CN107370739A - 基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统及方法 - Google Patents

基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统，包括通过网络连接的云服务器、用户终端和虚拟实验应用网关；云服务器内置有虚拟实验管理系统，用于接收用户终端实验操作指令，管理各虚拟实验应用网关对应的信号系统实验板卡，记录实验信息；用户终端安装有虚拟实验App，提供实验操作界面，上传实验操作指令，接收实验数据；虚拟实验应用网关，与至少一个信号系统实验板卡连接，用于管理信号系统实验板卡，实时监测其状态并将结果上传到云服务器；信号系统实验板卡，用于解析实验参数，执行实验操作，采集实验数据并上传至应用网关。可以通过终端实现信号处理实验课程方面的虚拟实验，操作灵活，获取数据可靠，实时绘制实验波形。

Description

基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统及方法
技术领域
本发明涉及一种虚拟实验仿真系统，具体地涉及一种基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统及方法。
背景技术
国内众多高校将虚拟技术应用到实验教学当中，涉及到地球科学、考古、自动化系统、纺织与服装等多类专业的虚拟仿真实验教学中心建设。教育部近三年已批准了200项国家级虚拟仿真实验教学中心。这些平台几乎都是以浏览器为用户提供实验资源的，没有为移动终端设计专用应用程序，并且，也没有基于物理实验设备为实验提供可靠支持。
例如，中国专利文献CN 102882932公开了一种基于云服务器的信息安全虚拟实验系统，包括：客户端和云服务器；所述云服务器上架设 WEB 服务器和数据库服务器；所述WEB 服务器上设有虚拟机。通过登录Web服务器采用虚拟主机实现虚拟实验系统，客户机使用虚拟机完成相关实验。由于采用虚拟机所以无法完成信号处理实验课程方面的实验，并且只能通过计算机进行实验操作，操作不灵活。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供了一种基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统及方法，可以通过终端实现信号处理实验课程方面的虚拟实验，操作灵活，通过应用网关与信号处理实验板卡通信，获取可靠数据，根据实验数据通过视图模型实时绘制实验波形。
本发明的技术方案是：
一种基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统，包括通过网络连接的云服务器、用户终端和虚拟实验应用网关；
所述云服务器内置有虚拟实验管理系统，所述虚拟实验管理系统用于接收用户终端实验操作指令，管理各虚拟实验应用网关对应的信号系统实验板卡，记录实验信息；
用户终端，安装有虚拟实验App，提供实验操作界面，上传实验操作指令，接收实验数据；
虚拟实验应用网关，与至少一个信号系统实验板卡连接，用于管理信号系统实验板卡，实时监测其状态并将结果上传到云服务器；
信号系统实验板卡，安装有信号系统电路，用于解析实验参数，执行实验操作，采集实验数据并上传至虚拟实验应用网关。
优选的，用户终端登入虚拟实验App后获取来自云服务器的访问码，获得信号系统实验板卡的权限，确认实验类型后将实验请求发送给云服务器，云服务器根据实验请求检索库中可用的信号系统实验板卡并分配给用户，信号系统实验板卡匹配成功后进入实验界面，将实验操作指令通过虚拟实验应用网关传递给信号处理实验板卡执行实验操作并返回数据。
优选的，所述云服务器在分配信号系统实验板卡时，将信号系统实验板卡使用申请添加到数据库缓存表中，等待虚拟实验应用网关批准，云服务器通过心跳包以反馈形式将待处理事件发送给虚拟实验应用网关，虚拟实验应用网关与信号处理实验板卡协商后，给予指定用户使用信号处理实验板卡的权限，然后云服务器将所选网关IP地址及信号处理实验板卡号发送给用户终端，用户终端与虚拟实验应用网关建立连接，进入实验界面。
优选的，所述用户终端根据实验数据通过视图模型实时绘制实验波形。
优选的，所述信号处理实验板卡定时向虚拟实验应用网关发送心跳包，上传连接状态，虚拟实验应用网关定时打包管辖内所有信号处理实验板卡的最新状态，添加指令头与虚拟教室编号，发送给云服务器。
优选的，用户终端向云服务器的约定端口发送Socket连接请求，云服务器的主线程接收请求后，唤醒一条三级线程管理池中的中级优先级休眠状态线程，若获取失败则构造新线程，若获取成功则直接将任务传递到线程中，每条线程专门为一个用户终端提供指令接收、解析、数据返回服务。
优选的，所述信号处理实验板卡包括处理模块和与其连接的可编程逻辑器件CPLD，所述处理模块通过网络接口连接上位机，所述处理模块连接第一下载模块、A/D模块和D/A模块，所述可编程逻辑器件连接按键电路和LED显示电路。
