采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開放型實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的構(gòu)建

引 言

隨著高等教育的迅速發(fā)展，高校規(guī)模和人數(shù)不斷擴(kuò)大，而教育資源并沒有隨之相應(yīng)地得到及時有效補(bǔ)充，現(xiàn)階段形成了不斷增長的學(xué)生人數(shù)和教育資源、特別是實(shí)驗(yàn)室資源相對缺乏的矛盾。另外，目前高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性不足，學(xué)生對教學(xué)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)缺乏興趣等等現(xiàn)象嚴(yán)重。如何高效、合理地利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性，建立創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)條件和環(huán)境，科研對于解決這些問題有著重要的意義。

本文提出了一種開放性實(shí)驗(yàn)室的具體實(shí)施方案，從現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件出發(fā)，利用以太網(wǎng)技術(shù)，自動化技術(shù)和嵌入式的硬件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)通過校園網(wǎng)、甚至Internet 可以遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，做到如同親臨實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的感覺，不但提高了實(shí)驗(yàn)室資源的利用率，有效地緩解了實(shí)驗(yàn)室資源與增多的高校學(xué)生人數(shù)之間的矛盾，也全面提升了自動化專業(yè)實(shí)驗(yàn)手段的技術(shù)含量和擴(kuò)大了學(xué)生專業(yè)視野，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣也有很大效果。

1 系統(tǒng)的整體方案

現(xiàn)在高校電氣與自動化類實(shí)驗(yàn)室設(shè)備大多是有通訊串口，能在本地用計(jì)算機(jī)對實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)監(jiān)測和操作，但是對于聯(lián)入以太網(wǎng)或者校園網(wǎng)的功能欠缺，本文以過程控制實(shí)驗(yàn)室為例，采用以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口和軟件技術(shù)，對具有本地傳統(tǒng)通訊串口的實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)施具備遠(yuǎn)程訪問、監(jiān)控功能的二次開發(fā)和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一種基于工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)的遠(yuǎn)程開放型控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。

以過程控制實(shí)驗(yàn)室中流行使用的PCI—Ⅰ型過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置為例，此裝置主要對連續(xù)性工業(yè)過程中的物理模擬量例如液位、壓力、流量、溫度等熱工參數(shù)的自動調(diào)節(jié)控制。上位機(jī)軟件采用北京亞控公司組態(tài)王軟件，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、流程控制、動畫顯示、報(bào)表輸出、實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)的處理，報(bào)警和安全機(jī)制、趨勢曲線及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的功能。

原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備是通過控制臺的RS-232 串口接入計(jì)算機(jī)，其最大訊通距離只有15 m，無法滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控的需要。利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室以太網(wǎng)系統(tǒng)，把串口實(shí)驗(yàn)設(shè)備聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，再進(jìn)入校園網(wǎng)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備終端進(jìn)行串口與網(wǎng)口的轉(zhuǎn)換，使用串口聯(lián)網(wǎng)模塊，實(shí)驗(yàn)串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為支持以太網(wǎng)TCP/IP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的總體框圖如圖1。

圖1 以太網(wǎng)框架

數(shù)據(jù)采集部分仍然使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備自帶的液位傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)自動化儀表等，通過牛頓7000 系列模塊實(shí)驗(yàn)A/D轉(zhuǎn)換，把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳送給RS-232 串口。用戶上位機(jī)仍然使用原有的組態(tài)王監(jiān)控軟件，使用重定位串口程序，使得本地計(jì)算機(jī)串口和遠(yuǎn)程現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)設(shè)備串口實(shí)現(xiàn)對應(yīng)。另外由于組態(tài)王軟件直接支持TCP/IP 協(xié)議，在軟件上設(shè)置數(shù)據(jù)，也可直接訪問以太網(wǎng)中IP 地址來與實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 系統(tǒng)中用到的關(guān)鍵技術(shù)

