虚拟ARM实验平台

虚拟ARM实验平台（精选八篇）

虚拟ARM实验平台 篇1

关键词：PROTEUS,IAR,ARM,虚拟实验系统

目前,基于ARM的嵌入式系统设计已成为很多高校电子信息工程和计算机应用专业必修科目之一。但由于当前嵌入式系统实验箱价格相对较高,很多学校还不能组建具有一定规模的嵌入式实验室。本文介绍了一种纯软件构建的虚拟ARM实验系统,在普通的微机上就能开展ARM实验的设计和验证。

1 Proteus VSM虚拟系统模型

Proteus是英国Labcenter公司开发的一个完整的软、硬件设计仿真平台。它包括原理图输入系统ISIS、带扩展的Prospice混合模型仿真器、动态器件库、高级图形分析模块和处理器虚拟系统仿真模型VSM。Proteus ISIS支持8000个元件,包含标准符号、晶体管、二极管、热离子管、TTL、CMOS、ECL、微处理器,以及存储器元件、PLD、模拟IC和运算放大器[1]。

Proteus VSM的核心是Prospice。这是一个组合了SPICE3F5模拟仿真器核和基于快速事件驱动的数字仿真器的混合仿真系统。Proteus VSM包含大量的虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、函数发生器、数字信号图形发生器、时钟计数器、虚拟终端以及简单的电压计、电流计。

利用该软件,用户可以根据需要搭建开发平台,将编译好的目标代码加载到芯片中。目前支持的编译器有Keil for ARM、IAR ARM、GNU ARM等。这些编译器都可以和Proteus软件整合,实现代码级调试,即通过这些编译器在Proteus软件中调试程序。在Proteus软件中还可以查看各种调试信息,如源代码执行情况、CPU寄存器信息、变量值以及Flash与RAM中的信息等。大量的元件库支持大型设计,而且还可以观察各元件的状态。

Proteus最重要的特点是,它能把微处理器软件作用在处理器上,并与该处理器的任何模拟和数字器件协同仿真。仿真执行目标码就像在真正的嵌入式系统上运行一样,VSM模型能完整地仿真I/O口、中断、定时器、通用外设接口和其它与CPU有关的外设甚至能仿真多个处理器。

2 IAR Embeded Workbench for ARM集成开发环境

IAR Embedded Workbench for ARM是一个针对ARM处理器的集成开发环境[2],包含项目管理器、编辑器、编辑链接工具和支持RTOS的调试工具,在该环境下可以使用C/C++和汇编语言方便地开发嵌入式应用程序。IAR EWARM的主要模块如下:

(1)项目管理器;

(2)功能强大的编辑器;

(3)高度优化的IAR ARM C/C++编译器;

(4)IAR ARM汇编器;

(5)1个通用的IAR XLINK链接器;

(6)IAR C-SPY调试器;

(7)命令行实用程序。

相对于其它ARM开发环境而言,IAR的优点在于:

(1)完善的ARM核支持和芯片支持;

(2)改进了编译器速度优化;

(3)更容易安装和使用;

(4)和Proteus软件能完美的结合实现联合调试。

本文将通过例子说明,使用IAR和Proteus能够构建一个完整的实验系统,达到和硬件调试几乎相同的效果。虽然Keil for ARM也能和Proteus很好地结合起来联调,但Keil软件在易用性上比IAR要差一些,而且编译器的设置比较麻烦,不宜掌握。至于其它的ARM开发工具,比如ADS等,只能在Proteus中实现硬件仿真,不能实现软“硬”件联合调试。

3 ARM虚拟实验系统的构建

3.1 利用该系统进行ARM虚拟开发的流程

利用该系统进行ARM虚拟开发的流程如图1所示。

3.2 实例分析——利用ARM虚拟系统实现液晶显示

下面用一个简单的实例来说明实现ARM虚拟实验的一般步骤,实验目的是在液晶显示器上显示字符“Hello ARM”。

3.2.1 软件的安装和设置

Proteus和IAR EWARM软件的安装可以参考官方手册。主要说明一下Proteus VSM Simulator驱动的安装。这个驱动文件可以从Proteus的官方网站上下载,是Proteus和IAR软件开发环境之间的调试接口,对应于IAR的的版本是Vdmcspy.exe。

3.2.2 硬件电路

在Proteus ISIS中新建一个设计文件,绘制出图2所示的电路图。

3.2.3 软件程序

在IAR EWARM中新建一个工程,加入必要的启动代码文件、头文件、主程序文件和链接配置文件,注意和CPU有关的文件一定要和所选用的芯片对应。完成后工程的视图如图3所示。然后进行编译和调试,直至没有任何错误和警告。

3.2.4 联合调试和仿真

打开Proteus ISIS,在“Debug”菜单下选择“Use Remote Debug Monitor”,同时打开IAR EWARM,在“Project”菜单下选择“option”,在“option”对话框中的“Debugger”选项卡中选择“Setup”标签,Driver->Third-Party Driver,然后在下方的“ThirdParty Driver”选项卡中选择第三方调试驱动文件的位置,即VDMCSPY.dll文件所在的位置。在IAR IDE中用快捷键Ctrl+D调出Debug功能。按F5全速运行仿真。仿真结果如图4所示。

选择Debug->Step进行单步调试。查看Proteus软件中电路也单步运行,并且出现ARM7 Source Code窗口和反汇编代码窗口。在Proteus中选择Debug->3.ARM7 CPU Register-U1命令,弹出CPU寄存器窗口。选择Debug->LPC2000 Flash-U1和LPC2000 RAM-U1可以分别查看ARM7的Flash内存和RAM内存的数据。为了同时看见调试结果和源代码及反汇编代码,将IAR窗口和Proteus窗口平铺,如图5所示。

