CN100492445C - 一种基于网络的远程电子电路实验方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种基于网络的远程电子电路实验方法及系统，客户端程序装置：提供了远程操作仪器、组合实验电路的用户界面，实现远程操纵、控制测试仪器和电路，客户端程序装置有函数发生器部分程序装置，示波器部分程序装置，实验电路部分程序装置；函数发生器部分程序装置：模拟函数发生器部分的基本功能，并产生控制指令。示波器部分程序装置：模拟示波器的基本功能，并产生控制指令。实验电路部分程序装置：提供实验电路的操作界面，完成电路的选择和设置；服务器程序装置：接收客户端发送的登录及发送来的控制操作命令信息，并把它们存放在数据库中；执行数据库中存储的命令，并把执行结果存入到数据库；把数据库中的结果发送给用户。

Description

一种基于网络的远程电子电路实验方法及系统

所属技术领域

本发明涉及一种基于网络的远程电子电路实验方法及系统。属于计算机技术领域。

背景技术

大学的电类专业的学生分别要进行电路与系统、模拟电子电路、数字电子电路等多项实验，平均要完成100学时的基础实验。电子电路实验室是电子信息、计算机、电气工程、机电一体化等学科的重要教学基础设施。掌握基本电子电路实验技能、通过实验学习电子技术和工程电子仪器使用操作技术，是上述学科的重要学科培养目标。随着电子技术的发展，EDA技术正在成为电子技术的基本研发工具，也是教学的基本内容。但EDA技术提供的是一个完善的工具，要求具有专业技术背景才能使用，而本科学生在学习电子电路有关课程时并不具备相应的专业技术背景，恰恰相反，学生正是要学习使用EDA工具时所必须具备的知识和技术。同时，EDA工具提供的是一个计算机程序的计算结果，其结果同真实的电路实验有一定的差异。基于网络的远程电子电路实验室以真实的实验电路为基础，通过远程控制和多人共享，实现向网络和多媒体技术要时间、要空间、要设备的目的，这正是远程实验室的生命力所在。

根据教学的实践和专利查询的结果，现有的网络远程实验教育方法大致有两种：

1、以EDA软件为基础，通过网络进行远程操作实验，此种方法可进行大多数的电子电路实验。

此种方法以《教育技术研究》杂志中解放军电子工程学院电子技术实验中心李东升的文章《网络时代的远程电子实验中心建设》一文为代表。此种方法的实现以EDA软件为基础，通过服务器-客户端的方式，使学生可以远程利用EDA软件进行电子电路实验(比如模拟电路实验等)，同时通过制作一些电子课件，使学生能够远程学习实验的过程。

此种方法的最大缺点是使用各种仿真软件和计算机动画来完成实验，实际上是完成了实验的软件仿真，实验结果由软件计算得到，没有或很少真正实验硬件仪器的参与。采用远程的方式只是远程运用计算机的软件。

2、以计算机实验为主体，进行一些专门的远程实验。

此种实验以发明专利《计算机远程遥控实验系统及其实验方法》(申请(专利)号01132202.0)为代表。此种实验方法重要针对计算机实验和部分的通信实验，实验方法为通过计算机网络对连接在服务器上的智能仪器进行编程，控制从而达到实验的目的。

此种实验方法的缺点在于：通过网络进行实验时只能对相应的智能仪器进行操作，完成的实验种类较少，且局限性较大。此种方法可远程的控制部分智能的仪器，不能远程控制真实的电子电路实验电路，没有实际电路的使用，没有多人同时共享实验仪器的可能，只是完成了一些仪器的远端控制。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于网络的远程电子电路实验方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于网络的远程电子电路实验系统有客户端程序装置、服务器程序装置、硬件设备等。

硬件设备包括：

A)一台服务器及相应网络设备；

B)一台Agilent 54645D数字示波器(服务器通过GPIB接口控制)；

C)一台Agilent 33120A信号发生器(服务器用RS232串口控制)；

D)一台专用实验箱(与服务器采用RS485通信)；

E)若干台Pc终端(与服务器通过网络连接)；

客户端程序装置：提供了远程操作仪器、组合实验电路的用户界面，实现远程操纵、控制测试仪器和电路，客户端程序装置有函数发生器部分程序装置，示波器部分程序装置，实验电路部分程序装置；

