ＷＥＢ環(huán)境下實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究

【摘要】針對(duì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中缺乏實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的問(wèn)題，本文采用ASP、 SQL Server和Java集成架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了web環(huán)境下機(jī)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。利用該平臺(tái)用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)控制算法、調(diào)整遠(yuǎn)端機(jī)電系統(tǒng)的控制參數(shù)，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)圖像也可反饋給用戶(hù)端。應(yīng)用效果驗(yàn)證了該網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的有效性和可行性。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)程交互；機(jī)電系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

【中圖分類(lèi)號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097 (2008) 12—0100—04

一 引言

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了教育中，它和教育的結(jié)合形成了新的教育方式，即網(wǎng)絡(luò)教育（E-learning）。網(wǎng)絡(luò)教育突破傳統(tǒng)學(xué)校教學(xué)方式的時(shí)空束縛，向人們展示了一個(gè)嶄新的、廣闊的學(xué)習(xí)世界，具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前的網(wǎng)絡(luò)教育主要著重于教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)與講解，缺乏研究性學(xué)習(xí)的環(huán)節(jié)，還沒(méi)有涉及互動(dòng)式的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[1]。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生增加感性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握，提高動(dòng)手能力和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

另一方面，隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)已不能很好地滿(mǎn)足學(xué)生的需求。由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)可供每個(gè)學(xué)生使用的設(shè)備資源十分有限，各高校的實(shí)驗(yàn)課教學(xué)大都存在著實(shí)驗(yàn)形式、內(nèi)容、要求與實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器材、場(chǎng)地等相對(duì)滯后的矛盾。實(shí)驗(yàn)保障條件的制約在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展和學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；二是已有的這些實(shí)驗(yàn)課程主要面向公共基礎(chǔ)必修課或?qū)I(yè)必修課，對(duì)于一些其它課程來(lái)說(shuō)，目前還缺乏能與課堂教學(xué)相配套的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，這無(wú)疑也將影響這些課程的教學(xué)效果。虛擬實(shí)驗(yàn)[2] 可以部分彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，但其主要是用仿真的方式模擬傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器和電子類(lèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如電工電子虛擬實(shí)驗(yàn)室、虛擬儀器的開(kāi)發(fā)研究等，不適用于復(fù)雜機(jī)電控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

針對(duì)上述問(wèn)題，我們研究開(kāi)發(fā)了WEB環(huán)境下機(jī)電控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了網(wǎng)絡(luò)的資源共享性、地域的分散性和時(shí)間的隨意性的特點(diǎn)，為學(xué)生提供便利的實(shí)驗(yàn)條件。對(duì)于機(jī)電控制類(lèi)課程，在課堂講授完基本控制理論和控制算法后，學(xué)生利用基于WEB瀏覽器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可在本地計(jì)算機(jī)上進(jìn)行控制算法或PID控制參數(shù)的設(shè)計(jì)，完成后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將這些設(shè)計(jì)參數(shù)或控制算法傳送給實(shí)際的機(jī)電控制系統(tǒng)，這些實(shí)際機(jī)電控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和結(jié)果又以視頻流圖像和圖表的方式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)反饋給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)反饋結(jié)果可以進(jìn)行進(jìn)一步的修改和設(shè)計(jì)，其效果猶如現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)一樣。當(dāng)某一時(shí)間段的允許實(shí)驗(yàn)人數(shù)超過(guò)系統(tǒng)限制后，其他等待的學(xué)生可通過(guò)視頻多點(diǎn)播放的形式對(duì)正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察，也可點(diǎn)播系統(tǒng)中其它的與課程內(nèi)容有關(guān)的視頻流文件。通過(guò)基于WEB的機(jī)電控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生加深了對(duì)課堂所學(xué)控制理論與方法的理解，同時(shí)又不受時(shí)間和場(chǎng)地的限制，從而使有限的設(shè)備資源得到了高效的利用，同時(shí)也為網(wǎng)絡(luò)教育提供了新的技術(shù)支持。

二 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要解決方案

基于WEB的機(jī)電控制遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由客戶(hù)端和服務(wù)器端組成?？蛻?hù)端不需要裝載特定程序，只要能接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，就可通過(guò)WEB瀏覽器訪問(wèn)該遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)操作。大大降低了對(duì)客戶(hù)端用戶(hù)的要求。

