虛擬電子實驗臺的設(shè)計規(guī)則與算法

秦宏，王皓，曲延華，張玉梅

(1.沈陽工程學(xué)院自動化學(xué)院，遼寧沈陽110136;2.遼寧移動通信公司網(wǎng)絡(luò)管理中心，遼寧沈陽110179)

1 虛擬實驗臺基本功能

實驗臺是虛擬電子實驗室的核心部件，所有的電子器件、儀器儀表、電源等構(gòu)件都放在實驗臺上，通過導(dǎo)線連接形成實驗電路，因此實驗臺必須具備以下基本功能:

1)為用戶提供可選擇的常用器件，并在實驗臺上安放、承載、移動.

2)能夠重復(fù)調(diào)用同一個器件，實現(xiàn)控件的動態(tài)加載.例如，電路中的多個電阻不可能都具有為自己單獨編寫的“方法”，而是按類劃分，將所有新增加的電阻控件都放在電阻集合類中.

3)各實驗器件、儀器儀表、電源等控件間的連接功能，即布線、刪除、移動等.

4)實驗器件與實驗電路的合法性檢查.

5)控件的刪除.

6)電路圖的保存、讀取.

7)器件節(jié)點號的自動賦值、排序與計算，建立客戶端表面圖形化的電路與服務(wù)器端實際電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的映射關(guān)系.

2 虛擬實驗臺的主要算法與規(guī)則

2.1 常用器件選擇、承載與動態(tài)添加功能

虛擬實驗室的部件設(shè)計成ActiveX控件，因為基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬電子實驗室承載的平臺是B/S結(jié)構(gòu)，利用ActiveX強大的可移植性，ActiveX能被B/S和C/S結(jié)構(gòu)的軟件隨意調(diào)用，因此能夠嵌入到IE瀏覽器中.

首先，采用Active Bar 2.0控件作為器件的選擇菜單，將所有的器件集成到菜單中，用Picture控件作為擺放平臺.實驗臺的程序開發(fā)要具有選擇電子器件并添加到實驗臺、動態(tài)加載重復(fù)添加的器件等功能.

例如，用戶點擊電阻后再添加另外一個電阻時，系統(tǒng)不僅要自動命名不同的名稱，還要對不同的電阻能夠執(zhí)行同樣的“方法”.考慮通過“類”的方法實現(xiàn)重復(fù)調(diào)用，將所有新增加的控件都放在同一個集合類中.

下面程序表示動態(tài)加載1個示波器SSS.sbq，并將它加到集合類CtrlItems中去，完成1個控件的動態(tài)加載，方法如下:

ControlItem為集合中的單個元素，是程序編寫的另一個類，此類中定義了針對集合里的不同控件進行響應(yīng)的事件.例如，當(dāng)用戶添加自定義的電阻控件的1個端子，會通過CLICK中的raise event方法調(diào)用類模塊ControlItem中的方法.

2.2 器件之間的連接

以畫圖(線)的方式實現(xiàn)電子器件之間的連接.電子器件之間的連線不是簡單的圖形，每條線都是一個自定義line控件，line控件要有記錄線兩端的端口信息的功能，這樣才能使服務(wù)器端知道控件間的連接關(guān)系.增加連線，將器件端口連接起來需要完成的工作有:

1)修改連線兩端點的端口信息，通知對方端口某控件的某端口與之發(fā)生了連接.

2)對允許空閑的端口，將其狀態(tài)設(shè)置為“已連接”.同時，設(shè)置實驗臺上的端口以紅色顯示，標(biāo)注其允許空閑，例如，示波器的未用通道.

3)重新計算端口的節(jié)點號.節(jié)點號的賦值與計算要滿足多項規(guī)則，最主要的是一定要保證同一條線兩端的節(jié)點號一致以及不相連的節(jié)點的號值必須不同.

4)線的刪除.線的刪除將按照圖1所示流程進行.

圖1 線的刪除

2.3 控件的刪除

控件(器件)的刪除首先要保證沒有其他器件與其相連，也就是說，必須先刪除連接線才能刪除器件.刪除的同時，將該器件由集合中刪除以釋放資源.

2.4 實驗器件的合法性檢查

實驗臺ActiveX控件必須要對電路的合法性進行檢查，才能保證提交到服務(wù)器解析的電路數(shù)據(jù)無誤，否則利用服務(wù)器糾錯將會極大加重服務(wù)器的負(fù)荷.總之，一切在客戶端完成的檢查一定要在客戶端完成，提交到服務(wù)器上的數(shù)據(jù)一定是規(guī)范并且滿足解析輸入條件的.

合法項檢查一般包括:有參數(shù)的器件必須有賦值、器件端口無空閑狀態(tài)、器件節(jié)點號符合規(guī)定、有示波器和電源等必要設(shè)備以及其他條件.

2.5 電路的保存與讀取

用戶在實驗進行中可能會中途停止轉(zhuǎn)而進行其他操作，因此實驗臺需要具有對當(dāng)前搭接的電路圖進行保存的功能，當(dāng)再次進入實驗時，用戶可以重新讀取原來的進度.需要注意的是，電路的保存和讀取不僅要保存電路的圖形和配置數(shù)值，更重要的是電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、連接關(guān)系、節(jié)點關(guān)系等都要進行保存.重新開始實驗即重新從數(shù)據(jù)庫中讀取原來的進度時，實驗臺上現(xiàn)有的電路必須先清除然后才能加載新數(shù)據(jù)，否則將造成器件同名問題，因此實驗臺讀取進度的程序中要預(yù)先判斷當(dāng)前實驗臺上是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)需要預(yù)先清除.

