關(guān)鳳華，李鵬飛

（1.西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048；2.陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 漢中 723102）

0 引 言

隨著我國高等教育的不斷發(fā)展，人才培養(yǎng)模式也發(fā)生了相應(yīng)的改變，尤其是職業(yè)技術(shù)教育，在教學(xué)過程中更注重于以職業(yè)能力為主的實(shí)際操作能力的培養(yǎng)。對于一些實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作能力的一種重要的教學(xué)手段[1]。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過程中，可以加深對所學(xué)理論的理解，提高動手能力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣[2]。然而，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式要求學(xué)生必須在規(guī)定的時(shí)間，到規(guī)定地點(diǎn)才能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)，部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本太高，臺套數(shù)有限，不能滿足每人一個(gè)實(shí)驗(yàn)工位，從而導(dǎo)致時(shí)間分配和資源利用的不合理。而遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)就是改變這種不合理狀況的好辦法，它能夠突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式在時(shí)間和空間上的限制，使得實(shí)驗(yàn)者能自由安排時(shí)間，靈活選擇地點(diǎn)，充分利用資源，從而提高實(shí)驗(yàn)效率[3]。

在遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中，用戶通過WEB瀏覽器登陸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅能操作遠(yuǎn)程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并能獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),還能通過操作遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)攝像頭來觀察實(shí)驗(yàn)過程。有很多種通信方式都能夠方便地用來傳輸實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，供遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)者瀏覽。但是，在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)者的計(jì)算機(jī)上必須要編寫程序來接受數(shù)據(jù)。在大多數(shù)情況下，用戶希望能夠直接將本地的程序面板“搬”到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上進(jìn)行觀察和操作。LabVIEW的Web服務(wù)器技術(shù)可“原封不動”地將本地程序前面板顯示在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的屏幕上，這樣不僅可以直接在服務(wù)端的計(jì)算機(jī)上通過網(wǎng)絡(luò)來觀察試驗(yàn)過程并獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，若遠(yuǎn)程用戶知道服務(wù)端計(jì)算機(jī)的IP地址或遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)地址，也能夠在客戶端的計(jì)算機(jī)上通過網(wǎng)絡(luò)間接觀察實(shí)驗(yàn)過程或者獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]，因此，通過網(wǎng)絡(luò)就可以方便的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程控制。

1 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用通用接口總線GPIB(General-Purpose In?terface Bus)儀器控制技術(shù)，把可程控儀器和LabVIEW儀器控制服務(wù)器相連接，通過PLC實(shí)現(xiàn)儀器的本地控制。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把實(shí)驗(yàn)題目和內(nèi)容放在建立的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)網(wǎng)站平臺上，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)用戶只需要通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器登錄遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，就可以進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。為了用戶能夠通過網(wǎng)頁看到自己所操縱的實(shí)驗(yàn)儀器，直接在客戶端電腦屏幕上觀察實(shí)驗(yàn)過程，在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站的網(wǎng)頁上，還可加入實(shí)驗(yàn)視頻部分，通過視頻壓縮傳輸技術(shù)把視頻頭采集的實(shí)驗(yàn)圖像傳送到網(wǎng)頁上。

2 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的硬件包括：儀器控制服務(wù)器、Web服務(wù)器、硬件實(shí)驗(yàn)電路控制平臺、GPIB可編程控制儀器和攝像頭等。其中硬件實(shí)驗(yàn)電路控制平臺主要包括電源板、實(shí)驗(yàn)臺控制板、89C51串口通信板、模擬實(shí)驗(yàn)板、數(shù)字實(shí)驗(yàn)板、低頻實(shí)驗(yàn)板等。實(shí)驗(yàn)所需的±5 V、±12 V和+18 V電壓由電源板提供；具體的實(shí)驗(yàn)儀器測試的切換工作由實(shí)驗(yàn)臺控制板進(jìn)行；與上位機(jī)間的串口通信由串口通信板完成，并通過串口通信板把命令參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給實(shí)驗(yàn)控制臺；實(shí)驗(yàn)過程中具體的實(shí)驗(yàn)電路由模擬實(shí)驗(yàn)板及數(shù)字實(shí)驗(yàn)板來實(shí)現(xiàn)。

在硬件平臺中，串口通信板的地位至關(guān)重要。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，與LabVIEW服務(wù)器的通信、實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)的切換、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取和輸出都需要由串口通信板負(fù)責(zé)。系統(tǒng)的核心控制器選用的是AT89C51，在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，各個(gè)輸入/輸出測試點(diǎn)的切換控制由實(shí)驗(yàn)臺控制板來實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行多個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往需要變更信號參數(shù)和切換輸入信號的輸入點(diǎn)，有時(shí)還需要切換示波器和數(shù)字電壓表的測試點(diǎn)。遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)需要對測試點(diǎn)的切換能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，因此，在模擬實(shí)驗(yàn)板的相關(guān)測試點(diǎn)上都必須引出接線點(diǎn)，以便于與實(shí)驗(yàn)臺控制板接口。這樣，在增加實(shí)驗(yàn)數(shù)目的時(shí)候，就不需要改動實(shí)驗(yàn)臺控制板，只需要從實(shí)驗(yàn)板上引出測試點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)臺控制板接口就可以了。