服務(wù)器端從邏輯上包括：Web服務(wù)器、媒體服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和若干控制服務(wù)器。Web服務(wù)器、媒體服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器由主控服務(wù)器擔(dān)當(dāng)。其中Web服務(wù)器負(fù)責(zé)響應(yīng)客戶(hù)端的請(qǐng)求、建立與客戶(hù)端的連接；媒體服務(wù)器將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際視頻圖像返回給客戶(hù)端的瀏覽器界面；數(shù)據(jù)服務(wù)器主要存儲(chǔ)相關(guān)信息和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息查詢(xún)和處理功能。

PID控制服務(wù)器和主控服務(wù)器放在同一局域網(wǎng)中，PID控制服務(wù)器通過(guò)串口連接電機(jī)PID控制卡來(lái)控制電機(jī)或其他機(jī)電設(shè)備。在這種結(jié)構(gòu)下，可以隨意方便地增加PID控制服務(wù)器數(shù)量而不影響系統(tǒng)的其它結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

整個(gè)WEB系統(tǒng)是采用ASP 和 SQL Server架構(gòu)構(gòu)建[3]。所有頁(yè)面均采用ASP編寫(xiě)，ASP即Active Server Pages，是一套微軟開(kāi)發(fā)的服務(wù)器端腳本環(huán)境，通過(guò)ASP我們可以建立動(dòng)態(tài)，交互且高效的Web服務(wù)器應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server，具有較好的穩(wěn)定性和并行性。

2 視頻直播架構(gòu)

視頻的直播是采用Helix Server系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)配置Helix Server之后（配置播放端口，架設(shè)實(shí)時(shí)廣播，設(shè)置Helix Producer Plus軟件，設(shè)置視頻傳輸速率），客戶(hù)端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。Helix Server系統(tǒng)的圖像壓縮比很高，圖像效果好，延時(shí)也在10秒之內(nèi)。

3 交互性客戶(hù)端架構(gòu)

交互式客戶(hù)端用于直流無(wú)刷電機(jī)PID調(diào)速控制實(shí)驗(yàn)。采用Java applet實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)socket完成和服務(wù)器之間的通信。Java的Applet具有真正的平臺(tái)無(wú)關(guān)性，安裝會(huì)在用戶(hù)載入含有Applet的網(wǎng)頁(yè)時(shí)自動(dòng)發(fā)生，而且具有很高的安全性[4]。服務(wù)器端的控制軟件需要較高的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性，采用C++編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)[5]。

三 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1 數(shù)據(jù)庫(kù)交互技術(shù)

數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于儲(chǔ)存用戶(hù)資料、學(xué)生預(yù)備作業(yè)信息以及教師批改信息。ASP通過(guò)ODBC連接方式，配置成功ODBC數(shù)據(jù)源之后，可以通過(guò)下面的語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)頁(yè)面與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的交互。

ConnectionString=\"DSN=webrobotDB;UID=sa;PWD=YourPwd;Database=webrobotDB\"。數(shù)據(jù)庫(kù)主要建有三個(gè)表：(1) 用戶(hù)資料主要保存學(xué)生的各項(xiàng)資料以及密碼，用于管理和登陸。(2) 學(xué)生預(yù)備作業(yè)表主要保存學(xué)生需要提交的習(xí)題。(3) 教師批改信息表保存教師對(duì)學(xué)生作業(yè)的批語(yǔ)。

2 直流無(wú)刷電機(jī)PID遠(yuǎn)程交互控制實(shí)現(xiàn)

PID遠(yuǎn)程交互控制實(shí)驗(yàn)主要是為了讓學(xué)生能夠更好了解電機(jī)的PID調(diào)速控制。用戶(hù)取得權(quán)限登陸互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之后可以連接上主控服務(wù)器，該服務(wù)器連接了PID控制服務(wù)器以及其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，PID控制服務(wù)器和主控服務(wù)器是出于同一個(gè)局域網(wǎng)，每個(gè)服務(wù)器都有自己的局域網(wǎng)IP。在授權(quán)用戶(hù)登錄網(wǎng)絡(luò)后，主控服務(wù)器可以智能地為用戶(hù)選擇一臺(tái)可供操作的空閑服務(wù)器，同時(shí)若是沒(méi)有空閑的服務(wù)器，系統(tǒng)會(huì)提示繁忙。如果用戶(hù)取得某一服務(wù)器的使用權(quán)之后，完成相應(yīng)的操作實(shí)驗(yàn)之后便會(huì)和服務(wù)器斷開(kāi)，服務(wù)器便重新進(jìn)入等待狀態(tài)。

客戶(hù)端通過(guò)applet建立和PID控制服務(wù)器的socket連接，根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議傳送PID參數(shù)給PID控制服務(wù)器。PID控制服務(wù)器端獲取客戶(hù)端的數(shù)據(jù)之后，轉(zhuǎn)換為電機(jī)控制指令通過(guò)串口發(fā)送給電機(jī)控制卡。