函数发生器部分程序装置：模拟A33120A函数发生器部分的基本功能，并产生控制指令。

示波器部分程序装置：模拟HP54645D示波器的基本功能，并产生控制指令。实验电路部分程序装置：提供实验电路的操作界面，完成电路的选择和设置；

服务器程序装置：(1)接收客户端发送的登录及发送来的控制操作命令信息，并把它们存放在数据库中；(2)执行数据库中存储的命令，并把执行结果存入到数据库；(3)把数据库中的结果发送给用户。

一种基于网络的远程电子电路实验方法，实现的步骤有；

步骤1：服务器和远端客户端程序打开，系统硬件连接。

步骤2：远端客户端程序登录，选择实验内容，向服务器端发送仪器和实验的控制指令。

步骤3：服务器接受到命令后，按接受的顺序存储到服务器的数据库；

步骤4：服务器根据数据库中各表格的命令，分别发送命令到信号发生器、实验箱和示波器，

步骤5：信号发生器和示波器接到控制命令后完成仪器的真实设置；

步骤6：实验箱接到命令后，利用电子开关的相应设置完成学生在客户端完成实验的具体连接；

步骤7：服务器端将实验的真实结果发送到远端客户端

步骤8：远端客户端将实验结果波形显示在软件示波器上。

本发明的优点在于：

1、通过信息网络把电工电子实验室扩展到网络终端，学生做实验不再受时间和地点的限制，极大地提高了实验室的空间。

2、通过网络共享，极大地提高了仪器设备的利用率。目前实验室的仪器有效利用率比较低，例如信号源和示波器，每组仪器在一个实验中的实际利用时间仅占全部实验时间的5％左右(实验过程中真正观察仪器的时间)，却难以满足学生随时用仪器设备的要求。通过网络共享，学生在任意一个联网终端上都能在需要的时候随时使用操作仪器设备。一套实验仪器设备可以同时提供给10名以上的学生使用，实验仪器的利用率可以提高20倍以上。同时，也有利于精密和高档电子仪器在教学中的使用。

3、远程电子电路实验系统提供的是电子电路实验的真实连接和实际结果，而不是理想条件下的仿真结果。

4、远程电子电路实验系统连接了多种智能仪器和专用的实验箱，学生可通过网络真实控制仪器和实验箱中的真实电路，进行实验。

5、基于网络的远程电子电路实验可允许多人同时在线控制使用同一套实验系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明系统的结构图。

图2是客户端程序的流程图。

图3是服务器端软硬件实验流程图。

图4是客户端软件仪器控制界面图。

图5是客户端实验电路控制界面图。

图6是实验箱电路主控结构框图。

图7是实验箱电路插卡结构框图。

图8是波形图。

具体实施方式

实施例1：在图1、图6中，整个实验系统可以分为三部分：客户端程序、服务器程序、服务器及所控制的硬件设备，包括实验仪器箱和可以程控的示波器(型号为Agilent公司的A54645D)及信号发生器(型号为Agilent公司的A33120A)。

远程实验系统的硬件设备包括：

1.一台服务器及相应网络设备；

2.一台A 54645D数字示波器(服务器通过GPIB接口控制)；

3.一台A 33120A信号发生器(服务器用RS232串口控制)；

4.一台实验箱(与服务器采用RS485通信)；

5.若干台Pc终端(与服务器通过网络连接)；

客户端程序具有信号发生器、示波器软件操作界面，和26个包括电路与系统和模拟电路实验界面。仪器的操作界面同服务器端的真实仪器面板一致，实验界面包括的实验电路在服务器端的实验箱中都有真实的实验电路。使用者对软件中仪器的参数进行设置，对相应的实验电路进行连接，软件对信号发生器、示波器、实验电路的操作信息转换为命令数据，并通过Internet将之发送到服务器的数据库中。

如图3所示，服务器程序对每个用户的操作数据采用分时的方法进行处理。在当前用户的实验操作数据被服务器程序处理完之前，用户的所有操作数据均按顺序保存在服务器的数据库中。

