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1、华中科技大学硕士学位论文基于Web的在线虚拟实验室的研究姓名：白洁婷申请学位级别：硕士专业：软件工程指导教师：江建军20090525华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 实验教学在高校工科教育中有着相当重要的地位，但是长期以来传统的实验设备和实验教学方法却相对滞后，开放程度低，这在很大程度上制约了实验教学质量的提高和人才的培养。教育有限的投入无法满足实验设备的昂贵、更新速度快、场地限制的要求，因此，构建基于虚拟仪器技术和 Web 技术的实验教学平台备受关注。本文在综述国内外在线虚拟实验室的发展现状以及相关的实现技术，提出了
2、基于网络在线虚拟实验室的一个设计方案。着重解决目前在线实验存在的资源共享问题，实现共享仪器设备、数据资源和计算机资源。 在线虚拟实验室基于 B/S 模式，建立三层体系结构，分别为数据采集层、服务器层和用户层。系统采用了虚拟仪器控制技术、网络技术和组件开发技术，研究了DataSocket 技术实现远程测量和控制的方法。通过这个系统，实践了 Web 相关技术在实验平台中的应用，实现了网络通信和开放式交互实验环境的建立。 通过制定可视化的实验流程、动态的引入、创建设备实验对象，研究了一个在线虚拟实验室系统的具体实现。在此系统中，采样了减少网络流量的 AJAX 技术，实现实时的异步更新， 大大减轻了服
3、务器的负担。 在排队理论的基础上， 采用了消息队列，避免了对硬件以及虚拟仪器的共享冲突问题。 结合信号采样与恢复实验实例，对整个系统进行了测试与评估，获得系统中的实验结果。在层次化和模块化的设计思想下，描述了系统数据控制层和用户层的功能，对各个模块分别进行了详细的阐述。表明了该系统的实现不仅在功能上是有效的，且整个系统具有良好的通用性和可扩展性。 关键词：在线虚拟实验 DataSocket 通信技术 B/S 结构 Web 技术 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract Experimental teaching has
4、 been playing an important role in the engineering course in the higher education, but the out-date experimental teaching equipments and teaching method have been run a long time, thus, the quality of the experimental teaching has largely been obstructed. It is a truth that the limited investing to
5、the education cannot meet the ends of the expensive equipments, fast refresh rate of the equipments and the limiting of the room for the experiments, the building of the Virtual Instruments(VI) has been received much concern. This thesis is to propose a design proposal of an online virtual laborator
6、y based on the Web application through summarizing of the development of the VI laboratory and the related techniques home and abroad. We put emphasis on the problem of the resource sharing in the current online laboratory so that the researchers or the students can share the equipment and the compu
7、ter resources. Based on the B/S structure, three-layer architecture has been built. There are Data Acquisition Layer, Server Layer and User Layer. By using the VI controlling techniques, Internet techniques and Component techniques, the DataSocket technology which is to implement the remote measurem
8、ent and control methods has been studied. In this system, Web techniques are applied in the experimental platform, and network communication and the open and interactive experimental environment are implemented. Through formulating the visual experimental procedure, dynamically introducing and creat
9、ing the subjects to devices, the implementing of the system of online VI laboratory has been researched. The AJAX technique which is arm to reduce network traffics on the server and achieve asynchronous real-time updates has been researched. Base on the Queuing theory, the research adopts Message Qu
10、eue in order to avoid the sharing problem from the hardware and Virtual Instruments. Finally, the signal sampling and recovering experiment as a test case on the system is carried on to evaluate the system performance and acquire the experimental data. Under the thinking of modularization and layeri
11、ng, the functions of every layer of the system and every module of the system have been described in details. As a result， it is proved that the system is to be effective, also it can be in common use and can be extended. Keywords：Online Virtual Experiment, DataSocket communication technique, B/S st
12、ructure, Web 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行
13、检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题背景及目的课题背景及目的 实验是对各种科学理论进行验证和探索的必要手段，同时作为高校理工科教育的一个重要组成部分，理所当然的应该得到重视。然而传统实验由于实验设备陈旧，教学方式单调，很难达到原有的实验目的。在学生众多，教学资源紧缺的院校，教学
14、实验更是受到严重影响。利用网络技术和虚拟仪器技术来进行远程实验教学，为我们解决传统实验教学问题提供了一个思路，使用网络进行现代化的远程实验教育1，可以充分的共享实验资源，提高了设备利用率。 网络技术推动了当今的信息产业及相关产业的迅速发展，实现资源的全面共享和有机协作，它是整个社会发展的一种核心技术，它的出现和发展极大的改变了整个社会的工作和生活方式。利用现代网络技术进行虚拟实验室的研究，国际上始于 20 世纪 90 年代，是近几年来国内外研究的一个热点2。建设一个好的在线实验平台，可以提升实验教学水平和学生的实践能力，对于突破传统实验固有教学模式，推进实验教学模式创新有很大的帮助。随着近几年
15、网络技术的飞速发展，通信技术和信息处理技术已经开始逐步成熟， 各高校都建设了高速的校园主干网， 网络的带宽在不断增加，给远程实验营造了一个良好的外部环境。与此同时，虚拟仪器的思想和技术也开始在国内得到了逐步推广，这使得开发在线虚拟实验室3有了强大的基础工具支持，加快了在线虚拟实验室的开发速度。 在进行在线虚拟实验室开发时，由于各种实验的开发环境不同，开发工具各异，同时缺乏网络标准规范，形成目前各种在线实验相互独立的局面：各实验的资源必须单独开发，相关的各种科研设备也只能在某一平台使用，平台之间几乎不能进行实验资源和科研设备的共享利用，造成了资源的闲置和浪费。而且大部分的在线实验由于缺乏对广域网
16、的适应性而只能在局域网中使用，大大影响了资源共享的范围。这种局面与利用现代网络技术充分利用现有教育资源的初衷相差一定的距离，不利于教育改华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 革创新力度。 因此，对在线虚拟实验室的研究和改造，主要是为了解决工科实验教学中远程仪器控制及数据采集问题，为高等工科院校实现实验教学在 Internet 上的远程化提供一套完整的解决方案。在线虚拟实验室是基于远程控制技术，在网络环境下协同工作实现对仪器的控制和数据资源的共享。它是基于飞速发展的 Internet 网络，利用计算机自动控制技术、网络通信技术、仿真技术、网络数据库技术以及 Web 技术等组成的在线虚拟实验系统，在这个系统上完成整个实验，包括实验参数配置、数据采集以及实验结果的分析与处理。 1.2 在线虚拟实验室综述在线虚拟实验室综述 1.2.1 虚拟仪器技术虚拟仪器技术
