电子模拟仿真实验室的研究与开发
摘 要： 为了解决传统电子模拟仿真实验室存在电子电路模拟效果差，相似性分析能力差的问题，研究并开发基于VB以及PSPICE技术的电子模拟仿真实验室。设计电子模拟仿真实验室的网络结构以及模块结构，采用VB的ActiveX技术产生电子元器件控件，通过VB技术对前台界面进行编程，采用PSPICE软件实现后台分析仿真。该虚拟实验室系统软件由界面层、数据处理层、仿真层以及服务层构成。用户通过虚拟实验面板拖拽组件菜单中需要的元器件进行部署，实现人机交互。分析电子模拟仿真实验室的登陆界面以及仿真实现过程，通过PSPICE仿真软件完成实验室后台分析仿真，设置仿真分析参数以及仿真输出参数。实验结果说明，所设计实验室电子电路模拟效果良好，相似度分析效果佳。
关键词： 电子模拟； 仿真实验室； VB技术； PSPICE软件； 虚拟实验面板； 相似度
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）11?0105?05
Research and development of electronic simulation laboratory
YANG Wei， GENG Jian
（Nanchang Institute of Technology， Nanchang 330044， China）
Abstract： Since the traditional electronic simulation laboratory has the problems of poor electronic circuit simulation effect and weak similarity analysis capability， the electronic simulation laboratory based on VB and PSPICE technologies is researched and developed， its network structure and module structure are designed. The VB ActiveX technology is used to generate the electronic components control. The foreground interface is programmed by means of VB technology. PSPICE software is used to realize the background analysis and simulation. The software of the virtual laboratory system is composed of interface layer， data processing layer， simulation layer and service layer. The users can drag the components in module menu by means of virtual experiment panel for deployment， which can realize the human?computer interaction. The implementation and its simulation process of the login interface of the electronic simulation laboratory are analyzed. The PSPICE simulation software is used to complete the laboratory background analysis and simulation， and set the simulation analysis parameters and simulation output parameters. The experimental results show that the designed simulation circuit of laboratory has good simulation effect and perfect similarity analysis effect.
Keywords： electronic simulation； simulation laboratory； VB technology； PSPICE software； virtual experiment panel； similarity
0 引 言
