基于CAN總線的遠程控制實驗室系統的研究與設計

關鳳華，李鵬飛

（1.西安工程大學電子信息學院，陜西 西安 710048；2.陜西航空職業技術學院，陜西 漢中 723102）

0 引 言

隨著我國高等教育的不斷發展，人才培養模式也發生了相應的改變，尤其是職業技術教育，在教學過程中更注重于以職業能力為主的實際操作能力的培養。對于一些實踐性較強的學科，實驗教學是培養學生實際操作能力的一種重要的教學手段[1]。學生在做實驗的過程中，可以加深對所學理論的理解，提高動手能力，增強學習興趣[2]。然而，傳統實驗方式要求學生必須在規定的時間，到規定地點才能進行實驗任務，部分實驗設備成本太高，臺套數有限，不能滿足每人一個實驗工位，從而導致時間分配和資源利用的不合理。而遠程控制實驗室系統就是改變這種不合理狀況的好辦法，它能夠突破傳統實驗方式在時間和空間上的限制，使得實驗者能自由安排時間，靈活選擇地點，充分利用資源，從而提高實驗效率[3]。

在遠程控制實驗室系統中，用戶通過WEB瀏覽器登陸實驗系統，不僅能操作遠程的實驗設備，并能獲取實驗數據,還能通過操作遠程網絡攝像頭來觀察實驗過程。有很多種通信方式都能夠方便地用來傳輸實驗現場的數據，供遠程實驗者瀏覽。但是，在遠程實驗者的計算機上必須要編寫程序來接受數據。在大多數情況下，用戶希望能夠直接將本地的程序面板“搬”到遠程計算機上進行觀察和操作。LabVIEW的Web服務器技術可“原封不動”地將本地程序前面板顯示在遠程計算機的屏幕上，這樣不僅可以直接在服務端的計算機上通過網絡來觀察試驗過程并獲取實驗數據，若遠程用戶知道服務端計算機的IP地址或遠程實驗系統的網絡地址，也能夠在客戶端的計算機上通過網絡間接觀察實驗過程或者獲取實驗數據[4]，因此，通過網絡就可以方便的實現實驗室的遠程控制。

1 遠程控制實驗室系統總體設計

系統采用通用接口總線GPIB(General-Purpose In?terface Bus)儀器控制技術，把可程控儀器和LabVIEW儀器控制服務器相連接，通過PLC實現儀器的本地控制。利用計算機網絡技術，把實驗題目和內容放在建立的遠程實驗網站平臺上，遠程實驗用戶只需要通過網絡瀏覽器登錄遠程實驗室的網絡服務器，就可以進行相關的實驗操作，遠程控制實驗儀器設備。為了用戶能夠通過網頁看到自己所操縱的實驗儀器，直接在客戶端電腦屏幕上觀察實驗過程，在遠程實驗室網站的網頁上，還可加入實驗視頻部分，通過視頻壓縮傳輸技術把視頻頭采集的實驗圖像傳送到網頁上。

2 遠程控制實驗室系統的設計與實現

2.1 遠程控制實驗室系統的硬件設計

遠程控制實驗室系統的硬件包括：儀器控制服務器、Web服務器、硬件實驗電路控制平臺、GPIB可編程控制儀器和攝像頭等。其中硬件實驗電路控制平臺主要包括電源板、實驗臺控制板、89C51串口通信板、模擬實驗板、數字實驗板、低頻實驗板等。實驗所需的±5 V、±12 V和+18 V電壓由電源板提供；具體的實驗儀器測試的切換工作由實驗臺控制板進行；與上位機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等相關數據發送給實驗控制臺；實驗過程中具體的實驗電路由模擬實驗板及數字實驗板來實現。

在硬件平臺中，串口通信板的地位至關重要。在進行實驗時，與LabVIEW服務器的通信、實驗測試點的切換、實驗數據的獲取和輸出都需要由串口通信板負責。系統的核心控制器選用的是AT89C51，在進行模擬實驗時，各個輸入/輸出測試點的切換控制由實驗臺控制板來實現。在進行多個模擬實驗時，往往需要變更信號參數和切換輸入信號的輸入點，有時還需要切換示波器和數字電壓表的測試點。遠程控制實驗室的實驗系統需要對測試點的切換能夠實現遠程控制，因此，在模擬實驗板的相關測試點上都必須引出接線點，以便于與實驗臺控制板接口。這樣，在增加實驗數目的時候，就不需要改動實驗臺控制板，只需要從實驗板上引出測試點和實驗臺控制板接口就可以了。