本发明还公开了一种基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真方法，包括：
S01：用户终端登入虚拟实验App后获取来自云服务器的访问码，获得信号系统实验板卡的权限，确认实验类型后将实验请求发送给云服务器；
S02：云服务器根据实验请求检索库中可用的信号系统实验板卡并分配给用户，信号系统实验板卡匹配成功后进入实验界面；
S03：将实验操作指令通过虚拟实验应用网关传递给信号处理实验板卡执行实验操作并返回实验数据，
S04：用户终端接收实验数据，根据实验数据通过视图模型实时绘制实验波形。
优选的，所述步骤S02中云服务器在分配信号系统实验板卡时，将信号系统实验板卡使用申请添加到数据库缓存表中，等待虚拟实验应用网关批准，云服务器通过心跳包以反馈形式将待处理事件发送虚拟实验应用网关，虚拟实验应用网关与信号处理实验板卡协商后，给予指定用户使用信号处理实验板卡的权限，然后云服务器将所选网关IP地址及信号处理实验板卡号发送给用户终端，用户终端与虚拟实验应用网关建立连接，进入实验界面。
优选的，所述信号处理实验板卡定时向虚拟实验应用网关发送心跳包，上传连接状态，虚拟实验应用网关定时打包管辖内所有信号处理实验板卡的最新状态，添加指令头与虚拟教室编号，发送给云服务器。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、可以通过终端实现信号处理实验课程方面的虚拟实验，操作灵活，通过应用网关与信号处理实验板卡通信，获取可靠数据，根据实验数据通过视图模型实时绘制实验波形。使用户随时随地通过移动终端登入系统完成实验。
2、设计了虚拟实验系统App，技术上采用了标准Java接口(Java.net.*)，使用TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)协议及Socket模式构建通信网络，并结合Thread和Handler方法优化多线程通信，使各线程合理分配CPU资源，从而给用户带来较好的实验操作体验。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统的结构图；
图2为虚拟实验App的框图；
图3在云服务器的功能框图；
图4为信号处理实验板卡的硬件框图；
图5为虚拟实验数据库结构图；
图6为典型的信号处理实验执行泳道图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例：
如图1所示，基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统，包含移动终端（可以为智能手机、PAD等终端）、云服务器、虚拟实验数据库、虚拟实验应用网关和信号处理实验板卡在内的虚拟实验系统，彼此之间以TCP协议和自定义应用层通信协议构建系统通信网络。各组成部分如下：
移动终端安装有虚拟实验App，为用户提供了友好的实验界面，支持学生自由选择便捷的实验途径；
架设于云端的虚拟实验管理系统连接着数据库，向上接收用户实验操作指令，向下管理各虚拟实验应用网关对应的虚拟教室及信号处理实验板卡，将实验信息记录在数据库中；
虚拟实验应用网关管理着现有实验室下的板卡，实时监测其状态并将结果上传到云端；
底层实验板卡针对信号处理实验课程设计，其采用LWIP协议与应用网关通信，解析实验参数、执行实验操作、采集实验数据并上传至虚拟实验应用网关。
虚拟实验的功能如图2所示。该应用程序为用户提供登录、注册、注销、实验类型选择、实验执行、结果绘图等功能。学生登入系统后获取来自云端服务器的访问码，从而具有选择系统内实验板卡的权限。确认实验类型后，由云端服务器检索库中空闲板卡并自动分配给用户，板卡匹配成功后进入实验界面，用户指令最终会通过应用网关传递给信号处理实验板卡，由现有的实验板卡执行实验操作并返回数据。为实现数据的可视化，应用程序采用aChartEngine提供的chart factory创建视图模型来实时绘制实验波形。
图3是云服务器功能框图。管理系统向移动终端、应用网关提供管理服务，所支持的模块包括用户登录/注册、注销、板卡分配、应用网关IP地址更新、心跳包解析、板卡故障登记、登出系统、管理员模式、增/删/查实验数据及访问记录查询等功能。
图4是信号处理实验板卡硬件框图。板卡以STM32F107VCT6为核心，集成了2路AD/DA、以太网PHY控制器DP83848CVV、网络接口、USB口及JTAG接口，采用LWIP协议与应用网关通信，并使用内置的高精度DAC和ADC产生指定类型、频率、幅度的信号，或指定fs采集信号，并定时向应用网关发送心跳包。
虚拟实验涉及的数据库如图5所示。
