仿真实训系统的制作方法

本申请涉及用于教学的实训系统技术领域，尤其涉及一种仿真实训系统。

背景技术：

随着科学技术的发展，社会对高校学生的实践能力的要求越来越高，高校对学生实践能力的培养变得越来越重要。各高校不仅加强了各种常规性的实验内容，增多了实验项目，更是将项目实训作为重点进行建设。

在现有的用于实训的实验系统中，包含如图1所示的运行设备11、外围接口12、输入信号调理板和输出信号驱动板13、以及与输入信号调理板和输出信号驱动板13分别连接的外围设备14这四个部分，外围设备14通常包括传感器、执行器等，开发人员可以直接通过该实验系统与应用环境中的受控设备进行交互、编程和调试。但是在实验系统中，实验箱内部器件繁多，容易损坏，不方便维修，且由于实际受控设备通常成本较高，难以在实验室中为每个实验系统都搭建一台，至多只能搭建有限的几台供教师进行演示，因而学生只能够做一些验证性实验，无法执行整个程序的编写和调试操作。由于缺乏真实的应用环境，因而学生的学习兴趣不高，而且由于整个实验系统并未与实际应用场景相结合，因而实训效果不够理想。

现有技术中还提出了一种全虚拟的实验系统，包括虚拟的开发设备、虚拟的运行设备、虚拟的接口板及虚拟仿真的应用设备。但全虚拟的实验系统与实际场景具有较大的区别，学生使用这种实验系统完全不能接触到真实的开发和运行环境，全虚拟仿真环境下所编写的程序、所获得的开发和调试经验与实际应用场景有较大出入，不能很好的锻炼、提升学生的实际开发能力。

技术实现要素：

为克服相关技术中的实验系统建设和维护真实应用场景的成本太高、全虚拟实验系统缺乏真实应用设备及应用场景，不能够较好的锻炼学生的实际开发能力等缺点，本申请提供了一种仿真实训系统。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种仿真实训系统，包括：

虚拟场景接口板，用于接收用于控制虚拟受控设备的程序的第一运行数据，并将所述第一运行数据发送给虚拟场景运行设备；

所述虚拟场景运行设备，通过通讯接口与所述虚拟场景接口板连接，用于基于所述第一运行数据虚拟演示所述虚拟受控设备的运行。

可选的，所述虚拟场景运行设备还用于将虚拟演示过程中产生的第二运行数据发送给所述虚拟场景接口板，以使所述虚拟场景接口板将所述第二运行数据发送给运行所述程序的设备。

可选的，所述虚拟场景接口板用于将所述第一运行数据或第二运行数据进行转换处理和封装处理，并将处理后的第一运行数据发送给所述虚拟场景运行设备，将处理后的第二运行数据发送给运行所述程序的设备，以调整所述程序的运行；

