（计算机科学与技术专业论文）基于vc的微机接口虚拟实验仿真系统的研究和实现.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：者缸晕址日期：上盘址业 学位论文使用授权书 ，一 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 航引张黼翩湓锔客亥醐i i 幅 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着高等教育的深化改革和招生规模的急剧扩大，我国高校普遍陷入了实 验教学的困境。主要表现在硬件设施不足、教学方法和内容落后、教学受时空 限制等方面。在计算机和多媒体技术快速发展的前提下，充分利用计算机资源 的虚拟实验系统成为解决这些问题和提高实验教学质量的重要选择。 论文在分析虚拟实验发展现况和趋势的基础上，针对实验教学的要求和现 有虚拟实验系统的不足，提出了“微机接口虚拟实验仿真系统”的系统设计方案， 并对关键技术进行了具体的研究和设计。 论文首先对面向对象仿真建模的方法进行了介绍，提出了采用基于面向对 象仿真建模方法对系统进行仿真建模。通过对真实实验过程和要求的分析，对 虚拟器件、虚拟连线和虚拟实验进行了仿真建模，为系统分析与设计打下理论 基础。 论文通过u i v l l 建模语言，以用例为驱动，利用类图、时序图、活动图等 从不同角度和层次描述了系统的静态结构和动态行为。结合用例模型和分析模 型，根据设计出的类图，对这些类进一步细化，获得更详细的类的说明，实现 类的主要功能方法，为系统实现奠定基础。对系统主要类和系统操作界面的实 现方法作了详细描述。 论文最后详细叙述了虚拟实验系统中关键问题妨真实验的运行控制。 仿真实验的运行控制是虚拟实验仿真系统中最重要的部分，它包括了器件之间 的连接算法和信号在器件之间的传递算法。通过分析现有的器件连线算法和信 号传递算法，结合本实验系统的特点，提出了适合本系统的连线算法和信号传 递算法。 微机接口虚拟实验仿真系统的实现有助于解决微机接口实验课程面临的众 多问题，加深了“软件即仪器”、“软件即元器件”的理解，并有利于学生创新能 力的培养。 关键词：虚拟实验，面向对象仿真，仿真建模，连线算法，信号传递算法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t t lt h ed e e p e n i n gr e f o r mo fh i g h e re d u c a t i o na n dt h er a p i de x p a n s i o no f e n r o l l m e n t , u n i v e r s i t i e si nc h i n ag e n e r a l l yf a l li n t ot h ep l i g h to ft h ee x p e r i m e n t a l t e a c h i n g m a i n l yi nt h el a c ko fh a r d w a r ef a c i l i t i e s ，t e a c h i n gm e t h o d sa n dc o n t e n to f t h eb a c k w a r da r e a so ft e a c h i n gb yt h et i m ea n ds p a c ec o n s t r a i n t s i nt h er a p i d d e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , v i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e m m lu s eo fc o m p u t e rr e s o u r c e s ，t os o l v et h e s ei s s u e sa n di m p r o v et h eq u a l i t yo f t e a c h i n ge x p e r i m e n t ，h a sb e c o m ea ni m p o r t a n tc h o i c e b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a le x p e r i m e n t si nt h es t a t u sa n dt r e n d s ，f o r e x p e r i m e n t a lt e a c h i n gr e q u i r e m e n t sa n dt h ee x i s t i n g l