基于單片機IAP技術(shù)和aLABVIEW實現(xiàn)遠程多對象控制系統(tǒng)的設(shè)計

引言

近年來，隨著因特網(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)對實驗室或者工業(yè)現(xiàn)場中控制對象進行遠程控制，已經(jīng)越來越受到重視，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。以Internet為基礎(chǔ)的遠程控制方式，可以避免現(xiàn)場環(huán)境對用戶的不良影響，不需要建立特殊的操作站或者輔設(shè)專用線路，而是直接利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施提供的價格低廉的通信線路作為系統(tǒng)構(gòu)架，硬件設(shè)備投資少，大大降低了遠程控制系統(tǒng)的成本。與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比，基于網(wǎng)絡(luò)的多對象遠程控制系統(tǒng)利用計算機作為網(wǎng)絡(luò)信號傳輸終端，不僅能夠延長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，安裝與維護簡單，可以提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性。而且控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正向體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)性網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方向發(fā)展，開放性控制網(wǎng)絡(luò)具有標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(shù)字I/O、4路模擬I/O口以及示波器、數(shù)字萬用表、各類電源和伯德圖分析儀，一方面可以方便的利用這些數(shù)據(jù)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驗結(jié)果借助于虛擬儀器形象化的表達出來。在軟件上myDAQ的開發(fā)采用圖形化系統(tǒng)設(shè)計軟件LabVIEW進行編程設(shè)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驗程序。采用LabVIEW的基于Web發(fā)布工具可以方便的實現(xiàn)網(wǎng)頁的遠程發(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(tǒng)”可實現(xiàn)隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)訪問該平臺完成交流電機、直流減速電機、伺服電機、倒立擺、步進電機、電阻爐的相關(guān)控制和任意切換，極大的方便了教學(xué)及實驗需要。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計與工作流程

基于Internet的遠程控制系統(tǒng)的模式主要有C/S（Client/Server）結(jié)構(gòu)、B/S（Brower/Server）和C/S/B（Client/Server/Brower）結(jié)構(gòu)。C/S/B常用于大型的集散控制系統(tǒng)的發(fā)布和遠程控制，適用于虛擬儀器測控系統(tǒng)。C/S模式適合于局域網(wǎng)環(huán)境，但是使用用戶數(shù)量有限，系統(tǒng)擴展維護較為復(fù)雜、軟件的開發(fā)成本也較高。B/S模式下，主要由現(xiàn)場過程控制實驗裝置、遠程實驗代理服務(wù)器、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、遠程實驗工作站等組成，通過實驗室的以太網(wǎng)和Internet將它們連接起來。B/S模式具有客戶端數(shù)量不受限制、軟件開發(fā)相對簡單、系統(tǒng)擴展維護簡單等優(yōu)點。所以，本設(shè)計選擇B/S模式。

該系統(tǒng)主要由3大部分組成：遠程客戶端、本地服務(wù)器端、現(xiàn)場被控端。其中又以現(xiàn)場被控端的設(shè)計最為復(fù)雜。遠程客戶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(qū)動的軟件。該主機是使遠程客戶端和本地服務(wù)器端進行通信的橋梁?，F(xiàn)場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(qū)動控制臺（直流減速控制臺、交流電機控制臺、伺服電機控制臺、步進電機控制臺、倒立擺控制臺、電阻爐控制臺）、攝像頭監(jiān)控。

該遠程控制系統(tǒng)完成后，實驗者可以通過任意一臺接入因特網(wǎng)的計算機來登錄遠程控制系統(tǒng)。通過鏈接進入整個系統(tǒng)的網(wǎng)址，驗證操作者的身份后進行操作，此時要求本地服務(wù)器端相關(guān)的LabVIEW軟件及VI程序是打開的。操作者進入運行界面后可選擇對應(yīng)的控制臺進行遠程控制。當(dāng)選擇某一個控制臺時本地服務(wù)器就會將相應(yīng)的命令信號通過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就會切換到對應(yīng)的控制平臺上，此時該平臺上的所有信號也和myDAQ連通了，從而有效地進行相關(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)器主要包括實驗室服務(wù)器（Lab Server）和服務(wù)代理端（Service Broker），是實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是連接實驗客戶端和實驗儀器設(shè)備的橋梁。服務(wù)器為用戶構(gòu)建一個遠程實驗交互平臺，負責(zé)整個系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)管理等工作。系統(tǒng)采用B/S模式，絕大部分運算和處理功能在Web服務(wù)器端實現(xiàn)。

遠程控制的發(fā)布實現(xiàn)過程如下：通過開啟Lab-VIEW的Web服務(wù)器，可以在網(wǎng)頁上發(fā)布LabVIEW程序，使本地或遠程的客戶端計算機可以實時瀏覽或控制Web服務(wù)器中的遠程面板，實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境的遠程控制。