所述虚拟场景运行设备用于基于所述处理后的第一运行数据虚拟演示所述虚拟受控设备的运行。

可选的，所述虚拟场景运行设备包括计算机、平板电脑、笔记本、手机、嵌入式设备中的任一种。

可选的，所述通讯接口包括基于通用异步串行通讯接口协议的接口，或基于传输控制协议/互联网协议地址通讯协议的接口。

可选的，所述虚拟场景接口板包括：

第一接口部件，用于与运行用于控制虚拟受控设备的程序的设备连接，以接收所述设备发送的所述程序的运行数据；

微处理器部件，与所述第一接口部件连接，用于处理所述运行数据；

第二接口部件，与所述微处理器部件连接，用于将所述微处理器部件处理之后的所述运行数据发送给所述虚拟场景运行设备。

可选的，所述第一接口部件包括：通用输入输出接插件、模拟量输入输出接口及高速脉冲信号接口。

可选的，所述微处理器部件包括单片机或ARM处理器。

可选的，所述第二接口部件包括：通用异步收发传输器转接口、通用串行总线接插口及以太网接口中的一种或多种。

可选的，所述虚拟场景接口板还包括：

隔离部件，设置在所述第一接口部件及微处理器部件之间，用于实现所述虚拟场景接口板与所述程序的运行设备之间的电气隔离。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请实施例提供的实训系统，可以与嵌入式系统实验中实际开发环境相适配，方便学生的开发，只将实际受控设备的应用场景虚拟化，因而降低了实验室的建造成本，且能够有效锻炼学生的实际编程和开发能力，提高学生的兴趣和学习主动性，能够解决目前大部分实验系统或实训系统存在的缺点。其中嵌入式系统实验中实际开发环境可以包括：用于进行程序开发编写的程序开发设备，例如PC、平板电脑等，以及用于运行所编写的程序的程序运行设备，例如51单片机、嵌入式系统开发板等。学生和教师能够通过程序运行设备上的运行过程以及虚拟场景运行设备上演示的运行过程确定程序编写的是否正确，是否需要调试。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是现有技术中实验系统的结构示意图；

图2是本申请根据一示例性实施例示出的一种仿真实训系统的结构示意图；

图3是本申请根据一示例性实施例示出的另一种仿真实训系统的结构示意图；

图4是本申请根据一示例性实施例示出的一种虚拟场景接口板电气原理图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

如图2所示，图2是根据一示例性实施例示出的一种仿真实训系统的框图，该仿真实训系统可以包括：虚拟场景接口板21和虚拟场景运行设备22，其中虚拟场景运行设备22可以用于虚拟演示虚拟受控设备，而非实际设备，因而本申请提供的仿真实训系统为半虚拟化的实验系统。

其中，虚拟场景接口板21，用于接收用于控制受控设备的程序的运行数据，可以包括数字信号及模拟信号灯，并且将该运行数据进行处理，例如封装，以及将这些数据转换为虚拟场景运行设备22能够识别的格式或类型，然后通过串口线或者USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)将处理之后的运行数据通过通讯接口发送给虚拟场景运行设备22。虚拟场景接口板21 接收的运行数据可以来自例如嵌入式系统开发板等程序运行设备。

虚拟场景运行设备22，与虚拟场景接口板21连接，用于将接收到的运行数据作为控制指令控制虚拟受控设备进行虚拟运行演示。

本申请实施例中，虚拟受控对象可以基于虚拟仿真技术来实现，例如基于虚拟仿真技术实现阀门、电机、机械臂，等。

本申请实施例中的虚拟场景运行设备22可以是任何能够运行虚拟场景软件并进行虚拟效果演示的设备，包括：终端，例如PC(Personal Computer，个人计算机)、平板电脑、笔记本、手机、或嵌入式系统设备等。虚拟场景接口板21和虚拟场景运行设备22之间的通讯接口，支持基于通用异步串行通讯接口协议的通讯方式，可以包括RS232、RS485、蓝牙、红外、ZigBee 等。该通讯接口，还可以支持基于TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)/IP(Internet Protocol，互联网协议)地址通讯协议的物理通讯接口，包括有线以太网通讯接口、无线Wifi(Wireless Fidelity，无线保真)通讯接口。

本申请实施例中，虚拟受控对象在虚拟演示过程中的运行数据，例如阀门的开关量、电机的转速等运行数据也可以被虚拟场景运行设备22检测到，并通过通讯接口传回虚拟场景接口板21，从而虚拟场景接口板21可以将该运行数据进行处理和转换之后，例如转换为数字信号及模拟信号等，然后传回程序运行设备，从而程序运行设备可以将收到的反馈数据作为新的输入条件，继续模拟实际应用场景下的运行。

本申请实施例提供的实训系统，可以与嵌入式系统实验中实际开发环境相适配，方便学生的开发，只将实际受控设备的应用场景虚拟化，因而降低了实验室的建造成本，且能够有效锻炼学生的实际编程和开发能力，提高学生的兴趣和学习主动性，能够解决目前大部分实验系统或实训系统存在的缺点。其中嵌入式系统实验中实际开发环境可以包括：用于进行程序开发编写的程序开发设备，例如PC、平板电脑等，以及用于运行所编写的程序的程序运行设备，例如51单片机、嵌入式系统开发板等。学生和教师能够通过程序运行设备上的运行过程以及虚拟场景运行设备上演示的运行过程确定程序编写的是否正确，是否需要调试。