a c ko fv i r t u a le x p e r i m e n t s y s t e m ，t h e s i sp r e s e n t e d t h es y s t e md e s i g no f v i r t u a l e x p e r i m e n ts i m u l a t i o n s y s t e mo fc o m p u t e ri n t e r f a c e a n dc a r r i e do u ts p e c i f i cr e s e a r c ha n dd e s i g no nt h e k e yt e c h n o l o g i e s f i r s t l y , o b j e c t - o r i e n t e ds i m u l a t i o na n dm o d e l i n gm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e d t h e n , p r o p o s e db yu s i n gm e t h o d sb a s e d0 1 1o b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o nm o d e l i n g s y s t e mf o rs i m u l a t i o nm o d e l i n g b ya n a l y z i n gr e a le x p e r i m e n t a lp r o c e s sa n d r e q u i r e m e n t s ，s i m u l a t i o nm o d e l i n go fv i r t u a ld e v i c e s ，v i r t u a lc o n n e c t i o na n dv i r t u a l e x p e r i m e n tw e r ec o n d u c t e d b yu m lm o d e l i n gl a n g u a g e , t h e s i sd r i v e nb yu s ec 够鹪a n dd e s c r i b e df i ，o m d i f f e r e n tp e r s p e c t i v e sa n dl e v e l so ft h es y s t e m ss t a t i cs t r u c t u r ea n dd y n a m i c b e h a v i o rb yu s i n gc l a s sd i a g r a m ，s e q u e n c ed i a g r a m ，a c t i v i t yd i a g r a ma n ds oo n w i t h t h eu s ec a s em o d e la n da n a l y s i sm o d e l ，b a s e do nd e s i g nc l a s sd i a g r a m ，t h ef u r t h e r r e f i n e m e n to ft h e s ec l a s s e st oo b t a i nam o r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ec l a s s ，t h e m a i nf u n c t i o no ft h ei m p l e m e n t a t i o nc l a s sm e t h o d ，l a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h es y s t e m i m p l e m e n t a t i o n d e t a i l e dd e s c r i p t i o no f t h em a i nc l a s si ns y s t e ma n d i m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h es y s t e mo p e r a t o ri n t e r f a c e f i n a l l y , t h ev i r t u a le x p e r i m e n t a ls y s t e md e s c r i b e di nd e t a i lt h ek e yi s s u e s t h e r u n n i n gc o n t r o lo fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr u nc o n t r o li st h e m o s ti m p o r t a n tp a r ti nv i r t u a ls i m u l a t i o ns y s t e me x p e r i m e n t ，w h i c hi n c l u d e st h e 武汉理工大学硕士学位论文 c o n n e c t i o na l g o r i t h mb e t w e e nt h ed e v i c ea n ds i g n a lt r a n s m i s s i o na l g o r i t h mb e t w e e n t h ed e v i c e t h r o u g ht h ea n a l y s i so f e x i s t i n ga l g o r i t h m s ，d e v i c e sc o n n e c t e da n ds i g n a l t r a n s m i s s i o na l g o r i t h m s ，c o m b i n e d 谢mt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x p e r i m e n t a l s y s t e mp r o p o s e df o rt h es y s t e mc o n n e c t i o na n ds i g n a lt r a n s m i s s i o na l g o r i t h m s t h ei m p l e m e n t a t i o no f v m u a le x p e r i m e n ts i m u l a t i o ns y s t e mo fc o m p u t e r i n t e r f a c e h e l pt os o l v et h ep r o b l e m si nc o m p u t e ri n t e r f a c ee x p e r i m e n t d e e p e n e d t h eu n d e r s t a n d i n go f 竹s o f t w a r ei n s t r u m e n t o r ”s o f t w a r ec o m p o n e n t s 竹，a n dt r a i n e d c r e a t i v ea b i l i t yo fs t u d e n t s k e yw o r d s ：v h 舭a le x p e r i m e n t , o b j e c t - o r i e n t e ds i m u l a t i o n , s i m u l a t i o nm o d e l i n g , c o n n e c t i o na l g o r i t h m ，s i g n a lt r a n s m i s s i o na l g o r i t h m s i l i 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的研究意义l 1 2 课题的研究背景l 1 3 国内外研究状况及发展趋势3 1 4 课题的研究内容。4 1 5 论文结构安排4 1 6 本章小结5 第2 章虚拟实验仿真系统总体设计6 2 1 虚拟实验室概述6 2 1 1 虚拟实验室的分类6 2 1 2 虚拟实验室的功能7 2 1 3 虚拟实验室的特点7 2 2 系统的总体设计方案8 2 2 1 系统的总体概述8 2 2 2 系统工作流程分析9 2 3 虚拟实验仿真系统架构1 0 2 4 系统功能划分1 0 2 5 系统实现所需技术1 1 2 6 本章小结1 2 第3 章面向对象仿真建模1 3 3 1 面向对象仿真概述1 3 3 1 1 面向对象技术1 3 3 1 2 仿真技术1 4 3 1 3 面向对象仿真1 6 3 2 虚拟器件模型18 3 2 1 虚拟器件模型18 3 2 2 虚拟器件模型实现1 9 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 3 虚拟器件建模举例2 0 3 3 虚拟连线模型2 2 3 4 虚拟实验模型2 3 3 4 1 虚拟实验过程中的信号2 3 3 4 2 电路的存储和编辑2 3 3 4 3 仿真信号的传递2 3 3 4 4 虚拟实验的模型2 4 3 5 本章小结2 4 第4 章仿真实验系统的分析与设计2 5 4 1 u m l 简介2 5 4 2 系统用例模型2 7 4 2 1 识别参与者2 8 4 2 2 识别用例一2 8 4 3 静态结构建模3l 4 3 1 定义系统对象类3 l 4 3 2 定义用户界面类。