实验执行过程如图6，首先由用户端发起实验，打开应用程序即可触发与服务器的连接，并进入用户登录界面。对于外来用户，可以先进入新用户注册界面尝试获取操作权限。登录成功后，服务器将开始跟踪用户访问记录，同时为其生成一个唯一的访问码。用户获取访问码后，才可进入实验选择界面，并将实验请求发送给服务器。服务器会根据用户请求分配可用的虚拟教室与信号处理实验板卡，并将板卡使用申请添加到数据库缓存表中，等待应用网关批准。下一次心跳包到来时，云端服务器以反馈形式将待处理事件告知应用网关。网关与板卡协商后，给予指定用户使用板卡的权限，然后服务器将所选网关IP地址及板卡号发送给用户，移动终端即可与应用网关建立连接，并进入实验界面。用户将设定的实验内容和参数发送到应用网关，由网关传递给板卡。板卡执行实验操作后，采集实验数据并最终上传到移动终端用于绘图工作。学生执行完实验任务后，告知应用网关释放板卡，同时云端服务器将释放相应线程。如果学生在实验过程中强行退出了，服务器超过等待时间也将跳出阻塞状态释放服务线程。
板卡定时向网关发送简短的心跳包，上传连接状态，同时网关会以秒级的定时打包管辖内所有板卡的最新状态，添加指令头与虚拟教室编号，发送给云端服务器。处于监听状态的服务器接收到来自应用网关的心跳包，会先后执行两项工作，一是更新该虚拟教室下各板卡的状态，二是检索库中是否包含该虚拟教室下板卡的使用申请，并将结果以反馈的形式打包发送给应用网关。
移动终端的连接采用Socket方式。用户端向云端服务器的约定端口（2017）发送Socket连接请求，云端服务器的主线程原处于监听客户端Socket的IO阻塞状态，接收请求后，尝试唤醒一条三级线程管理池中的中级优先级休眠状态线程，若获取失败则构造新线程，若获取成功则直接将任务传递到线程中。每条线程专门为一个用户端提供指令接收、解析、数据返回服务。
数据访问方面，通过JDBC API连接云端服务器与MySQL数据库，执行如下步骤：1）引用mysql-connector-java包；2）加载mysql.jdbc驱动程序；3）连接URL为jdbc:mysql//address/name，并附带登陆名和密码两个参数。
指令解析方面，移动终端、云端服务器和应用网关遵从自定义应用层协议，内容如下：
用户登录：
(1)发送指令格式（N1表示用户名的长度，N2表示密码的长度）：
内容 0x4001 用户名长度 用户名 密码长度 密码
长度(Byte) 2 1 N1 1 N2
(2)返回结果格式：
内容 0x4001 处理结果 访问码
长度(Byte) 2 1 3
(3)“处理结果”说明：
返回值(1Byte) 0x01 0x02 0x03 0x04
说明 登录成功 密码错误 用户名不存在 Unknown Error
板卡分配（实验选择）：
(1)发送指令格式：
内容 0x4002 实验类别 实验n
长度(Byte) 2 1 1
(2)返回结果格式：
内容 0x4002 处理结果 虚拟教室IP地址 实验板卡号
长度(Byte) 2 1 4 1
(3)“处理结果”说明：
返回值(1Byte) 0x01 0x02 0x03
说明 分配成功 无合适板卡 Unknown Error
注销用户：
(1)发送指令格式：
内容 0x4003
长度(Byte) 2
(2)无返回值。
注册用户：
(1)发送指令格式（N1表示用户名的长度，N2表示密码的长度）：
内容 0x4004 用户名长度 用户名 密码长度 密码
长度(Byte) 2 1 N1 1 N2
(2)返回结果格式：
内容 0x4001 处理结果 访问码
长度(Byte) 2 1 3
(3)“处理结果”说明：
返回值(1Byte) 0x01 0x02 0x03
说明 注册并登陆成功 用户名已存在 Unknown Error
确认网关号，更新IP地址：
(1)发送指令格式：
内容 0x2003 网关号（教室号） 虚拟教室IP地址
长度(Byte) 2 2 4
(2)返回结果格式：
内容 0x2003 处理结果
长度(Byte) 2 1
(3)“处理结果”说明：
返回值(1Byte) 0x01 0x02
说明 连接成功、IP地址更新成功 Fail to update
心跳包（板卡状态更新）：
(1)发送指令格式：
内容 0x2001 板卡状态(31,30,29,…,1,0)
长度(Byte) 2 4
(2)返回结果格式：
内容 0x2001 处理结果 待处理事件数n 板卡号 访问码 板卡 访问码 …
长度(Byte) 2 1 1 1 3 1 3 …
(3)“处理结果”说明：
返回值(1Byte) 0x01 0x02 0x03
说明 更新成功 待处理事件Unknown error 心跳包解析Unknown error
板卡故障登记：
(1)发送指令格式：
内容 0x2002 板卡编号
长度(Byte) 2 1
无返回值。
网关连接：
（1）发送指令格式：
内容 0x1001 板卡号 访问码
长度(Byte) 2 1 3
（2）返回结果格式：
内容 0x1001 结果
长度(Byte) 2 1
(3)“处理结果”说明：
返回值(1Byte) 0x01 0x02
说明 认证通过 连接失败
请求执行信号发生实验：
(1)发送指令格式：
内容 0x1002 波形类型 幅度长度 频率长度
长度(Byte) 2 1 1 2
(2)返回结果格式：
内容 0x1002 处理结果
长度(Byte) 2 1
(3)“处理结果”说明：
返回值(1Byte) 0x01 0x02
说明 请求成功，板卡执行实验操作 Not approved
