引 言

隨著高等教育的迅速發展，高校規模和人數不斷擴大，而教育資源并沒有隨之相應地得到及時有效補充，現階段形成了不斷增長的學生人數和教育資源、特別是實驗室資源相對缺乏的矛盾。另外，目前高等學校實驗創新性不足，學生對教學規定的實驗缺乏興趣等等現象嚴重。如何高效、合理地利用現有的實驗條件進行實驗教學，提高學生自主學習積極性，建立創新性實驗、實踐教學條件和環境，科研對于解決這些問題有著重要的意義。

本文提出了一種開放性實驗室的具體實施方案，從現有的實驗條件出發，利用以太網技術，自動化技術和嵌入式的硬件開發，實現通過校園網、甚至Internet 可以遠程訪問和監控實驗現場，做到如同親臨實驗現場的感覺，不但提高了實驗室資源的利用率，有效地緩解了實驗室資源與增多的高校學生人數之間的矛盾，也全面提升了自動化專業實驗手段的技術含量和擴大了學生專業視野，對培養學生的實驗興趣也有很大效果。

1 系統的整體方案

現在高校電氣與自動化類實驗室設備大多是有通訊串口，能在本地用計算機對實驗過程數據監測和操作，但是對于聯入以太網或者校園網的功能欠缺，本文以過程控制實驗室為例，采用以太網監控系統的通信接口和軟件技術，對具有本地傳統通訊串口的實驗設備實施具備遠程訪問、監控功能的二次開發和設計，實現一種基于工業以太網架構的遠程開放型控制系統實驗平臺。

以過程控制實驗室中流行使用的PCI—Ⅰ型過程控制系統實驗裝置為例，此裝置主要對連續性工業過程中的物理模擬量例如液位、壓力、流量、溫度等熱工參數的自動調節控制。上位機軟件采用北京亞控公司組態王軟件，完成現場數據的采集、流程控制、動畫顯示、報表輸出、實時和歷史數據的處理，報警和安全機制、趨勢曲線及企業監控網絡的功能。

原有的實驗設備是通過控制臺的RS-232 串口接入計算機，其最大訊通距離只有15 m，無法滿足遠程監控的需要。利用現有的實驗室以太網系統，把串口實驗設備聯入網絡，再進入校園網。在實驗設備終端進行串口與網口的轉換，使用串口聯網模塊，實驗串口數據轉化為支持以太網TCP/IP 協議的網絡數據。系統的總體框圖如圖1。

圖1 以太網框架

數據采集部分仍然使用實驗設備自帶的液位傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及標準的工業自動化儀表等，通過牛頓7000 系列模塊實驗A/D轉換，把實驗數據傳送給RS-232 串口。用戶上位機仍然使用原有的組態王監控軟件，使用重定位串口程序，使得本地計算機串口和遠程現場實驗設備串口實現對應。另外由于組態王軟件直接支持TCP/IP 協議，在軟件上設置數據，也可直接訪問以太網中IP 地址來與實驗設備進行數據交換。

2 系統中用到的關鍵技術

構建基于以太網的遠程實驗平臺用到計算機技術、自動化技術和網絡技術等，由于實驗對象沒有網口使實驗系統直接接入以太網，而僅有一個標準的RS-232 串口，所以需要在底層開發配置智能網絡節點，在串口和網口之間進行數據交換，實現串口數據發送給網絡，接收網絡命令給實驗設備的功能。

由于已有的組態王軟件可以支持串口和TCP/IP 網絡訪問，所以用戶端可采用兩種方式訪問實驗終端，一種是安裝虛擬串口驅動程序，并創建虛擬串口，通過參數設定，計算機的虛擬串口和遠端的真實串口建立對應關系，使用者可像真實串口一樣任意使用這些虛擬串口。第二種方式是實驗終端的串口聯網模塊設置固定的IP 地址，用戶通過以太網訪問網絡中的IP 地址，來進行對實驗設備的訪問和控制。

2.1 串口服務器

底層智能網絡接口采用了深圳三旺通信公司的NP-311 型串口設備聯網服務器。NP311 支持諸如WINSOCK 等標準的API 接口形式TCP/UDP 以太網直接訪問方式，并且使用On-the-Fly 免設置功能，通過驅動程序實時監聽客戶軟件，實時調整。

支持TCP（Transmission Control Protocol），UDP（User Datagram Protocol），ARP（AddressResolution Protocol），ICMP（InternetControl Message Protocol）和DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol）。支持Server和Client 模式，使串口實驗設備工作在C/S 模式。