電機(jī)控制卡核心CPU是TMS320F240型的DSP芯片，采用PID算法，利用PWM原理對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度伺服控制。PID控制參數(shù)和速度給定取決于串口接收到的設(shè)定值，伺服周期1ms，由實(shí)時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)定時(shí)。TMSF240的通用定時(shí)器分派如下：T1用于產(chǎn)生PWM信號(hào)的全比較單元，T2用于碼盤(pán)計(jì)數(shù)。運(yùn)行期間，主控軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度采樣，同時(shí)對(duì)電機(jī)控制卡發(fā)送握手確認(rèn)。運(yùn)行完畢之后客戶(hù)端可以接受從服務(wù)器端發(fā)送的一系列速度值，利用applet繪制速度曲線，用戶(hù)可以更加直觀理解PID控制。

（1）客戶(hù)端控制

客戶(hù)端采用java的applet實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程機(jī)電設(shè)備的控制操作，界面如圖2所示，其功能是接受用戶(hù)輸入?yún)?shù)，并用曲線和視頻流的方式將遠(yuǎn)端的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行可視化反饋。客戶(hù)端主要有兩個(gè)模塊：socket連接模塊和轉(zhuǎn)速曲線繪制模塊。

socket連接模塊主要實(shí)現(xiàn)連接服務(wù)器，發(fā)送和收發(fā)等行為。如果有服務(wù)器空閑，主控服務(wù)器便會(huì)返回0x22給客戶(hù)端，同時(shí)連接PID控制服務(wù)器。但是如果沒(méi)有空閑的服務(wù)器，便會(huì)發(fā)送0x33給客戶(hù)端，同時(shí)關(guān)閉socket連接。

連接上服務(wù)器之后，用戶(hù)可以從客戶(hù)端選擇控制算法（P，PI，PD或PID算法）并發(fā)送相關(guān)參數(shù)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行完畢之后，客戶(hù)端通過(guò)socket從服務(wù)器取得電機(jī)轉(zhuǎn)速的采樣數(shù)值組，繪制轉(zhuǎn)速PID曲線。

繪制PID曲線使用曲線線段化的方法，保證足夠的采樣點(diǎn)，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)PID曲線的繪制。為了對(duì)獲取的速度采樣值進(jìn)行描繪，封裝了drawCanvas類(lèi)。其中drawLine(x1，y1，x2，y2)用來(lái)繪制從（x1，y1）到（x2，y2）的直線。

從服務(wù)器段獲得的速度值存儲(chǔ)在v[m]數(shù)組中，利用這些數(shù)值繪制速度PID曲線繪：圖3給出了不同PID參數(shù)相應(yīng)下實(shí)際繪制的曲線。

用戶(hù)按下“視頻”按鈕后，實(shí)際機(jī)電設(shè)備所在現(xiàn)場(chǎng)的視頻就會(huì)在控制界面上顯示出來(lái)，便于用戶(hù)觀察實(shí)驗(yàn)效果。處于等待狀態(tài)的用戶(hù)，也可通過(guò)選擇視頻反饋來(lái)觀看其他用戶(hù)的實(shí)驗(yàn)。

（2）通信數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

通信數(shù)據(jù)幀格式如下：

AA AA PH PL IH IL DH DL VH VL 55 55 （共10個(gè)字節(jié)）

其中各數(shù)據(jù)或參數(shù)意義如下：

AA AA：幀頭

PH/PL：比例參數(shù)的高位（整數(shù)部分）/ 低位（兩位小數(shù)部分），

IH/IL：積分參數(shù)的高位（整數(shù)部分）/ 低位（兩位小數(shù)部分），

DH/DL：微分參數(shù)的高位（整數(shù)部分）/ 低位（兩位小數(shù)部分），

VH/VL：速度設(shè)定值的高位（轉(zhuǎn)/分）/ 低位（轉(zhuǎn)/分），

55 55：幀尾

所有的數(shù)據(jù)均由上位機(jī)以16進(jìn)制發(fā)送，其中PID各參數(shù)的低位是將控制參數(shù)的兩位小數(shù)部分，比如要發(fā)送P值為1.5，則PH=01H=01D，PL=32H=50D。

（3）主控軟件

該程序的功能相當(dāng)于一個(gè)代理，連接applet和PID控制服務(wù)器，核心的是一個(gè)服務(wù)線程以及一個(gè)控制類(lèi)。