如图3所示，图3是根据一示例性实施例示出的另一种仿真实训系统的框图，该仿真实训系统可以包括：程序开发设备31、程序运行设备32、虚拟场景接口板33和虚拟场景运行设备34，其中虚拟场景运行设备34可以用于虚拟演示虚拟受控设备，而非实际设备，因而本申请提供的仿真实训系统为半虚拟化的实验系统。

其中，程序开发设备31，用于进行程序的开发和编写，该程序用于控制受控设备，并将编写的程序写入到运行设备32中。

本申请实施例中，程序开发设备31可以为电脑，用于教师、学生对基于计算机控制技术的实验程序进行开发、编写，该程序用于控制虚拟受控设备的运行，该虚拟受控设备可以为在虚拟场景运行设备34上虚拟的例如阀门、机械臂、电机等受控设备。

程序运行设备32，与程序开发设备31连接，用于运行程序开发设备21 所写入的程序。

本申请实施例中，程序运行设备32可以为例如嵌入式系统开发板、51 单片机、计算机、PLC(Programmable Logic Controller，可编程控制器)等，并且程序运行设备32可以包括传感器、执行器、开关以及调节器等外围设备。其中传感器用于检测当前的温度、电流、电压等数据，这些检测的数据可以用于作为该程序的输入，执行器用于将该程序的运行数据作为控制信息，该运行数据可以包括数字信号、模拟信号等，并基于该控制信息对虚拟受控对象施加控制作用。

例如，虚拟受控对象为阀门，控制信息为开关量1，那么该控制信息用于控制阀门打开，控制信息为开关量0，那么该控制信息用于控制阀门关闭；再例如，虚拟受控对象为机械臂，在控制信息为抬高时，用于控制机械臂抬高设定的高度，在控制信息为降低时，用于控制机械臂降低设定的高度。

虚拟场景接口板33，用于接收来自程序运行设备32的运行数据，可以包括数字信号及模拟信号灯，并且将该运行数据进行处理，例如封装，以及将这些数据转换为虚拟场景运行设备34能够识别的格式或类型，然后通过串口线或者USB将处理之后的运行数据通过通讯接口发送给虚拟场景运行设备34。虚拟场景运行设备34，与虚拟场景接口板33连接，用于将接收到的运行数据作为控制指令控制虚拟受控设备进行虚拟运行演示。

本申请实施例中，虚拟受控对象可以基于虚拟仿真技术来实现，例如基于虚拟仿真技术实现阀门、电机、机械臂，等。

本申请实施例中的虚拟场景运行设备32可以是任何能够运行虚拟场景软件并进行虚拟效果演示的设备，包括：终端，例如PC、平板电脑、笔记本、手机、或嵌入式系统设备等。虚拟场景接口板33和虚拟场景运行设备34之间的通讯接口，可以参考图1中对通讯接口的描述。

本申请实施例中，虚拟受控对象在虚拟演示过程中的运行数据，例如阀门的开关量、电机的转速等运行数据也可以被虚拟场景运行设备34检测到，并通过通讯接口传回虚拟场景接口板33，从而虚拟场景接口板33可以将该运行数据进行处理和转换之后，例如转换为数字信号及模拟信号等，然后传回程序运行设备32，从而程序运行设备32可以将收到的反馈数据调整输入条件，继续模拟实际应用场景下的运行。

举例而言，通过程序开发设备21所编写的程序为用于调整阀门开度的程序，程序运行设备22运行该程序，并将运行过程中产生的数据通过虚拟场景接口板23发送给虚拟场景运行设备24，虚拟场景运行设备24基于该程序控制虚拟阀门的运行，阀门打开过程中的位置信息可以回传给程序运行设备22，程序运行设备22基于该位置信息来调整阀门打开的速度、阀门的打开时间等。

本申请提供的仿真实训系统，将应用场景采用虚拟仿真的方法进行实现，这种半虚拟化的仿真实训系统能够保证学生在实际的开发、运行环境下对实验程序进行开发、调试，而对于实验程序编写完成后的应用场景环境则是虚拟、可共享、可重用、以及可扩展的，这有利于锻炼学生实际开发的能力、降低实验的建设和维护成本；由于应用场景是虚拟的，具有较高的可扩展性，可以结合实际的产品项目，将其应用环境虚拟化，从而可以打造与实际产品项目一致的升级的、新的实训平台；学生甚至可以带着便携的程序运行设备、虚拟场景接口板及虚拟应用场景软件，带回宿舍进行研究，学习时间、场所并不被禁锢在上课时间和实验室内。

