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0 引言 近年來(lái)，隨著(zhù)因特網(wǎng)的日益普及和網(wǎng)絡(luò )遠程控制技術(shù)的發(fā)展，利用網(wǎng)絡(luò )對實(shí)驗室或者工業(yè)現場(chǎng)中控制對象進(jìn)行遠程控制，已經(jīng)越來(lái)越受到重視，應用范圍也越來(lái)越廣泛。以Internet為基礎的遠程控制方式，可以避免現場(chǎng)環(huán)境對用戶(hù)的不良影響，不需要建立特殊的操作站或者輔設專(zhuān)用線(xiàn)路，而是直接利用現有的網(wǎng)絡(luò )設施提供的價(jià)格低廉的通信線(xiàn)路作為系統構架，硬件設備投資少，大大降低了遠程控制系統的成本。與傳統的控制技術(shù)相比，基于網(wǎng)絡(luò )的多對象遠程控制系統利用計算機作為網(wǎng)絡(luò )信號傳輸終端，不僅能夠延長(cháng)控制器與被控對象之間的空間距離，而且具有較高的故障診斷能力，安裝與維護簡(jiǎn)單，可以提高系統的靈活性和可靠性。而且控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)正向體系結構的開(kāi)發(fā)性網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)方向發(fā)展，開(kāi)放性控制網(wǎng)絡(luò )具有標準化、可移植性、可擴展性和可操作性。 NI myDAQ是美國國家儀器有限公司(NI)推出的一款便攜式儀器，在輕巧的組成結構中集成了8款最常用的軟件儀器，而且配有USB即插即用功能，可針對各種測量進(jìn)行快速方便的采集與顯示，方便了控制信號的輸入輸出。NI myDAQ將軟件與硬件集合成了一個(gè)整體。硬件上myDAQ集成多達20路的信號通道，其中包含了8路數字I/O、4路模擬I/O口以及示波器、數字萬(wàn)用表、各類(lèi)電源和伯德圖分析儀，一方面可以方便的利用這些數據通道采集被控對象狀態(tài)信息、發(fā)送控制命令，另一方面還可以將實(shí)驗結果借助于虛擬儀器形象化的表達出來(lái)。在軟件上myDAQ的開(kāi)發(fā)采用圖形化系統設計軟件LabVIEW進(jìn)行編程設計，利用集成化、形象化、模塊化的圖形編程方式可以快速方便的編制出實(shí)驗程序。采用LabVIEW的基于Web發(fā)布工具可以方便的實(shí)現網(wǎng)頁(yè)的遠程發(fā)布，為遠程控制提供了可能。本項目研究的“基于myDAQ的遠程多對象控制系統”可實(shí)現隨時(shí)隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)該平臺完成交流電機、直流減速電機、伺服電機、倒立擺、步進(jìn)電機、電阻爐的相關(guān)控制和任意切換，極大的方便了教學(xué)及實(shí)驗需要。 1 系統的整體設計與工作流程 基于Internet的遠程控制系統的模式主要有C/S(Client/Server)結構、B/S(Brower/Server)和C/S/B(Client/Server/Brower)結構。C/S/B常用于大型的集散控制系統的發(fā)布和遠程控制，適用于虛擬儀器測控系統。C/S模式適合于局域網(wǎng)環(huán)境，但是使用用戶(hù)數量有限，系統擴展維護較為復雜、軟件的開(kāi)發(fā)成本也較高。B/S模式下，主要由現場(chǎng)過(guò)程控制實(shí)驗裝置、遠程實(shí)驗代理服務(wù)器、Web服務(wù)器、數據庫服務(wù)器、遠程實(shí)驗工作站等組成，通過(guò)實(shí)驗室的以太網(wǎng)和Internet將它們連接起來(lái)。B/S模式具有客戶(hù)端數量不受限制、軟件開(kāi)發(fā)相對簡(jiǎn)單、系統擴展維護簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設計選擇B/S模式。 