基于LabVIEW的遠(yuǎn)程控制實驗系統(tǒng)

目前, 傳統(tǒng)教育體系已經(jīng)越來越不能適應(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)生只是被動聽講，這種方式已經(jīng)不適應(yīng)培養(yǎng)人才的要求。另外，在實驗設(shè)施不足的情況下，學(xué)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(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，也不利于及時追蹤到最新的科技信息。隨著計算機(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)建虛擬實驗室的方法。而遠(yuǎn)程實驗教學(xué)多數(shù)是利用虛擬技術(shù)實現(xiàn)，在這種虛擬實驗中,實驗者操縱的都不是實驗設(shè)備實物,看到的只是一些利用三維技術(shù)做出來的動畫,所獲得的實驗結(jié)果當(dāng)然也不是遠(yuǎn)程設(shè)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(yuǎn)程觀測和控制實驗設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)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(luò)從異地計算機(jī)上進(jìn)行實驗操作和觀察,所得到的實驗結(jié)果與在實驗室得到的結(jié)果完全一致,如同真實操作實驗設(shè)備一樣。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    遠(yuǎn)程控制實驗系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法如圖1所示,系統(tǒng)以B/S的形式提供服務(wù),用戶通過客戶端的瀏覽器登錄Web服務(wù)器,Web服務(wù)器請求數(shù)據(jù)庫進(jìn)行身份認(rèn)證后即可進(jìn)行相應(yīng)的實驗。

    從圖1所示的體系結(jié)構(gòu)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(gòu)建現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)入PLC，驅(qū)動現(xiàn)場實驗裝置。
    在LabVIEW平臺的網(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)議就能編寫復(fù)雜的分布式應(yīng)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(luò)通信方式進(jìn)行實驗比較，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(luò)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(qiáng)等特點。而對于數(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,這樣對于客戶端的需求會很低,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)器對遠(yuǎn)程測試進(jìn)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(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)訪問權(quán)限設(shè)置、VIs訪問權(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瀏覽器查看并控制該VI。
    (2)客戶機(jī)訪問權(quán)限設(shè)置。在Web Server: Browser Access中設(shè)置允許或禁止訪問的客戶機(jī)，以及其訪問權(quán)限，這里允許所有的客戶機(jī)訪問、觀看并控制遠(yuǎn)程面板。
    (3)VIs訪問權(quán)限設(shè)置。在Web Server: Visible VIs中設(shè)置允許客戶訪問的VIs,這里運(yùn)行客戶機(jī)訪問所有的VIs。設(shè)置完成后，為了提供網(wǎng)頁瀏覽器訪問，必須在配置服務(wù)器時利用菜單欄中的Tools—Web Publish Tool進(jìn)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(wù)中的默認(rèn)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(shè)定為Open During Execution即可。
2 網(wǎng)絡(luò)通信方式比較
    遠(yuǎn)程實驗系統(tǒng)可采用基于C/S和B/S兩種網(wǎng)絡(luò)模型來組建，針對不同的應(yīng)用場所，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個網(wǎng)絡(luò)編程方法在構(gòu)建遠(yuǎn)程控制實驗室時的應(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)是一種面向測控領(lǐng)域的通過網(wǎng)絡(luò)實時交換數(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(guān)網(wǎng)絡(luò)通信的底層程序。DataSocket API是用戶訪問網(wǎng)絡(luò)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)?？蛻舳司幊倘鐖D3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），本文就DSTP協(xié)議做了詳盡的研究。

