基于-web单片机课程远程实验系统设计.doc
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1、- -基于web的单片机课程远程实验系统设计摘 要:随着计算机、网络技术的不断开展,网络虚拟实验室得到越来越多的应用,本章主要介绍了虚拟实验室的根本特点及其体系构造,实现虚拟实验室。单片机应用技术所涉及到的实验实践环节比拟多,硬件投入比拟大。在具体的工程实践中,如因方案有误而进展相应的开发设计,会浪费时间和经费。本文以学校单片机课程的实验教学为背景,全面探讨仿单片机网络实验。关键词:网络实验室;单片机虚拟实验室;远程控制1 引言传统的单片机教学实验,要采用硬件仿真器、实验箱或实验板,需采购大量的、昂贵的硬件设备,同时设备维护工作量也非常大。由于单片机应用技术涉及到数字电子、模拟电子、计算机甚至
2、通信等多学科的知识,且实践性又很强,所以在教学实验过程中必须软件硬件结合,也就是将单片机程序和外围电路相结合。假设用实验箱那么费用高,又不能充分利用,假设用实验板那么开发周期长,方案变更困难。本文探讨单片机网络实验室,基于单片机网络的虚拟实验室可以作为一种辅助的实验手段来弥补真实实验课程的缺乏,并且可以构建复杂的难以开展的真实实验,也为远程教育开设实验课程提供了可能性。2 设计任务一个计算机网络硬件平台、一本虚拟实验教程,就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬,即为虚拟实验室的本质。 单片机网络实验室通过 Proteus 仿真软件和相应的硬件平台构成一个从虚拟到实际,从软件到硬件,
3、从概念到产品的全过程设计的多功能实验平台。它主要用于电路分析、模拟电路、数字电路、嵌入式系统单片机应用系统、ARM 应用系统等课程的实验、研究等。通过网络虚拟实验室,能够通过计算机在网络中模拟一些实验现象,它不仅仅能够提高实验教学效果,更加重要的是对一些缺乏实验条件的学生,通过网络同样能够身临其境地观察实验现象,甚至和异地的学生合作进展实验。3 网络虚拟实验室3.1网络虚拟实验室的开展网络虚拟实验就是在WEB中创立出一个可视化的环境,其中每一个可视化的物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作,用户可以进展虚拟的实验。网络虚拟实验实现的根底是多媒体计算机技术与网络技术的结合。无论是学生还
4、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,进展各种实验。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。许多国外从事实验室工作的研究者在实践中还提出这样一些概念:Digital Lab、MBLMicro-puter Based Lab,尽管这些名词不统一,但他们的实践从不同的层面实现了虚拟实验室。简单介绍几个国外大学虚拟网络实验室,印地安那州立大学的MBL化学实验室,该实验室在给新生开化学实验课时用计算机来辅助做这样一些事情,用计算机采集与分析实验数据,用计算机展示实验,在网上发布相关实验指导资料。此外,芝加哥伊利诺大学数字化有机化学实验室充分利用网络资源,在网上提供一系
5、列实验教学指导资料,他们利用计算机进展实验教学的教学管理。可见,虚拟网络实验室已经在很多高校已经开场使用。3.2 网络虚拟实验室概述虚拟实验室Virtual Laboratory,最早由美国弗吉尼亚大学University of Virginia的威廉沃尔夫William Wolf教授于1989年提出的。它描述了一个计算机网络化的虚拟实验室环境,致力于一个综合不同工具和技术的信息化、网络化的集成环境。在这个环境里,用户可以非常有效的利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力等资源。与传统实验教学相比,网络虚拟实验室具有如下特点:1) 可降低科研本钱和节省研究经费,能够充分发挥现有科学仪器的
6、作用,提高使用效率,尤其是通过互联网后能实现大型科学仪器的资源共享,防止了大型仪器设备的重复添置、购置和浪费。2) 突破了传统实践教学模式受时间、地点的限制,同时可以利用计算机网络网络提高实践教学效率,更好地培养学生独立分析问题、解决问题能力,进一步提高学生的实践技能,锻炼学生的实践能力。3) 强调“网络就是实验仪器的概念。网络在实验中充当了以往由操作台和设备实现的角色。通过建立网络虚拟实验室,远程教育的学习者不必担忧缺乏实验条件,也不必为实验到处奔波,他们通过网络中的基于虚拟仪器的虚拟实验环境,同样能够身临其境地观察实验现象和进展“实际操作,甚至和异地的学习者合作进展实验。4) 鉴于网络虚拟
