（控制理论与控制工程专业论文）基于web的远程实验室监控系统研究.pdf

摘 要( a b s t r a c t ) 中文摘要 随着计算机的普及和网络技术的飞速发展，在传统实验室中应用w 曲技术的 b s ( b r o 、髑e r s 删模式远程实验系统已经成为高校实验教学研究和开发的热点。 目前，国内外许多大学和研究机构都在研究远程实验室的工作机制、关键技术， 并且建立了一些示范性的实验室，有些实验室已经投入使用，这在解决目前高校 在校学生数量大幅增加而实验经费紧张的矛盾、新实验教学模式探索、贵重实验 设备共享、以及不同大学或者研究单位之间跨城市或者跨国家合作等方面都具有 重大意义。 但目前的远程实验室研究仍处于研究和探索阶段，仍存在一些问题，如对远 程实验室应该具有的功能、远程实验的交互方法、管理和维护方法、体系结构、 设备和网络安全等方面的需求不够完善等，为此我们研究开发了基于w e b 的远程 实验系统。本文首先综述了目前国内外有关远程实验室的研究现状；接着介绍了 部分远程实验监控系统的开发方法，确立了基于b s 模式的远程实验监控系统的 总体结构，然后描述了远程实验系统的硬件组成、服务器端软件功能和客户端软 件功能。在此基础上，详细介绍了基于a r m 的嵌入式控制器的硬件和软件的研制 过程。该控制器采用3 2 位删微处理器l p c 2 2 1 0 ，具有4 路信号调理电路、串 行通信电路、以太网接口电路等，嵌入了u c o s i i 实时操作系统，实现了根据远 程用户命令对智能大厦中央空调控制模拟系统进行信号采集和室内温湿度的p i d 控制。最后介绍了基于a s p ：n e t 的远程服务器的开发方法，详细介绍了远程客户 进行远程实验操作界面的实现方法以及主要的操作界面，并利用所设计的远程实 验界面对中央空调实验装置进行温度和湿度的远程实验。实验结果表明该实验系 统能够很好的完成用户实验操作，具有人机交互良好、实验操作简单、实验过程 显示直观等特点。 关键词：远程实验室，嵌入式控制器，u c o s i i ，a sp n e t ，p i d 摘要( a b s t r a c t ) a b s t r a c t w i mm ep o p u l a t i o no fc o m p u t e ra n dt h er a p i dd e v e l 叩m e mo ft h en e t v v o r k t e c l l l l o l o g y ，t h el a b o r a t o 巧s u p e r v i s o r ) ，c o n t r 0 1s y s t e mb a s e do nb s ( b r o w s e r s e e r ) m o d e l ，w h i c hc o m b i n e st h e 仃a d i t i o n a ll a b o r a t o r ys y s t e ma j l dw e bt e c h n o l o g y h a s a t t r a c t e dm o r e 肌dm o r ea t t e n t i o no nr e s e a r c ha 1 1 dd e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，m o s t u n i v e r s i t i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t i o nd o m e s t i ca 1 1 do v e r s e a sa r es t u d y i n gt h e 、o r k m e c h a n i s ma n dk e yt e c l u l o l o g vo fm er e m o t el a b o r a t o u 。t h e yh a v eb u i l ts o m e d e m o n s t r a t eo nr e m o t el a b o r a t o r y s o m eo ft h e s eh a v eb e e nu s e d nw o u l dp l a ya s i g n i f i c a n tr o l ei ns o l v i n gp r o b l e mo fl a 培en 啪b e rs t u d e n t sa ts c h o o la n dl a c ko f 舢1 d s f o rb u y i n ge n o u g he x p e r i m e n t a ld e v i c e s ，e x p l o r i n gn e we x p e r i m e n tp a t t e m ，s h a d n g e x p e n s i v ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s ，a i l dc o l l a b o r a t i n gb e t w e e nu n i v e r s i t i e s ，r e s e a r c h g ，o u p s ，w h i c hm a yl o c a t ei nd i 丘b r e n tc i t i e so rd i f f b r e n ts t a t e s h o w e v e r ，t h er e s e a r c ho nr e m o t el a b o r a t o r yi sa ti n i t i a ls t a g e sc u r r e m l y s os o m e p r o b l e m sa r es t i l le x i t e d f o re x 锄p l e ，t h en e e d so fm o r em r r c h e rs t u d i e sa b o u tt h e r e m o t el a b o r a t o 珂丘j n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，i n t e r a c t i o nm o d eb e t w e e nh u m a n s 砒l d r e m o t ee x p e r i m e m