3 3 4 3 3 建立类图3 4 4 4 动态行为建模3 5 4 4 1 建立交互图3 5 4 4 2 建立状态图3 6 4 5 本章小结3 7 第5 章仿真运行的算法研究3 8 5 1 引脚间的连线算法3 8 5 1 1 李氏迷宫算法。3 8 5 1 2 线探索布线算法。3 9 5 1 3 本系统的连线算法。3 9 5 2 信号的传递控制4 1 5 2 1 信号的表现形式4 1 5 2 2 传递信号的介质4 1 5 2 3 信号的传递机制4 2 5 3 信号传递算法4 2 v 武汉理工大学硕士学位论文 5 3 1 信号传递算法分析4 2 5 3 2 本系统的信号传递算法4 4 5 4 本章小结4 5 第6 章虚拟实验仿真系统的实现。4 6 6 1 系统实体类的实现4 6 6 1 1 引脚类的设计。4 6 6 1 2 器件类的设计4 8 6 1 3 连线类的设计。4 9 6 2 系统交互界面的设计实现5 0 6 2 1 系统界面的设计实现。5 1 6 2 2 电路功能的设计5 3 6 2 3 虚拟器件操作6 0 6 3 系统实例白 6 4 本章小结6 4 第7 章总结与展望6 5 7 1 全文总结6 5 7 2 研究展望6 6 参考文献6 7 致谢7 0 攻读硕士学位期间发表的论文一7 1 v i 微机原理与接口技术是计算机专业中很重要的一门实践性课程，在学 习过程中，除了需要理解掌握理论知识，还需要通过大量的实验课程来实践操 作，由此达到理解掌握这门课程的基本理论知识和应用技术的开发能力。随着 高校的扩招，很大一部分高校对实验硬件设备的资金投入不足，造成了实验设 备缺乏维护，不能及时更新实验设备等方面的难题困扰着实验室的发展。实验 设备的不足，直接造成学生在课程实验环节失去了创新实践的机会。 而且，当前的微机接口课程的教学严重滞后于微机接口技术的发展。导致 我国在微机接口技术领域的发展水平与国外严重脱节，严重影响了微机接口技 术的发展。为了解决微机接口技术实验环节存在的众多问题，经过查阅分析了 国内外相关文献资料和微机接口技术实验课程的特点，虚拟实验室的构想应运 而生。 作为传统实验的一个必要的补充，虚拟实验系统可以代替传统实验，只需 在虚拟的实验环境中进行实验操作即可，不用再考虑实验设备的问题。随着教 学模式的发展创新，虚拟实验室的研究工作也随之开展起来，许多高校开发了 与硬件设备配套的虚拟实验软件。但是虚拟实验室也存在着众多的问题，例如 通用性、灵活性和交互性等问题，这些问题制约着虚拟实验室的发展。因此， 研究开发具有良好通用性、灵活性、交互性的虚拟实验室系统会有很大的理论 价值和实际意义。 从实际意义上来说，在高等工科教育中采用虚拟实验仿真系统，可以从根 本上解决长期困扰但暂时还看不到解决希望的高校教学问题：实验与实习经费 短缺的问题以及学生规模与实验设备严重比例失调的问题。因此，虚拟实验仿 真系统将在国内高校迅速推行。 1 2 课题的研究背景 在高科工科教育中，实验教学是一个重要的环节，它对提高学生的实际动 武汉理工大学硕士学位论文 手能力和创新能力起着重要的作用【1 1 。只有通过实验操作，才能使学生真正理 解和掌握理论知识和应用能力。但由于诸多因素的限制，实验课程的教学效果 往往不理想。以微机接口实验为例，传统的实验方式是在微机接口实验室中进 行的，这种实验方式有着很多不足的地方： ( 1 ) 时间的限制。学生只能在规定的时间内完成实验任务，使学生难以利 用课余时间进行实验。 ( 2 ) 设备的损耗。由于实验设备的老化和损坏，使得学生耗费大量的时间 在对设备的检查上，不能专注于在实验的设计方面。 ( 3 ) 实验效果差。微机接口实验需要若干导线，学生在进行接口连接时， 容易造成导线接触不良，导致实验成功率低，尽管投入大量时间做实验，但却 收效甚微。 ( 4 ) 芯片更新慢。计算机芯片技术发展快速，但由于实验条件有限，不能 及时提供最新的芯片，导致实验教学跟不上技术的发展。， 由于传统实验方式存在这些缺陷，使得学生在做实验时难以突破时间和硬 件设施上的种种限制。随着网络技术、多媒体技术的发展，引发教学模式的深 刻变革，产生出一种全新的教学模式，这就是虚拟实验室。 虚拟实验室的概念是由美国弗吉尼亚大学的威廉沃尔夫教授于1 9 8 9 年首 先提出的【2 1 。他提出了一个基于网络的虚拟实验室系统，致力于给用户提供一 个网络化的实验教学、技术交流、共同研究、协同工作的实验平台。在这个平 台下，用户可以有效地利用世界上分布的各种数据、信息、仪器设备及人力资 源来进行相关的实验。