摘要：针对电子技术发展与建设的瓶颈，提出了一种虚拟实验系统客户端，并对该系统所涉及的功能及任务进行分析，提出了开发界面设计、电子元器件数据库生成、电子线路设计实验工具箱、电路原理图数据化生成过程及网络表文件分析、电路原理图再优化调整过程。
关键词：虚拟实验室；客户端设计；生成电原理图；数学模型
引言
电子技术实验室是闽南理工学院示范性实验教学基地，也是电子信息工程、电气自动化等专业重点建设的实验室之一，在目前以信息化教学为主导的引领下，从实验教学的实用性、便捷性和经济性考虑，构建基于VisualC#.NET开发设计的虚拟电子技术实验教学客户端平台，是目前我院实验教学电子化、信息化管理建设的一个重要任务与发展方向。电子技术虚拟仿真客户端实现了信息电子化管理，不仅让我院实验教学管理更加效率化和便捷化，让学生脱离了过去繁冗的纸张式、人力式操作，同时，该客户端的实现减少了实验教学人员的编制数量以及实验相关的工作量。因此，构建完善的电子技术虚拟仿真客户端势在必行。学生个人信息、实验数据、实验报告、实验考核成绩查询等，都应该在网上得到很好的支持。实验数据是电子技术虚拟仿真客户端应包含的一项重要数据资源，其包含的数据量大，数据出误时需要及时更新，管理上较为复杂。因此，单纯地依靠人工来管理是难以实现的。该客户端平台以电工电子实验硬件资源为基础，实现网络虚拟实验、实验数据管理与处理等需要而设计，在很大程度上减轻实验教学人员的的工作负担，实现了电工电子类实验教学的网络化、高效化、规范化，减少了人为的误操作而损坏实验硬件设备。
1客户端系统的设计
针对电子技术虚拟仿真客户端系统项目需求的角度进行分析，确定了系统中各个子系统的主要功能及任务。研究了客户端界面的设计原则，提出了基于VisualC#.net的客户端设计方法及数据库的设计原则。
1.1客户端系统需求分析
功能结构如图1所示。客户端的主要任务不是确定整个系统怎样完成工作，而是确定这五个子系统必须完成哪些工作，可以说是对系统客户端实现的功能提出完整、清晰、具体、准确的要求。需求分析过程要求客户端要完成的具体任务如下：首先明确对客户端的综合要求，主要包括性能要求、功能要求、运行要求及其它要求。性能要求包括数据准备度、响应时间、和适应性能要求；功能要求主要描述了整个系统要完成的全部功能；运行要求是对系统运行过程中硬件环境、软件、接口的要求；其它要求主要包括安全性、可靠性、保密性、可维护等方面的要求，以及今后可能涉及到改进升级问题做出分析。系统数据要求分析，通过对系统的信息流向归纳抽象出系统的数据逻辑关系，并对系统的动态数据、静态数据、数据库类型、名称以及数据采集方式进行详细描述。导出目标系统的详细逻辑模型，根据上面两项分析得出客户端系统的详细逻辑模型，并用数据流图、IPO图、数据字典来表示。
1.2系统设计流程
系统客户端共包含5个子系统：身份认证子系统、通信子系统、工具箱子系统、电子元件数据库子系统、电原理图自动生成与调整子系统。用户只要通过校园网使自己的计算机联入Internet，就可以通过客户端访问虚拟实验系统。客户端是用户直接打交道对象，多个客户端可以同时登录到系统服务器，同时完成不同的实验。系统服务器和所有的实验客户端都处于校园网的高速局域网中，用户在正常情况下通过客户端登录到服务器上，即可随时进行实验，如果客户端需要进行维护、修改时，可以随时从服务器上注销。交互设计，任何产品的功能体现都是通过人与机器的交互能力来判断的，如果这种交互更为简单，也就是说开发的产品更方便用户使用，这是交互设计的最终目标。因此，交互设计的核心要重点体现出人的因素，并按照以下原理来设计：①有错误提示信息时，方便用户纠正；②用户控制界面简单化。