構(gòu)建基于以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺用到計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，由于實(shí)驗(yàn)對象沒有網(wǎng)口使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)直接接入以太網(wǎng)，而僅有一個標(biāo)準(zhǔn)的RS-232 串口，所以需要在底層開發(fā)配置智能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在串口和網(wǎng)口之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)，接收網(wǎng)絡(luò)命令給實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能。

由于已有的組態(tài)王軟件可以支持串口和TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)訪問，所以用戶端可采用兩種方式訪問實(shí)驗(yàn)終端，一種是安裝虛擬串口驅(qū)動程序，并創(chuàng)建虛擬串口，通過參數(shù)設(shè)定，計(jì)算機(jī)的虛擬串口和遠(yuǎn)端的真實(shí)串口建立對應(yīng)關(guān)系，使用者可像真實(shí)串口一樣任意使用這些虛擬串口。第二種方式是實(shí)驗(yàn)終端的串口聯(lián)網(wǎng)模塊設(shè)置固定的IP 地址，用戶通過以太網(wǎng)訪問網(wǎng)絡(luò)中的IP 地址，來進(jìn)行對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的訪問和控制。

2.1 串口服務(wù)器

底層智能網(wǎng)絡(luò)接口采用了深圳三旺通信公司的NP-311 型串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。NP311 支持諸如WINSOCK 等標(biāo)準(zhǔn)的API 接口形式TCP/UDP 以太網(wǎng)直接訪問方式，并且使用On-the-Fly 免設(shè)置功能，通過驅(qū)動程序?qū)崟r監(jiān)聽客戶軟件，實(shí)時調(diào)整。

支持TCP（Transmission Control Protocol），UDP（User Datagram Protocol），ARP（AddressResolution Protocol），ICMP（InternetControl Message Protocol）和DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）。支持Server和Client 模式，使串口實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作在C/S 模式。

此設(shè)備模塊使用的On-the-Fly 免設(shè)置功能，監(jiān)聽使用者的軟件，實(shí)時調(diào)整串口參數(shù)，在使用過程中諸如串口速率、奇偶校驗(yàn)、比特位等一系列參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動設(shè)置。并且提供了一種安全的密碼保護(hù)功能，這在開放式總線結(jié)構(gòu)的的以太網(wǎng)中非常實(shí)用，可以避免非法用戶的訪問，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備起到保護(hù)的作用。

2.2 嵌入式TCP/IP 協(xié)議

嵌入式設(shè)備的存儲器一般都很有限，要把整個TCP/IP 協(xié)議族嵌入到系統(tǒng)中，顯然會非常吃力，并且在實(shí)際使用中，并不是協(xié)議族中的所有協(xié)議都要用到。鑒于嵌入式系統(tǒng)自身的特點(diǎn)以及系統(tǒng)實(shí)際需要，這里并沒有實(shí)現(xiàn)全部的TCP/IP 協(xié)議，而是采用了簡化了的TCP/IP 協(xié)議族。它的體系結(jié)構(gòu)由高到低分為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層四層，每一層都有相應(yīng)的協(xié)議集來完成不同的通信功能。

圖2 TCP/IP 協(xié)議族的分層

作為TCP/IP 協(xié)議的最底層，鏈路層也稱為數(shù)據(jù)鏈路層或網(wǎng)絡(luò)接口層，主要是接收網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)包，然后通過物理接口發(fā)送給串口實(shí)驗(yàn)設(shè)備，或是從串口設(shè)備接收數(shù)據(jù)幀，抽出數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)層。也為ARP 模塊發(fā)送ARP 請求和接收ARP應(yīng)答。

網(wǎng)絡(luò)層的主要協(xié)議是IP 協(xié)議，是整個協(xié)議族中最重要的一層，是所有TCP、UDP、ICMP 及IGMP的基礎(chǔ)，IP 協(xié)議提供了不可靠、無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳送服務(wù)。另外，網(wǎng)絡(luò)層中ICMP 負(fù)責(zé)傳遞差錯報(bào)文以及其他需要注意的信息，在IP 數(shù)據(jù)報(bào)內(nèi)部傳輸；IGMP 用于支持主機(jī)和路由器進(jìn)行多播，讓一個物理網(wǎng)絡(luò)上的所有系統(tǒng)知道主機(jī)當(dāng)前所在的多播組。

