（系统分析与集成专业论文）电路原理网络实验系统.pdf

、节浙江大学硕士毕业论文 摘要 本文研究的 要内容是电路原理网络实验系统的设计与实现。该系统是基于 i n t e m e t 的远程实验平台，采用双c s 架构，由客户端，服务器端，控制端三部 分组成。不同于以往的电路仿真实验，系统为用户提供一个基于真实实验没备， 可以远程访问的实验环境。 本文共分为五个部分，第一部分对国内外虚拟实验室的研究现状以及发展应 用作了介绍。第二部分重点介绍系统的总体结构、软硬件开发环境、具体的实验 内容和功能。第三部分对系统的网络通讯机制做了详细的介绍，从t c p i p 协议、 提供非阻塞方式的c a s y n c s o c k e t 类到具体实现时协泌包格式以及通讯流程的制 定。第四部分重点介绍了控制端软硬件部分的实现方案，包括串口通信、采样卡 控制等。第五部分着重介绍了客户端的功能模块和整体框架。其中，图形用户界 面编程也是非常重要的一部分，奉章也详细地介绍了整个界面设计过程。第六部 分根据用户需求和系统实际情况，提出厂一些改进和扩展建议。 关键字：虚拟实验室，嘲络通讯，套接字，串口通信，采样卡控制，m f c 1 r 浙江大学葫士毕业论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e so nd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fn e t w o r k e dc i r c u i te x p e r i m e n t a l s y s t e m ，i ta d o p t st h ed o u b l e c ss t r u c t u r ew i t ht h r e es i t e s ：c o n t r o ls i t e ，s e r v e rs i t ea n d c l i e n ts i t eb a s e do ni n t e m e t d i f f e r e n tf r o mt h ep a s ts i m u l a t i v ec i r c u i te x p e r i m e n t s ， t h 6s y s t e mp r o v i d e st h eu s e rw i t har e m o t ea c c e s s i b l ee x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t b a s e do i lt h er e a ll a b o r a t o r ye q u i p m e n t t h i st h e s i si n c l u d e sf i v ep a r t s c h a p t e r1i n t r o d u c e st h ev i r t u a ll a b o r a t o r y d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n sa b r o a d t h eo v e r a l lf r a m e w o r k ，c o n t e n t ，a n df u n c t i o n o fs y s t e ma r eg i v e ni nd e t a i li nc h a p t e r2 t h em e c h a n i s mo fn e tc o m m u n i c a t i o ni s p r e s e n t e di nc h a p t e r3 ，a sw e l la st c p i pp r o t o c o l ，t h en o n b l o c k i n gc a s y n c s o c k e t c l a s sa n dt h es p e c i f i c a t i o no ft h ep a c k e tf o r m a ta n dn e tc o m m u n i c a t i o nf l o w i n c h a p t e r4 ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc o n t r o ls i t ea r ep r e s e n t e d ，i n c l u d i n g s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r dc o n t r o la n ds o o n c h a p t e r5 i n t r o d u c e st h ef u n c t i o n a lm o d a l ea n df r a m e w o r ko fc l i e n ts i d ei nd e t a i l t h eg u i p r o g r a m m i n gi sa l s ov e r yi m p o r t a n t t h ec h a p t e rd i s c u s s e st h