3.2.5 IAR EWARM和Proteus的网络调试

通过TCP/IP协议,Proteus VSM C-SPY驱动程序能与ISIS通信,这样Keil能够控制运行于不同计算机上的Proteus仿真。单击Proteus菜单下的VDM Driver Settings命令,设置运行Proteus软件机器上的IP地址,如图6所示。

4 结束语

通过以上的基于Proteus VSM和IAR EWARM的ARM虚拟实验系统的研究,可以发现该系统能够完成所有的ARM软件实验绝大多数的ARM7硬件仿真实验,且具有硬件投入小、速度快、零损耗、灵活性好等优点。相比较于一般实验箱而言,该系统更能体现操作者的创造性和系统的设计能力。当然,虚拟实验系统也有它固有的缺点,它只能尽可能地接近实际情况,而不能代替真实的硬件运行。

本系统可用于构建ARM基础实验室,特别适合于教学和培训,既能快速完成实验,又便于学员清楚地观察实验过程,是实验教学和远程网络教学的重要补充。

参考文献

虚拟ARM实验平台 篇2

2.1机械工程基础虚拟仿真实验教学系统

机械工程基础虚拟仿真实验教学系统让学生在虚拟的三维环境下进行实验和练习，使用信息网络技术对实验和练习的数据进行采集，再结合虚拟仿真实验教学管理平台进行实验课程安排和实验效果的考察，从而可以解决机械专业实验教学工作中对于机械设备结构原理认知学习的晦涩难懂，减少对实验设备的损坏，帮助院校改善和解决实验设备台套数的不足、需要经常维修等问题，切实提高机械专业学生的实验实践能力。

2.2数控加工虚拟仿真系统

本系统以VR虚拟技术结合数控加工专业知识，辅助数控加工专业教学。并以自动引导的方式对该系统进行模拟教学。数控加工应包含数控机床、数控铣床、机械手、输送线等，利用虚拟现实的沉浸感，使学生对整个系统进行逼真模拟体验;利用虚拟现实的交互性，让学生对模拟环境内的物体进行操作，最后进行学习测评。可以现场近距离去观察设备的运行状况。同时可以进行多人协同参与。再现真实、逼真的效果。

2.3液压传动实验虚拟仿真实验教学系统

该系统主要是液压系统认知实验，让学生了解液压系统的基本组成、布局及工作原理、液压系统在整个机械设备中的作用;了解液压系统中主要液压元件，其中包括液压动力元件、液压执行元件、液压控制元件、液压辅助元件等在液压系统中所起的作用等。

2.4基于虚拟样机技术机械设计及动力学仿真实验系统

该实验系统主要是基于ADAMS(AutomaticDy-namicAnalysisofMechanicalSystem)软件构建实验教学系统由三个模块组成:零件数字设计，机械系统动力学仿真，零部件力学性能仿真。相关专业的学生不仅可以应用实验平台直接进行相关实验，而且可以通过平台提供的仿真软件开展自主探索性虚拟实验，为拓展学习提供了良好的平台。

2.5农业机械特色虚拟实验平台

该系统可以结合农业大学特色，开展智能农业装备、拖拉机等特色项目的虚拟仿真实验。比如模拟农田机器人作业等虚拟仿真实验，展示机器人工作过程，让学生更好地了解机器人结构、控制、驱动形式、作业特点、振动等相关知识，克服了传统实验时浪费严重、噪音高、难重复、自然环境和生产条件受限多等缺点。农田信息实验平台可以包括图像实时采集与图像分割、图像测量与测距、深度信息获取、真实信息的恢复、实时生成决策结果、智能执行等过程。

3结语

虚拟仿真实验平台能提高机械工程本科生的产品设计创新能力，改善机械类专业核心课程的教学效果，激发学生学习主动性，加强学生对机械产品设计整体性认识。同时，教师的科研项目可以逐步与虚拟仿真实验教学想结合，在科研项目合作的同时，有序地将虚拟仿真的实验成果应用到产品开发、质量管理、产品服务的各个环节，对学生开放的同时，承接企业的产品设计开发任务，缩短新产品研发时间，提高企业竞争力，促进社会经济的发展。

参考文献:

[1]宋正河，陈度，董向前，等.机械与农业工程虚拟仿真实验教学中心建设规划与实践[J].实验技术与管理，，34(1):5-9.

[2]吕明珠，刘世勋.机电专业虚拟仿真实验平台的设计与开发[J].电气开关，(6):23-26.

[3]杜月林，黄刚，王峰，等.建设虚拟仿真实验平台探索创新人才培养模式[[J].实验技术与管理，2017，32(12):26-29.

[4]赵强，欧阳晓平.虚拟仿真实验平台促进创新型人才培养[J].时代教育，2016(15):60-61.

[5]郭润兰，康艳萍，杨东亚，等.机械原理虚拟仿真实验室资源共享平台建设[J].实验室研究与探索，2017，36(6):108-110.

虚拟ARM实验平台 篇3

在高校继电保护及微机型继电保护的实验教学中, 进行功率方向继电器、微机型方向电流保护等实验过程中需要对电压进行移相, 并对电压的幅值进行调节, 实验所用的原理接线图如图1所示。

当前图1中所使用的电压移相装置 (T) 主要为电动机式和变压器式, 这两类移相器及电压调节器 (TS3) 均存在体积大、设备重和现场使用不便的缺点。在此类实验中, 对电压移相设备的要求有4: (1) 具有大的移相范围, 要求能实现0~360度移相; (2) 电压幅值可调节, 移相器的输出电压大小由电压调节器 (TS1) 给定在100V (有效值, 模拟出电压互感器二次侧电压) 以内, 所以要求电压在0~100V范围内可调; (3) 能送出一定的功率; (4) 输出电压在移相过程中其频率不变或变化很小。实验中要求输出的功率不大 (按一般电压互感器要求, 输出功率应不大于50VA) , 所以电压移相设备主要需满足前两项要求。本文提出的电压移相方案, 基于微处理器 (ARM) 实现, 是一种全数字式的电压移相及幅值调节方法, 能完美满足以上所述4个要求;并使设备的体积和重量大大减小, 而且电压相位参数调整与幅值调节都十分方便, 所有调节过程实时显示, 工作稳定, 可靠性较高。