2.6 器件節(jié)點號的賦值與計算

程序除了通過器件種類、配置數(shù)據(jù)獲得實際電路結(jié)構(gòu)以外，電路的連接關(guān)系是極其重要的，如果連接關(guān)系錯誤將得到截然相反的結(jié)論，解析程序是根據(jù)器件的節(jié)點號碼區(qū)分電路之間的連接關(guān)系的.如圖2所示，其中圖a中是人工配置的節(jié)點號碼，對應(yīng)的電路文件如圖b所示.

圖2 電路的節(jié)點號配置與生成的CIR電路文件

例如，CIR電路文件中的第二行“rb1 5 4 220k”說明在節(jié)點5、4之間有1個阻值為220 k的電阻，“c1 1 2 47uf”則代表節(jié)點1、2之間存在的元件是47μF的電容.

程序需要得知如何為電路分配節(jié)點號碼，不同的用戶做的電路完全迥異，取用元件的順序、連接導(dǎo)線的順序都各不相同，就算是對同一個實驗也不可能預(yù)先規(guī)劃一個完全一致的模版.因此，以顏色來類比節(jié)點號，采用了以下的節(jié)點號(顏色)配置方案.

1)同色原則

與同一節(jié)點(顏色)相連的所有連線兩端的節(jié)點號碼(顏色)均相同.

2)染色原則

2個或2個以上不同節(jié)點(顏色)互連時，所有節(jié)點都配置相同的節(jié)點號碼(顏色)，而不管原先的節(jié)點號碼(顏色)是什么，這稱為染色原理.至于2個節(jié)點相遇成為1個節(jié)點后，該節(jié)點最后會被統(tǒng)合成什么數(shù)字的節(jié)點號，為使程序簡便，遵循最小數(shù)字優(yōu)先的原則，即用小數(shù)字(淺顏色)覆蓋大數(shù)字(深顏色).

根據(jù)以上同色原則和染色原則，用戶在給實驗臺添加器件和連線時，每個器件的各個端口首先按照拿取順序被分配一個從小到大的、唯一不重復(fù)的ID號碼，在器件連接中根據(jù)連接關(guān)系，按照同色原則和染色原則不斷重新賦值器件端口的節(jié)點號碼.所有節(jié)點的拓?fù)淇捎枚鏄浔闅v的方法確定每個節(jié)點的最終號碼，或者說最終顏色.

如圖3所示，當(dāng)用戶將某綠色節(jié)點⑤與某器件端口的紅色節(jié)點④連接時，根據(jù)染色原理，程序?qū)IR文件中所有與④相連的節(jié)點號都染色為紅色節(jié)點號④.為了不遺漏，通過二叉樹遍歷的方法搜索，或者搜索集合中所有已出現(xiàn)的節(jié)點號，找出所有的⑤并以④替換.在客戶端最后提交到服務(wù)器前，實驗臺還要對每個器件的節(jié)點號進行分析，查找錯誤并互動提示給用戶，例如接地節(jié)點序號不為0、不允許的空閑端口等問題.直到用戶的CIR文件完全通過合法性規(guī)則的檢驗，方可提交到服務(wù)器.

圖3 同色原則與染色原則

3 電路CIR文件生成

CIR文件的生成是實驗臺要完成另一個主要功能，也是實驗臺在向服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)之前完成的最后一個工作，實現(xiàn)將用戶設(shè)計的電路編譯成電路CIR文件的功能.

3.1 用戶電路信息

在用戶完成了器件選擇、擺放、電路連接等基本操作以后，客戶端就根據(jù)用戶的連接信息自動生成服務(wù)器端進行電路仿真需要的數(shù)據(jù)文件，即CIR文件，然后將該CIR文件送給服務(wù)器，這樣可以大大減輕服務(wù)器端的壓力，使虛擬實驗系統(tǒng)的實時、多用戶等目標(biāo)有實現(xiàn)的可能.

3.2 用戶測量與分析信息

在電路CIR文件的生成過程中，不僅需要生成電路信息，還需要根據(jù)用戶的儀表擺放和連接情況生成分析語句.例如，某雙蹤示波器的雙通道分別測量節(jié)點③、①的對地電壓，則需要生成相應(yīng)的時域分析語句為“.plot tran V(3，0)V(1，0)”.

3.3 分用戶信息的區(qū)分

每個用戶的CIR文件要寫入服務(wù)器固定目錄，每個用戶的CIR要進行區(qū)分，作為臨時文件，實驗結(jié)束后將該CIR文件刪除.

4 結(jié)語

利用核心的同色算法和染色算法，完成了虛擬電子實驗室核心部件虛擬實驗臺的規(guī)則設(shè)計和搭建，使得自主開發(fā)的虛擬電子實驗臺具有器件的選擇、承載、連接、編輯以及電路的合法性檢查、保存、讀寫等功能，尤其是給出了一種表面圖形化的電路與實際電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射關(guān)系的建立方法，實現(xiàn)了對選取的器件形成的任意電路的仿真.

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