因此，能轻而易举地超越时间和空间的阻碍，使实验教 学达到最大限度的延伸【3 】，并且解决了长期困扰实验教学的缺陷问题，使得实 验中的教学与实践模式相适应，为现代实验教学的不断发展奠定了重要的基础。 它对于高校实验教学改革具有重要的应用价值，与传统的实验模式相比，虚拟 实验室的优越性表现为：优越的实验条件；资源共享性高；实验成本低；用户 自主性好等方面。 虚拟实验室具有的开放性、透明性、资源共享性、交互性、用户自主性、 扩展性以及安全性等特点，是传统实验室无法比拟的【4 1 。因此，使用计算机技 术研究虚拟实验室的应用是近几年国内教学的研究热点。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外研究状况及发展趋势 在国外，很早就开始了虚拟实验室的研究，发展历程可分为发下几个阶段： l 、计算机辅助实验：利用计算机技术，对实验过程的进行优化和对实验数 据的进行分析。 2 、计算机仿真实验：对实现实验仪器或设备进行软件仿真，虚拟化一个类 似的实验环境。 3 、远程遥控：利用远程遥控可以控制远程实验仪器或设备进行实验。 4 、分布式虚拟仪器系统：指用网格管理分布在各地的贵重仪器，提供远程 访问这些仪器设备的服务，依此来提高仪器的利用率和方便用户的使用【5 j 。 美国政府早在2 0 世纪9 0 年代初就开展了虚拟实验室的研究，并且取得了 一些实质性的进展。例如，在分子生物学、天体物理学和海洋学三大领域中各 自建造了虚拟实验室。另外，其他国家对虚拟实验室的研究也取得了一些阶段 性成果，如德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室，西班牙大学电子系研 发了电子仪器虚拟工作平台，新加坡国立大学开发了远程示波器的压力容器实 验等【6 1 6 。比较具有代表性的有如下几个：f u t u r e l a b 虚拟实验室【7 1 、虚拟网络实 验室v i n t t 引、美国m i n o i s 大学的n m r s c o p e 系统【9 1 、麻省理工大学的w e b l a b t l o l 等。 在国内，虚拟实验室的应用研究也取得了一定的进展，部分高校已初步建 立立了自己的虚拟实验室。较有影响的有：清华大学开发了汽车发动机检测系 统；n l 与华中科技大学电子科学与工程系合作建立了虚拟仪器实验室；四川联 合大学研制了“航空电台二线综合测试仪”；复旦大学、上海交通大学等都成功 的开设了虚拟仪器的相关课程并开发了一系列的虚拟仪器用于教学和科研。 虚拟实验室未来将朝着网络化、虚拟现实和智能化的方向发展，目前众多 学者已经做了大量的研究，积累了很多成功的经验。但是，通过分析国内外的 研究成果，虚拟实验室的构建大都是针对大型仪器或系统的共享来设计的，而 对某一具体学科的常规实验有很少的研究设计。针对不同学科课程的不同特点， 需要对具体实验的内部结构和运行机理进行研究设计和开发。 微机接口技术实验的特点是：实验过程中涉及的器件种类繁多、实验原理 复杂、实验方案灵活多变等特点。 目前，虽然虚拟实验室的研究取得了不少成果，但是还存在以下问题： l 、单一性。实验者只能进行定制的或半定制的实验内容且实验方案单一。 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 、依赖性。实验系统只能模拟出实验结果，但对结果数据的结论性分析只 能依赖第三方仿真软件，损害了虚拟实验系统的完整性。 3 、局限性。目前的虚拟实验系统还只能局限于某一学科的某一方面进行仿 真实验，实验者并不能自由的选择实验方案，对于各种各样的用户要求，还没 有统一的，规范化的和标准化的实验开发平台来解决这一问题。 1 4 课题的研究内容 本课题的研究内容是构建“基于v c 的微机接口虚拟实验仿真系统”，主要 研究虚拟仪器模型的构建、仿真实验的运行控制以及用户操作系统与虚拟器件 的交互机制，并在这些研究的基础上建立微机接口虚拟实验模型。可分为如下 内容： ( 1 ) 重点研究微机接口虚拟实验系统涉及的关键技术仿真模型的建 立，用面向对象仿真的方法分析虚拟实验系统的框架结构，构建器件模型、连 线模型以及虚拟实验模型； ( 2 ) 研究虚拟实验系统中常用接口芯片的特点、内部逻辑特征及引脚类型， 在程序中虚拟出器件，建立可扩充的器件库； ( 3 ) 研究虚拟实验的保存及恢复，虚拟连线的存储方式、正确性判断，接 口芯片的运行原理及结果的显示方法； ( 4 ) 研究虚拟实验中各接口芯片引脚之间的连线算法和信号传递机制； 1 5 论文结构安排 论文分为7 章，各章内容安排如下： 第l 章绪论。简要介绍课题的研究意义及研究背景，介绍了国内外的研究 发展的状况及发展趋势，论述了虚拟实验对高校实验教学的促进作用，对课题 的研究内容进行了概述。 第2 章微机接口虚拟实验系统的总体设计。