基于LabVIEW的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前, 傳統(tǒng)教育體系已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)當(dāng)今科學(xué)技術(shù)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(xué)生只是被動(dòng)聽(tīng)講，這種方式已經(jīng)不適應(yīng)培養(yǎng)人才的要求。另外，在實(shí)驗(yàn)設(shè)施不足的情況下，學(xué)生不能直接參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作，不能很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。傳統(tǒng)的教學(xué)方式不利于充分發(fā)揮學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，也不利于及時(shí)追蹤到最新的科技信息。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，近幾年在教育領(lǐng)域提出了一種新的教學(xué)思路，即構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)室的方法。而遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)多數(shù)是利用虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在這種虛擬實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)者操縱的都不是實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)物,看到的只是一些利用三維技術(shù)做出來(lái)的動(dòng)畫(huà),所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)然也不是遠(yuǎn)程設(shè)備的實(shí)際反映而是通過(guò)公式計(jì)算得到的數(shù)據(jù)[1]。針對(duì)這一問(wèn)題,建立一個(gè)可以遠(yuǎn)程觀測(cè)和控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一條有效的解決途徑。它使實(shí)驗(yàn)者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)從異地計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和觀察,所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與在實(shí)驗(yàn)室得到的結(jié)果完全一致,如同真實(shí)操作實(shí)驗(yàn)設(shè)備一樣。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法如圖1所示,系統(tǒng)以B/S的形式提供服務(wù),用戶通過(guò)客戶端的瀏覽器登錄Web服務(wù)器,Web服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行身份認(rèn)證后即可進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

從圖1所示的體系結(jié)構(gòu)可以清楚地看到，通過(guò)LabVIEW調(diào)用周立功PCI–5110 CAN 卡的DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）文件來(lái)構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)，并將控制信號(hào)通過(guò)CAN總線發(fā)送到CAN485MB智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后通過(guò)RS485接口進(jìn)入PLC，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置。
在LabVIEW平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的支持下，不需要了解任何網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就能編寫(xiě)復(fù)雜的分布式應(yīng)用程序，將控制界面及實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)視頻發(fā)布給客戶端。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是，通過(guò)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)通信方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，使得遠(yuǎn)程客戶端觀看的視頻延遲最低，清晰度最佳，實(shí)時(shí)性最好，從而為客戶端提供了充足的視覺(jué)反饋。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可采用基于C/S和B/S兩種網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)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(qiáng)等特點(diǎn)。而對(duì)于數(shù)據(jù)傳送量不大、需要遠(yuǎn)程模擬仿真的情況可以采用B/S模式,這樣對(duì)于客戶端的需求會(huì)很低,不需在客戶端上安裝相應(yīng)的客戶端軟件,只需要瀏覽器便可登錄服務(wù)器對(duì)遠(yuǎn)程測(cè)試進(jìn)行監(jiān)控。本實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)流量相對(duì)而言較少，采用的是B/S模式。在實(shí)現(xiàn)方法上主要采用LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Web Server進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。在客戶端使用Remote Panel之前，必須先在服務(wù)端運(yùn)行LabVIEW，并配置Web Server的文件路徑和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、客戶機(jī)訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置、VIs訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置。這些設(shè)置不僅起到管理的作用，而且起到安全性的作用。

相應(yīng)的配置如下：
(1)文件路徑和網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。在Web Server: Configuration中選中Enable Web Server,啟用Web Server，并設(shè)置服務(wù)器所在位置，使其他用戶可以通過(guò)瀏覽器查看并控制該VI。
(2)客戶機(jī)訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置。在Web Server: Browser Access中設(shè)置允許或禁止訪問(wèn)的客戶機(jī)，以及其訪問(wèn)權(quán)限，這里允許所有的客戶機(jī)訪問(wèn)、觀看并控制遠(yuǎn)程面板。
(3)VIs訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置。在Web Server: Visible VIs中設(shè)置允許客戶訪問(wèn)的VIs,這里運(yùn)行客戶機(jī)訪問(wèn)所有的VIs。設(shè)置完成后，為了提供網(wǎng)頁(yè)瀏覽器訪問(wèn)，必須在配置服務(wù)器時(shí)利用菜單欄中的Tools—Web Publish Tool進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)發(fā)布。在Web Publish Tool中允許用戶選擇輸入一個(gè)VI的名稱，并自動(dòng)生成一個(gè)HTML文件，將這個(gè)HTML文件保存在Web Server Configuration所指定的根目錄中，這個(gè)根目錄最好與Windows IIS的Internet信息服務(wù)中的默認(rèn)Web站點(diǎn)的主目錄相一致。若需要發(fā)布的VI中包含了數(shù)個(gè)SubVI，則只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)發(fā)布最上層VI的網(wǎng)頁(yè)，其他所有的SubVI的前面板的屬性設(shè)定為Open During Execution即可。

2 網(wǎng)絡(luò)通信方式比較
遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可采用基于C/S和B/S兩種網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)組建，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)所，LabVIEW提供了多種網(wǎng)絡(luò)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(gè)網(wǎng)絡(luò)編程方法在構(gòu)建遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室時(shí)的應(yīng)用做了具體的研究及比較。

2.1 DSTP協(xié)議的DataSocket編程
DataSocket技術(shù)是一種面向測(cè)控領(lǐng)域的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的編程技術(shù)。DataSocket由DataSocket Server與DataSocket APL兩部分組成。DataSocket Server負(fù)責(zé)提供DSTP協(xié)議(數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議)和管理底層網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)與用戶程序之間的數(shù)據(jù)交換，不需要用戶編寫(xiě)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信的底層程序。DataSocket API是用戶訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接口。DataSocket API訪問(wèn)DSTP對(duì)象時(shí)就是通過(guò)訪問(wèn)DataSocket Server來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的高速傳輸。圖2中，首先在DataSocket Server Manager中新建一個(gè)類型為image的字符串項(xiàng)，驅(qū)動(dòng)DataSocket Server后，發(fā)布者(Publisher)通過(guò)DataSocket API向URL位置指定的地址寫(xiě)入數(shù)據(jù)。客戶端編程如圖3所示。DataSocket技術(shù)能應(yīng)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(wèn)），本文就DSTP協(xié)議做了詳盡的研究。