信息網络和通信计算机技术的全面发展促进世界各地科学技术研究人员之间的交流、合作以及资源共享，为各领域科学技术研究人员带来便利，并且提高了工作效率。因此，虚拟实验室概念被提出，加快了实验室改革的步伐。虚拟实验室操作是通过对计算机系统展开分布而完成的。在现实的电工电子学教学过程中，大部分学校都存在资源不足、投资巨大、效果不理想等问题。如果能够在网络环境中利用虚拟电工电子学实验教学，则可解决上述问题，并且保证实验环境的安全，也能满足学生在学习时间和空间上的需求[1]。传统电子模拟仿真实验室存在电子电路模拟效果差，相似性分析能力差的弊端。因此，本文研究并开发了基于VB以及PSPICE技术的电子模拟仿真实验室，获取真实有效的电子电路模拟结果，提高相似度分析能力。
1 电子模拟仿真实验室设计
1.1 系统结构以及模块结构设计
电子模拟实验室是利用B/S体系、TCP协议组建的电路分析系统，采用VB的ActiveX技术产生电子元器件控件，实验室前台运行采取VB语言编写的APPlet程序，而对于解决前台用户指令则采取Java语言编写的Servlet程序，提前对用户指令进行预处理操作，同时对指令进行筛选，然后利用Java编写的PSPICE软件对得到的Spice进行电路分析，实现后台仿真分析[2]。用户在使用过程中，利用虚拟实验面板进行动态拖拽、旋转、属性编辑等操作该系统中的虚拟器件，即可时刻对有关电路分析的实验进行操作。仿真电路分析实验的特点包括可视性、交互性、安全性等，并且其实验环境逼真，满足远程教育在实验教学方面的规定。因其具有较多的优点，因此也极大地提高了实验的准确率[3]。本文设计的电子模拟仿真实验室系统网络结构以及模块结构分别用图1和图2描述。
1.2 虚拟实验室的软件结构设计
系统软件架构由如下四层组成：
界面层：在传输前，利用.gra文件封存已用数据形式表现的实验环境；将传输层传输回来的.gra文件所表示的实验仿真数据进行解读，并为用户在模拟仪器上展示最终结果。
数据处理层：利用Spice电路仿真软件对.cir文件做电路仿真处理，得到仿真结果并生成.out文件。
仿真层：将客户端所输入的实验数据.gra文件进行分析并转换为.cir文件；建立仿真输入文件.cir满足Spice的需求；对Spice在仿真操作后输出的文件.out进行分析并对实验需要的数据进行选择；调取Spice进行仿真（Spice是由美国加州大学伯克莱分校设计的电路仿真软件，是输入以.cir文件为仿真参数的文件，经仿真程序处理从而计算出仿真结果[4]，得到.out文件）。
服务层：对实验报告、实验状态及有关的文件和数据进行保存。
系统软件架构如图3所示。
1.3 虚拟实验面板设计
当前电子实验类软件包括用于实验教学性的演示性软件和用于电路设计与分析的实验性软件两大类。其中，演示性软件是通过多媒体进行动画模拟演示实验的原理、内容、结果等；实验性软件是通过仿真软件在真实实验环境下进行互动式电路实验。这种操作是通过ESpice电路仿真软件进行操作的。
设计电子模拟仿真实验室的虚拟实验面板就是实验环境，客户端虚拟实验环境包括实验环境和实验元器件两部分。虚拟实验环境利用Eclipse平台进行Java程序编写，实验面板的组成是通过滚动面板上的“画布”来实现的，“画布”上共计分布200×150个坐标点，用以分配各个元器件在“画布”上所占的位置，而元器件的位置是通过各个元器件中的一个管脚坐标进行确认。定义实验面板函数是CreatBoard（int width，int height，int grid，String preload），其中：width表示实验面板宽度；height表示实验面板高度；grid表示各grid中含有的像素个数；preload表示网页加载信息。
用户可在虚拟实验面板上拖拽组件菜单中所需要的元器件进行安置，并通过右键或移动该元器件来更改其安置的位置。同时通过右键或编辑菜单对元器件实现编辑属性、旋转或删除等操作[5]。虚拟实验环境是一个人机交互的界面，通过一个电路图形编辑器显示。在这个编辑器中，可选取所需的元器件组建电路，然后分析组建的电路。服务器通过PSPICE电路分析软件分析由客户端发出的Spice指令，最终为用户呈现出分析结果和曲线图。
2 电子模拟仿真实验
2.1 登录界面的实现
核实用户的身份信息是登录实验界面前必须进行的操作。设计出精美的用户登录界面能够提高用户的视觉冲击程度[6]。本文所用的虚拟实验系统登录界面如图4所示。
为登录系统设置权限可提高此模拟实验室系统的安全性。用户在输入与系统数据库所保存的相同账号和密码时方可进入该系统。若系统中未保存该用户账号和密码，则需要用户通过“注册”使自己的信息被保存到系统的数据库中[7]，然后再进行登录。另外，若账号与密码输入过程中产生3次以上的错误，则被确认非法登录，系统会自动退出。因此当用户注册后，要对账号和密码牢记。用户认证系统流程图如图5所示。
2.2 仿真实现
2.2.1 PSPICE仿真软件的调用
利用点击工具条中的运行按钮启动PSPICE仿真软件，其实现函数为ShellExecute（）。随后程序会自动跳转到PSPICE仿真界面。點击仿真界面上的运行按钮，PSPICE就会开始处理网表文件，同时将处理结果保存在对应的.out文件中。在对仿真输出文件进行分析后能够立刻读取实验结果。实验结果分为报错信息和电路仿真输出信息。