简单描述了虚拟实验室的功能 特点及分类，介绍了虚拟实验系统的设计目标、组织架构、各组成部分的功能 描述和系统实现所需的技术。 第3 章虚拟实验系统的面向对象仿真建模。首先，对面向对象仿真技术作 了概述，并简单论述了面向对象仿真建模的方法和一般过程。然后，分析了虚 4 武汉理工大学硕士学位论文 拟实验系统框架，重点对虚拟器件、虚拟连线及虚拟实验的建模进行了详细论 述。 第4 章虚拟实验仿真系统的分析与设计。使用u m l 的面向对象建模方法 对实验系统进行分析设计，从用例模型、静态结构模型和动态行为模型三个方 面详细介绍了系统中各类的关系和具体实现过程。 第5 章虚拟实验仿真系统的实现。简单介绍了系统中各类的实现和操作界 面的实现方法，对实验系统中虚拟器件操作功能的实现做了介绍。 第6 章仿真实验的运行控制技术。分析了器件间的连线算法，提出了本系 统的连线算法；分析了虚拟实验运行过程中信号的传递机制，提出了本系统的 信号传递算法。 第7 章总结与展望。对本文研究的内容和主要工作进行总结，并提出了进 一步的研究工作。 1 6 本章小结 本章给出了虚拟实验室的概念以及研究虚拟实验系统的意义。文中就目前 国内外虚拟实验的研究进行了分析，概述了国内外虚拟实验的研究现状，分析 了本课题的研究背景，给出了课题的研究方向与内容，介绍了本论文的结构安 排。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章虚拟实验仿真系统总体设计 本章首先介绍了虚拟实验室，然后分析了微机接口虚拟实验仿真系统的总 体设计目标，并对系统的功能进行了模块划分，最后介绍了系统的功能需求和 实现技术。 2 1 虚拟实验室概述 虚拟实验室是指利用计算机，通过使用虚拟现实技术、多媒体技术等仿真 技术实现的虚拟的开放的实验系统，实验者可以使用这种实验系统中完成在真 实环境中的实验项目，学习或训练效果达到真实环境中所取得的效果甚至优于 后者。因此，建设高性价比的虚拟实验室系统，已日渐成为高校实验教学的一 种必然趋势 1 l - 1 3 1 。 2 1 1 虚拟实验室的分类 虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ，v l ) 最早由美国u n i v e r s i t yo f v i r g i n i a 的 w i l l i a mw o l f 教授在1 9 8 9 年提出的。虚拟实验室是向用户提供一个通过软件技 术实现的虚拟的实验环境。用户在虚拟实验系统环境中进行实验操作，不受时 间和空间的限制，突破了传统实验教学的局限性和被动性【1 4 1 。 按照虚拟实验室的实现技术，虚拟实验室可以分为三类【l 副： ( 1 ) 基于虚拟原型技术的虚拟实验室 虚拟原型( v m u a lp r o t o t y p e ，v p ) 是利用v r 在其可视化方面的强大优势 以及可交互探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能、制造等方面的交互 的建模与分析【1 6 1 。基于虚拟原型的实验系统，由虚拟器件和虚拟实验操作平台 构成。通过虚拟器件模型来模拟真实的实验设备，体现了“软件即器件”的虚拟 实验系统设计思想，这种方式可以解决传统的基于物理原型方法无法解决的问 题。基于原型技术的虚拟实验系统基本代表了虚拟实验室的发展方向。 ( 2 ) 基于知识的虚拟实验室 基于知识的虚拟实验室是通过引入知识推理机制，提供一个能够让学生进 6 验操作和课程知识，激发学生的学习兴趣。人工智能是这类虚拟实验室所具备 的基本特征之一。 ( 3 ) 基于虚拟仪器的虚拟实验室 虚拟仪器c c m u r ai n s t r u m e n t ，v t ) 就是在现有计算机的基础上，配以专门设 计的软硬件来实现普通仪器的全部功能，以及一些在普通仪器上无法实现的功 能，取代传统的单机测量仪器，对各种各样的数据进行计算机处理、显示和存 储【1 7 , 1 8 】。 2 1 2 虚拟实验室的功能 虚拟实验室主要具有下述主要功能【1 9 】： ( 1 ) 教育功能。虚拟实验室环境是一种教学模式，它超越了现实的实验教 学过程、掌握过程和实践过程的认知规律【2 0 1 。虚拟实验作为课程实验环节的补 充，有利于提高课程实验教学。 ( 2 ) 辅助设计功能。例如现代电子系统的分析与设计，在分布式网络环境 下运用e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) ，在e d a 平台上进行分析、设计、 综合、仿真，然后在实际环境中进行验证测试。这种方式可以减少对实验设备 的损耗，并且获得较好的效果。 ( 3 ) 协同实验功能。