基于LabVIEW的遠程控制實驗系統(tǒng)設計

目前, 傳統(tǒng)教育體系已經(jīng)越來越不能適應當今科學技術和信息飛速發(fā)展的需要。傳統(tǒng)的教育是以教師講授為主，學生只是被動聽講，這種方式已經(jīng)不適應培養(yǎng)人才的要求。另外，在實驗設施不足的情況下，學生不能直接參與實驗過程操作，不能很好地實現(xiàn)實驗教學目標。傳統(tǒng)的教學方式不利于充分發(fā)揮學生的想象力和創(chuàng)造力，也不利于及時追蹤到最新的科技信息。隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，近幾年在教育領域提出了一種新的教學思路，即構建虛擬實驗室的方法。而遠程實驗教學多數(shù)是利用虛擬技術實現(xiàn)，在這種虛擬實驗中,實驗者操縱的都不是實驗設備實物,看到的只是一些利用三維技術做出來的動畫,所獲得的實驗結果當然也不是遠程設備的實際反映而是通過公式計算得到的數(shù)據(jù)[1]。針對這一問題,建立一個可以遠程觀測和控制實驗設備的網(wǎng)絡實驗系統(tǒng)是一條有效的解決途徑。它使實驗者通過網(wǎng)絡從異地計算機上進行實驗操作和觀察,所得到的實驗結果與在實驗室得到的結果完全一致,如同真實操作實驗設備一樣。

1 系統(tǒng)總體結構
遠程控制實驗系統(tǒng)的框架結構和實現(xiàn)方法如圖1所示,系統(tǒng)以B/S的形式提供服務,用戶通過客戶端的瀏覽器登錄Web服務器,Web服務器請求數(shù)據(jù)庫進行身份認證后即可進行相應的實驗。

從圖1所示的體系結構可以清楚地看到，通過LabVIEW調(diào)用周立功PCI–5110 CAN 卡的DLL（動態(tài)鏈接庫）文件來構建現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡，并將控制信號通過CAN總線發(fā)送到CAN485MB智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后通過RS485接口進入PLC，驅(qū)動現(xiàn)場實驗裝置。
在LabVIEW平臺的網(wǎng)絡通信技術的支持下，不需要了解任何網(wǎng)絡協(xié)議就能編寫復雜的分布式應用程序，將控制界面及實時的數(shù)據(jù)信號和現(xiàn)場視頻發(fā)布給客戶端。本系統(tǒng)的特點是，通過對各種網(wǎng)絡通信方式進行實驗比較，使得遠程客戶端觀看的視頻延遲最低，清晰度最佳，實時性最好，從而為客戶端提供了充足的視覺反饋。

虛擬實驗系統(tǒng)可采用基于C/S和B/S兩種網(wǎng)絡模型來組建[2-3]。C/S模式適合數(shù)據(jù)傳送量大的情況,而且具有效率高、數(shù)據(jù)可靠完整、兼容性強等特點。而對于數(shù)據(jù)傳送量不大、需要遠程模擬仿真的情況可以采用B/S模式,這樣對于客戶端的需求會很低,不需在客戶端上安裝相應的客戶端軟件,只需要瀏覽器便可登錄服務器對遠程測試進行監(jiān)控。本實驗室數(shù)據(jù)流量相對而言較少，采用的是B/S模式。在實現(xiàn)方法上主要采用LabVIEW的網(wǎng)絡服務器Web Server進行網(wǎng)絡發(fā)布。在客戶端使用Remote Panel之前，必須先在服務端運行LabVIEW，并配置Web Server的文件路徑和網(wǎng)絡設置、客戶機訪問權限設置、VIs訪問權限設置。這些設置不僅起到管理的作用，而且起到安全性的作用。

相應的配置如下：
(1)文件路徑和網(wǎng)絡設置。在Web Server: Configuration中選中Enable Web Server,啟用Web Server，并設置服務器所在位置，使其他用戶可以通過瀏覽器查看并控制該VI。
(2)客戶機訪問權限設置。在Web Server: Browser Access中設置允許或禁止訪問的客戶機，以及其訪問權限，這里允許所有的客戶機訪問、觀看并控制遠程面板。
(3)VIs訪問權限設置。在Web Server: Visible VIs中設置允許客戶訪問的VIs,這里運行客戶機訪問所有的VIs。設置完成后，為了提供網(wǎng)頁瀏覽器訪問，必須在配置服務器時利用菜單欄中的Tools—Web Publish Tool進行網(wǎng)頁發(fā)布。在Web Publish Tool中允許用戶選擇輸入一個VI的名稱，并自動生成一個HTML文件，將這個HTML文件保存在Web Server Configuration所指定的根目錄中，這個根目錄最好與Windows IIS的Internet信息服務中的默認Web站點的主目錄相一致。若需要發(fā)布的VI中包含了數(shù)個SubVI，則只需要創(chuàng)建一個發(fā)布最上層VI的網(wǎng)頁，其他所有的SubVI的前面板的屬性設定為Open During Execution即可。

2 網(wǎng)絡通信方式比較
遠程實驗系統(tǒng)可采用基于C/S和B/S兩種網(wǎng)絡模型來組建，針對不同的應用場所，LabVIEW提供了多種網(wǎng)絡通信方式供用戶靈活選擇。主要包括共享變量，DSTP協(xié)議的DataSocket編程、DSTP協(xié)議的DataSocket編程、Web Server、SMTP Email Vis、TCP編程和UDP編程[4]等。
本文就DSTP協(xié)議的DataSocket編程、Web Server和TCP編程這3個網(wǎng)絡編程方法在構建遠程控制實驗室時的應用做了具體的研究及比較。

2.1 DSTP協(xié)議的DataSocket編程
DataSocket技術是一種面向測控領域的通過網(wǎng)絡實時交換數(shù)據(jù)的編程技術。DataSocket由DataSocket Server與DataSocket APL兩部分組成。DataSocket Server負責提供DSTP協(xié)議(數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議)和管理底層網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)與用戶程序之間的數(shù)據(jù)交換，不需要用戶編寫有關網(wǎng)絡通信的底層程序。DataSocket API是用戶訪問網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接口。DataSocket API訪問DSTP對象時就是通過訪問DataSocket Server來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的高速傳輸。圖2中，首先在DataSocket Server Manager中新建一個類型為image的字符串項，驅(qū)動DataSocket Server后，發(fā)布者(Publisher)通過DataSocket API向URL位置指定的地址寫入數(shù)據(jù)。客戶端編程如圖3所示。DataSocket技術能應用于任何編程環(huán)境，而且支持多種協(xié)議（DSTP、OPC、LOOKOUT、 HTTP、FTP和文件訪問），本文就DSTP協(xié)議做了詳盡的研究。