2.2 遠程控制實驗室系統的軟件設計

遠程控制實驗室系統的軟件由以下幾個子系統構成：Web服務器子系統、本地儀器控制子系統和客戶端子系統，如圖1所示。

圖1 遠程控制實驗室系統的軟件構成

Web服務器子系統是遠程控制實驗室系統的核心部分。用戶通過Web服務器，可以訪問實驗室系統的Web站點、控制實驗儀器，并獲得實驗的相關數據。客戶端與Web服務器、Web服務器與實驗室服務器之間通信的主要方法是公共網關接口CGI(Common Gate?way Interface)和傳輸控制協議TCP(Transport Control Protocol)。在本地控制子系統中，作為控制儀器的PC機上裝有通用接口總線(GPIB)接口和一塊網卡。儀器控制服務器通過已建立起的TCP/IP通道獲得來自Web服務器控制儀器的命令字符串，進而啟動儀器工作，完成測試任務。客戶端子系統是嵌入在Web服務器中，當用戶登錄到Web服務器上后，用戶可以瀏覽遠程控制實驗室站點，獲得所提供實驗的概括介紹以及詳細說明。

2.3 遠程控制實驗室系統的交互過程

開始實驗操作時，遠程用戶通過瀏覽器進入遠程控制實驗室系統網站的登錄頁面。當Web服務器接收到來自客戶端的有效CGI(Common Gateway Inter?face)請求后，從表單中獲取相應的實驗參數，進而向儀器控制服務器提交調用VI的請求。運行于儀器控制服務器上的GWeb Server接收到請求后，建立起與客戶端TCP/IP連接，調用相應的VI程序：首先調用串口通信程序，即通過串口向硬件實驗平臺發送控制指令;然后啟動儀器控制VI模塊，使其通過GPIB接口卡調用相關儀器設備，對實驗電路進行測試;最后將實驗測試結果以CGI響應的方式回傳到Web服務器，由Web服務器端的CGI程序刷新客戶端顯示，完成了整個實驗的操作過程[5]。

2.4 遠程控制實驗室系統的通信

在基于上下位機的遠程控制實驗室系統中，如何實現上下位機的通信是其中的關鍵點之一。CAN總線是一種現場總線，由于其數據通信具有突出的可靠性、實施性和靈活性而在數據和指令通信系統中得到了廣泛的應用。周立功公司提供的CAN卡PCI-5110通過PCI接口與微機進行數據交換，同時該卡實現了對CAN總線的封裝，通過LabVIEW調用該接口卡就可以方便、高效地實現基于CAN總線的上下位機的通信系統，從而為遠程控系統的開發奠定了良好的基礎。周立功的CAN卡為LabVIEW提供了兼容的驅動程序，方便了上下位機通信程序的開發。

外部應用程序通過調用CAN卡的驅動實現對CAN卡的操縱，PCI-5110的驅動是一個動態鏈接庫（Dynamic Link Library，簡稱 DLL）文件，文件名為PCI5110-TEST.dll中的函數封裝了PCI-5110相應的功能。在LabVIEW中對DLL的調用可以通過調用庫函數節點實現，該方法不允許被調函數的輸入輸出中出現結構類型的變量，但在PCI-5110提供的驅動中還有ControlCAN.dll文件。它的功能為使ZLGCAN設備在PC機上使用的應用程序接口是Virtual CAN Inter?face（VCI）函數庫，庫里的函數從ControlCAN.dll中導出，在LabVIEW中直接調用這些庫函數而無需額外的操作[6]。

3 結束語

以虛擬儀器為平臺設計了遠程控制實驗室系統，通過用戶登陸界面，嵌入一些虛擬實驗儀器設備，實現了利用計算機網絡進行實驗儀器操作的模擬和測量，并進行了多次演示，取得了很好的效果。該遠程控制實驗室較以往的遠程控制實驗室實現了網絡化，達到了資源共享，避免了儀器重復添置和資源浪費，使學生做實驗不再受時間和地點的限制，具有開發周期短，使用效率高，可擴展性強，成本低廉的特點，是解決傳統實驗方式受時間和空間限制，實驗室資源利用率不高的一種有效途徑。隨著計算機技術的不斷發展和網絡技術的不斷完善，遠程控制實驗室會有更好的應用前景。

[1] 解念鎖．金屬材料工程專業實踐教學研究與實踐[J].安徽工業大學學報(社會科學版)，2005，22（1）：96-98．

[2] 王瑾，史厚強.基礎力學實驗教學研究與實踐[J].實驗技術與管理，2007,24（10）：353-354.

[3] 孫鶴旭，梁濤，云利軍.現場總線控制系統的設計與開發[M].北京：國防工業出版社，2005.

[4] 杜尚豐，曹曉鐘，徐津.CAN總線測控技術及其應用[M].北京：電子工業出版社，2006.

[5] 周泉.CAN協議的幀與功能[J].汽車電器，2004(5):40-42.

[6] 饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京：航天航空大學出版社，1992.