有些资料上提到的数字移相电路, 外围电路复杂, 基本上是基于模拟电路实现, 没有真正体现数字移相;且这些电路虽描述了移相的原理, 但均没有实现功率输出, 不能在实际操作中应用。本文所提出的方案基于实际应用设计, 设计出的设备也已实际应用于实践, 因此具有相当的独创性。

1 系统框图及原理介绍

根据实验要求, 移相器的电压取线电压或相电压, 但均是对一路交流电压进行移相和调幅。本文所设计的移相器设计成单相, 完全可以满足实验要求。因为移相器的输入与输出同频率, 相位与幅值可独立调节, 即使需要完成三相实验, 用三个单相移相器也可以方便完成。本文所设计的电压移相器的原理框图如图2所示。

图2中, PT为电压变换器, 变比为150:1.767;B1、B2为全桥整流器;G1为比较器, 型号为LM393, 功能是对输入电压进行过零检测;M1为ARM微处理器, 型号为LPC2368;M2为锁相环电路;M3为TFT-5.7吋触摸显示屏, 同时实现波形实时显示与键盘输入功能。M4为SPWM信号生成器, 型号为SG3525AN;M5、M6为SPWM信号驱动模块, 型号为IR2110;VT1~VT4为大功率MOS管;T2为升压变压器, 输出移相调幅后的正弦电压;RP为电位器 (10K) ;G2为反向器;G3、G4为二输入与门。

1.1 系统原理介绍

1.1.1 电压形成回路

需进行调压移相的交流电压U觶取自调压器二次侧, 电压值在100V以内, 经全桥整流器B1整流, 并经滤波后得到的有效值, 作为逆变电路的直流电源;经过PT后得到幅值小于3V的待采样电压, 再经全桥整流器B2得到直流待采样电压 (波形如图4a所示) 进入M1中的A/D转换器待采样。

1.1.2 输入电压频率及采样频率生成电路。

PT二次侧正弦电压信号经过G1后得到频率为 (f即输入电压频率, 理论上为工频, 但可能存在一定误差) 的方波 (波形如图4b所示) , 方波的上升沿作为M1判别电压过零的标志;方波信号经锁相环电路得到fs=4096f的频率, fs作为A/D转换的采样频率, 即每个电压周波采样4096个点, 每个点代表360/4096=0.088度;fs同时也作为D/A转换的转换频率, D/A转换后得到的电压频率f′=4096f/4096=f, 即转换后的电压频率与输入电压频率相同。

1.1.3 电压移相原理

主要由M1内含的10位A/D及D/A转换器完成, A/D及D/A在应用过程中只使用高8位, 即A/D结果只保存高8位, 送入D/A进行数据转换时, 也只送入高8位, 低2位固定为0, 这种方法有利于提高输出电压波形的稳定性。还需在M1中的RAM区建立一组4096个字节的RAM环形队列, 如图3所示, 图中的数字表示RAM环形队列的地址。当M1检测到f的上升沿后, 开始以fs的频率对a点输入的电压进行A/D转换, 在一个电压周波内采样4096个数据依次放入到地址为0~4095的RAM环形队列中。当电压不需要移相时, 依次将0~4095地址中的数据按fs的频率送入到D/A转换器中进行数模转换, 数模转换的结果还原了a点输入的电压的波形 (波形如图4a所示) 。当电压需要移相时, 例如向后移相30度时, 在f上升沿来到后, D/A以4096-30/0.088=3782为首地址, 以顺时针方向依次从RAM环形队列中读取数据进行D/A转换, 这样在输出c点得到的电压波形就比a点输入的波形后移了30度 (波形如图4c所示) 。在D/A转换过程中, 当转换0~2047中地址数据时, 由d点输出高电平, 表示c点正在输出0~180度的波形;当转换2048~4095地址数据时, 由d点输出低电平, 表示c点正在输出180~360度的波形。

1.1.4 SPWM波形产生电路

M1的c点输出的电压波形送入到M4, 由M4的OUTA、OUTB输出相位相反的SPWM波形。M1的d点与M4的OUTA输出波形进入到G3, 在移相后电压波形的0~180度内输出SPWM波形, 该波形与M1的d点波形进入到M5进行驱动;M1的d点波形经G2反向后与M4的OUTB输出波形进入到G4, 在移相后电压波形的180~360度内输出与G3输出相位相反的SPWM波形, 该波形与G2输出波形进入到M6进行驱动。M5与M6的输出波形如图4 (e~h) 所示。

1.1.5 正弦电压形成与功率放大电路。

由MOS管VT1~VT4及升压变压器T2构成, 实现将M1的c点波形构成正弦波, 并对其进行电压与功率放大。在移相后电压波形的0~180度范围内, 驱动器M5输出的SPWM波与方波分别使VT2、VT4导通, 由升压变压器T2输出电压正弦波的0~180度的波形;在移相后电压波形的180~360度范围内, 驱动器M6输出的SPWM波与方波分别使VT3、VT1导通, 由升压变压器输出电压正弦波的180~360度的波形。VT1~VT4输出即T2的输入电压波形如图4 (i) 所示。

1.1.6 电压幅值调节电路

电位器RP用来调节D/A转换器的参考电压, 调节参考电压的大小可以调节D/A转换器输出电压的幅值, 最终调节升压变压器T2输出电压的幅值。

1.2 电压移相器各点波形分析

为了使读者更容易理解电压移相器的工作原理, 将电路中的一些关键点的波形画在图4中, 以助读者方便理解。

2 电压移相器软件编程

电压移相器在正常工作时, 实时显示M1的a点及c点波形。显示时, 需将a点及c点的后半周波形进行反相 (即将RAM环形队列中2048~4095地址内的采样值前加负号) 以形成正弦波在屏幕上显示。将c点波形的后半周波形进行反相后得到的正弦波与T2的二次侧输出电压波形相同, 即移相后的正弦波形。