該系統主要由3大部分組成：遠程客戶(hù)端、本地服務(wù)器端、現場(chǎng)被控端。其中又以現場(chǎng)被控端的設計最為復雜。遠程客戶(hù)端是一臺連入因特網(wǎng)的計算機。本地服務(wù)器端是一臺裝有Web服務(wù)器的主機，該主機需要安裝LabVIEW及相關(guān)驅動(dòng)的軟件。該主機是使遠程客戶(hù)端和本地服務(wù)器端進(jìn)行通信的橋梁�，F場(chǎng)被控端又細分為三部分：信號源擴展及切換控制平臺、多對象驅動(dòng)控制臺(直流減速控制臺、交流電機控制臺、伺服電機控制臺、步進(jìn)電機控制臺、倒立擺控制臺、電阻爐控制臺)、攝像頭監控。 該遠程控制系統完成后，實(shí)驗者可以通過(guò)任意一臺接入因特網(wǎng)的計算機來(lái)登錄遠程控制系統。通過(guò)鏈接進(jìn)入整個(gè)系統的網(wǎng)址，驗證操作者的身份后進(jìn)行操作，此時(shí)要求本地服務(wù)器端相關(guān)的LabVIEW軟件及VI程序是打開(kāi)的。操作者進(jìn)入運行界面后可選擇對應的控制臺進(jìn)行遠程控制。當選擇某一個(gè)控制臺時(shí)本地服務(wù)器就會(huì )將相應的命令信號通過(guò)串口和采集卡分別送到信號源擴展及切換控制平臺上的單片機和myDAQ，這樣myDAQ就會(huì )切換到對應的控制平臺上，此時(shí)該平臺上的所有信號也和myDAQ連通了，從而有效地進(jìn)行相關(guān)控制。其工作流程如圖1所示。 2 本地服務(wù)器 本地服務(wù)器主要包括實(shí)驗室服務(wù)器(Lab Server)和服務(wù)代理端(Service Broker)，是實(shí)驗系統的基礎，是連接實(shí)驗客戶(hù)端和實(shí)驗儀器設備的橋梁。服務(wù)器為用戶(hù)構建一個(gè)遠程實(shí)驗交互平臺，負責整個(gè)系統的任務(wù)調度和網(wǎng)絡(luò )管理等工作。系統采用B/S模式，絕大部分運算和處理功能在Web服務(wù)器端實(shí)現。 遠程控制的發(fā)布實(shí)現過(guò)程如下：通過(guò)開(kāi)啟Lab-VIEW的Web服務(wù)器，可以在網(wǎng)頁(yè)上發(fā)布LabVIEW程序，使本地或遠程的客戶(hù)端計算機可以實(shí)時(shí)瀏覽或控制Web服務(wù)器中的遠程面板，實(shí)現生產(chǎn)環(huán)境的遠程控制。 使用LabVIEW的Web發(fā)布工具：Tools/Options，在彈出的對話(huà)框中完成與Web服務(wù)器有關(guān)的設置和LabVIEW程序的發(fā)布通過(guò)Tools/Web Publishing Tools對話(huà)框，可以將Web內存中的程序，以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)布，在客戶(hù)端進(jìn)行瀏覽。遠程客戶(hù)端根據安裝軟件的不同可采取相應的訪(fǎng)問(wèn)登錄方式。 本設計選擇使用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器在網(wǎng)頁(yè)中操作遠程面板。當進(jìn)入遠程控制前面板之后，實(shí)驗者單擊鼠標右鍵，然后在彈出的菜單中申請vi控制權，當多個(gè)遠程客戶(hù)端同時(shí)申請控制權時(shí)，只能有一個(gè)客戶(hù)端有控制權，其他的需在控制權釋放后重新申請并獲得控制權。 3 現場(chǎng)被控端設計 下位機被控端的設計是整個(gè)控制系統的核心部分，主要包括：信號源擴展及切換控制模塊的設計、被控對象控制模塊、LabVIEW程序實(shí)現。 3.1 信號源擴展及切換控制模塊設計 為了保持與原有系統的兼容性，擴展信號的通道與原有實(shí)驗平臺的數據通道保持一致，結合NI公司提供的內部引腳資料進(jìn)行擴展設計。設計中運用模擬開(kāi)關(guān)技術(shù)，模擬開(kāi)關(guān)是一種能夠按照控制指令對模擬信號傳輸進(jìn)行通斷控制的電路器件。