基于web的单片机课程远程实验系统设计

基于web的单片机课程远程实验系统设计

摘 要：随着计算机、网络技术的不断发展，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基本特点及其体系结构，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较多，硬件投入比较大。在具体的工程实践中，如因方案有误而进行相应的开发设计，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。若用实验箱则费用高，又不能充分利用，若用实验板则开发周期长，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不足，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，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行实验。

3 网络虚拟实验室

3.1 网络虚拟实验室的发展

网络虚拟实验就是在WEB中创建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，用户可以进行虚拟的实验。网络虚拟实验实现的基础是多媒体计算机技术与网络技术的结合。无论是学生还是老师，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。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。许多国内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、MBL（Micro-computer 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，在网上提供一系列实验教学指导资料，他们利用计算机进行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始使用。

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) 可降低科研成本和节省研究经费，能够充分发挥现有科学仪器的作用，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，避免了大型仪器设备的重复添置、购买和浪费。

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心缺乏实验条件，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行“实际”操作，甚至和异地的学习者合作进行实验。

4) 鉴于网络虚拟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，使学生的实验操作机会得以增加，实验范围和科目得以扩大，高新技术在教育领域内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，已成为近几年国内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结构

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。各部分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设的核心部分。

3.4网络虚拟实验室开发过程当中应注意的几个问题

计算机软件技术发展到现在，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，若为随机触发的事件则可用一定时间内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张数据库表中描述，方便修改。给相应的条件、控制范围，自动形成数据表，使数据和程序独立。

模拟声音，要使实验达到逼真，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，如汽笛声、按钮按动声、内部机械动作声等。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，如一个单位内的局域网、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、及实验内容的限制。用户可以跨越时间、空间及实验内容的约束，尽情释放自己的实验兴趣及创新思维，此外，这 …… 此处隐藏：11176字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……