ew h o l ep r o c e s so fh o w t or e a l i z e t h e f u n c t i o n s f i n a l l y , c h a p t e r6g e n e r a l i z e st h e a c h i e v e dw o r ka n d r e c o m m e n d ss e v e r a ls u g g e s t i o n sf o ri m p r o v i n gt h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m k e yw o r d s ：v i r t u a ll a b o r a t o r y , n e tc o m m u n i c a t i o n ，s o c k e t ，s e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o nc a r dc o n t r o l ，m f c i i 丫浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 【摘要】本章主要介绍了虚拟实验室的发展历程、实现技术以及国内外应用情况。晟后 给出了本论文的主要内容。 1 1 虚拟实验室概述 1 9 8 9 年美国u n i v e r s i t y o f v i r g i n i a 的w i l l i a m a w u l f 教授率先提出了“合作 实验室”( c o l l a b o r a t o r y ) 的概念，它描述了一个综合不同工具和技术的电子化、 网络化的科学研究集成环境。在这个环境里，研究者能够不受地域限制高效便捷 地利用各种资源( 数据、信息、设备、人力) 进行科研活动。w u l f 形象地把合 作实验室称为“无墙的研究中心”。计算机技术和网络技术的飞速发展，将曾经 的概念转化为应用实体，使其备受关注。联合国教科文组织( u n e s c o ) 于1 9 9 9 年5 月中旬将“虚拟实验室”定义为：以利用分散的信息和通信技术来创造及获 取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离合作和实验的一种电子协 作组。与传统实验室相比，虚拟实验室具有以下优势：( 1 ) 高度交互性( 2 ) 信 息反馈的实时性( 3 ) 良好的开放性( 4 ) 低成本性。 高等教育水平的高低，特别是理工科类，在很大程度上依赖于实验教学。相 对于理论教学，实验教学更具有直观性、实践性和创新性，在培养学生理论联系 实际的科学态度，提高学生的创造性和分析处理实际问题的能力等综合素质方面 效果显著。但是，传统的实验教学模式由于受仪器设备种类、数量和实验时间、 空间的限制，设备利用率不高，在一定程度上造成了资源浪费。建立虚拟实验室 是改善传统实验教学不足的一种良好手段和一大趋势。将虚拟实验室引入现代远 程教育的实验教学，利用i n t e m e t 实现网上实验，克服时间和地域的限制，突破面 对面的传统实验教学模式，把实验室扩展到网络覆盖的任何一个场所，大大地提 高设备的利用率，有效地降低实验成本，在相同经费的情况下，提供更加丰富的 实验内容，更加先进的实验设施。 1 丫浙江大学硕士毕业论文 1 2 国内外虚拟实验室研究现状 1 2 1 开发结构 1 2 1 1c s 结构 c s 结构，i l l c l i e n t s e r v e r ( 客户栅服务器) 结构，是一种出现较早，应用范 围较广的二层体系结构，由客户端和服务器端组成。客户端通过局域网与服务器 端相连，与用户进行信息交互，对用户的输入进行有效性检验并做简单计算，并 通过网络向服务器端发出请求。服务器端根据接收到的请求，对数据库进行查询、 管理等操作以及大规模的计算等，并将结果返回给客户端，由客户端将结果呈现 给用户。 c s 结构的网络数据传输模式属于数据集中式【l 】，由中心服务器处理用户输 入数据并将虚拟空间及该用户状态的变化广播至其他用户。这种结构实现简单， 并能有效确保相关信息的安全性，但由于其通讯资源开销大，服务器容易出现瓶 颈，所以常用于小型局域网。通过在客户端放置局部数据库，服务器端放置全局 数据库来缩短系统的响应时间；服务器端采用多线程技术来提高执行效率以克服 上文提到的瓶颈问题【2 1 。此外，为了提高c s 结构系统的可靠性，使其能够支持 各种基于w e b 的实验活动，可以采用多重w e b 服务器，结构如图1 1 所示1 3 1 。其中， 一部分w e b 服务器采用c g i 应用程序与数据库，数字、模拟f o e 连接，其余则协 同数字、模拟i 0 口通过网络连接至实验系统。 1 2 1 2b s 结构 图1 - 1 虚拟实验系统结构图 b s 结构，t i p b r o w s e r s e r v e r ( 浏览器服务器) 结构，是一种从传统的二层 2 丫浙江大学硕士毕业论文 c s 结构发展而来的新的网络结构，其本质是三层c s 结构，即由浏览器、w e b 服务器和数据服务器组成。