通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)芯片CD4053、CD4051將myDAQ上的信號擴展成六路信號，然后將每一路信號匯總通過(guò)排線(xiàn)連接至六個(gè)控制分板。模擬開(kāi)關(guān)在應用中，一定要注意輸入信號不要超出規定的范圍。 對于切換控制模塊，將其與信號擴展模塊做在同一塊電路板上，圖2是信號源擴展及切換板的PCB圖。 切換控制模塊主要采用AVR單片機系列中ATmega8，ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于A(yíng)VR RISC結構的8位單片機，片內集成了較大容量的非易失性程序和數據存儲器以及工作存儲器。利用AVR單片機的軟編程技術(shù)，在單片機FLASH底層固化一個(gè)Bootloader程序，來(lái)引導遠程傳來(lái)的程序數據寫(xiě)入FLASH應用區。本設計就是利用該原理設計的單片機切換程序。 3.2 被控對象控制模塊設計 對于被控對象控制模塊，主要包括被控對象平臺板及被控對象(直流減速電機、交流電機、伺服電機、步進(jìn)電機、倒立擺、電阻爐)控制模塊的設計。被控對象平臺板是將擴展板上分出的六路信號收集起來(lái)，然后在分至PCI口和拓展口。這里以交流電機的控制板設計為例進(jìn)行說(shuō)明。 交直流電機的控制主要有電機的啟動(dòng)、停止;電機的換向;電機的變頻調速。其控制原理圖如圖3所示。 3.3 LabVIEW程序實(shí)現 編程實(shí)現采用LabVIEW軟件進(jìn)行編寫(xiě)，這是一種圖形編程語(yǔ)言也叫G語(yǔ)言。這一部分主要由實(shí)驗選擇切換界面、被控對象操作界面、攝像監控界面三部分組成。實(shí)驗選擇切換界面包括選擇實(shí)驗預覽按鈕和操作按鈕，選擇某一實(shí)驗預覽按鈕，將彈出實(shí)驗介紹圖片，便于用戶(hù)了解和學(xué)習實(shí)驗原理并預覽實(shí)驗效果圖。選擇相應被控對象開(kāi)始試驗按鈕，則彈出對應不同被控對象控制板的LabVIEW操作子VI。攝像監控界面利用LabVIEW軟件自帶的工具包編寫(xiě)然后嵌在每個(gè)被控對象控制程序里面。被控對象操作界面的編程設計是重點(diǎn)，倒立擺控制的操作界面如圖4所示。 4 遠程客戶(hù)端設計 實(shí)驗客戶(hù)端是運行在網(wǎng)絡(luò )終端的用戶(hù)計算機。因為控制平臺的程序都由服務(wù)器承載和執行，并且提供了相應的操作界面，任何連接在Internet上的PC機都可以使用瀏覽器登錄到網(wǎng)站進(jìn)行遠程控制。 此時(shí)要求本地服務(wù)器端相關(guān)的LabVIEW軟件及VI程序是打開(kāi)的。操作者進(jìn)入運行界面后可選擇對應的被控對象控制臺進(jìn)行遠程控制。當多個(gè)客戶(hù)端同時(shí)監控服務(wù)器端時(shí)，可以多個(gè)同時(shí)控制，但只能有一個(gè)客戶(hù)端有控制權，其他的需等待釋放后獲得控制權。 5 結論 本文的基于myDAQ的遠程多對象控制系統的設計方案，該方案中的遠程控制系統成功的結合了單片機IAP技術(shù)、模擬開(kāi)關(guān)技術(shù)以及LabVIEW的Web發(fā)布技術(shù)，實(shí)現了不拘于時(shí)間、地點(diǎn)、場(chǎng)地要求的多種被控對象遠程控制系統。用戶(hù)只需一臺聯(lián)網(wǎng)的普通PC機即可完成相應功能。通過(guò)本系統一方面可以遠程控制現場(chǎng)的各種被控對象，另一方面通過(guò)攝像頭還可以對現場(chǎng)的運行狀況進(jìn)行查看，增加了真實(shí)性。該系統已經(jīng)通過(guò)了測試在學(xué)校范圍內穩定運行。而且底層平臺還具有很強的擴展性，用戶(hù)可以根據自己的需要在被控端添加其他的被控對象，簡(jiǎn)單快捷、實(shí)用性高。 |
