室的应用逻辑， 是一种典型的三层结构应用。 各层的功能介绍如下： 表示层( p r e s e n t a t i o nt i e r ) 表示层为用户接口部分，是用户与系统之间交互信息的界面。它的主要功能 第二章基于i n t e r a c t 的e d a 虚拟实验室系统结构1 5 是为用户提供一个搭建电子电路的用户界面，检查上传用户输入的数据，显示系 统输出的数据。在表示层中包含系统的显示逻辑，位于客户端。它的任务是由客 户端浏览器向虚拟实验室系统的w e b 服务器提出服务请求，w e b 服务器对用户身份 进行验证后用h t t p 协议把所需文件资料传送给客户端，客户机接受传来的文件资 料并把它显示在w e b 浏览器上。表示层可以是j a v aa p p l e t 小程序、集成在网页 上的a c t i v e x 控件，或者是含有脚本代码的h t m l 页面。本系统结构采用的是集成 在网页上的a c t i v e x 控件。 功能层( f u n c t i o nt i e r ) 功能层是虚拟实验室应用的主体，由w e b 服务器、用户管理服务器和文件服 务器构成。在功能层中包含系统中全部的事务处理逻辑，即除了输入输出在表示 层、数据库在数据层以外，全部的网络实验管理功能都由功能层完成。它的任务 是接受用户的请求，由w e b 服务器判断请求内容，并执行相应的扩展应用程序与用 户管理服务器或文件服务器建立连接，进行应用逻辑的处理。处理过程中如果需 要访问数据库，用户管理服务器或文件服务器通过数据库连接桥与数据库连接， 采用s q l 等方式向数据库服务器提出数据处理申请，等数据库服务器将数据处理 的结果传回后，再交由w e b 服务器传送至客户端。 数据操纵层( d a t am a n i p u l a t i o nt i e r ) 在数据操纵层中包含系统的数据处理逻辑，位于数据库服务器端，负责管理 对数据库数据的读写操作。它的任务是接受用户管理服务器或文件服务器对数据 库操作的请求，实现对数据库查询、修改、更新等功能，并返回运行结果至相应 服务器。 以上三层相互协调，共同构成e d a 虚拟实验室系统的应用体系结构，为用户 提供网络化的虚拟实验平台。 2 2 3 基于s s 的三层结构的功能描述 上一节主要论述了基于i n t e r n e t 的虚拟实验系统三层结构模式，体现的是 系统的宏观模型，这一节将从各层的功能入手，重点论述各层应实现的具体功能。 各层主要功能模块的说明如下： 1 表示层 ( 1 ) 电路编辑向客户提供丰富的标准元器件库，能够方便快捷地创建新的 电路图，能够编辑历史电路文件，生成标准的电路模拟文件，通过i n t e r n e t 远程 模拟，调用仿真显示模块实现静态数据的动态显示，调用优化设计模块实现电路 的优化设计。 基于| n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室及虚拟仪器系统研究 ( 2 ) 仿真显示实现静态的模拟结果动念显示。 ( 3 ) 优化没计按照客户的设计需求，参照模拟结果数据，通过优化算法实 现整个电路的优化设计。 ( 4 ) 远程调用提供客户与远程服务器之间的通信接口。 2 功能层 ( 1 ) 管理用户登录，负责系统的安全 ( 2 ) 接收用户端上传的初始实验数据和实验要求，对用户端的初始数据按照 用户端的要求进行分析，然后将分析后的数据下传到客户端供用户查看处理。 ( 3 ) 负责数据层与表示层之间的联系。 3 数据库层 ( 1 ) 客户注册 ( 2 ) 数据管理 ( 3 ) 数据备份 ( 4 ) 流量控制 ( 5 ) 流量监控向客户提供服务接入接口，监控网络状态，负责对各种突发 网络事件的处理。 2 2 4 系统的技术解决方案 上节分析了系统的结构模型，采用b s 三层网络结构构造虚拟实验室系统。 目前，b s 结构的网络应用一般有两种技术实现方法：基于j a v a 技术的方法和基 于c o m 组件的方法。两种方法实现的平台各不相同，本系统采用基于c 0 1 d 组件的 方法，下面介绍基于c o m 组件的技术及原理。 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 技术是m i c r o s o f t 公司提出 的一种软件构建机制，以解决软件开发中的软件模块构建问题，实现积木块式的 系统构建，从而使得软件的构建更加形象、具体。c o m 不仅是面向对象技术深入 发展的结果，也是代码重用技术进一步成熟的表现。c o m 具有语言无关性和进程 的透明性，使用一种语言+ 开发的组件可以和使用另种语言的客户程序正常通信， 无论是进程内的组件还是进程外的组件，对客户来讲都是同样的。c o m 的这些特 性使得它在开发虚拟实验室系统中具有突出的优势。 a c t i v e x 是m i c r o s o f t 公司提出的一组使用c o m 技术使得软件组件在网络环 境中进行交互的技术集。它与具体的编程语言无关。作为针对i n t e r n e t 应用开发 的技术，a c t i v e x 被广泛应用于w e b 服务器以及客户端的各个方面。a c t i v e x 技术 允许不同软件开发的组件在网络上进行互操作，也可以进行本地组件和网络组件 的通信【2 1 。 第二章基于i n t e r n e t 的e d a 虚拟实验室系统结构 使用a c t i v e x 技术，主要是进行控件的开发。a c t i v e x 控件可以用于所有支 持c o m 规范的容器中，或者作为i n t e r n e t 控件嵌入到w e b 页面中。当i e 浏览器 遇到含有a c t i v e x 控件的网页时，首先检查用户的本地系统注册，察看该组件是 否已经安装在本地机卜- 。如果组件已在本地机上安装，i e 显示该网页并激活控件。 如果控件还未在用户本地机上安装，i e 将自动根据丌发者创建网页时的地址定 义，从网上下载此控件，并安装到本地机器。 采用c o m 组件技术的系统网络结构图如图2 7 所示。 w e b s 务器 图2 7 采用0 0 m 组件技术的系统网络结构矧 二) 口 s q ls e r v e r 数据库服务器 作为一种可重用的软件组件，a c t i v e x 控件可以方便地插入网页中，并自动 下载注册到用户的机器。这就带来了安全性问题。从理论上讲，a c t i v e x 控件可 以操作用户机器上的文件，所以如果控件在网络传输过程中被加入恶意代码，就 会对用户的机器产生很大损害。因此控件的发布者要提供数字签名等安全认证机 制，保证控件的安全可用性。一般i e 浏览器的默认安全级别规定，禁止下载未签 名的a c t i v e x 控件，提示下载已签名的控件，这些限制同样保证了控件的安全下 载和使用。另外，微软开发的i e 浏览器对a c t i v e x 控件是完全支持的，而其他浏 览器，如n e t s c a p e ，需要安装插件才能浏览包含a c t i v e x 控件的网页。 由图2 7 可知，在此方案中，使用a c t i v e x 控件嵌入网页，实现用户客户端 的图形界面操作以及电路设计功能。控件通过h t t p 协议与服务器进行交互。该方 案将用于电路设计功能的动态库同a c t i v e x 控件集成，一起下载到客户端，从而 确保了电路设计的实时性，这样，全部虚拟实验操作均由客户端独立完成，加快 了系统的反应速度，保证了和用户交互的即时性，减轻了服务器端需要进行频繁 计算操作的负载。同时，由于控件没有a p