2.2 Web Server
    在前面提到的DataSocket編程雖然可以很方便地用來傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程瀏覽，但是在遠(yuǎn)程計算機(jī)上也必須編寫程序來接收數(shù)據(jù)。在很多情況下，用戶希望能夠直接將服務(wù)端的VI程序面板“原封不動”地復(fù)現(xiàn)在遠(yuǎn)程客戶端上，在遠(yuǎn)程計算機(jī)上進(jìn)行瀏覽和操作，而LabVIEW 的Web Server恰好能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能。
    在遠(yuǎn)程客戶端連接服務(wù)端面板之前，需要先配置并啟動本地LabVIEW的Web服務(wù)器，而后在遠(yuǎn)程客戶端必須安裝LabVIEW  Run-Time引擎才能通過網(wǎng)頁連接服務(wù)端VI面板。
    配置并啟動本地LabVIEW的Web服務(wù)器時，首先選擇主菜單的“工具|選項|Web服務(wù)器：配置”，選擇“啟用Web服務(wù)器”，其他可保持默認(rèn)。而后在“工具|Web發(fā)布工具”選項里即可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。在遠(yuǎn)程客戶端網(wǎng)頁瀏覽器里輸入如“http://202.200.186.160”形式的網(wǎng)址即可訪問服務(wù)端，如圖4所示。利用Web Server的好處是用戶無需任何的編程就能在遠(yuǎn)程計算機(jī)上通過網(wǎng)頁連接服務(wù)端的VI前面板進(jìn)行瀏覽和操作，但相對DataSocket來說傳輸速率較低，在傳輸大量數(shù)據(jù)時有可能造成數(shù)據(jù)的丟失，故其較適合在數(shù)據(jù)傳送量不大、需要遠(yuǎn)程模擬仿真的情況。

    需要注意的是，要想在客戶端連接服務(wù)端的攝像頭視頻，必須先在客戶機(jī)上安裝NI公司的visionrte.exe[4]應(yīng)用程序，才能接收到完整的視頻信息。
2.3 TCP編程
    鑒于TCP協(xié)議在絕大多數(shù)計算機(jī)上都有安裝，因此其使用也就更為普遍。但是其編程相對于其他的網(wǎng)絡(luò)編程更加復(fù)雜，用戶端需要考慮如何建立連接、分配端口號、進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換等。TCP（Transmission Control Protocol）傳輸控制協(xié)議是一個面向連接的協(xié)議，允許從一臺計算機(jī)發(fā)出的字節(jié)流無差錯地發(fā)往互聯(lián)網(wǎng)上的其他計算機(jī)。TCP是基于兩個網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間的點對點通信，從程序接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)處理成字節(jié)流，再將字節(jié)組合成段，然后TCP對段編號和排序以便傳遞。在兩個TCP主機(jī)交換數(shù)據(jù)之前，必須先相互建立會話。TCP會話通過三向握手的過程進(jìn)行初始化。這個過程使序號同步，并提供在兩個主機(jī)之間建立虛擬連接所需的控制信號。一旦初始的三向握手完成，在發(fā)送和接收主機(jī)之間將按順序發(fā)送和確認(rèn)段。關(guān)閉連接之前，TCP使用類似的握手過程驗證兩個主機(jī)都完成發(fā)送和接收全部數(shù)據(jù)[6]。
    TCP通信的兩端分別為服務(wù)器端和客戶端。如圖5和圖6所示，服務(wù)端首先對指定的端口（如9000）監(jiān)聽，客戶端向服務(wù)端被監(jiān)聽的端口發(fā)出請求，服務(wù)端接收到來自客戶端的請求后便建立客戶端與服務(wù)端的連接，然后就可以利用該連接進(jìn)行通信了。

    需要注意的是，在構(gòu)建遠(yuǎn)程實驗室時涉及到視頻流的傳輸，而TCP傳輸?shù)膬H僅是字節(jié)流，這就必須將視頻流進(jìn)行解碼后按照字節(jié)流傳輸出去，再在客戶端通過程序編碼將視頻復(fù)現(xiàn)。
    LabVIEW在構(gòu)建遠(yuǎn)程控制實驗系統(tǒng)時采用的上述各種網(wǎng)絡(luò)通信方式可以看出，各有優(yōu)劣。針對遠(yuǎn)程實驗室系統(tǒng)的視頻流傳輸，因其對傳輸延遲、傳輸速率等方面要求很高，故建議采用C/S模式即TCP協(xié)議或DataSocket協(xié)議，而其他的控制指令的發(fā)布完全可以采用Web Server。本系統(tǒng)最后實現(xiàn)了多個遠(yuǎn)程控制實驗，調(diào)試結(jié)果表明用戶可以進(jìn)行實驗,并且可以根據(jù)用戶名保存或者查詢歷史實驗記錄。實驗驗證系統(tǒng)在校園網(wǎng)內(nèi)具有良好的實時性,能夠通過網(wǎng)絡(luò)為用戶提供實時的遠(yuǎn)程實驗服務(wù)。