使用LabVIEW的Web發(fā)布工具：Tools/Options，在彈出的對話框中完成與Web服務(wù)器有關(guān)的設(shè)置和LabVIEW程序的發(fā)布通過Tools/Web Publishing Tools對話框，可以將Web內(nèi)存中的程序，以網(wǎng)頁的形式發(fā)布，在客戶端進行瀏覽。遠程客戶端根據(jù)安裝軟件的不同可采取相應(yīng)的訪問登錄方式。

本設(shè)計選擇使用網(wǎng)頁瀏覽器在網(wǎng)頁中操作遠程面板。當(dāng)進入遠程控制前面板之后，實驗者單擊鼠標(biāo)右鍵，然后在彈出的菜單中申請vi控制權(quán)，當(dāng)多個遠程客戶端同時申請控制權(quán)時，只能有一個客戶端有控制權(quán)，其他的需在控制權(quán)釋放后重新申請并獲得控制權(quán)。

3 現(xiàn)場被控端設(shè)計

下位機被控端的設(shè)計是整個控制系統(tǒng)的核心部分，主要包括：信號源擴展及切換控制模塊的設(shè)計、被控對象控制模塊、LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)。

3.1 信號源擴展及切換控制模塊設(shè)計

為了保持與原有系統(tǒng)的兼容性，擴展信號的通道與原有實驗平臺的數(shù)據(jù)通道保持一致，結(jié)合NI公司提供的內(nèi)部引腳資料進行擴展設(shè)計。設(shè)計中運用模擬開關(guān)技術(shù)，模擬開關(guān)是一種能夠按照控制指令對模擬信號傳輸進行通斷控制的電路器件。通過模擬開關(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排線連接至六個控制分板。模擬開關(guān)在應(yīng)用中，一定要注意輸入信號不要超出規(guī)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AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機，片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)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Bootloader程序，來引導(dǎo)遠程傳來的程序數(shù)據(jù)寫入FLASH應(yīng)用區(qū)。本設(shè)計就是利用該原理設(shè)計的單片機切換程序。

3.2 被控對象控制模塊設(shè)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、步進電機、倒立擺、電阻爐）控制模塊的設(shè)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，然后在分至PCI口和拓展口。這里以交流電機的控制板設(shè)計為例進行說明。

交直流電機的控制主要有電機的啟動、停止;電機的換向;電機的變頻調(diào)速。其控制原理圖如圖3所示。

3.3 LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)

編程實現(xiàn)采用LabVIEW軟件進行編寫，這是一種圖形編程語言也叫G語言。這一部分主要由實驗選擇切換界面、被控對象操作界面、攝像監(jiān)控界面三部分組成。實驗選擇切換界面包括選擇實驗預(yù)覽按鈕和操作按鈕，選擇某一實驗預(yù)覽按鈕，將彈出實驗介紹圖片，便于用戶了解和學(xué)習(xí)實驗原理并預(yù)覽實驗效果圖。選擇相應(yīng)被控對象開始試驗按鈕，則彈出對應(yīng)不同被控對象控制板的LabVIEW操作子VI。攝像監(jiān)控界面利用LabVIEW軟件自帶的工具包編寫然后嵌在每個被控對象控制程序里面。被控對象操作界面的編程設(shè)計是重點，倒立擺控制的操作界面如圖4所示。

4 遠程客戶端設(shè)計

實驗客戶端是運行在網(wǎng)絡(luò)終端的用戶計算機。因為控制平臺的程序都由服務(wù)器承載和執(zhí)行，并且提供了相應(yīng)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)站進行遠程控制。

此時要求本地服務(wù)器端相關(guān)的LabVIEW軟件及VI程序是打開的。操作者進入運行界面后可選擇對應(yīng)的被控對象控制臺進行遠程控制。當(dāng)多個客戶端同時監(jiān)控服務(wù)器端時，可以多個同時控制，但只能有一個客戶端有控制權(quán)，其他的需等待釋放后獲得控制權(quán)。

5 結(jié)論

本文的基于myDAQ的遠程多對象控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，該方案中的遠程控制系統(tǒng)成功的結(jié)合了單片機IAP技術(shù)、模擬開關(guān)技術(shù)以及LabVIEW的Web發(fā)布技術(shù)，實現(xiàn)了不拘于時間、地點、場地要求的多種被控對象遠程控制系統(tǒng)。用戶只需一臺聯(lián)網(wǎng)的普通PC機即可完成相應(yīng)功能。通過本系統(tǒng)一方面可以遠程控制現(xiàn)場的各種被控對象，另一方面通過攝像頭還可以對現(xiàn)場的運行狀況進行查看，增加了真實性。該系統(tǒng)已經(jīng)通過了測試在學(xué)校范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。而且底層平臺還具有很強的擴展性，用戶可以根據(jù)自己的需要在被控端添加其他的被控對象，簡單快捷、實用性高。

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