服务器程序收到用户的操作数据，对其所控制的实验仪器和实验箱中电路进行设置，建立用户需求的实验环境。首先，服务器程序通过RS232接口控制A33120A信号发生器，根据用户操作，设置信号发生器，产生具有用户所要求幅度、频率等特性的输出信号，并将信号输入到实验箱内；之后，服务器程序通过RS485控制实验箱，根据用户的操作数据，通过控制电子开关连接实验箱中相应的实验电路，并对相应的实验电路参数进行设置。设置好实验电路后，服务器程序通过数字接口控制实验室内的A54645D数字示波器，测试实验电路的输入信号和输出信号。服务器程序在将一个用户的实验操作完成后，将实验结果保存到数据库中，然后把实验结果发送回客户端，并由客户端程序显示在客户端的信号发生器和示波器的面板上。这个用户的实验处理完后，转向对下一个用户需求的处理。

本发明中以一台服务器和若干台Pc终端和网络设备组成了计算机网络。学生可在终端计算机上进行操作，进行实验。计算机网络可以是局域网，也可以是广域网，这样可以大大进行空间的延伸，本系统分别利用在瑞典和台湾的Pc终端进行实验，效果良好。服务器和Pc终端以及网络设备的硬件均采用现有的技术。连接在服务器上的实验箱、信号发生器、数字示波器是本发明硬件装置的主体。其中实验箱的设计是硬件上的创新之处，实验箱的设计已经申请了实用新型专利。

1)信号发生器

A33120A是美国Agilent公司采用最新的全新技术制造，它提供15MHz全功能线性、对数扫描；内部AM，FM，FSK等功能；是一种12bit、40Msa/s1、6k深度的任意波形发生器。A 33120A包括RS-232接口标准，通过服务器的RS-232接口同服务器通信。

2)示波器

新型的A54645D混合信号示波器是美国Agilent公司采用最新的全新技术制造。组合了示波器对信号细节的分析能力，逻辑分析仪的多通道定时测量能力及深存储的种种优点。此外还采用了Agilent公司独创的MegaZoom新技术。2个示波器通道和16个逻辑定时通道的有机集成，A54645D包括GPIB接口通过专用的GPIB接口卡同服务器相连接。

3)实验箱

远程电子电路实验系统的硬件实验箱的功能是为远程实验系统提供各类实验电路。该硬件实验箱包括了客户端界面中的所有实验电路，比如基本运算放大器类实验、信号发生器实验、乘法器实验、检波实验、锁相环实验等等，使得用户通过本系统可以进行远程控制的基本电子电路实验。

操作者通过客户端的电路操作界面连接和建立被测试的电路、设置电路参数，形成的操作命令通过Internet发送给服务器，服务器通过RS-485接口发送命令控制真正的实验电路，并通过GPIB和RS-232接口控制数字示波器和信号发生器进行测试，测试结果回传显示在客户端的虚拟仪器的面板上。实验箱分为两部份：主控板部分和插卡实验电路部分。主控板是一个单片机控制系统，包括单片机、扩展插槽、RS-485接口电路、输入输出通道控制四个功能模块。

主控板上的主芯片使用了Motorala公司的MC68HC05C9芯片。单片机管理主控板上的控制逻辑，主要实现的功能是：通过异步串行通讯接口(SCI)经RS-485总线与服务器通信，接收并执行服务器发送的操作命令，对操作命令进行处理后，通过I/O口控制主控板上的输入输出通道控制模块以及扩展槽上相应的实验电路，进行实验电路连接，设置电路参数，连接输入输出通道。在主控板上主要使用了MC68HC05C9的异步串行通讯接口(SCI)，在主控板上使用MAX481RS-485串行通信接口芯片。

所有实验电路都以插卡的形式设计，图7是实验箱电路插卡结构框图。这样设计为系统提供了扩展功能的接口，可以使系统的管理者根据本单位教学内容的特殊需要，设计新的实验电路，为系统增加新的实验内容，从而提高了系统管理和使用的灵活性。

插卡电路包括主控板接口、插卡电路控制器、实验电路三部分。

每一块插卡电路与主控板的接口是标准的。具体内容参见扩展槽接口部分的介绍。

插卡电路控制器使用一片Lattice ispLSI 1016-60 PLCC44-I芯片。其功能控制是实验电路插卡上的每一个元件。控制地址线作为它的输入端，它的输出与本插卡上的每一个元件的选通管脚连接。实验电路通常使用的元件是电阻、电容。在实验电路中使用数字电位器，从而达到改变电路中电阻参数的目的。