在这种结构中，客户端通过浏览器以超文本形式向 w 曲服务器提出访问数据库的请求，w e b 服务器将其转化为s q l i 吾句并提交给数 据服务器，由数据服务器验证其合法性，并进行数据处理，然后将结果返回给 w e b 服务器，w e b 服务器再将所得结果转化为h t m l 文档形式转发给客户端，浏 览器以友好的w e b 页面形式显示出来。由于客户机把事务处理逻辑部分分给了 w 曲服务器，不再负责处理复杂计算和数据访问等关键事务，只负责显示部分， 使客户机的任务减轻了许多。这种三层结构在层与层之间相互独立，任何一层的 改变不会影响其它层的功能。 在实际开发过程中，可以根据具体的应用功能，将整个系统分为三层：表示 层、功能层和数据层。图1 2 所示为一个基于b s 结构的网络虚拟电工电子实验室 的结构模型i ”。其表示层主要完成与用户的交互，即人机界面交互，只需在客户 端安装浏览器即可实现。功能层实现应用的业务规则处理，将各种虚拟仪器的功 能通过编入程序中来实现。数据层负责管理对数据的读写、存取、更新以及保证 数据的安全性、完整性和一致性。系统分别采用j s p 、a d o n e t 技术对w e b j 日务 器和w e b 数据库进行开发。j s p 提供了对请求的多线程支持，可以将同时来自客 户端的多个服务请求分别放进不同的线程里进行处理，降低系统开销，提高执行 效率。a d o n e t 通过x m l 格式的数据集传送数据，运行灵活。在b s 结构基础上， 出于安全性考虑，把底层控制程序与w e b 服务器程序安装在局域网内不同的主机 e 【5 】o 表示层 i 功能层 i 数据层 图1 2 基 - b s 结构的网络虚拟电1 ：电子实验室结构模型 禽 1 丫浙江大学硕士毕业论文 综上所述，c s 结构建立在局域网的基础上，交互性强、具有安全的存取模 式、响应速度快、利于处理大量数据，但其缺少通用性，系统维护、升级需要重 新设计和开发，增加了维护和管理的难度，数据的进一步拓展困难也较多。而 b s 结构建立在广域网的基础上，分布性强、共享性强、维护方便，但数据安全 性不高、数据传输慢、对服务器要求过高等问题也比较突出。 1 2 2 实现方法与技术 1 2 2 1 基于软件仿真 利用计算机辅助设计软件开发虚拟实验室，目标是模拟真实实验过程，利用 数学模型计算输出，绘制响应曲线。这属于纯软件设计，可做成网络版或单机版。 目前比较流行的软件仿真技术有v r m l 、m a t l a b 、l a b v l e w 等。 ( 1 ) v r m l ：虚拟现实建模语言( v r m l ，v i r t u a lr e a l i t ym o d e l i n gl a n g u a g e ) ， 是一种能综合二维、三维图形、动画、光效、声效等多种效果来构筑虚拟世 界的描述性语言。它的基本原理是用类似h t m l 标记文本语言描述三维场景， 嵌在w e b 页面中，通过i n t e m e t 传输，由集成v r m l 解释器的浏览器解释计算， 动态地生成虚拟场景，使用户与场景进行实时交互，感知和操作虚拟对象。 v r m l 本身提供了树形节点的层次结构1 6 1 1 7 1 ，通过多种内插节点和传感器节点 来提高它的交互性。虚拟实验的交互过程是通过触摸传感器( 检测器) 节点 t o u c h s e n s o r 、v r m l s c f i p t ( j a v a s c f i p t ) 编写的脚本程序和r o u t e 语句实现。 交互式虚拟实验事件驱动体系的流程图如图1 3 所示。 图1 3 交互式虚拟实验事件驱动体系流稃图 ( 2 ) m a t l a b ：m a t l a b 是一种集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于体 4 1 r 浙江大学硕士毕业论文 的高性能的科学计算语言。其中，s i m u l i n k 为用户提供了多种多样的功能模 块；虚拟现实工具箱可以通过s i m d i n k 对虚拟现实环境进行控制；丰富的接 口可以方便与v b 、v c 、j a v a 等进行通讯。此外，m a t l 曲提供的具有网络功能 的核心工具包m a t l a bw e bs e r v e r ，可以通过h t t p 协议，在安装了w e b 服务器 的主机上提供m a t l a b 计算的远程服务，将m a t l a b 的应用范围扩展到网络上。 ( 3 ) l a b v i e w ：l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t n m a e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种基于图形编程语言的开发环境，具有十分强大的功能：包括数据采集、 信号处理、输入输出控制、信号生成与传输、图像的获取和处理等，还提供 丰富的函数库和子程序，适用于w i n d o w s 、u n i x 等多种操作系统平台。 l a b v l e w 还具有很强的网络功能，用t c p i p 或u d p 通信，建立w e bs e r v e r 和 gw e bs e r v e r ，能方便地运行不同的远程平台程序。