给出用户多种操作选择的提示信息；③允许兼用键盘和鼠标；④允许用户在操作过程中，可能因为某种原因需求中止当前操作去执行其它任务；⑤快速反应信息。用户在操作过程中，往往会出现操作不当靠成心理上的焦虑而陷入误区，系统快速反应信息可以必免这种情况发生；⑥使用的语言是面向用户的高级语言，方面阅读；⑦方便退出。视觉设计是在结构设计的基础上，根据用户的心理特征进行包括页面、字体、色彩等方面的设计。视觉设计的目标是让用户操作过程心情舒畅，其设计原则如下：①用户可根据自己需求改变界面色彩、风格；②色彩协调搭配。界面色彩反差不应过大，必免造成界面花花绿绿，尽量少用红色和绿色；③使用真实的图形符号；④具有视觉索引。用户根据不同的图形符号能够快速判断其代表的内容，达到用图形来刺激视觉的效果；⑤条理清晰、布局合理。总之，客户端界面设计的目标是为了满足用户的需求，整个设计过程都是围绕用户的考虑的，此外还应充分考虑整体的布局，界面各元素的位置、图标与色彩搭配的问题，以达到美化的效果，提高界面的可阅读性并具有吸引力。
2建立数学模型
实验电路原理图自动生成的过程，本质上就是对实物电路图到电路原理图的转换过程。要完成这一转换过程，需要对实物电路进行建模，对电路的各个组成单元进行抽象、分析、统合、识别的过程。电子元器件的建模是在面包板建模的基础上进行的数学分析，它与元件的端口数、元件的插入位置有关。下面是以二端元件电阻为例进行建模的过程（其它元件与二端元件建模相似）。在面包板上确定二端元件的两个插孔E2、F2，然后从插孔引出两上引线并在这两根引线上替换成电阻的符号图，如图3所示。对应的电阻元件信息表，如表1所示。频率计等，一般在使用过程中都是利用仪器的两个探头与被测电路的两点相连，读取被测两点的数据。测量仪器的建模过程可以参考二端元件的建模方法，其过程基本类似。
3系统功能实现
虚拟电工电子实验系统设计的最大亮点就是为用户提供了电原理图自动生成的功能。用户通过面包板搭建实物电路后，只要点击系统客户端菜单下的“视图”-“原理图”选项，就能够在窗口中查看自动生成的电原理图。但是，由于这一过程是通过数学建模、解析、映射生成的，得到的电原理图并不一定是用户所需的最佳原理图，因此系统还为用户提供手动优化的方法，以提高转换效率。电原理图自动生成的基本原理：矩阵M中的各个元素与面包板上的所有插孔实现了一一对应关系，矩阵中的信息也代表了实物电路的相关信息，用户可以根据实物电路的互连信息网表修改矩阵T值，映射成最优化的电原理图。在修改矩阵M值相关元素时，还要考虑面包板本身插孔的互连信息。相通的插孔数值也应相同（同1或同0），也就是说Ai=Bi=Ci=Di=Ei、Fi=Gi=Hi=Ii=Ji，并体现在矩阵中。
4效益分析及应用前景
随着闽南理工学院的发展状大，学生规模和实验室场所之间的矛盾越来越明显，学院在设备资金的投入也受到了一定限制。因此，电子技术虚拟仿真客户端系统的实现将解决这一主要矛盾，学生只要在网络上登入这一系统便可以完成相应的实验。当前我院还处于传统的实验教学模式，设备老化、实验场所限制、实验教学人员编制、实验室管理、实验工作量等问题都不能找出较好的解决方法。对这一问题，最好的解决办法就是借助计算机网络技术和数据库管理系统，对实验进行网络虚拟仿真，并对数据实行电子化管理。本课题的目的就是开发“电子技术虚拟仿真客户端系统”，通过这一系统为学生提供网络实验平台，实现实验数据信息管理的电子化，提供一个电子化的信息管理平台。
参考文献：
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作者：陈永健 单位：闽南理工学院