在实验箱硬件系统中对所有实验电路插卡使用的数字电位器和模拟电子开关统一编址，当把服务器某个元件的地址输出到控制地址线add7—add0上，此元件所在实验电路插卡上的插卡电路控制器会对其译码，从而控制此元件，或打开模拟电子开关，或选通数字电位器。通过对实验电路中的元件的控制，从而达到对实验电路的控制。实验电路则可以根据需要进行设计，需要调节参数的元件可使用数字电位器或模拟电子开关。

实现方法

本发明主要以特有的实验方法为创新之处，创新的主要部分是在网络的客户端计算机上，学生可通过特定的软件特定的仪器和实验电路操作界面进行参数设置，然后发送仪器的设置命令和实验电路的连接方式到服务器。服务器接受到命令后，按接受的顺序存储到服务器的数据库。数据库包括仪器操作表、电路连接表、用户信息表等内容。服务器根据数据库中各表格的命令，分别发送命令到信号发生器、实验箱和示波器。信号发生器和示波器接到控制命令后完成仪器的真实设置，这样学生就在客户端远端完成了对仪器的具体设置。实验箱接到命令后，利用电子开关的相应设置完成学生在客户端完成实验的具体连接，需要注意的是实验箱中包括了客户端界面能完成的所有实验的真实电路，可通过命令用电子开关来完成连接。具体的数据流程图如图2所示。

软件的设计主要分为客户端程序和服务器程序两部分。选用的软件编程语言为C++ Builder，服务器数据库部分选用的是SQL Server。整个系统运行在Internet的网络环境中。客户端的运行条件为：安装有Java虚拟机的系统平台以及TCP/IP协议。服务器的运行条件为：安装有Windows NT Server、SQL Server数据库以及TCP/IP协议。

1)客户端程序设计

客户端程序提供了操作仪器、组合实验电路的友好界面。客户端程序要实现远程操纵、控制测试仪器和电路，关键在于以下3部分程序的编制：

a)函数发生器部分：模拟A33120A函数发生器部分的基本功能，主要包括：

六种波形的产生；幅度、频率和OFFSET值的修改。

b)示波器部分：模拟HP54645D示波器的基本功能，主要包括：双踪波形显示；波形的调节；基本量，如电压(Vpp，Vavg，Vtop，Vrms，Vmax，Vmin，Vbase)的测量；频率、周期(freq.，period，Duty Cy，+Width，-Width，RiseTime，FallTime)的测量；常用的显示模式的设定。

c)实验电路部分：提供实验电路的操作界面，完成电路的选择和设置。2)服务器程序设计

服务器程序主要完成三项任务：(1)接收客户端发送的登录及操作命令信息，并把它们存放在数据库中；(2)执行数据库中存储的命令，并把执行结果存入到数据库；(3)把结果发送给用户。因此，服务器程序包含了三个线程，分别完成上述三个任务。

服务器数据库共有5个表，各表之间用公共字段UID关联起来。数据库各表的功能如表1所示：

 

表名	含义	功能
			Login	用户登录	记录用户登录的信息，如密码、计算机IP地址、是否处于Active状态。

 

CMD	命令串库	记录远程用户的命令信息，设置环境、执行命令。
			RST	结果库	记录仪器测量的结果
Set_Gen	函数发生器库	记录函数发生器的设置状态
			Set_Ocsi	示波器库	记录示波器的设置状态

表1 数据库分类

服务器程序具体流程如下：

首先，服务器程序检测是否有信息送入，若没有，循环等待。若有，检查是否为登录信息，确认是用户登录信息后，将其存入login数据库中，若是命令信息，则存入CMD数据库中。

然后，读取CMD数据库，检查是否有用户命令，读出并发送命令，进行实验环境的设置以及实验操作和测试，并将返回的测试结果保存到RST数据库中。再读取RST数据库中的数据，检查是否有结果，依照用户的IP将结果发送给相应的用户。

实施例2：实验举例

以下以在客户端完成大学电类实验中最为常见的运算放大器实验为例，说明整个实验完成的过程。实验以运算放大器LM324为主体，利用信号发生器输入1KHz正弦波，幅度为1V，利用示波器观察放大器的输入和输出端，输出应为放大的正弦波，同时可更改反馈电阻改变放大倍数。