程序运行过程中需要定义几个全局变量: (1) A/D转换数据在RAM环形队列中的存放地址AD_prt; (2) 进行D/A转换的数据在RAM环形队列中的读取地址DA_prt; (3) 电压需要移相的度数Degrees, 该值由触摸屏输入; (4) 移相地址偏移量Offset_prt, 该值使用Degrees/0.088公式计算得出。

为了保证D/A转换器的数据取值的正确性及稳定性, 当M1系统初始化结束后, 预先对M1的a点波形采样数个周波数据预存入RAM环形队列。预采样结束后, 程序进入主循环, 首先对f的上升沿进行检测, 当检测到上升沿时使AD_prt=0, 这使A/D采样过程与电压过零进行同步, 可以通过该功能使A/D对每个电压周波的采样均从电压过零点开始进行。当输入电压频率有波动时, 也可以通过该功能确保在每个电压周波内总是采样4096个点;在程序主循环内还检测是否有移相度数值输入, 该值存入到Degrees变量, 如果有的话则计算出移相地址偏移量Offset_prt, 并重置DA_prt。当需要后移相位时, DA_prt=4096-Offset_prt;当需要将相位前移时, DA_prt=Offset_prt。在程序主循环内的最后进行波形显示操作。

程序在主循环过程中每隔Ts=1/fs时间进入一次中断, 在中断服务程序中进行A/D及D/A转换, 并修改AD_prt、DA_prt地址。

主程序及中断服务程序流程图如图5所示。

3 结语

本文介绍了基于ARM微处理器实现数字式电压移相与幅值调节功能, 采用RAM环形队列实现电压信号波形的0~360度移相, 且在移相过程中保持电压波形的频率不变;对移相器输出的电压幅值可以进行调节, 并输出一定功率。该设备可以在高校继电保护及微机型继电保护实验教学中作为实验教学平台应用。目前, 该设备已在许继电气股份有限公司生产的微机保护实验台、浏阳河仿真模型有限公司生产的电力系统综合自动化实验平台上得到应用。该设备的发明专利也正在申请中。另外, 根据理论分析, 当输入电压的频率在一定范围 (例如20Hz~100Hz) 内变化时, 也可以实现移相调压功能, 但这种想法还没有通过实验进行证明, 还需继续进行探索。

摘要：本文介绍了基于ARM微处理器实现数字式电压移相与幅值调节功能, 采用RAM环形队列实现电压信号波形在0～360度范围内移相, 且在移相过程中保持电压波形频率不改变;并可以对移相器输出的电压幅值进行调节, 输出一定的功率。该设备可以在高校继电保护及微机型继电保护实验教学中作为实验教学平台应用。

关键词：ARM,电压移相,幅值调节,实验教学平台

参考文献

[1]谢军, 陈坚.电压移相数字工频移相器[J].武汉水利电力大学学报, 1996 (6) :91-94.

[2]陈波, 吴鹏飞等.智能型工频移相器的设计[J].计算机应用, 2002 (1) :9-10.

[3]刘国越, 梅一珉.电压控制移相电路设计[J].浙江工业大学学报, 2010 (6) :679-681.

[4]Riblet G P.A Directional coupler with very flat coupling.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.MTT-26, No.2, February1978, pp70~74.

[5]Topi M.An eight-phase broadband serrodyne modulator.IEEEMTT-S Digest1983, pp432~434.

虚拟网络实验平台设计 篇4

基于这种现状，虚拟实验技术越来越成为受关注的热点。虚拟实验平台被看作是一个无墙的中心，基于计算机理论和远程控制技术，在网络环境下协同工作，实现虚拟实验与设计以及实现充分的资源共享。在计算机网络原理课程教学方面，通过虚拟实验平台模拟一些实验场景，在学生缺乏实验条件的情况下，能够通过网络观察实验现象，提高实验课的教学效果。

本文针对计算机网络课程的实验教学，提出了一个基于NS2搭建的虚拟实验平台的设计方案。

1 开发工具选择

1.1 仿真器

目前使用最多的网络仿真器有GlomoSim、JavaSim、SSFNet、OPNET和NS2等，其中OPNET与NS2的使用最为广泛。OPNET是一个十分强大的网络仿真器，它能够仿真所有有线网络，不仅整合和重组了大量的网络协议，还支持协议设计人员重新设计算法，但是OPNET价格昂贵，操作也相对比较复杂。NS2是一种离散事件网络模拟器，能运行在Linux或Windows操作系统上，能够近乎真实地在各个层次上模拟网络运行情况，而且它是一种可扩展、易配置、可编程的事件驱动的网络仿真软件。另外NS2是一种全免费的模拟测试工具，在获取渠道、可扩展性和模拟演示等方面都较符合我们的需要。

综合以上情况，我们选取NS2作为平台的网络模拟工具。

1.2 NS2脚本生成器

使用脚本生成器可以使用户从枯燥的代码编写工作当中解脱出来，集中精力研究网络性能。目前基于NS2的脚本生成器有NSG2和NSBench两种，均由JAVA开发，跨平台性和可视化操作性都比较好。这两种工具中，NSBench只能对有线网络进行构建，而NSG2既支持有线网络也支持无线网络。另外NSG2自动生成的脚本代码格式规范，无需进行修改便可以运行了。所以在该平台的设计中，我们选择NSG2作为NS2的脚本生成器。