如图4所示，图4是根据一示例性实施例示出的一种基于嵌入式微处理器的虚拟场景接口板电气原理图，如图4所示，该虚拟场景接口板包括：第一接口部件41、微处理器部件42、以及第二接口部件43。

其中，第一接口部件41与微处理器部件42连接，包括各种GPIO(General Purpose Input Output，通用输入输出)接插件、模拟量输入输出接口、高速脉冲信号接口等，用于与程序运行设备连接，接收和处理程序运行设备在运行程序过程中的各种运行数据。

微处理器部件42与第一接口部件41连接，微处理器部件42可以是单片机，也可以是ARM(Advanced RISC Machines)处理器。在图4所示出的部件中，根据虚拟应用场景的不同，模拟量的输入输出通道及转换器是可选的。例如，如果虚拟场景运行设备中只产生有数字量信号，则可选用不带AD转换器和DA转换器的微处理器。针对高速数字量信号，如脉冲信号，则使用嵌入式微处理器42的计数器或中断引脚进行捕捉或输出。

第二接口部件43可以包括USB/UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)转接口、USB接插口以及以太网接口(图4中为RJ45插头)中的一种或多种，结合图3所示实施例的描述，第二接口部件43用于将接收的来自程序运行设备的运行数据发送给虚拟场景运行设备。

本申请实施例中，在第一接口部件41和微处理器部件42之间，还可以包括：隔离部件44，例如光电耦合电路，用于实现虚拟场景接口板及程序开发设备之间的电气隔离，从而提高虚拟场景接口板的可靠性。但是当本申请实施例提供的仿真实训系统具备模拟量通道时，无需实现电气隔离，可以省略隔离部件44。

下面通过具体的实施例对本申请提供的仿真实训系统进行说明。

本实施例中，仿真实训系统用于控制虚拟场景运行设备中二自由度自动进样器应用场景软件。

学生使用PC机开发编写了用于控制二自由度自动进样器(具体可以例如离子色谱仪配套的自动进样器)的程序，并将该程序写入到PLC中进行运行，PLC将运行过程中的运行数据(如开关量信号、模拟量信号等)作为控制指令发送给虚拟场景接口板，虚拟场景接口板将该控制指令封装打包，转换为PC机能够识别和处理的格式，然后基于USB通讯协议将处理后的控制指令发送给PC机，PC机上安装有二自由度自动进样器的虚拟应用场景软件， PC机基于接收到的控制指令控制二自由度自动进样器的虚拟运行演示，并且 PC机将虚拟运行过程中检测到的数据例如位置数据等通过虚拟场景接口板反馈给PLC，以使PLC将反馈数据作为新的输入条件执行下一步动作。

在学校的实际应用中，每个半虚拟化的仿真实训系统可供一个实验小组使用，小组人数一般为2人。在进行实验时，可以为每个小组分配一套虚拟场景软件及其运行设备、虚拟场景接口板、程序运行设备、程序开发设备 (PC)。这样，既可以充分锻炼学生的实际程序开发能力、调试能力，也充分降低了实验系统的开发成本。例如在学生需要编写控制电机的程序的情况下，每个实验小组都配备一台电机成本太高，不易实现，而通过本申请实施例提供的半虚拟化的方式，不仅能够容易的搭建实验系统，也有利于锻炼学生实际开发的能力。

本申请提供的仿真实训系统，将应用场景采用虚拟仿真的方法进行实现，能够保证学生在实际的开发、运行环境下对实验程序进行开发、调试，而对于实验程序编写完成后的应用场景环境则是虚拟、可共享、可重用、以及可扩展的，这有利于锻炼学生实际开发的能力、降低实验的建设和维护成本；由于应用场景是虚拟的，具有较高的可扩展性，可以进一步结合实际的产品项目，将这些项目的应用环境虚拟化，就可以打造与实际产品项目一致的升级的、新的实训平台；学生甚至可以带着便携的计算机控制技术实验程序运行设备、虚拟场景接口板及虚拟应用场景软件，回宿舍研究，学习时间、场所并不被禁锢在上课时间和实验室内。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。