基于云的信號處理虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計

王必成 胡劍凌 周敏 孫一帆 游善紅 曹洪龍

摘 ?要： 虛擬實驗室利用遠程真實資源或虛擬設(shè)備資源構(gòu)建實驗系統(tǒng)，并通過實驗教學資源的集中網(wǎng)絡(luò)存儲及數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一管理來改善資源獲取與信息交流方式。文中采用JSP Web，Android應(yīng)用開發(fā)，MySQL數(shù)據(jù)庫等技術(shù)設(shè)計一個基于云的開放式信號處理虛擬實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)對現(xiàn)有實驗室資源的網(wǎng)絡(luò)化與虛擬化。該系統(tǒng)采用TCP協(xié)議與自定義應(yīng)用層協(xié)議構(gòu)建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過云端服務(wù)器管理虛擬實驗，使用應(yīng)用網(wǎng)關(guān)監(jiān)控實驗板卡，并通過手機APP，Web瀏覽器為用戶提供交互界面，用戶接入網(wǎng)絡(luò)即可進行實驗操作。

關(guān)鍵詞： 虛擬實驗; 信號處理; 實驗教學; 網(wǎng)絡(luò)化; 虛擬化; 實驗系統(tǒng)

中圖分類號： TN911.72?34; G434 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）11?0113?04

Abstract： The remote real resources or virtual device resources can be used to build the virtual experiment system of virtual laboratories， and the centralized network storage of experimental teaching resources and unified management of database are used to improve the resource acquisition and information exchange mode. The JSP Web technology， Android application development technology， MySQL database technology are used to design the cloud?based open signal processing virtual experiment system， which can realize the networking and virtualization of existing laboratory resources. The system uses TCP protocol and user?defined application layer protocol to build the internal network， manages the virtual experiments with the cloud server， adopts the application gateway to monitor the experimental boards， and provides a friendly interactive interface via App or Web browser. Users can perform experiment operation while accessing the network.

Keywords： virtual experiment; signal processing; experiment teaching; networking; virtualization; experiment system

0 ?引 ?言

虛擬實驗的概念最早可見于1989年美國弗吉尼亞大學William Wolf教授提出的虛擬實驗室（Virtual ?Laboratory）[1?3]。它有如下三個特點：以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，可以在邏輯上進行限制，但沒有物理空間的限制;能夠在計算機支持下聯(lián)合多人完成多件事項;可以充分地實現(xiàn)資源共享。

實驗教學是虛擬實驗一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域，為貫徹《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》，國內(nèi)眾多高校將虛擬技術(shù)應(yīng)用到實驗教學當中[4?5]。包括北京大學的地球科學、考古專業(yè)，清華大學的自動化系統(tǒng)專業(yè)，以及上海交通大學醫(yī)學虛擬仿真實驗教學中心等，教育部近三年已批準了200項國家級虛擬仿真實驗教學中心。虛擬實驗室給實驗教學領(lǐng)域帶來了許多益處：提升教學質(zhì)量，將理論結(jié)果與實際結(jié)果相比較，從而驗證理論;提升開放性，彌補課堂教學的不足;提高現(xiàn)有資源利用率，減少實驗儀器損壞率;實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理與遠程實驗教學[6?7]。

信號處理虛擬實驗系統(tǒng)是針對電子信息類信號與系統(tǒng)、數(shù)字電路等課程實驗教學工作而設(shè)計的，可支持用戶隨時隨地登錄系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)遠程虛擬實驗，并提供實驗內(nèi)容的說明及實驗結(jié)果的考核[8?10]。該系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢：

1） 低受限：支持地理位置分散的用戶，除了要考慮時區(qū)，不具有時空上的限制;

2） 可存儲：操作步驟和實驗數(shù)據(jù)被云端服務(wù)器記錄在數(shù)據(jù)庫中;

3） 多訪問：支持數(shù)百名用戶同時請求實驗，由實驗管理系統(tǒng)進行監(jiān)視;

4） 高安全：實際動手實驗可能具有潛在人身安全危險，而虛擬實驗系統(tǒng)可充分保證人身安全;

5） 低維護：減少高成本、高耗損設(shè)備的維護費用。

本文設(shè)計一個用于信號處理教學的虛擬實驗系統(tǒng)，可實現(xiàn)信號發(fā)生、數(shù)據(jù)采集等實驗內(nèi)容。該系統(tǒng)由云端服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)關(guān)和實驗板卡組成，實現(xiàn)對實驗板卡、實驗操作和數(shù)據(jù)的跟蹤與管理，不僅支持瀏覽器訪問，還支持移動終端進行實驗。

1 ?信號處理虛擬實驗系統(tǒng)的構(gòu)建

基于云的信號處理虛擬實驗系統(tǒng)由Android APP、Web瀏覽器、實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、云端服務(wù)器、虛擬實驗應(yīng)用網(wǎng)關(guān)以及信號處理實驗板卡等部分組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?基于云的虛擬實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)各組成部分的具體功能如下：