2 虚拟网络实验平台设计方案

2.1 设计目标

通过对计算机网络课程以及实验教学要求的分析，我们首先确定该平台的设计目标应该满足以下要求：1)稳定性与跨平台性，满足在各种操作系统上运行的要求;2)能够动态演示模拟中的网络运行情况，提高教学的生动性;3)实验过程中，用户只需在实验平台操作，不需要对NS2有过多了解。

2.2 设计方案

系统要求良好的跨平台性，选择采用JAVA语言进行开发。系统主要由客户端和服务器端两部分组成，利用RMI的远程调用机制来解决客户端和服务器端之前的远程通信和参数传递。RMI(remote method invocation)是SUM专门为JAVA应用程序间通信开发的远程调用机制，是JAVA的一组拥护开发分布式应用程序的API，它使用JAVA语言接口定义远程对象，方便了基于JAVA的分布式应用程序的开发。RMI的体系结构提供了三个层次：桩(stub)/框架(skeleton)、远程引用层和传输层，图1为RMI的体系结构框图。

系统的客户端实现用户操作界面，利用NSG2来实现对实验设备以及实验组件的模拟，NSG2作为本平台的网络建模工具，不仅能为用户提供友好的图形化操作界面，而且还能较好的实现TCL脚本的自动生成，将自动生成的TCL脚本提交并传递给服务器端，经服务器端的NS2仿真器模拟生成相应结果后再传回客户端显示，方便用户分析网络实验结果。

系统的服务器端负责响应客户端的请求，调用NS2仿真器模拟传递过来的TCL脚本，在模拟结束后将模拟结果.nam和.trace文档返回到客户端。客户端在接收到返回的结果后，通过Nam将.nam文档以动画的形式演示出来，用户可以很好地掌握网络的模拟运行情况。通过gawk对.trace文档进行统计分析，包括端到端时延、即时吞吐量、平均吞吐量、数据分组成功传送率、控制开销等，帮助用户对网络性能进行分析，另外还可以使用xgraph和gnuplot画出相应的图形。

具体系统框架图如图2所示。

2.3 运行效果

图4为利用NAM动态演示网络的运行情况，可以看出在模拟时间为2.3秒时，n2因同时涌入太多封包而发出封包被丢弃现象。

该实验平台在我院实践教学中已经使用近一年，得到学生较好的评价，对教学工作也起到了促进作用。

3 总结

本网络实验平台利用NS2网络仿真器与TCL脚本生成器NSG2搭建，并通过Java RMI远程调用机制实现客户端和服务器端的通信，使用户摆脱了NS2安装和使用的困难，同时也不需要编制繁琐的代码，将精力集中于对网络本身的性能进行分析与优化。对网络协议的动态演示能很好地调动用户的学习积极性，提高了对课程学习的主动性。

利用虚拟的网络实验平台构建教学实验环境，已经成为目前我国高校发展当中的一个热点课题，尤其可以通过这种方式发展远程教学，学生通过虚拟实验平台对所学理论知识有更深刻更有效的理解，学习效果将得到显著提高。

参考文献

[1]凌亮.基于NS2的计算机网络虚拟实验室的设计与实现[D].长沙:中南大学,2004.

[2]王波.计算机网络实验综合模拟平台的研发[J].学科建设与教学改革,2009(2):85-88.

初中化学虚拟实验平台简介 篇5

●现有化学软件分析

信息技术为化学教学提供了新的技术手段, 目前化学工具软件大致有化学排版、化学计算、结构绘制、化学实验模拟、展示、辅助工具等几类。它们虽然种类繁多、功能多样, 但也有一些不足, 如功能单一、网络功能不够强大、软件的智能化有待加强等。

在认识到现有化学教育软件的缺陷后, 我们就清楚了如何开发新的化学教育软件。而虚拟现实技术、人工智能技术的迅速发展, 使软件更加智能化, 自适应性更强。在制作化学教学软件时, 可依据教育技术的研究热点与课程整合, 将化学教学过程中的整合点通过虚拟技术展现出来, 使用者在应用时就可以更加方便, 教学效果会更加明显。还要加强教育软件的网络性, 能够让使用者在使用的过程中及时通过网络交流经验, 获取信息。

●东师理想初中化学虚拟实验教学平台设计

东师理想初中化学虚拟实验教学平台针对目前化学平台常见的问题, 集合了众多功能, 同时能够为中学教师、学生提供全方位的数字化支撑。

第一, 为教师创新教学方法, 为备课、互动教研, 组织学生课堂学习、课后辅导学生、对学生进行测试与评价等提供有效支撑。第二, 为学生在课上及课后开展自主与协作学习、探究学习、

研究性学习、训练与测试、问题求教等提供有效支撑。

平台的总体设计结构如下图:

该平台已经在一些实验学校中开始试用, 得到的反响较好, 相信利用东师理想初中化学虚拟实验平台能够有效地将实验探究转变为学生学习方式、创设生动活泼的教学情境、激发学生学习兴趣, 对培养学生理论联系实际的学风、实事求是的科学态度和探究问题的科学方法都具有重要的意义。

网络虚拟实验室仿真实验平台的设计 篇6

所谓虚拟仪器, 就是在通用计算机平台上, 用户根据需求来定义和设计仪器的测试功能, 其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能[1]。虚拟仪器系统的构成有多种方式, 主要取决于系统所采用的硬件和接口方式, 其基本构成如图1所示[2]。

虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素。硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号, 可分为两类[3]:一类是满足一般科学研究与工程领域测试任务要求的虚拟仪器, 最简单的是基于PC总线的插卡式仪器, 也包括带GPIB接口和串行接口的仪器;另一类是用于高可靠性的关键任务, 如航空、航天、国防等应用的高端VXI仪器。

Lab VIEW是美国国家仪器公司 (NI) 的产品, 是一种基于图形编程语言的开发环境G语言, 主要用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域[6]。Lab VIEW是一个开放式的开发环境, 用户可以将其与任何测量硬件轻松连接。