傳輸層主要用于兩臺主機(jī)應(yīng)用程序的端對端通信，提供了兩種不同的傳輸協(xié)議：UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）和TCP（傳輸控制協(xié)議）。UDP 是面向無連接、不可靠的傳輸協(xié)議，TCP 是面向連接、可靠的傳輸協(xié)議。TCP 主機(jī)與客戶機(jī)通信時，通過三次所謂的“握手”認(rèn)證，在網(wǎng)絡(luò)間建立一個虛擬的連接路徑；而UDP 則不建立這個連接。所以有時候UDP 會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。

串口服務(wù)器接收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)后，進(jìn)入到TCP/IP協(xié)議對以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理，逐個判斷是否為ARP 報(bào)文、IP 報(bào)文、ICMP 報(bào)文以及TCP 報(bào)文，確定后進(jìn)入相應(yīng)的報(bào)文處理過程[4]。程序設(shè)計(jì)中采用中斷的方式，可以提高CPU 的利用率，當(dāng)有新數(shù)據(jù)接收或發(fā)送時，主程序進(jìn)入中斷程序進(jìn)行響應(yīng)的處理。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理流程圖略。

2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

用戶端使用基于Windows 平臺的組態(tài)王軟件，它具有快速構(gòu)成和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，具有強(qiáng)大的開放性，可以利用VC、VB 等開發(fā)工具編寫應(yīng)用程序來訪文組態(tài)王實(shí)時數(shù)據(jù)庫中的變量，對組態(tài)王進(jìn)行控制。

組態(tài)王軟件支持TCP/IP 以及485/232 等多種網(wǎng)絡(luò)體系功能，這就給了多一些選擇來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。一種是通過直接訪問串口服務(wù)器的在校園網(wǎng)中唯一確定的IP 地址，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制；另外可以在用戶端安裝一種虛擬串口軟件，也叫串口重定位軟件，使實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的實(shí)際串口與用戶端的虛擬串口對應(yīng)，對實(shí)際串口進(jìn)行一個網(wǎng)絡(luò)映射，在用戶端通過組態(tài)王就可以對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問控制。

另外，在沒有上位機(jī)通用軟件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，可以采用基于Socket的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)ActiveX控件或遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)Java Applet小程序兩種方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)用戶機(jī)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室之間的動態(tài)數(shù)據(jù)的交換。ActiveX控件和Java Applet都是駐留在Web服務(wù)器上的，用戶在做實(shí)驗(yàn)前下載到遠(yuǎn)程用戶機(jī)上使用。兩者的區(qū)別是ActiveX控件在下載到遠(yuǎn)程用戶機(jī)后與具有獨(dú)立IP地址的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)代理服務(wù)器直接建立Socket連接，實(shí)現(xiàn)動態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳輸，建立連接后不需要再通過Web服務(wù)器轉(zhuǎn)接；而用Java Applet技術(shù)實(shí)現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)交換方式時，下載到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)工作站的Applet小程序與Web服務(wù)器之間建立Socket連接，Web服務(wù)器在局域網(wǎng)內(nèi)與遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)代理服務(wù)器建立連接，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)工作站和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)代理服務(wù)器之間交換的動態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和控制命令需要通過Web服務(wù)器中繼。

3 結(jié) 論

通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室以太網(wǎng)系統(tǒng)，突破了實(shí)驗(yàn)室對時間和空間的要求，特別是對一些比較貴重和需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備具有重要的意義。還可以在不同校區(qū)進(jìn)行跨校區(qū)實(shí)驗(yàn)，對不同大學(xué)，研究單位之間的跨地區(qū)合作有重要的作用。

另外，采用串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)以太網(wǎng)，對原有的實(shí)驗(yàn)條件無需做大的修改，就可以達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的效果。