1)注册用户名，下载实验客户端(在网络中的任何一台Pc终端)。

用户在客户端打开程序，登录连接服务器，在客户端的程序上选择《运算放大器的应用----反向放大器》，在程序中连接好电路(如图5所示)。设置信号发生器和示波器的控制参数，完成后，按POWER键向服务器发送指令。

2)通过网络，服务器接受到客户端发送的命令，经处理后再通过服务器的串口(RS485标准)发送给实验箱上的MCU------MOTOROLA公司的单片机M69HC05C9。经过另一个串口(RS232标准)发送控制命令给信号发生器，通过GPIB接口发送命令给示波器。

3)实验箱MCU接到要做反向放大器实验的命令后，控制实验箱内的电路和电子开关完成反向放大器电路的连接。

4)信号发生器和示波器接到命令后，完成设置，示波器将真实的波形数据通过网络传输给服务器。

5)服务器根据记录将波形数据发送给Pc终端，终端显示波形，如图8所示。

6)服务器读取命令队列的下一个命令，再次进行实验。

Claims (5)

1.一种基于网络的远程电子电路实验系统，有客户端程序装置、服务器程序装置、硬件设备，其特征是：

硬件设备包括：一台服务器与网络设备连接、与一台数字示波器连接、与一台信号发生器连接、与一台实验箱连接；若干台终端与网络设备连接；实验箱与数字示波器连接；信号发生器与实验箱连接；

终端有客户端程序装置：提供了远程操作仪器、组合实验电路的用户界面，实现远程操纵、控制测试仪器和电路，客户端程序装置有函数发生器部分程序装置，示波器部分程序装置，实验电路部分程序装置；

终端有函数发生器部分程序装置：模拟函数发生器部分的基本功能，并产生控制指令；

终端有实验电路部分程序装置：提供实验电路的操作界面，完成电路的选择和设置；

数字示波器有示波器部分程序装置：模拟示波器的基本功能，并产生控制指令；

服务器有服务器程序装置：接收客户端发送的登录及发送来的控制操作命令信息，并把它们存放在数据库中；执行数据库中存储的命令，并把执行结果存入到数据库；把数据库中的结果发送给用户。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络的远程电子电路实验系统的实验方法，其特征是实现的步骤有；

步骤1：服务器和远端客户端程序打开，系统硬件连接；

步骤2：远端客户端程序登录，选择实验内容，向服务器端发送仪器和实验的控制指令；

步骤3：服务器接受到命令后，按接受的顺序存储到服务器的数据库；

步骤4：服务器根据数据库中各表格的命令，分别发送命令到信号发生器、实验箱和示波器；

步骤5：信号发生器和示波器接到控制命令后完成仪器的真实设置；

步骤6：实验箱接到命令后，利用电子开关的相应设置完成学生在客户端完成实验的具体连接；

步骤7：服务器端将实验的真实结果发送到远端客户端；

步骤8：远端客户端将实验结果波形显示在软件示波器上。

3.根据权利要求2所述的实验方法，其特征是；客户端程序有函数发生器部分产生六种波形，修改幅度、频率和OFFSET值；有示波器部分模拟HP54645D示波器的双踪波形显示；波形的调节；基本量包括电压的测量、频率、周期的测量；常用的显示模式的设定；有实验电路部分：提供实验电路的操作界面，完成电路的选择和设置；

服务器程序接收客户端发送的登录及操作命令信息，并把它们存放在数据库中；执行数据库中存储的命令，并把执行结果存入到数据库；把结果发送给用户。

4.根据权利要求3所述的实验方法，其特征是；服务器程序具体流程如下：

服务器程序检测是否有信息送入，若没有，循环等待，若有，检查是否为登录信息，确认是用户登录信息后，将其存入login数据库中，若是命令信息，则存入CMD数据库中；然后，读取CMD数据库，检查是否有用户命令，读出并发送命令，进行实验环境的设置以及实验操作和测试，并将返回的测试结果保存到RST数据库中，再读取RST数据库中的数据，检查是否有结果，依照用户的IP将结果发送给相应的用户。

5.根据权利要求4所述的实验方法，其特征是；实验箱硬件系统中所有实验电路插卡使用的数字电位器和模拟电子开关统一编址。

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