虚拟实验就是指利用计算机技术与网络通讯技术, 以Web为实现平台, 将一系列软件和硬件有机结合起来, 通过鼠标的点击、拖动和键盘操作等, 按照实验要求和实验过程组装成一个完整的实验系统。

2. 网络虚拟实验系统

网络虚拟实验系统是基于网络的仿真现实中现场操作实验的计算机应用系统, 它实现的基础是计算机技术、网络技术与仪器技术的结合。网络虚拟实验系统降低了科研成本, 节省了研究经费并且提高了使用效率。它突破了传统教学模式受时间、地点的限制, 提高教学效率。

2.1 网络虚拟实验系统的体系结构

基于网络的虚拟实验室一般采用C/S (Client/Server) 结构式构建, 其主要分为两类———基于Internet的C/S结构以及基于Web的C/S结构。

针对虚拟实验室应用于高校教育上的特点, 我们采用了基于Web的分布式C/S结构。Web的C/S模式, 也即通常意义上的B/S (Browser/Server) 模式, 客户机上无需安装专门的客户端软件, 只要有标准的Web浏览器就可以实现对虚拟实验室的访问, 不过其缺点在于不适合大量数据的传输。由于将实验系统的主体部分集中到了服务器端, 对系统的维护以及实验项目的增加也只需在服务器端进行。这样不仅使系统的维护工作大大减轻, 而且当实验项目增加时, 只需要对服务器端进行更新, 使系统具有高扩展性和适应性[3]。

2.2 Remote Panels技术

从Lab VIEW 6.1开始, Lab VIEW集成了Remote Panels技术, 允许用户直接在客户端计算机上打开并操作位于服务器端计算机上的VI的前面板, 甚至可以将Lab VIEW VIs的前面板窗口嵌入到一个网页中并在网页中直接操作它, 这是一种软件操作界面共享方式。

Lab VIEW的Remote Panels不仅可以观看, 而且可以在Lab VIEW的环境中或浏览器上加以控制。这个强大的功能让开发人员可以轻松地创建远程应用程序, 使用户在周末的时候坐在家中的计算机前轻松地监控办公室、实验室甚至生产线上的各种情况。

2.3 远程访问原理

网络实验室仿真实验平台, 主要针对大学物理、数字电子, 模拟电子、电学、磁学、传感器原理等方面。学生利用网络登陆本仿真实验平台, 可以在线做理工类仿真实验。在网络仿真平台上, 学生自己动手设置实验参数, 运行在服务器端的平台仿真程序根据实验原理进行仿真, 并实时返回仿真结果。主要原理图如图2:

实验者可以通过浏览器观察模拟实验过程, 通过鼠标的点击以及拖曳动作来操作和控制虚拟的实验过程。在本文所介绍的过程控制虚拟实验室系统中, 学生通过浏览器就可以观察到参数的调节对控制过程产生的各种影响, 使得他们很方便的观察到不同的控制效果并很容易地掌握控制原理, 极大地提高了他们的学习兴趣和效率。本系统的开发为用户访问远程虚拟实验室提供了技术支持, 通过计算机网络把实验过程、方法, 以及实验结果迅速而直观的展示给远程用户。

下面以磁化曲线为例介绍仿真实验平台的设计。

3. 磁化曲线

3.1 基本原理

如果在由电流产生的磁场中放入铁磁物质, 则磁场将明显增强, 此时铁磁物质中的磁感应强度比没放入铁磁物质时电流产生的磁感应强度增大百倍, 甚至在千倍以上。铁磁物质内部的磁场强度H与磁感应强度B有如下的关系:B=μH

对于铁磁物质而言, 磁导率μ并非常数, 而是随的变化而变化的物理量, 即μ=f (H) , 为非线性函数。所以B与H也是非线性关系, 如图3所示:

铁磁材料的磁化过程为:其未被磁化时的状态称为去磁状态, 这时若在铁磁材料上加一由小到大变化的磁化场, 则铁磁材料内部的磁场强度H与磁感应强度B也随之变大。但当H增加到一定值 (Hs) 后, B几乎不再随着H的增加而增加, 说明磁化达到饱和, 如图3中的OS段曲线所示。从未磁化到饱和磁化的这段磁化曲线称为材料的起始磁化曲线。可以看出, 铁磁材料的B和H不是直线, 即铁磁材料的磁导率μ=B/H不是常数。

3.2 设计思想及实现

当U=0, 0.2, 0.4, 0.6...3.0 V时, 根据前面板中的电路图计算出Ux, Uy, H和B, 作出B-H曲线即磁化曲线, 如图4。

由磁化曲线的程序框图, 即图5可知, 本设计主要是由两个公式节点、各种运算控件, Build XY Graph控件和图形控件XY Graph组成。与Waveform Graph一样, XY Graph也是一次性完成波形显示刷新。不同的是, XY波形记录控件在波形显示的同时还反映测量点X、Y值的变化, 所以它的输入数据结构是由两组数据大包 (bundle) 构成的簇, 簇的每一对数据都对应一个显示数据点的X坐标和Y坐标[4]。

由数组控件得到一串数组U, 经过公式节点中运算处理后得到B的一串数组以及H的一串数组。经Build XY Graph捆绑后由XY Graph输出波形。

4. 基于Web的交互型虚拟实验室设计

4.1 Web服务器设置

发布一个站点基本上是将站点上的文件提制到一个目的地, 让其他人可以访问站点[5]。在发布站点之前, 应该测试站点的各项操作都能正常工作, 来确认站点已准备好发布。有一个好的方法可以确认您的站点已准备就绪, 那就是在Web浏览器上进行预览并且浏览站点, 检查所有文件的状态。这就需要通过配置IIS服务器来构建测试Web应用程序的环境。最后, 将测试成功的Web应用程序发布到Internet上[6]。