a ld e v i c e s ， m a j l a g e m e n ta 1 1 dm a i n t e n a n c em e t h o d s ，s y s t e m a r c h i t e c t u r e ，a n ds e c u r i 西s 位l t e g i e sf o ri n t e m e ta 1 1 de x p e r i m e n t a ld e v i c e s ，e t c a r en o t e n o u g ht oi m p r o v eo rp e r f e c t w ed e v e l o pas e to f r e m o t ee x p e r i m e n ts y s t e mb a s e do n w e bf o rt h i sp u r p o s e as u r v e vo fd o m e s t i c a n do v e r s e a sr e s e a l c ha b o u tr e m o t e l a b o r a t o r yi sm a d ef i r s t l y t h e ns o m em e m o d so fr e s e a i ho nl a b o r a t o r y 铡eg i v e n ， m e a n 、v h i l e ，t h ep 印e rd e s i g n st h es y s t e mb a s e do nb sm o d e l t h e nt h ep 印e rd e s c m e s t h ee x p e r i m e m a ls y s t e m sh a r d w a r e ，s e r v e rs o r w a r ea r l dc l i e n ts o m v a r e a c c o r d i i l gt o t h eg e n e i a ls c h e m e ，i k t a i l e di n f b n n a t i o no ne m b e d d e dc o n t r o l l e rb a s e do na i 蝴a r e g i v e n ，w h i c hi n c l u d e sm ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fh a r d w a r ea n ds o r w a r e t h em a i n c o n t r o l l e rw h i c hi sm a d eo f4 一c h 籼e ls i g n a lc o n d i t i o i l i n gc i r c u i t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n c i r c u i ta n de t h e m e ti m e r f a c ec i r c u i t ，i sd e s i g n e db a s e do n3 2 - b i tm i c r o p r o c e s s o r l p c 2 21o t h ec o n t r o l l e rs y s t e mt 啪s p l a n t sr e a l t i m ee m b e d d e ds y s t e mu c o s - i i ，a 1 1 d a c h i e v e sc o n t r o lp r o c e s su n d e rt h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n go ft h ec e m r a la i r c o n d i t i o m n g c o n t r o ls y s t e mf o ra n a l o gs i g i l a la c q u i s i t i o na n di n d o o rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ) ，o ft h e p i dc o n t r o la c c o r d i n gt or e m o t eu s e r sc o m m a n d f i n a l l y t h ed e v e l o p m e n tm e t h o do f r e m o t es e r v e rb a s e do nt h ea s p n e ti sd e s c r i b e d t h er e a l i z a t i o no ft h ee x d e r i m e n tf o r r e m o t ec l i e n ti sg i v e no nd e t a i l ，a sw e ua st h em a i nu s e ro p e r a t i o ni n t e r f a c e ，s o m e e x p e r i m e n ta r ef i n i s h e db a s e do nt h eo p e r a t i o ni m e f f - a c eo nc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n g t e m p e r a t u r ea n dt h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e sh u m i d i t y t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h a t t h er e m o t el a bs y s t e mc a np r e s e n tt h er e s u l t so re v a l u a t i o no fc o n t r o le f l e c t i v e n e s s 摘要( a b s t i a c t ) i i i b a s e do nt 1 1 ea 1 1 a l y s i so ft h o s er e c o r d e dd a t