它以软件为中心，利用计 算机强大的计算、显示和连接能力，在屏幕上组建用户自己的仪器、仪表， 实现“软件就是仪器”的功能。 l a b v i e w 虽然具有很强的图形界面设计和实时测控功能，但辅助设计功 能较弱。而m a t l a b 贝1 能够提供很强的辅助设计功能，但图形界面功能较弱。 着将两者结合则可以产生很大的优势。以基于c s 结构的某虚拟实验室i s l 为 例，服务器端用m a t l a b 的s i m u l i n k 建立控制系统的模型，客户端采用l a b v i e w 实现虚拟仪器的功能。通过操作客户端面板，客户端将参数设置通过网络传 送给服务器，服务器根据模型计算出波形等，再把结果送回客户端。除此之 外，教学上的一些辅助功能( 如作业、答疑等) 也能通过上述系统实现。与 m a t l a b 下仿真实验相比，它具有更丰富的图形界面、更强的交互性和更迅捷 的实时反馈性，用户可以将更多的精力集中于控制方法的设计和分析。 1 2 2 2 基于硬件 用硬件构成实时测控系统，集合形成一个虚拟实验中心。用户可在远程计算 机终端输出控制参数对实验仪器硬件设备进行控制，并从虚拟网络实验中心获得 实验结果| 9 】。此外，利用网络传输和图像处理技术还可以为用户返回对应系统运 行的实物拍摄动态图像”o i 。基于实际物理设备和实验环境的虚拟实验室不仅能为 用户提供真实的实验数据，还能给用户身l 临其境的感觉，几乎可以完全替代传统 的实验系统。 丫浙江大学硕七毕业论文 虽然此类虚拟实验室能够到达比较理想的实验效果和教学效果，但是实现起 来却有一定难度，不是仅靠某项单一的技术就能解决的。它涉及到系统稳定、通 讯安全等多方面问题，需要综合各种计算机及网络技术。下面介绍两种重要技术： ( 1 ) j a v a ：j a v a 技术由编程语言( j a v a 语言) 、运行环境( j v m ：j a v a 虚拟机) 、 框架( j a v aa p i 群) 组成。j a v a 是一种具有“硬件和软件”中立性、使网页 信息呈现形式多媒体化及交互化的网络编程语言。它在保留继承性、封装性、 多态性等优点的基础上，还具有动态联编的特性，更能发挥出面向对象技术 的优势。另外，j a v aa p p l e t 与多线程也能够提供灵活的显示与强大的实时交 互。使用j a v a 开发的程序具有两种层次上的可移植性能，源代码级和二进制 级可移植性，m ( j a v a 虚拟机) 的存在使这种可移植性成为了可能。最后， j a v a 语言的下标检查机制和自动内存管理机制也使其具有较强的稳定性和安 全性，这一点对于构建网络虚拟实验系统而言是非常关键的。 利用j 2 e e 平台的技术特点和该平台提供的a p p l e t 、s e r v l e t ，j s p 、 j a v a b e a n s 、j d b c 等技术，可以实现网上交互式虚拟实验平台【1 1 】。其中，j d b c 可以较好地解决w e bs e r v e r 和d a t a b a s es e r v e r 的数据传输问题，利用j d b c 连接池可以提高多用户系统的效率；s e r v l e t 和j s p 作为客户端与服务器端数 据库的通信桥梁在服务器端运行，用来响应客户端的请求，保证了系统的安 全性。 尽管j a v a 在网络通讯上具有相当的优势，但在虚拟场景的创建和表现上 仍然存在不足。于是，将交互性强、成熟度高的j a v a 语言与表现力强、交互 性弱的v r m l 相结合来构建基于w e b 的虚拟实验平台逐渐成为一种趋势。 利用v r m l 的外部接口编程方式( e a i ) 实现j a v aa p p l e t 与v r m l 场景的 通信1 1 2 1 。藉此，j a v aa p p l e t 可以直接控制和管理v r m l 文件的各种节点。应 用e a i 的同时，还可以采用脚本编程接口方式( s a d1 1 3 1 ，即使用事件机制 和路由利用s c r i p t 节点实现v r m l 与j “a s c 打p t 、j a v a 的交互。 ( 2 ) a c t i v e x ：a c t i v e ) ( 技术是基于组件对象模型( c o m c o m p o n e n to b j e c tm o d u l e ) 和w i n d o w s 3 2a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) 的一种与具体编程语言无 关的技术。它允许由不同软件开发的组件在网络上互相进行操作，使本地的 组件可以和网络上的组件进行通信。与j a v a 的字节码技术相比，a c t i v e x 提 供了“代码签名”( c o d es i g n i n g ) 技术保证其安全性。a c t i v e x 以其封装性好、 6 丫浙江大学硕士毕业论文 易开发、语言无关、复合性好、兼容性好、界面友好等特点，逐渐成为一个 主流发展方向。 1 2 3 虚拟实验室的发展与应用 虚拟实验室凭其广阔的应用前景和对现代远程教育教学的深远影响，各国均 在大力开发，已经取得了一些进展。