控制類(lèi)。這個(gè)類(lèi)的每一個(gè)實(shí)例代表著一個(gè)PID控制服務(wù)器，也就是說(shuō)它和PID控制服務(wù)器是一一對(duì)應(yīng)的。主要存放著三個(gè)信息：strIP（代表PID控制服務(wù)器的IP地址），_nPort（代表PID控制服務(wù)器中控制線程的服務(wù)端口），_strVideoStreamUrl（代表指向相對(duì)應(yīng)電機(jī)的媒體直播的鏈接）。還有一個(gè)運(yùn)行時(shí)使用的信息：_bInUse，用來(lái)指示該P(yáng)ID控制服務(wù)器是否正在使用。

競(jìng)爭(zhēng)處理。由于服務(wù)器數(shù)量有限，因此要考慮到數(shù)量不足的情況。程序使用了同步控制來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

服務(wù)器線程。服務(wù)器線程的作用為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，也就是代理的作用。為了實(shí)現(xiàn)較高的穩(wěn)定性，服務(wù)器中的通訊采用Request-Response方式，并采用了超時(shí)處理。

（4）PID控制服務(wù)器段控制軟件

采用VC編寫(xiě)，通過(guò)主控軟件的中轉(zhuǎn)能夠與客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)socket連接，并能夠管理從客戶(hù)端發(fā)出的請(qǐng)求連接，在連接握手協(xié)議和數(shù)據(jù)通信協(xié)議的支持下保證連接通信的可靠性。同時(shí)建立串口連接，實(shí)現(xiàn)與電機(jī)控制卡的通信，并在協(xié)議的支持下保證通信的可靠性。

在與客戶(hù)端連接和通信中使用CSocket類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)客戶(hù)端有連接請(qǐng)求時(shí)建立連接，同時(shí)在主控服務(wù)器中注冊(cè)使用狀態(tài)。服務(wù)器端軟件通過(guò)socket從客戶(hù)端接受PID控制參數(shù)和速度值之后，通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給電機(jī)控制卡，并向客戶(hù)端發(fā)送握手?jǐn)?shù)據(jù)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，主控軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度采樣，同時(shí)對(duì)電機(jī)控制卡發(fā)送握手確認(rèn)。運(yùn)行完畢之后向客戶(hù)端發(fā)送的一系列速度值。如此循環(huán)直到客戶(hù)端斷開(kāi)去服務(wù)器的連接，從而服務(wù)器端又重新進(jìn)入等待狀態(tài)。

（5）電機(jī)PID控制卡的伺服驅(qū)動(dòng)

控制卡啟動(dòng)后，等待相應(yīng)的PID控制服務(wù)器的RS232的數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)的接收是利用中斷的方式實(shí)現(xiàn)的，并且只有在接收到“AA AA”后才繼續(xù)接收后面的數(shù)據(jù)。接收結(jié)束后在主程序中判斷接收到的幀頭和幀尾，如果頭尾數(shù)據(jù)接收都正確，則可以認(rèn)為整個(gè)數(shù)據(jù)幀接收正確，然后將相應(yīng)的參數(shù)賦值，打開(kāi)電機(jī)伺服實(shí)時(shí)中斷。

在每個(gè)伺服周期中，將碼盤(pán)的增量（線數(shù)）記錄下來(lái)，且由于每個(gè)伺服周期的時(shí)間固定為1ms，所以可由下式計(jì)算出當(dāng)前的電機(jī)實(shí)際速度（轉(zhuǎn)/分）：

實(shí)際速度=（碼盤(pán)增量/10000）*1000*60=6*碼盤(pán)增量

并將其記錄下來(lái)，在一定數(shù)量的伺服周期后，關(guān)閉實(shí)時(shí)中斷，將采集的速度值以查詢(xún)的方式回發(fā)給上位機(jī)。然后下位機(jī)進(jìn)入等待，準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)幀。

四 結(jié)束語(yǔ)

本文將網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)不受時(shí)間和場(chǎng)地的限制。設(shè)計(jì)的Web環(huán)境下機(jī)電系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用了ASP加SQL Server的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)模式，并基于WEB瀏覽器，簡(jiǎn)單易行，方便直觀。

作為高等學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目，該遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已應(yīng)用到本科機(jī)電控制工程課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。在實(shí)際應(yīng)用中，具有系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性、可靠性和可擴(kuò)展性，可根據(jù)需要增加新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)上共享，大大提高了實(shí)驗(yàn)資源的利用率和實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)能力，取得了很好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，受到廣大師生的好評(píng)。

本文提出的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)，也可推廣應(yīng)用到課堂教學(xué)的演示性實(shí)驗(yàn)中，并對(duì)其它學(xué)科的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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