1） 終端實現(xiàn)了APP與Web瀏覽器的實驗界面設(shè)計，支持用戶自由選擇便捷的實驗途徑。

2） 架設(shè)于云端的虛擬實驗管理系統(tǒng)連接著數(shù)據(jù)庫，向上接收用戶實驗操作指令，向下管理各應(yīng)用網(wǎng)關(guān)對應(yīng)的虛擬教室及實驗板卡，將實驗信息記錄在數(shù)據(jù)庫中。

3） 應(yīng)用網(wǎng)關(guān)管理與之連接的實驗板卡，負責與板卡的直接數(shù)據(jù)交互，監(jiān)測其狀態(tài)并將結(jié)果上傳到云端。

4） 底層實驗板卡針對信號處理實驗課程設(shè)計，采用LWIP協(xié)議與應(yīng)用網(wǎng)關(guān)通信，解析實驗參數(shù)、執(zhí)行實驗操作、采集實驗數(shù)據(jù)并上傳至網(wǎng)關(guān)。

2 ?系統(tǒng)各部分的分析與設(shè)計

2.1 ?用戶端設(shè)計

用戶端以提供友好實驗界面為主要目標，為用戶提供登錄、注冊、注銷、實驗類型選擇、實驗執(zhí)行、結(jié)果繪圖等功能。

虛擬實驗系統(tǒng)前端Web瀏覽器和Android APP分別采用JSP Web技術(shù)和標準Java接口（Java.net.*）實現(xiàn)界面設(shè)計。APP采用TCP/IP協(xié)議與系統(tǒng)進行通信，開發(fā)時結(jié)合Thread和Handler方法優(yōu)化多線程技術(shù)，減少響應(yīng)延遲。

用戶端主要工作流程如圖2所示。用戶登錄系統(tǒng)后獲取來自云端服務(wù)器的訪問碼，從而具有選擇系統(tǒng)內(nèi)實驗板卡的權(quán)限。確認實驗類型后，由云端服務(wù)器檢索庫中空閑板卡并自動分配給用戶，板卡匹配成功后進入實驗界面，用戶指令最終會通過應(yīng)用網(wǎng)關(guān)傳遞給信號處理實驗板卡，由現(xiàn)有的實驗板卡執(zhí)行實驗操作并返回數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化，創(chuàng)建視圖模型來實時繪制實驗波形。

圖2 ?用戶端程序工作流程

2.2 ?基于云的虛擬實驗管理系統(tǒng)設(shè)計

實驗管理系統(tǒng)（LIMS）是虛擬實驗系統(tǒng)的中樞部分。為了同時支持Web和APP的實驗操作，采用混合架構(gòu)設(shè)計，總體框架如圖3所示。

圖3 ?實驗管理系統(tǒng)功能框圖

LIMS包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與云端服務(wù)器兩部分，采用Java+MySQL技術(shù)，以Eclipse for JEE為平臺開發(fā)服務(wù)器應(yīng)用程序，并使用Navicat輔助工具設(shè)計基于MySQL5.7的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

云端服務(wù)器采用繼承Thread類的阻塞式多線程Socket通信，添加三級線程池管理服務(wù)線程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫運行，并根據(jù)系統(tǒng)自定義的應(yīng)用層通信協(xié)議解析與處理指令。它具有以下特征：

1） 采用多線程技術(shù)。云端服務(wù)器監(jiān)測到Socket連接時，從池中取出線程為該用戶服務(wù)，并將通信連接的Socket類通過參數(shù)傳遞到子線程中，使服務(wù)器可以為大量用戶或應(yīng)用網(wǎng)關(guān)服務(wù)，而不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋問題。

2） 采用池化線程管理技術(shù)。用戶端與服務(wù)器通常只構(gòu)建短連接，每次執(zhí)行完實驗操作，服務(wù)線程就會被釋放。線程池使JVM節(jié)省了線程創(chuàng)建、撤銷造成的開銷，同時限制了最大線程數(shù)，保證了在線用戶的響應(yīng)速度。

3） 各線程I/O阻塞式通信。I/O阻塞使用戶服務(wù)線程處于指令等待狀態(tài)，此時該線程將釋放CPU的占用，從而使云端服務(wù)器合理地為各用戶分配CPU資源，避免過長時間的響應(yīng)等待。

2.3 ?虛擬實驗應(yīng)用網(wǎng)關(guān)設(shè)計

基于C#設(shè)計的虛擬實驗應(yīng)用網(wǎng)關(guān)，將不同網(wǎng)段里的實驗板卡與用戶端連接起來，相當于連接局域網(wǎng)和外網(wǎng)的轉(zhuǎn)接口，可以實時將接收的實驗板卡數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)進行傳輸轉(zhuǎn)發(fā)，構(gòu)建外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)中指定板卡通信的鏈路。

在本系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)既要負責與板卡的直接數(shù)據(jù)交互，還與服務(wù)器和用戶終端進行通信，為此，它配備了雙網(wǎng)卡。網(wǎng)關(guān)的工作界面如圖4所示，其內(nèi)部執(zhí)行的功能如下：監(jiān)聽板卡在線狀態(tài)并上傳至服務(wù)器;處理用戶端實驗請求，下傳實驗參數(shù)并上傳實驗數(shù)據(jù)。