在国外，网络虚拟实验已被广泛的应用到实 验教学中。美国卡耐基一梅隆大学的虚拟实验，将计算机控制的示波器、函数发 生器等设备连接到网络，实现了学生远程的控制与操作。麻省理工学院同微软公 司合作推出i l a b 项目，已先后实现了微电子器件特性、动态信号分析、聚合物 结晶等包含电子、生物等不同类学科的五个虚拟实验。新加坡国立大学先后实 现了频率调制、耦合水槽控制等六个网络虚拟实验，接受了来自几十个国家上万 人次的远程实验访问。其中，耦合水槽控制实验1 15 】已经能够为用户提供了各种控 制算法( 包括手动控制、p i d 控制、广义的状态空间控制和模糊逻辑控制) 应用 的实验平台。通过使用m i c r o s o f tn e t m e e t i n g ，实验室还提供了具有音频和视频 反馈的视频会话系统，使用户可以一边调整参数一边观看实验运行状态，一边听 实验( 如水泵) 发出的声音。 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，已有部分高校初步 建立了虚拟实验室。清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测系统；西安交 通大学测试计量技术与仪器配合现代测试技术这门课程，建立了网络虚拟仪 器实验室；华中科技大学与n i 公司合作的“v i 联合实验室”计划致力于虚拟仪 器技术及应用、网络仿真实验平台、网络实验室研究，已经在该领域取得卓越的 成效。此外，北京大学、大连理工大学等也进行了相关研究，并取得了一定的成 绩。 1 3 本文主要内容 本文第一章首先介绍了国内外虚拟实验室的研究现状及其在各院校机构的 发展应用。第二章主要介绍了系统的总体结构、硬件资源以及软件开发工具。文 章的主体部分是第三、第四、第五章。在第三章中，详细地分析了t c p i p 协议 和套接字技术以及m f c 对s o c k e t 的支持，并且根据系统通讯需要定义协议包格 式和通讯流程。第四章则给出了系统控制端的软硬件实现方案。第五章详细介绍 了客户端应用程序主体框架以及程序界面的设计与编程实现。文章的最后一章， 7 1 f 浙江大学硕士毕业论文 是对本文的总结以及一些对客户端的改进与扩展建议。 8 1 节浙江大学硕士毕业论文 第二章系统总体介绍 【摘要】在本章中首先对系统总体结构、软硬件实际开发环境以及实现技术进行介绍， 然后对其实验内容和功能进行详细介绍。 2 1 系统拓扑结构 在物理拓扑结构上，本系统采用双c s 结构，即客户端( 或称浏览器) + 服 务器+ 控制端的模式，如图2 1 所示。其中，实验控制机和服务器同处一个高速 局域网中，构成第一层c s 结构，客户端可以通过较高网速的校园局域网或网速 较慢的i n t e m e t 与服务器交互，构成第二层c s 结构。客户端主要用于完成实验 的设计，发送实验指令和实验结果的显示，以及部分简单的系统管理功能。服务 器主要负责按照一定的规则安排用户实验，连接客户端和控制端的通讯，同时将 实验数据保存到数据库中。用户和实验的管理也是服务器的职责之一。控制端则 负责按照实验指令控制设备进行实验采集数据。与通常的c s 结构相比，双c s 架构不但能够减轻每台服务器的工作负担，降低对服务器性能的要求，减少购买 高性能的服务器的费用，而且可以为实验管理和用户调度管理提供更大的便利， 并使系统更易于扩展和维护。 2 2 硬件组成 图2 1 系统物理拓扑结构 实验系统中客户端主要负责界面显示及命令发送，硬件上无特殊要求。因此， 系统的硬件部分主要集中在服务器端和控制端。 9 丫浙江大学硕士毕业论文 ( 1 ) 服务器端：服务器是整个实验系统的核心，负责客户端与控制端的通讯及用 户资料和实验的数据库管理，因此它运行的安全性、稳定性和高效性至关重 要。本系统采用d e l l 的专业服务器p o w e r e d g e6 6 0 0 ，内含两颗服务器处理器 x e o n2 g ，4 g 内存，6 个7 2 g 的s c s i 硬盘，并使用l i n u x 作为服务器的操作 系统。 ( 2 ) 控制端：控制端的主要功能是实时、直接地控制真实的物理设备，相当于系 统的执行机构，所以其稳定性和安全性也是必须保证的一环。因此，实验控 制机由p i l l1 g 的工控机担当，使用w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r 作为其操作系统； 实验及测量电路由研华p c l 8 1 8 l 数据采样卡、双帆d g 3 0 3 数字可调电压 源、双帆d g - 3 一0 2 数字可调电流源、双帆d g ，3 0 7 精密数字可调电阻、a g i l e n t 3 4 4 0 1 a 数字万用表以及二极管、继电器等构成。 2 3 软件结构 系统软件结构如图2 2 所示。 幽2 - 2 系统软件结构图 2 3 1 开发工具介绍 ( 】) 客户端和控制端： v i s u a lc h 是由微软公司推出的4 g l 软件开发工具。它拥有一个优秀的集成 开发环境，集编辑、编译、连接、调试、向导等多项功能于一体，贯穿了面向对 象的程序设计思想，并且提供了目前己成为业界标准的微软基本类库m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) 。