电子电路仿真是在配合数值分析的情况下模拟电路功能并分析其特性的。在虚拟环境中，该系统中拥有许多模拟元件及仪器的器件，用户只需使用鼠标进行操作，对所需器件进行拖拽最终连接成电路，与在真实的实验环境中建立的电路相同，且方便迅速。可视化影射是一个双向系统，既能在屏幕上通过仿真系统将图形以数据格式呈现[8]，又能将仿真后得到的数据转换为直观的，以图像及图形为用户呈现随着时间和空间的变化而随之变化的物理现象和物理量。
2.2.2 仿真参数信息
在PSPICE网表文件中，仿真参数包括仿真分析参数信息和仿真输出参数信息。
1） 仿真分析参数的设定
在进行电路分析时，因实验目的不同，所需电路分析的类型也就不同，所以在建立好电路图以后，就要对电路分析参数进行不同的设置。本文有5种分析类型，即瞬态分析、直流扫描、交流小信号频率分析、直流偏置解计算、噪声分析。分析参数设置的对话框如图6所示。使用一一对应的设置方式，可防止用户在仿真分析参数设定中出现选择分析类型与填写参数不匹配的问题发生[9]。这种设置方式的操作是在选择某一个分析类型后，有效填写部分即为只与其对应的参数填写信息窗口，其他部分均不能填写。
由图6可见，在选择瞬态分析时，仅右下角瞬态分析参数设定窗口可操作，其他都为不可操作状态。
2） 仿真输出参数的设定
在设置仿真参数时也是利用对话框来操作的。本实验有3种输出类型，即电源、电路、功率输出，如图7所示，用户可输入与实验所需相对应的仿真输出信息。
2.3 实验状态保存和恢复过程
用户在对实验结果进行保存时，系统会把正在操作的实验状态通过接口生成.gra文件，再利用网络将得到的文件传送到后台服务器，服务器通过当前用户、实验状态和当前时间对.gra文件进行保存，最终保存到后台服务器数据库里。以后用户若想对之前的实验进行重新操作就可将保存过的文件再次打开[10]。此时，被保存过的.gra文件则通过服务器被上传到客户端，并根据当时存储的信息为用户再次呈现出来。
3 实验分析
3.1 电子电路模拟效果检测
3.1.1 建立电路效果检测
在虚拟实验环境中，用户将菜单栏组件菜单中所需的元器件拖曳到合适的位置建立电路，然后利用右键或编辑菜单对元器件编辑属性、移动、旋转或删除。用户移动鼠标单击组件菜单中所需的元器件，按住鼠标左键不放，将所选的元器件拖曳到虚拟实验环境下合适的位置释放。单击元器件管脚端点，按住鼠标左键将指针移动到合适位置释放，如图8所示，能够看出用户实现了元器件的有效选择。
本文实验室实现元器件的操作过程如下：
1） 元器件或导线的移动、旋转及删除。使用鼠标右键或编辑菜单可对元器件进行移动、旋转或删除操作。使用鼠标右键或编辑菜单中的删除项可对导线进行删除，同时也可通过键盘上的Delete键对元器件或导线进行删除。
2） 元器件属性设置。使用鼠标右键、编辑菜单中的编辑属性菜单或使用鼠标左键对元器件进行双击，可设置元器件的属性。
3.1.2 分析电路效果检测
按照电路图建立电路，建立理想放大器瞬态分析电路，如图9所示，建立电路图的方式分为两种：在实验面板上建立电路；利用Spice代码编辑窗口编辑代码可生成电路。
设置满足实验需求的元器件参数并对加入的电源等进行调整，然后进行测试。待测试结束后，选择电子实验报告，系统则会生成一份Word文档的实验报告，并通过网络提交该报告，对于报告中的数据可进行分析和讨论。教师可利用网络批阅学生提交的实验报告，这就完成了网上虚拟实验的整体操作。
3.1.3 虚拟电路效果检测
在建立电路后可生成满足PSPICE软件分析的.cir文件，通过解析可生成.out文件。Spice代码编辑窗口中上边的窗口在Spice查看窗口時也可对代码进行编辑，下边的窗口是Spice数据查看窗口。Spice代码编辑窗口还可进行保存结果、分析电路、查看曲线图等操作。以理想放大器TRAN电路为例，如图10所示，能够看出其准确展示了理想放大器电路的静态情况。
综合分析图8，图9以及图10，能够看出本文设计的电子模拟仿真实验室电子电路模拟效果良好，可获取有效的分析电路以及虚拟电路效果。
3.2 实验相似度分析效果检测
在实验中可以在一台机器上进行操作并将实验状态进行保存。再将实验状态复制到另一台机器上，也可以重现该实验状态。这种方式虽然为用户带来极大的方便，但是也滋生了网上实验抄袭的情况。而实验相似度分析系统就可以减少抄袭现象的发生。其工作流程为：打开被保存的实验状态文件，通过对实验状态文件进行对比，最终取得相似度的比较值，如图11，图12所示。
在图12中，二极管电路_Tran.gra和二极管电路_Trans.gra的相似度是0.428 571。二极管电路_Tranl.gra和二极管电路_Tran6.gra相似度是1.000 000，从相似度结果可以看出此相似度极高。
在教学过程中，教师可以通过电子模拟仿真实验室的实验相似度分析系统来判定学生是否抄袭，若有学生实验相似度过高，则教师应重点关注。
4 结 语
本文设计了基于VB以及PSPICE技术，将网表文件当成纽带的电子模拟仿真实验室，提高了实验室电子电路模拟效果和相似度分析能力，实际应用价值高。
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