圖4 ?網(wǎng)關(guān)監(jiān)控界面

2.4 ?信號處理實驗板卡設(shè)計

為滿足信號處理實驗需求，并支持虛擬實驗系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，本文設(shè)計了專用的實驗板卡，其結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 ?板卡結(jié)構(gòu)框圖

板卡以STM32F107VCT6為核心，集成了2路AD/DA、以太網(wǎng)PHY控制器DP83848CVV、網(wǎng)絡(luò)接口、USB口及JTAG接口。采用LWIP協(xié)議與應(yīng)用網(wǎng)關(guān)通信，并使用內(nèi)置的高精度DAC產(chǎn)生指定類型、頻率、幅度的信號，或利用ADC以指定頻率采集信號，并定時向應(yīng)用網(wǎng)關(guān)發(fā)送心跳包。

3 ?虛擬實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)與成果

完善的模塊間數(shù)據(jù)交互機制是魯棒系統(tǒng)的基本要素。為此，本文在服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)和板卡間建立了心跳機制，使管理系統(tǒng)能實時監(jiān)測虛擬教室和板卡的狀態(tài)。

通過瀏覽器登錄系統(tǒng)，用戶可以對操作記錄、實驗板卡等對象進行訪問和管理，如圖6所示。

圖6 ?Web訪問界面

為了提高CPU利用率，服務(wù)器將連接但沒有傳輸數(shù)據(jù)的通信線程放置在I/O阻塞狀態(tài)，以等待客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。每當服務(wù)器收到用戶使用板卡的申請，就先將請求存放在數(shù)據(jù)庫中，當收到相應(yīng)的應(yīng)用網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的心跳包時，將請求以反饋的形式傳遞給應(yīng)用網(wǎng)關(guān)。這樣的等待延遲主要取決于心跳包的周期，將周期設(shè)置為秒級，對于實驗用戶來說是可接受的。

用戶端發(fā)起實驗后，打開APP觸發(fā)與服務(wù)器的連接，并進入用戶注冊/登錄界面，如圖7a）所示。登錄成功后，服務(wù)器將開始跟蹤用戶訪問記錄，同時為其生成一個唯一的訪問碼。用戶獲取訪問碼后，才可進入實驗選擇界面，并將實驗請求發(fā)送給服務(wù)器，如圖7b）所示。服務(wù)器會根據(jù)用戶請求分配可用的虛擬教室與信號處理板卡，并將板卡使用申請?zhí)砑拥綌?shù)據(jù)庫緩存表中，等待應(yīng)用網(wǎng)關(guān)審核，如圖7c）所示。下一次心跳包到來時，云端服務(wù)器以反饋形式將待處理事件告知應(yīng)用網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)與板卡協(xié)商后，給予指定用戶使用板卡的權(quán)限，然后服務(wù)器將所選網(wǎng)關(guān)IP地址及板卡號發(fā)送給用戶，APP即可與應(yīng)用網(wǎng)關(guān)建立連接，如圖7所示，并進入實驗界面。用戶將設(shè)定的實驗內(nèi)容和參數(shù)發(fā)送到應(yīng)用網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)傳遞給板卡。板卡執(zhí)行實驗操作后，采集實驗數(shù)據(jù)并最終上傳給APP并采用圖形方式顯示在界面上，如圖7d）所示。

圖7 ?APP實驗界面

用戶執(zhí)行完實驗任務(wù)后，自動通知應(yīng)用網(wǎng)關(guān)釋放板卡，同時云端服務(wù)器將釋放相應(yīng)線程。如果用戶在實驗過程中強行退出，服務(wù)器超過等待時間也將跳出阻塞狀態(tài)釋放服務(wù)線程并通知應(yīng)用網(wǎng)關(guān)釋放綁定的板卡。

使用Intel[?] i7?4510U @2.00 GHz處理器、4.00 GB內(nèi)存的計算機作為服務(wù)器，對該虛擬實驗系統(tǒng)進行性能測試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可支持150～200個并發(fā)用戶，響應(yīng)延遲低于1 s，且無丟包現(xiàn)象?？紤]到現(xiàn)實中并非所有在線用戶并發(fā)數(shù)據(jù)，可支持的在線用戶數(shù)可達到200～500人。為避免丟包現(xiàn)象，系統(tǒng)訪問上限為500人。

4 ?結(jié) ?語

本文設(shè)計了一個信號處理虛擬實驗系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架、各模塊的設(shè)計方案，以及一個典型的信號處理實驗流程。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以為數(shù)百名用戶同時提供虛擬實驗服務(wù)，是一個具備低受限、可存儲、多訪問、高安全和低維護等優(yōu)勢的實驗系統(tǒng)。

目前，該系統(tǒng)支持信號發(fā)生和信號采集實驗，信號處理實驗板卡設(shè)計時留有擴展接口，未來有望用于更多數(shù)字電路等課程的實驗。

注：本文通訊作者為胡劍凌。

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