此設備模塊使用的On-the-Fly 免設置功能，監聽使用者的軟件，實時調整串口參數，在使用過程中諸如串口速率、奇偶校驗、比特位等一系列參數實現自動設置。并且提供了一種安全的密碼保護功能，這在開放式總線結構的的以太網中非常實用，可以避免非法用戶的訪問，對實驗設備起到保護的作用。

2.2 嵌入式TCP/IP 協議

嵌入式設備的存儲器一般都很有限，要把整個TCP/IP 協議族嵌入到系統中，顯然會非常吃力，并且在實際使用中，并不是協議族中的所有協議都要用到。鑒于嵌入式系統自身的特點以及系統實際需要，這里并沒有實現全部的TCP/IP 協議，而是采用了簡化了的TCP/IP 協議族。它的體系結構由高到低分為應用層、傳輸層、網絡層和鏈路層四層，每一層都有相應的協議集來完成不同的通信功能。

圖2 TCP/IP 協議族的分層

作為TCP/IP 協議的最底層，鏈路層也稱為數據鏈路層或網絡接口層，主要是接收網絡層的IP數據包，然后通過物理接口發送給串口實驗設備，或是從串口設備接收數據幀，抽出數據包并轉發給網絡層。也為ARP 模塊發送ARP 請求和接收ARP應答。

網絡層的主要協議是IP 協議，是整個協議族中最重要的一層，是所有TCP、UDP、ICMP 及IGMP的基礎，IP 協議提供了不可靠、無連接的數據報傳送服務。另外，網絡層中ICMP 負責傳遞差錯報文以及其他需要注意的信息，在IP 數據報內部傳輸；IGMP 用于支持主機和路由器進行多播，讓一個物理網絡上的所有系統知道主機當前所在的多播組。

傳輸層主要用于兩臺主機應用程序的端對端通信，提供了兩種不同的傳輸協議：UDP（用戶數據報協議）和TCP（傳輸控制協議）。UDP 是面向無連接、不可靠的傳輸協議，TCP 是面向連接、可靠的傳輸協議。TCP 主機與客戶機通信時，通過三次所謂的“握手”認證，在網絡間建立一個虛擬的連接路徑；而UDP 則不建立這個連接。所以有時候UDP 會出現數據丟包現象。

串口服務器接收到網絡數據后，進入到TCP/IP協議對以太網數據幀進行處理，逐個判斷是否為ARP 報文、IP 報文、ICMP 報文以及TCP 報文，確定后進入相應的報文處理過程[4]。程序設計中采用中斷的方式，可以提高CPU 的利用率，當有新數據接收或發送時，主程序進入中斷程序進行響應的處理。網絡數據處理流程圖略。

2.3 上位機軟件設計

用戶端使用基于Windows 平臺的組態王軟件，它具有快速構成和生成上位機監控系統的功能，具有強大的開放性，可以利用VC、VB 等開發工具編寫應用程序來訪文組態王實時數據庫中的變量，對組態王進行控制。

組態王軟件支持TCP/IP 以及485/232 等多種網絡體系功能，這就給了多一些選擇來實現遠程監控。一種是通過直接訪問串口服務器的在校園網中唯一確定的IP 地址，進行網絡控制；另外可以在用戶端安裝一種虛擬串口軟件，也叫串口重定位軟件，使實驗設備中的實際串口與用戶端的虛擬串口對應，對實際串口進行一個網絡映射，在用戶端通過組態王就可以對實驗設備進行網絡訪問控制。

另外，在沒有上位機通用軟件的實驗系統中，可以采用基于Socket的遠程實驗ActiveX控件或遠程實驗Java Applet小程序兩種方式實現遠程實驗用戶機和現場實驗室之間的動態數據的交換。ActiveX控件和Java Applet都是駐留在Web服務器上的，用戶在做實驗前下載到遠程用戶機上使用。兩者的區別是ActiveX控件在下載到遠程用戶機后與具有獨立IP地址的遠程實驗代理服務器直接建立Socket連接，實現動態實驗數據的傳輸，建立連接后不需要再通過Web服務器轉接；而用Java Applet技術實現動態數據交換方式時，下載到遠程實驗工作站的Applet小程序與Web服務器之間建立Socket連接，Web服務器在局域網內與遠程實驗代理服務器建立連接，遠程實驗工作站和遠程實驗代理服務器之間交換的動態實驗數據和控制命令需要通過Web服務器中繼。

3 結 論

通過構建實驗室以太網系統，突破了實驗室對時間和空間的要求，特別是對一些比較貴重和需要反復實驗的設備具有重要的意義。還可以在不同校區進行跨校區實驗，對不同大學，研究單位之間的跨地區合作有重要的作用。

另外，采用串口聯網服務器的遠程實驗以太網，對原有的實驗條件無需做大的修改，就可以達到遠程實驗的效果。