v i s u a lc + + 方面把大部分与用户界面设计有关 】o 1 甲浙江大学硕士毕业论文 的w i n d o w s a p i 函数封装起来，通过m f c 类库的方式提供给开发人员，大大提高 了程序代码的重用性。另一个方面使用称为“消息映射”的机制把w i n d o w s 消息 和命令传递到窗口、文档、视图以及m f c 应用程序中的其它对象。同时，v i s u a l c + + 还具有很好的执行效率，支持多线程，对多媒体有很强的支持能力，也能够 很好地对硬件进行各种操作。 此外，v i s u a lc + + 还提供了基于c a s e 技术的可视化软件自动生成和维护工 具a p p w i z a r d 、c l a s s w i z a r d 、v i s u a ls t u d i o 等，帮助用户直观地、可视地设计程 序的用户界面，可以方便地编写和管理各种类，维护程序源代码，从而提高了开 发效率。用户可以简单而容易地使用c c + + 编程。 所以本系统客户端和控制端采用v i s u a lc + + 6 0 开发。 ( 2 ) 服务器端： j a v a 是伴随i n t e m e t 的大潮产生的，对网络及多线程具有内在的支持，具有 网络时代编程语言的一切特点。j a v a 软件包内在支持的网络协议为t c p i p ，也 是当今最流行的广域网局域网协议。j a v a 有关网络的类及接i s i 定义在j a v a n e t 包中，包内的s e r v e r s o c k e t 类包含了编写服务器系统所需的一切。j a v a 提供了对 网络支持的不依赖于平台的完整软件包，使程序员没有必要为系统网络支持的细 节而烦恼。总之，j a v a 编程规范、接口清晰、开发效率高。j a v a 代码在可移植性、 安全性和可靠性等方面也有显著优势。在实现服务器程序时，利用j a v a 的多线 程控制技术可以大大提高程序的执行效率，降低用户等待时间。所以本系统服务 器端采用j a v a 语言开发。 2 3 2 系统数据库 2 3 2 1 开发工具介绍 o r a c l e 9 i 数据库是目前业内伸缩性最好、功能最齐全、应用最广泛的大型数 据库系统。无论是用于驱动网站、打包应用程序、数据仓库或者是o l a p 应用程 序，o r a c l e 9 i 数据库都是任何专业计算环境的技术基础。和其它数据库相比，它 在以下的几个方面拥有极大的优势。 在事务处理方面，它具有：可伸缩的行级锁定，即多个用户可以访问、操作 同一个表数据：快速准确的实体化视图，用于预计算和存储集合数据：分区 大数据集，允许将表和索引细分为更小的单位，从而能够更细粒度地管理和 丫浙江大学硕士毕业论文 访问数据库。分区能够提高可管理性和可用性，因此为应用程序带来巨大的 好处。分区还可以将某些查询和维护操作的性能提高好几个数量级；灵活的 查询优化等特性。 在可靠性方面，它具有可伸缩的坚不可摧的数据库集群、完整的数据保护、 在线数据演变、自助式纠锗等特性。 在数据仓库方面，它具有集成的o l a p 、通过数据挖掘发现价值、简化的e t l 处理等特性。 在高可用性和稳定性方面，它具有强大的备援数据库与回溯查询机制可以提 供零数据丢失的环境；强大的数据库修复能力；快速的数据库回写机制用以 缩短数据库离线时间等特性。 在安全方面，它具有省时一次性登录、有选择性的数据加密、安全的数据共 享等特性。 在管理工具方面，它具有智能的自我管理和调优、管理整个堆栈、定位诊断、 数据库资源管理等特性。 在内容管理方面，它具有智能文件系统、管理所有的文件类型、强大的文本 处理和搜索、系统外的搜索引擎、基于位置的服务等特性。 在数据集成和消息发送方面，它具有消息队列、数据库复制、原有数据库事 务网关等特性。 因此，在远程实验系统的框架体系中，选择o r a c l e 9 i 数据库作为核心数据库 是一个最佳的选择。 2 3 2 2 数据库构成 本系统数据库由用户管理和实验管理两部分组成。 ( 1 ) 用户管理：存储用户信息及用户实验权限。包括u s e r i n f o 、 u s e re x pe n a b l e 、u s e re x pe x pt i m e 表。 ( 2 ) 实验管理：存储包括实验设计、实验结果、实验请求及操作记录等实验 信息。具体为：e x pa s y n cr e q u e s t 、e x pa s y n cr e s u l t 、 u s e rs c h e d u l e 、s y s l o g 表。 数据表之间的关系通过指定表的主键字值或者指定表之问共享一个共同主 键字值来表达。 1 2 丫浙江大学硕士毕业论文 2 3 2 3j o b c 数据库互连技术 本系统服务器采用j d b c 技术与o r a c l e 9 i 数据库通信。j d b c ( j a v ad a t a b a s e c o n n e c t i v i t y ) 是j a v a 与数据库的接口规范，对j a v a 程序员而言是a p i ，对实现 与数据库连接的服务提供商而言是接口模型。