2.2 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的軟件由以下幾個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：Web服務(wù)器子系統(tǒng)、本地儀器控制子系統(tǒng)和客戶端子系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

Web服務(wù)器子系統(tǒng)是遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的核心部分。用戶通過Web服務(wù)器，可以訪問實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的Web站點(diǎn)、控制實(shí)驗(yàn)儀器，并獲得實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。客戶端與Web服務(wù)器、Web服務(wù)器與實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器之間通信的主要方法是公共網(wǎng)關(guān)接口CGI(Common Gate?way Interface)和傳輸控制協(xié)議TCP(Transport Control Protocol)。在本地控制子系統(tǒng)中，作為控制儀器的PC機(jī)上裝有通用接口總線(GPIB)接口和一塊網(wǎng)卡。儀器控制服務(wù)器通過已建立起的TCP/IP通道獲得來自Web服務(wù)器控制儀器的命令字符串，進(jìn)而啟動儀器工作，完成測試任務(wù)。客戶端子系統(tǒng)是嵌入在Web服務(wù)器中，當(dāng)用戶登錄到Web服務(wù)器上后，用戶可以瀏覽遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室站點(diǎn)，獲得所提供實(shí)驗(yàn)的概括介紹以及詳細(xì)說明。

2.3 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的交互過程

開始實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器進(jìn)入遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)網(wǎng)站的登錄頁面。當(dāng)Web服務(wù)器接收到來自客戶端的有效CGI(Common Gateway Inter?face)請求后，從表單中獲取相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)而向儀器控制服務(wù)器提交調(diào)用VI的請求。運(yùn)行于儀器控制服務(wù)器上的GWeb Server接收到請求后，建立起與客戶端TCP/IP連接，調(diào)用相應(yīng)的VI程序：首先調(diào)用串口通信程序，即通過串口向硬件實(shí)驗(yàn)平臺發(fā)送控制指令;然后啟動儀器控制VI模塊，使其通過GPIB接口卡調(diào)用相關(guān)儀器設(shè)備，對實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測試;最后將實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果以CGI響應(yīng)的方式回傳到Web服務(wù)器，由Web服務(wù)器端的CGI程序刷新客戶端顯示，完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過程[5]。

2.4 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的通信

在基于上下位機(jī)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信是其中的關(guān)鍵點(diǎn)之一。CAN總線是一種現(xiàn)場總線，由于其數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)施性和靈活性而在數(shù)據(jù)和指令通信系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。周立功公司提供的CAN卡PCI-5110通過PCI接口與微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)該卡實(shí)現(xiàn)了對CAN總線的封裝，通過LabVIEW調(diào)用該接口卡就可以方便、高效地實(shí)現(xiàn)基于CAN總線的上下位機(jī)的通信系統(tǒng)，從而為遠(yuǎn)程控系統(tǒng)的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。周立功的CAN卡為LabVIEW提供了兼容的驅(qū)動程序，方便了上下位機(jī)通信程序的開發(fā)。

外部應(yīng)用程序通過調(diào)用CAN卡的驅(qū)動實(shí)現(xiàn)對CAN卡的操縱，PCI-5110的驅(qū)動是一個(gè)動態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library，簡稱 DLL）文件，文件名為PCI5110-TEST.dll中的函數(shù)封裝了PCI-5110相應(yīng)的功能。在LabVIEW中對DLL的調(diào)用可以通過調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，該方法不允許被調(diào)函數(shù)的輸入輸出中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)類型的變量，但在PCI-5110提供的驅(qū)動中還有ControlCAN.dll文件。它的功能為使ZLGCAN設(shè)備在PC機(jī)上使用的應(yīng)用程序接口是Virtual CAN Inter?face（VCI）函數(shù)庫，庫里的函數(shù)從ControlCAN.dll中導(dǎo)出，在LabVIEW中直接調(diào)用這些庫函數(shù)而無需額外的操作[6]。

3 結(jié)束語

以虛擬儀器為平臺設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，通過用戶登陸界面，嵌入一些虛擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器操作的模擬和測量，并進(jìn)行了多次演示，取得了很好的效果。該遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室較以往的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化，達(dá)到了資源共享，避免了儀器重復(fù)添置和資源浪費(fèi)，使學(xué)生做實(shí)驗(yàn)不再受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，具有開發(fā)周期短，使用效率高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，成本低廉的特點(diǎn)，是解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式受時(shí)間和空間限制，實(shí)驗(yàn)室資源利用率不高的一種有效途徑。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室會有更好的應(yīng)用前景。

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