7、实验的开放性和共享性,资源的可重复利用率提高,系统组建时间缩短,功能易于扩展和管理,使学生的实验操作时机得以增加,实验围和科目得以扩大,高新技术在教育领域的优势可以充分发挥出来。因此,用现代计算机网络技术研究虚拟实验室及其在实践教学及远程教学中的应用,已成为近几年国外实验教学和远程教学的研究热点。3.3 网络虚拟实验室体系构造网络虚拟实验室应是一个集虚拟实验教学管理系统、实验课教学指导系统,网络实验仿真等为一体的功能强大的网上运行系统。各局部之间相互联系相互补充,仅具有相对独立性。开发虚拟环境,实现实验仿真应是虚拟实验室建立的核心局部。3.4网络虚拟实验室开发过程当中应注意的几个问题计算机软件
8、技术开展到现在,为虚拟实验室开发提供了极大的方便。目前开发所需的系统软件均支持面向对象的程序设计。它们都有事件驱动的支持,消息循环的程序设计方法及多媒体操作技术。在开发过程当中要注意以下几个问题:事件触发时机的选择,实际操作中当某个按钮按下后并不立即反映,需要延时回应,外部接口的输入信号或其它信息往往是定时触发或者是随机触发的事件,假设为随机触发的事件那么可用一定时间的随机数来取代固定时间。事件连锁关系或动态顺序关系可以存放在一数据库表中描述,方便修改。给相应的条件、控制围,自动形成数据表,使数据和程序独立。模拟声音,要使实验到达逼真,除了模拟控制台实物景象,还要模拟它们实验环境中的各种声音,
9、如汽笛声、按钮按动声、部机械动作声等。这样,才可以能使学生在实验室有身临其境的感觉,全身心地投入学习。模拟台面各种动作的结果,台面上每个控件的动作都会触发一定的事件。这些事件在实物设备中是靠机械、电子电路等去完成,而现在将这些机械及电子逻辑关系使用计算机软件实现。故障发生器,在实际工作中除了设备正常情况下的操作,还有各种意外情况,如某些设备故障的情况。此时,要求在虚拟系统中也能模拟手柄失灵、仪器仪表信号不显示以及自然灾害发生的情况等,即给实验增加一些难度,强化学生实际操作能力。3.5 网络虚拟实验室的特点网络虚拟实验室的主要优点总结如下: 1多功能型实验室其不仅可以仿真电路分析实验、模拟电子线
10、路实验、数字电路实验,而且可以仿真嵌入式系统的实验,其最大的特色在于可以提供嵌入式系统单片机应用系统、ARM应用系统的仿真实验。因此,它完全可以称之为一个多功能的实验平台。 (2) 开放型实验室 由于其硬件是基于网络平台的,如一个单位的局域网、或企业网、或校园网或单机板,基于一台PC或Internet用户。因此其实验用户可以不受传统实验室的时间、空间、及实验容的限制。用户可以跨越时间、空间及实验容的约束,尽情释放自己的实验兴趣及创新思维,此外,这也使得设备的利用率得到最大的发挥。 (3)先进型实验室 由于网络虚拟实验室主要由其Proteus仿真软件实现,其置: 万种以上元器件数字的、模拟的、交
11、流的和直流的及多达30多个元件库; 多种现实存在的虚拟仪器仪表,如示波器、频谱分析仪,电压表、电流表、图表分析、逻辑分析仪、虚拟终端等。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标,例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗,可尽可能减少仪器对测量结果的影响。 丰富的测试信号源用于电路的测试,这些测试信号包括模拟信号和数字信号。 先进的混合仿真系统SPICE电路仿真器+数字仿真器+MCU仿真器。这是一个组合了SPICE3F5模拟仿真器核、基于快速事件驱动的数字仿真器及MCU仿真器的混合仿真系统,SPICE的使用使得您能够采用数目众多的制造商提供的SPICE模型,目前该软件包含了6000多个模型。 这些先进的置配
12、备,使得其能够成为先进的实验室。 另外,软件还许可用户自己定制器件模型,英国Labcenter公司也能够为用户制作,除此之外,软件的不断升级也可保证其器件模型同当今世界的电子技术开展同步,以上所有这些均极保证了实验室的先进性,并可在相当长的时间保持其先进性。 (4)创新型实验室 Proteus仿真软件置的丰富资源为进展创新型实验研究奠定了根底。其仪器仪表、信号源、元器件、器件模型一应俱全,教师可以在此开展创新实验容的研究,设计创新实验容,学生也可以在这里开展除规定实验容之外的个性化实验研究、创新开发研究。在这里没有时间限制、没有空间的限制、没有元器件及线路板的限制,人们可以展开自己想象的翅膀,