作为a p i ，j d b c 为程序开发提供 标准的接口，并为数据库厂商及第三方中间件厂商实现与数据库的连接提供了标 准方法。j d b c 体系结构如图2 3 所示。 j a v a ) 商用程序 仍b ca p i n ( j a v a 跚- + ， j d b cd r i v e r m a n a g e r 驱动程序管理器 j d b c 王嘶e r 删 数据库驱动程序d r a v e r 彳丁 弋夕 、 d b m s 数据库管理系统 彳丁 文乡 数据库d b 图2 3j d b c 体系结构图 j d b c 包含两部分与数据库独立的a p i ：面向程序开发人员的j d b ca p l 和 面向底层的j d b cd r i v e r a p i 。 ( 1 ) j d b c a p i 面向程序开发人员的j d b c a p i 被描述成为聚集抽象的j a v a 接口，通过这些 接口应用程序可以对某个数据库打开连接，执行s q l 语句并且处理结果。最重 要的接口有如下几种。 1 y 新江大学硕士毕业论文 j a v a s q l d r i v e r m a n a g e r ：处理驱动的调入并且对产生新的数据库连接提供 支持，管理一个或多个驱动程序。d r i v e r m a n a g e r 提供了注册驱动程序， 获得连接以及向数据库的输出流发送信息的功能。 j a v a s q l c o n n e c t i o n ：表示与数据库的单独的一个对话过程。它由执行s q l 语句和检索它执行的结果组成。在这个接1 2 1 的各种方法中可以提供有关 数据库表格、所支持的s q l 语句和存储过程。同时还提供一些基本错误 的处理方法。 i a v a s q l s t a t e m e n t ：代表一个特定的容器，来对一个特定的数据库执行 s q l 语句，并检索它从数据库产生的结果。其中，j a v a s q l s t a t e m e n t 又 有两个子类型：j a v a s q l p r e p a r e d s t a t e m e n t 用于执行预编译的s q l 语句和 j a v a s q l c a l l a b l e s t a t e m e n t 用于执行对一个数据库内嵌过程的调用。 j a v a s q l r e s u l t s e t ：是接受s q ls e l e c t 语句结果的接口，封装从 s t a t e m e n t 执行中得到的数据，控制对一个特定语句的行数据的存取。 ( 2 ) j d b cd r i v e ra p 面向底层的j d b cd r i v e r a p i 主要是针对数据库厂商开发数据库底层驱动程 序使用的，一般情况下用于开发应用程序的程序员用不到这些类库。j a v a 的应用 程序员通过s q l 包中定义的一系列抽象类对数据库进行操作，而实现这些抽象 类并完成实际操作，则是由数据库驱动程序d r i v e r 运行的。 2 4 系统实验内容 本实验系统包括3 个实验：电阻、电压和电流的测量实验，叠加定理、替代 定理的验证实验，非线性元件特性曲线的测定及曲线绘制实验。 电阻、电压和电流的测量实验：通过使用数字万用表对电阻、电压和电流进 行测量，使学生了解测量仪器的使用方法。 叠加定理、替代定理的验证实验：根据图2 - 4 所示的电路，先使电压源和电 流源分别单独作用，测量各点问的电压和各支路的电流。再使电压源和电流源共 同作用，重复上述操作。验证是否满足叠加原理。然后将电路中a d 支路的稳压 管换接成线性电阻r ( 阻值为电压源和电流源共同作用时测得的r = u , f l a d ) 。 重复测量各点电压和电流。与替代前的数值进行比较以验证替代定理。通过实验， 加深了学生对线性电路中的叠加原理、替代定理及其适用范围的理解。 1 4 1 节浙江大学硕士毕业论文 非线性元件特性曲线的测定及曲线绘制实验：先使用数字万用表欧姆档判定 二极管正反极性，并记下等效正向电阻和等效反向电阻。再测试其正向伏安特性。 然后将二极管换接成稳压管测试其伏安特性。这不仅可以使学生直观地了解非线 性元件的特性，还能够使其掌握绘制曲线的方法。 b c b c 图2 4 叠加定理、替代定理的验证的电路图 2 5 系统功能介绍 ab 2 5 1 系统界面组成 系统客户端主界面如图2 5 所示。可分为7 个功能区：菜单，工具条，状态 条，实验列表窗口，主实验窗口，实验辅助窗口和操作记录窗口。 图2 5 系统客户端主界面 1 y 浙江大学硕士毕业论文 菜单为访问实验系统的用户提供了客户端的所有功能。对于菜单中登陆实 验、开始实验、结束实验、用户管理等最常用的系统功能，用户可以免去频繁通 过下拉菜单选项而直接在工具条中单击相应功能的图标。系统状态条用于提示系 统当前的状态信息，分为8 格，分别为操作提示区、网络状态( 联机脱机) 、实 验状态( 空闲等待实验正在试验) 、登陆的用户名、实验倒计时、大小写状 态、n u m l o c k 键状态、s c r o l l l o c k 键状态。 