IIS默认的Web文件存放于系统根目录中的%system%%Inetpubwwroot中, 如果主页就放在这个目录下, 出于安全考虑, 微软建议用NTFS格式化使用IIS的驱动器。

4.2 主页及仿真实验页面设计

主页界面如下图6所示, 页面右下角是在线聊天程序。访问此张页面的人都可以进行相互地聊天, 教师也可以在线指导学生更好地完成实验以及在线答疑, 使网络虚拟实验室的交互性有了很大的提高。

在各个实验网页中也可加入另一些美化框图或程序来完善页面, 具体方法与设计网页一样。

教师要介绍虚拟实验室在网络部分的构建方法, 包括Web服务器和Lab VIEW服务器的设置, 以及VI的嵌套实现和网页设计。

5. 结语

本文设计主要分为两个部分:一部分是仿真平台的设计, 另一部分是通过Web的网页形式来调用此仿真平台。

虚拟实验室虽然能很大程度地辅助教学, 但并不代表可以代替真的实验室。若学生要有真实的控制仪器的经验, 便需要在真实的实验室里做实验。如果某项实验只是集中于设计、解决问题的过程, 而不是要求学生对仪器的亲自控制, 这时就可以利用虚拟实验室。

参考文献

[1]李莉玲, 方康玲, 周波.LabVIEW在远程虚拟平台中的应用[J].武汉科技大学学报, 2004, (7) :34-36.

[2]马宏斌, 杨波.虚拟实验室管理系统实现技术.信息技术报[J].2005, (2) :78-81.

[3]蒋英.对虚拟现实技术构建虚拟实验室的初浅认识.实验室科学[J].2006, (3) :67.

[4]吴晓男.高校虚拟实验室的构建[J].国外电子测量技术, 2006, (10) :23-25.

[5]袁太文, 罗世勇, 李迅波.Web分布式虚拟实验室的研究与实现[J].中国测试技术, 2005, (6) :34.

浅析虚拟电子实验平台的应用 篇7

关键词：电子仿真,EDA,Multisim,Proteus

0 引言

传统的实验室建设是以满足单一学科需要为目标的小而全的建设思路, 随着义务教育、职业教育、高等教育规模的快速全面发展, 小而全的实验室建设思路与实验教学经费投入的矛盾日益显现。同时, 随着科学技术的发展和现代工程技术的应用, 学生需要学习的学科门类及内容都在不断增加, 这势必要求筹建更多的实验室, 购买更多的实验设备。同时, 各地域教育发展的不平衡性, 城乡教育的差异性, 实验设备自身的及时维护, 实验设备的昂贵, 等等因素, 都不可避免地影响着每一节实验课的顺利进行、每一个学生的自我发展。小学阶段、中学阶段、高等教育阶段的学生人数多, 现行教学大纲主要培养学生的动手能力, 而创新教育理念又促使传统实验室提供更多更优质的电子设备、仪器。涉及电工、电子方面的实验最易吸引学生, 但考虑到学生人身安全、仪器损毁维护等原因, 实验往往被打折, 大多为演示性实验。虚拟电子实验平台, 极大地满足了各方面的需要, 补充了现有物理硬件实验室的不足。现代的电子仿真教育的理念是“把实验室装进PC机中”, “软件就是仪器”。

1 电子仿真教育

电子设计, 即英文EDA, 就是“Electronic Design Automation”的缩写技术, 已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程, 从概念的确立, 到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面, 再到PCB钻孔图、自动贴片、元器件清单等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点, 可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。

电工电子虚拟电子实验室, 使实验不再受时间和空间的限制, 解决了因物理设备欠缺而无法开展实验的问题, 既节约实验材料, 又能取得良好的效果, 在保障教育质量、保障学生人身安全方面起着重要作用, 是对于传统实验室的扩展和补充。

现代电子仿真软件大都是以Windows为基础的仿真工具, 适用于模拟、数字电路、电子电工的教学设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式, 具有丰富的仿真分析能力。教师、学生可以使用仿真软件交互式地搭建电路原理图, 并对电路进行仿真, 无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计, 这也使其更适合电子学教育。通过虚拟仪器技术, 电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

2 Multis im

NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具, NI Multisim是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来, 并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件是电子学教学的首选软件工具。

在Multisim软件中, 整个操作界面就像一个电子实验工作台, 绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上, 轻点鼠标可用导线将它们连接起来, 软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似, 测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的。Multisim软件同时提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件, 同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改, 能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能, 创建自己的元器件。在Multisim中有实际元器件和虚拟元器件, 它们之间根本差别在于:一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件, 在设计中选用此类器件, 不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性, 还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值, 不与实际器件对应, 学生可以根据需要改变器件模型的参数值, 只能用于仿真, 这类器件称为虚拟器件。这对教学设计提供了极大地方便。

3 P rote us

Proteus软件是英国Lab center electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能, 还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真, 一键切换到PCB设计, 真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台, 其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等, 2010年增加Cortex和DSP系列处理器, 并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面, 它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。学生甚至可以实时采用诸如RAM, ROM, 键盘, 马达, LED, LCD, AD/DA, 部分SPI器件, 部分IIC器件。这方便了中学生进行智能控制系统的自由搭建, 给学生极大地自由发挥空间, 特别有利于学生创新精神的培养。

4 结束语

在一次电路分析的实验课堂上, 有一个来自甘肃漳县的大学一年级的女同学说, “我们《电路分析》实验的老师太好了, 允许我们每一个人拿一个万用表, 自己在实验桌上的仪器上进行自由测试, 而我们高中的物理老师只在课堂上拿来一个破旧不堪的欧姆表、安培表来演示, 绝对不允许我们碰一下仪器”。这更凸显出开发互动的电路仿真教学实验软件包的重要性。

计算机仿真与虚拟仪器对实验指导教师的教学也是一个很好的提高和促进。在实际的教学中, 我们提倡按照理论教学、计算机仿真、实体实验环节的次序展开教学, 真正让学生可以放开手脚去大胆测试, 而不必顾忌损毁设备而战战兢兢。

参考文献

[1]潘松, 黄继业.EDA技术实用教程:Verilog HDL版[M].北京:科学出版社, 2010.