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统，其特征在于，包括通过网络连接的云服务器、用户终端和虚拟实验应用网关；
所述云服务器内置有虚拟实验管理系统，所述虚拟实验管理系统用于接收用户终端实验操作指令，管理各虚拟实验应用网关对应的信号系统实验板卡，记录实验信息；
用户终端，安装有虚拟实验App，提供实验操作界面，上传实验操作指令，接收实验数据；
虚拟实验应用网关，与至少一个信号系统实验板卡连接，用于管理信号系统实验板卡，实时监测其状态并将结果上传到云服务器；
信号系统实验板卡，安装有信号系统电路，用于解析实验参数，执行实验操作，采集实验数据并上传至虚拟实验应用网关。
2.根据权利要求1所述的基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统，其特征在于，用户终端登入虚拟实验App后获取来自云服务器的访问码，获得信号系统实验板卡的使用权限，确认实验类型后将实验请求发送给云服务器，云服务器根据实验请求检索库中可用的信号系统实验板卡并分配给用户，信号系统实验板卡匹配成功后进入实验界面，将实验操作指令通过虚拟实验应用网关传递给信号处理实验板卡执行实验操作并返回数据。
3.根据权利要求2所述的基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统，其特征在于，所述云服务器在分配信号系统实验板卡时，将信号系统实验板卡使用申请添加到数据库缓存表中，等待虚拟实验应用网关批准，云服务器通过心跳包以反馈形式将待处理事件发送虚拟实验应用网关，虚拟实验应用网关与信号处理实验板卡协商后，给予指定用户使用信号处理实验板卡的权限，然后云服务器将所选网关IP地址及信号处理实验板卡号发送给用户终端，用户终端与虚拟实验应用网关建立连接，进入实验界面。
4.根据权利要求1所述的基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统，其特征在于，所述用户终端根据实验数据通过视图模型实时绘制实验波形。
5.根据权利要求1所述的基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统，其特征在于，所述信号处理实验板卡定时向虚拟实验应用网关发送心跳包，上传连接状态，虚拟实验应用网关定时打包管辖内所有信号处理实验板卡的最新状态，添加指令头与虚拟教室编号，发送给云服务器。
6.根据权利要求1所述的基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统，其特征在于，用户终端向云服务器的约定端口发送Socket连接请求，云服务器的主线程接收请求后，唤醒一条三级线程管理池中的中级优先级休眠状态线程，若获取失败则构造新线程，若获取成功则直接将任务传递到线程中，每条线程专门为一个用户终端提供指令接收、解析、数据返回服务。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真系统，其特征在于，所述信号处理实验板卡包括处理模块和与其连接的可编程逻辑器件CPLD，所述处理模块通过网络接口连接上位机，所述处理模块连接第一下载模块、A/D模块和D/A模块，所述可编程逻辑器件连接按键电路和LED显示电路。
8.一种基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真方法，其特征在于，包括：
S01：用户终端登入虚拟实验App后获取来自云服务器的访问码，获得信号系统实验板卡的使用权限，确认实验类型后将实验请求发送给云服务器；
S02：云服务器根据实验请求检索库中可用的信号系统实验板卡并分配给用户，信号系统实验板卡匹配成功后进入实验界面；
S03：将实验操作指令通过虚拟实验应用网关传递给信号处理实验板卡执行实验操作并返回实验数据；
S04：用户终端接收实验数据，根据实验数据通过视图模型实时绘制实验波形。
9.根据权利要求8所述的基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真方法，其特征在于，所述步骤S02中云服务器在分配信号系统实验板卡时，将信号系统实验板卡使用申请添加到数据库缓存表中，等待虚拟实验应用网关批准，云服务器通过心跳包以反馈形式将待处理事件发送虚拟实验应用网关，虚拟实验应用网关与信号处理实验板卡协商后，给予指定用户使用信号处理实验板卡的权限，然后云服务器将所选网关IP地址及信号处理实验板卡号发送给用户终端，用户终端与虚拟实验应用网关建立连接，进入实验界面。
10.根据权利要求8所述的基于云服务器的信号处理虚拟实验仿真方法，其特征在于，所述信号处理实验板卡定时向虚拟实验应用网关发送心跳包，上传连接状态，虚拟实验应用网关定时打包管辖内所有信号处理实验板卡的最新状态，添加指令头与虚拟教室编号，发送给云服务器。
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