13、尽情飞翔在创新的空间之中。 (5)易管理、维护型实验室 由于其核心为Proteus仿真软件,因此,其实验是无损耗的,其管理、维护也就是用户账户的管理、软件的安装及更新而已,这极降低了教师的设备管理工作量,使得教师可以有更多的精力投入到实验容的创新研究之中出。 (6)低投入、高回报型实验室 同传统实验室建立相比,网络虚拟实验室建立可以称之为低投入、高回报型实验室。用户只需建立相应的计算机网络平台也可使用已有的计算机网络平台,外加购置一套Proteus网络板软件,少量的实验验证板即可而已。实验室的维护费用几乎为零,同时,建立这样的实验室一个却可以同时起到多个实验室的成效如电路分析实验室、模拟电路实
14、验室、数字电路实验室、嵌入式系统实验室单片机应用系统、ARM应用系统、微机原理与接口技术实验室等。3.6 网络虚拟实验室实现原理网络虚拟实验室的构建多使用浏览器、效劳器、数据和应用(BSDA,Browser/Server/DatabaseApplication)构造,其原理如图1所示,网络虚拟实验室由客户端、网页效劳器端、应用效劳器端以及实验仪器设备四局部组成。应用效劳器主要作用是控制和管理实验仪器、采集和处理实验数据;数据库的主要作用那么是配合用户账户的管理、网页的生成以及实验数据的存储和管理;网页效劳器主要作用是提供Web接入效劳、用户认证管理、开放式交互实验环境以及网页的生成。本网络虚拟
15、实验室,主要由模拟仿真和实时测量两个局部组成,如图2所示。模拟仿真局部,主要完成验证型、原理演示型实验,使用Lab VIEW自带的网页发布功能,直接在Web效劳器端生成嵌入实验平台的网页,用户只使用网页浏览器即可通过互联网网络虚拟实验室,进展实验。实时测量局部,主要完成仪器共享型、远程控制型实验,有一个多媒体辅助模块,是对实际实验平台界面的虚拟呈现,让学生在进入实时测量模块前来操作,用来检验学生的预习程度,让学生预先了解实验容,熟悉具体的实验步骤;另一个是实时测量模块,它是实时测量局部的核心,负责本地实验数据的采集,并按远程用户的操作要求进展分析、存储以及显示,可使用Lab VIEW的网页发布
16、功能来实现,也可使用基于LabVIEW编程的 Application Server模块与客户端API模块来实现网络互连,数据通信,完成远程实验。图1网络虚拟实验原理图图2 网络虚拟实验室的组成局部3.7 网络虚拟实验室硬件构造我们使用的是以NI-PXI构架为核心的硬件体系,并以一台Dell PowerEdge4600为网络效劳器,如图3所示。 Dell PowerEdge4600为Web效劳器配备了2个Intel Xeon 2.8GHz处理器,2GB ECC DDR RAM,336GB SCSI RAID冗余磁盘阵列,以及Broad 千兆网卡,充分满足多线程、大流量、高带宽的使用要求。图3网络
17、虚拟实验室硬件构造4 虚拟实验室的体系构造4.1 网上虚拟实验室的实现模式虚拟实验室是一种异构的问题解决环境,它使得处于不同位置的学习者可以同时对一个实验工程进展实验工作。和其他领域一样的是,实验工具和技术是独立于各自领域的,不同之处在于虚拟实验室中操纵的并不是真实存在的仪器和设备,而只是以软件仿真来模拟已经存在和使用的设备。虚拟实验室要验的参与者共享实验环境和实验规那么,这种要求使得它易于在WEB上得以实现。网络为虚拟实验室的实现提供了一种根底平台,基于WEB的浏览器/效劳器B/S计算模式也是实现网上虚拟实验室的一种根本模式。如图4所示图4网上虚拟实验室的实现模式效劳器端通过软件技术对各种实
18、验环境进展仿真,并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,模拟产生实验的现象,输出对应的实验数据。学习者在客户端进展实验,其中实验过程中的数据和实验结果数据可以放置于效劳器端,对于一些数据也可以在客户端独立存放。为了在多人合作实验过程保持同步,实验人员可以利用WEB或利用其它途径进展联系,效劳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。 网上的虚拟实验室可能包含下面几个重要的组成局部:第一、能处理大量模拟操作数据处理的效劳器例如国家超级计算机中心、校园里的高性能计算机系统或者公司研发部门的网络系统;第二、用于存储模拟数据初始条件和边界条件以及实验结果数
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