[2]先锋工作室, 王诚, 蔡海宁, 等.Altera公司推荐FPGA/CPLD培训教材.Altera FPGA/CPLD设计 (基础篇) [M].北京:人民邮电出版社, 2011.

[3]聂典, 丁伟.Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京:电子工业出版社, 2009.

虚拟医学实验平台的构建探索 篇8

虚拟医学实验是一种基于虚拟现实 (Virtual Reality) 技术的新型实验教学手段。在这个环境中, 实验者所接触到的数据、信息、仪器设备等资源都非常逼真, 他相信这一切都“真实”存在, 可以用自然的方式对虚拟环境中各种实验项目进行操作, 并产生丰富的联想, 所取得的实验效果等同于在真实环境中所提取的效果。

虚拟医学实验虽然建立在一个虚拟的仿真平台上, 但注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性, 它的出现将有效缓解独立学院在实验经费、场地、器材等方面普遍面临的困难和压力, 而且开放式虚拟医学实验教学使在校医学生能够有充足的时间、空间进行实践, 从而促进学生对课堂理论知识的理解, 在“动手”操作专业基本技能中培养学生严谨的科学态度、分析问题和解决问题的能力与创新思维。

2 虚拟医学实验平台的构建

2.1 平台搭建

云计算技术因具规模大、成本低、安全高、自动按需服务、数据共享、虚拟化等特性成为搭建虚拟医学实验平台技术支撑。基于云计算的虚拟医学实验平台的架构从技术应用角度, 分为:基础设施层、云管理层、云客户端层, 如图1所示:

基础设施层包括物理资源和虚拟化资源。主要用来实现资源整合和资源共享, 并根据具体情况选择虚拟机操作系统去创建虚拟化系统, 实现资源的逻辑抽象和统一表示。

云管理层包括云实验平台工具、云资源管理、云系统管理工具、云数据中心。主要用来实现具体实验项目的资源分配、操作、管理等。

云客户端层位于虚拟实验室中, 实现形式为专用PC与服务软件。医学生通过浏览登录虚拟医学实验平台, 学习医学实验课程。

2.2 平台使用

采用简单图形来描述医学生使用虚拟医学实验平台, 如图2所示。通过实际应用调查, 总结典型病例的临床症状、诊断、治疗、康复以及发病机理, 准备充分的有关该病例的资料, 然后设计一个有关该疾病诊断、治疗、康复的虚拟系统, 这样不仅可以把课本上的、资料上的、或是教师教授的比较刻板的学生不感兴趣的病例虚拟为现实的医学场景, 而且, 在设计时也有不同的诊断方法与途径。这些都将通过计算机可以随时随地的学习, 这样学生们学习起来就会感兴趣, 发挥想象力与创造力, 让学生们充分的深入学习、研究这种病的诊断与治疗情况。

3 虚拟医学实验平台教学模式优势

3.1 激发学习兴趣, 提高实验教学质量

传统的教学多以模具和实物标本等道具让学生观摩, 太过狭隘僵硬, 学生兴趣缺乏。而虚拟医学实验平台可以在服务器上运行数字人体解剖模型或局部解剖模型系统, 让每个学生生都都能能通通过过人人机机交交互互对对模模型型进进行多方位、多层次、空间的反复观察, 使一些抽象、难懂的理论、概念形象化、具体化, 充分发挥学习的主观能动性, 激发学习兴趣, 培养创新思维, 锻炼学生解决实际问题的能力, 从而提高教学质量。

3.2 为学生提供标准的实验数据

学生观察切片、标本的时间有限, 且标本因存放环境不同而质量参差不齐, 学生观察结果与理论结果大相近庭, 从而影响实验结果。学生通过虚拟医学实验平台提供的科学、有效数据, 反复模拟实验及练习, 强化了理论, 培养的实践能力。

3.3 提供自主时间的辅导材料

虚拟医学实验平台, 突破时间和空间的限制, 学生可以随时预习、复习和演示, 并通过自我练习和测试, 给自身知识书评一个正确评价。同时, 通过平台还能实现师生、生生交流, 形成以学生为中心的学习模式。

3.4 节约实验费用

自1999年高校扩招以来, 学生人数不断增加, 高校实验室的使用尤为紧张, 昂贵的实验仪器、动物、试剂、器材成本一直居高不下, 严重制约医学实验教学质量和科研的开展。我们充分利用计算机辅助教学虚拟平台, 模拟实验过程, 熟悉实验步骤, 为教师、学生提供一个无危险、低成本、可重复, 以及与真实世界交互的实验教学平台。

4 结束语

基于云计算技术的虚拟医学实验平台对提高高等医学独立院校的教学质量、教学效果、缓解标本来源的匮乏, 拉近医学生同先进医疗技术的距离, 提高医学生的动手能力具有重要意义。它既是对传统医学实验教学的有效补充, 又是传统实验教学的变革, 这需要我们在虚拟医学实验技术应用上进一步探索、改善, 使其发挥更大的作用, 发挥它巨大的优越性。

摘要：随着高等院校信息化建设的发展, 以虚拟现实技术、网络技术和医学图像处理技术为支撑的虚拟医学实验教学环境成为传统实验室技术向现代化、虚拟化发展的方向。

关键词：虚拟现实,虚拟医学实验平台,云计算,实验教学

参考文献

[1]朱玲.重构医学免疫学课程的理论研究及实践[J].医学教育探索, 2007 (6) .

[2]高晶.传统计算机实验室建设因云而变[J].电子制作, 2013 (6) .