虚拟实验室利用网络技术，使不同地点的实验人员可 以相互合作，共同完成实验操作。分布式的虚拟实验环境最大限度的提高了虚 拟实验室的利用率，也为超大规模的分布式实验方案提供了可能。 2 1 3 虚拟实验室的特点 不同于传统实验室，虚拟实验室有如下几方面的特点【2 1 】： ( 1 ) 开放性 虚拟实验室的开放性表现为：资源的开放，所有用户都可以使用实验的资 源，不受设备数量、质量的影响；平台的开放，用户可根据自己的实验要求来 构建所需要的实验环境、配置实验仪器设备等。 ( 2 ) 交互性 ， 通过计算机、多媒体、网络等新技术的有机结合，特别是多媒体技术，可 7 武汉理工大学硕士学位论文 以使虚拟实验具有图文并茂、灵活多变的人机交互方式，交互性是虚拟实验室 的最显著的特点瞄】。 ( 3 ) 自主性 用户可以不必受传统实验作息时间和实验条件的限制，利用虚拟实验室的 丰富资源，可自主设计实验方案和实验步骤等。 ( 4 ) 共享性 虚拟实验室的共享性表现为：教学资源的共享，主要是指用于实验教学的 各种多媒体资源( 包括图片、文本、视频等) 、教学课件、实验报告等；虚拟器 件对象的共享，主要是指虚拟仪器对象、虚拟设备对象等。 2 2 系统的总体设计方案 微机接口虚拟实验仿真系统由虚拟器件、虚拟连线、虚拟实验平台、虚拟 实验仿真运行等部分构成。本章节提出了微机接口虚拟实验仿真系统的总体设 计方案，介绍了系统需要实现的功能。 2 2 1 系统的总体概述 本系统是设计实现一个微机接口实验的虚拟实验仿真系统，该系统主要完 成微机接口技术课程的相关实验，具有可视化、全交互、仿真程度高、操作简 单等特点。 微机接口技术课程的目的是让学生理解i o 接口逻辑设计的基本原理；控 制一些简单外设如l e d 数码管、电机等；实现简单的接口芯片逻辑功能。 因此，系统不但要构建虚拟实验环境，还需要构建接口实验所需的虚拟器 件如c p u 、接口芯片及外围电路等，并对他们进行仿真建模。此外，系统还应 该具有的功能有：实验电路的打开和保存；实验过程和实验原理的查询；虚拟 器件的查询和修改等。学生是虚拟实验系统的最终用户，为保证学生顺利完成 实验，系统需提供一系列的操作，包括：选择器件、器件连线、连线查错、仿 真运行和结果显示等。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 系统工作流程分析 一个现实的接口实验流程如下：启动集成实验环境，在计算机上编写程 序，通过词法、语法检查，编译成机器语言；连接集成开发试验箱，连接连 线；观察实验板上的现象，对比试验结果；如果与预期结果现象一致，则 试验成功，实验结束，写实验报告；如果结果与预期结果现象不符，则修改 程序，检查连线，最后完成实验。 虚拟实验系统的工作流程如图2 1 所示。 图2 - i 虚拟实验系统的工作流程 用户进入虚拟实验系统后，选择所需要的器件和外设，进行器件间的连线； 连线结束后，对线路进行正确性检查；如果线路有错误，则修改器件及连线； 如果线路没有错误，则设置总线的输入信号，进行仿真运行，最后得到实验结 果，完成实验操作。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 虚拟实验仿真系统架构 虚拟器件库和虚拟实验操作平台共同构成了虚拟实验仿真系统。其中，虚 拟器件库提供虚拟实验所需的总线、器件及外设；虚拟实验操作平台提供电路 编辑和仿真运行等功能。虚拟实验仿真系统框架如图2 2 所示。 2 4 系统功能划分 图2 2 虚拟实验仿真系统框架图 根据虚拟实验的工作流程和系统功能框架，可得到虚拟实验仿真系统应包 含如下一些功能，如图2 - 3 所示。 鋈l l 蓁ll 茎l | 萋ii 蓁l l 蓁ll 垂ll 蓁ii蓁l i蓁ll萋 图2 3 仿真系统功能模型划分结构图 l o 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 实验电路设计模块 电路设计模块提供了电路设计功能，包括电路编辑、连线检查和实验电路 的存取。根据实验的需要，用户可选择需要的器件，然后在器件引脚间进行连 线，连线完成后，可以对连线进行查错，确定连线无误后开始电路的仿真运行， 实验结束后保存实验电路。 ( 2 ) 实验显示设置模块 设置连线、器件和实验编辑区的显示模式，包括连线的粗细、颜色，器件 的大小等。 ( 3 ) 仿真运行模块 当用户启动仿真运行命令后，系统仿真器就根据实验电路图和总线输入信 号，控制信号在器件中的传递，并在虚拟外设中显示结果，最终完成实验。 ( 4 ) 实验信号输入模块 实验所需的信号是由汇编程序编译成机器代码的，本系统为简化操作，由 用户自行设置总线输入信号。用户通过总线信号输入面板设置好输入信号后， 这些信号就成为仿真运行时的初始化信号。 ( 5 ) 器件库管理和实验助手模块 用户编辑电路时，可在器件库中进行相关信息的查询，在实验之前可先在 实验助手模块中查询实验过程和实验原理。 2 5 系统实现所需技术 目前，软件编程语言多种多样，而且开发环境和开发平台有较大差异，系 统的开发平台和开发环境都有多种选择，这样可以灵活性的选择适合的平台环 境来实现系统，并且有利于系统的升级和维护。根据实现系统的体系架构，可 以分为基于c s 和b s 的体系架构。通过分析微机接口虚拟实验仿真系统的体 系架构，系统可以同时基于c s 和b s 体系结构来开发实现，这两种体系结构 各有优势。但是，c s 结构安全性好，可以在客户端实现良好的交互操作，并 且客户端可以独立进行计算，可以减轻服务器的计算压力。因此，本系统的实 现基于c s 结构。 在系统实现上，考虑到系统的规模较小，操作性较强，所以我们使用 m i c r o s o f t 的产品作为开发平台a 具体实现环境如下： 系统环境：w i n d o w sx p ： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章面向对象仿真建模 面向对象仿真( o b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o n ) 是当前仿真技术领域中最流行 的研究方法之一，它是研究现实世界更为自然的一种系统建模方式。面向对象 仿真技术不同于传统的仿真技术，它是通过分析组成系统的对象及对象间的关 系作用来构建系统的传真模型的，并且实际系统中的实体可以用仿真模型的对 象来表示，从而减小了与实际系统的差距，使仿真建模的思想方法统一于人们 认识客观世界的思维方式【2 3 】。本章主要讨论了面向对象仿真技术在虚拟实验系 统的应用，着重分析了器件模型、连线模型和实验模型的建立方法。 3 1 面向对象仿真概述 3 1 1 面向对象技术 面向对象( o b j e c to r i e n t e d ) 技术是软件工程领域中的重要技术，这种技术 思想比较自然地模拟了人类认识客观世界的方式，已成为当前计算机软件工程 学中的最流行的软件开发方法。面向对象技术不仅仅是一种程序设计方法，更 重要的是一种对真实世界的抽象思维方式。 面向对象技术的基本思想是以现实世界中客观存在的事物为基础，尽可能 地运用人类的自然思维方式来构造软件模型。这种技术是基于人类在日常的逻 辑思维中常采用的思维方式与原则，例如封装、抽象、继承、分类、聚合等， 使设计开发者能以现实世界中的事物为中心来思考和分析问题，并用人们易于 理解的方式表达出来。 应用面向对象技术开发系统时一般分为两个阶段：面向对象分析( o o a ) 和面向对象设计( o o d ) 。面向对象分析的目的是对客观世界的系统进行需求 建模。面向对象分析要求把问题空间分解成一些类或对象，找出这些对象的特 点( h p 属性和服务) ，以及对象间的关系( 一般与特殊，整体与部分) ，并由此产生 一个规格说明。面向对象分析由五个主要步骤：确定对象，识别结构，识别主 题，定义属性和定义方法【2 4 j 。 面向对象设计是把分析阶段得到的需求模型转化为抽象的系统实现方案的 过程。从分析到设计，是一个累进的模型扩充过程【2 5 】。面向对象分析的目的是 武汉理工大学硕士学位论文 认知客观世界的系统并对系统进行建模。那么就需要在面向对象分析过程中， 根据客观世界的具体实例来构造问题域中准确、具体、严密的分析模型。 在软件开发和设计中，对一个系统的认识是一个逐步完善渐进的过程，是 在积累多各种需要的基础了，多次迭代形成的。在这种逐步深化的过程中，包 括从一般到特殊的演绎过程，还有从特殊到一般的归纳过程。传统的用于分析、 设计和实现一个系统的过程和方法大多都是瀑布型的，即后一步的工作依赖于 前一步工作的完成。因此，越接近系统设计的后期，对系统设计前期结果做修 改就会越困难。同时，也只有在系统设计的后期才会发现前期工作所形成的一 些差错。当系统越大，问题越复杂时，这种对系统的认识过程和对系统设计或 实现过程不一致所引起的困扰就会越大。 为了解决这个问题，就应该使分析、设计和实现一个系统的方法尽可能统 一，使描述问题和解决问题的空间尽可能统一，使分析、设计和实现系统的方 法学原理与认识客观世界的过程尽可能统一。这就是面向对象方法的出发点和 所追求韵基本原则。 3 1 2 仿真技术 系统仿真是建立在多个学科理论基础之上的，如控制理论、相似理论、信 息处理技术和计算机技术等，是通过计算机对现实实验系统进行仿真建模，并 综合专家经验知识、统计数据和信息资料对仿真结果进行研究分析，以此做出 评价和决策的- - n 综合性的实验性的学科【z6 。 仿真技术在复杂工程系统的分析和设计的研究中已成为不可缺少的工具。 系统仿真技术的主要作用