实验列表窗口用于显示实验的各种状态信息，内含一个三层树状实验列表， 以分别表示实验模块、具体实验和异步实验的结果列表。如图2 - 6 所示： 图2 - 6 实验列表窗1 3 图 第一层表示电路实验模块，包含3 个实验，能够显示当前实验的状态：实验 就绪，实验离线，实验有人排队。系统每隔3 秒钟，更新一次实验列表状态。当 用户点击实验模块时，显示欢迎界面，包含该模块内所有实验的说明和基本操作 步骤。 第二层表示具体实验，点击该层时，显示该实验的操作界面，用户实验设计 就在该界面完成。 第三层是异步实验的结果列表，实验的时间被作为列表的标题，点击此标题 时，显示异步实验结果。也可选择将结果保存到本地计算机。 主实验窗1 3 是用户实验的主要窗口，实验操作区根据不同的状态显示不同界 面。主实验窗口是用户实验的主要窗口共有四种状态：1 ) 系统欢迎界面：用户 没有选择任何实验；2 ) 实验欢迎界面：用户选择实验模块；3 ) 具体实验界面： 用户选择具体实验：4 ) 实验结果界面：用户选择具体异步实验结果。 实验辅助窗口除了显示一些简单的提示信息，主要用于显示实验的视频图 像。同时，用户可以选择启动停止实时视频播放，也可以选择录制正在播放的 视频。 操作记录窗口记录用户的所有重要操作，如登陆时间、退出时间、错误的操 作等。该项信息可以通过记录管理器设定具体的操作记录内容和保存的方式。所 j 6 = 节浙江大学硕士毕业论文 有操作在输出至窗口的同时，被记录在一个临时文件中，如果程序非正常结束， 重新启动时，将出现提示对话框，询问用户是否发送记录到服务器或者保存记录 至指定文件。 2 5 2 具体功能 网络功能：包括登陆、注销。 登陆：通过弹出的登陆对话框完成( 如图2 7 所示) 。对于己登陆服务器的用 户，可以用相同的用户名替换当前与服务器的连接，也可以更改当前登陆的 用户名。对于离线用户，可以输入受权用户名和密码，登陆服务器，进入连 线状态。 图2 - 7 登录对话框 注销：通过注销对话框完成。共有三个选项： ( 1 ) 注销用户：用于切断与服务器的网络连接。 ( 2 ) 脱机工作：仅关闭与服务器连接。 ( 3 ) 关闭系统：关闭与服务器连接，同时关闭客户端程序。 实验功能：包括同步实验和异步实验。 同步实验：即在线实验，用户对实验设备的控制及实验结果的返回都是实时 的。这种模式简便快捷，更接近现场实验效果。 异步实验：无论拧制端在线与否，或者控制端在线但正在响应其它用户的实 验，该用户都可以发送异步实验命令包。由服务器判断控制端的状态，在其 空闲时安排实验，将得到的实验结果保存在后台数据库中。当用户查询异步 丫浙江大学硕士毕业论文 实验结果时，再把保存的实验结果从数据库中发送到客户端。 用户管理：主要包括用户的创建、删除、查询和修改功能。通过用户管理对 话框完成所有的功能。如图2 8 所示。 图2 8 用户管理对话框 系统以用户信息和用户权限来描述和体现用户的身份。用户信息包括用户 名、密码、邮箱、地址等信息，用户权限由操作权限和实验权限组成。操作 权限主要针对创建新用户、删除用户、管理其他用户等事务性的权限设置， 实验权限则是对可进行的实验的种类和方式、实验允许时间等具体实践的权 限设置。两种权限相互独立，略有不同，都可向下传播。新用户的操作权限 必须小于创建者，而新用户的实验权限可以小于或等于创建者。 系统帮助：该帮助系统由4 部分组成：系统版本信息，系统帮助，实验帮助 和实验欢迎界面。为了简化用户选择，前三者都在系统帮助菜单中，如图2 - 9 所示。实验欢迎界面在用户点击具体实验模块最初接触实验时，自动在主实 验窗口显示。 1 8 丫浙江大学硕士毕业论文 图2 9 系统帮助菜单示意图 2 6 本章小结 本章首先介绍了电路原理网络实验系统的双c s 拓扑结构。然后对其硬件资 源和软件结构做了简单的交代，对所采用的开发工具及实现技术的特点做了较详 细的阐述。最后，概述了系统实验内容和菜单、窗口功能。 9 1 甲浙江大学硕士毕业论文 第三章网络通讯 【摘要】本章首先介绍了t c p p 和套接字的概念，然后介绍了m f c 对s o c k e t 的支持 以及如何实现套接字编程，最后给出了系统自定义协议格式和通讯流程。 3 1t c p ，i p 简介 3 1 1t c p p 协议族 t c p i p ( 传输控制协议互联网协议) 是当今世界上应用最广而不依赖于特 定硬件平台的网络通信协议族。它规范了网络上的所有通信设备，尤其是一个主 机与另一个主机之间的数据传输格式以及传送方式，为解决异构网的互连问题提 供了行之有效的方法。与国际标准组织i s o $ | j 定的o s l 七层体系结构相比，如图 3 1 所示，t c p i p 分层较少，由四个层次构成，从下至上依次为：网络接口层、 网际层、运输层、应用层。 网络接口层：这是t c p i p 软件的最低层，负责接收i p 数据报并通过网络发 送数据报，或从网络上接收物理帧，抽出i p 数据报交给网际层。它提供了 t c p i p 协议数据结构和实际物理硬件之间的接口，主要包括操作系统中网络 驱动程序和相对应的网络接口卡。 网际层：它负责为互联网上的不同主机提供通信：接收来自运输层的分组请 求并添加报头形成l p 数据报，选择适当的路径，把i p 数据报送往