a k 叻唧o r d s ：r e m o t el a b o r a t o e m b e d d e dc o n 仃0 1 1 e r ，u c o s i i ，a s p n e t ，p i d 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究 成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： ，p 罨孚冢 签字嗍年占月j 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本 人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信 息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 学位论文作者虢耋缸 解日期：1 引刖咱 导师签 签字日期：日 李宗宝基于w 曲的远程实验室监控系统研究 1 1 背景及意义 第一章绪论弟一早珀下匕 实验是获得感性知识和材料的基本途径，也是形成、发展和检验自然科学的 基础。教学实验是学生学习过程中不可缺少的重要环节，也是提高学生素质的重 要手段。实验教学与课堂教学的互为补充和相互促进，对教学质量和学生掌握知 识的程度影响至深。通过实验，学生可以验证理论知识，锻炼动手能力，培养发 现问题、分析问题和解决问题的能力。实验教学相对于理论教学而言更具有直观 性、实践性和创新性，也是许多学科特别是理工科教学中的重要环节之一。实验 教学在加强学生素质教育与培养创新能力方面起着重要的、不可替代的作用。 计算机科学、微电子和网络技术的发展，以及网络协议的不断完善，使得计 算机、网络与仪器的结合变得十分紧密，为实现真正意义上的硬件资源共享提供 了技术支持。基于此类技术产生的远程实验室系统以其资源共享性、互动操作性、 安全性等优点，在智能化程度、处理能力、性价比、可操作性等方面都具有明显 的优势。 i n t e m e t 的发展给人们带来了许许多多崭新的研究方向i l 也j ，在教育界，基于 i n t e m e t 的远程教育，为我们开启了远程教育的新模式。较之先前的远程教育方式， 如基于录像带、广播、电视等，基于i n t e m e t 的远程教育由于其交互性强，可更好 地调动用户的主观能动性等特点，使其比起其他的远程教育模式更符合教育的本 质，也更具有实用性和研究价值。另外，随着网络的普及，基于i n t e m e t 的远程教 育受时间和地点的限制越来越小，从而可以全方位的为各类人群根据自身特点和 需要进行继续教育或终身教育提供了可能性和便利性：学生可以回家补习功课， 上班族可以根据需要随时“充电 。因此，远程教育作为一种投资成本低，受众面 广，形式灵活的教育方式非常符合我国的国情，是我国最具发展潜力的新型教育 模式之一。远程教育对一个国家或社会的经济发展所起的重要作用已经有目共睹， 国家和政府也对远程教育给予了高度重视。国内的远程教育从上世纪9 0 年代末期 起步，如今己经成了社会的热点课题，大量网络教育公司应运而生。但从网络教 育质量上看，网络实验教学是网络教学的一个“瓶颈”。 另一方面，近几年来高校不断扩招，高校学生数量迅速增加，对高等教育带 来了一系列挑战【3 5 】。对于工科类院校来说，实验室问题尤为突出。实验室资金紧 张，不能及时更新实验室设备。实验室场地不够，学生做实验只能分批、分时复 2扬州人学硕十学位论文 用实验设备。学生的理论知识学习与实验验证难以同步进行。很多高校采用实验 录像带的形式或让学生分组观看实验的形式让学生对那些稀有的设备实验能有一 个初步的了解。但这些只能让学生“看”实验，而不能“做”实验的方式对学生 工程实践能力的培养是不利的。很多学生毕业之后知识水平只局限于数学公式的 推导和一些孤立的课程知识点，而缺乏动手能力。于是关心高校教学质量的专家 开始呼吁要尽可能地给学生或学员多一些“理论结合实际实验平台。由于资金 和场地问题，学校是不可能批量购买这些贵重或体积庞大的实验设备。怎么有效 的利用这些稀有的设备成了人们关注的焦点问题。 此外，基于网络的实验按其实验的对象可以分为虚拟实验和远程实验，它们 分别控制仿真模型和实物对象。网络虚拟实验忽略了很多实际系统的次要问题， 突出了主要矛盾，能让学生将在书本上学到的理论简单地应用到虚拟实验当中； 远程实验可以通过多媒体技术，让学生一边做实验，一边观看现场对象的实验过 程视频。同时，网络虚拟实验和远程实验都以实验曲线和实验数据等形式反映了 控制对象的特性。然而，虚拟试验利用的都是理想实验模型和数据，不能让学生 和真实实验设备打交道，学生们也缺乏合作。远程实验则可以解决以上的问题， 使学生可以与设备接触，获得真实实验数据，同学之间也可以协作工作。因此， 远程实验是当前网络实验研究的重点，是未来网络实验发展的趋势。远程实验室 系统的研究与开发对远程实验室教学的发展具有深远的研究价值。此外，该研究 对基于网络的远程监控( 包括远程智能监测和控制、远程故障诊断和维护等) 、远 程教育、信息家电等系统的研究都具有深远的意义。由于计算机、通讯、多媒体 等技术都处于方兴未艾的发展阶段，它们的发展也必将带动远程实验室等应用领 域的发展，从而可以不断改进人们的学习、生活和工作方式。 基于网络的远程实验还具有如下现实意义： ( 1 ) 可反映信息技术对2 l 世纪技术进步发展趋势的影响，有利于激发学生创新 思维的灵感。 ( 2 ) 具有安全防护的实验装置的运行无需人员值守，真正实现了实验装置全天 候开放，最大限度地提高了实验装置的利用率，并对学生自主安排学习时间提供 了充分的弹性。 ( 3 ) 进入实验系统的校园地理位置不受限制，只要能连接到局域网就能登录到 远程实验系统中。因此可以为多校区学生实验教学、向社会开放办学开辟一条新 的途径。 1 2 国内外研究现状 李宗宝基于w r e b 的远程实验室监控系统研究3 远程实验室的研究从上个世纪九十年代就已经开始，并伴随着近几年i m e m e t 的成熟应用，国内外的远程实验室的研究也得到了发展，目前，远程实验主要用 于控制学科领域。 在国内，目前已有许多大学都研制出了自己的远程教育软件系统，这些系统 的建成对于提高教学质量和效率起到了极大的推动作用。 北京大学计算机系开发的基于w w w 的网上虚拟实验室3 w n v l a b 就是一种 支持大计算量和交互式的网上虚拟实验室的通用基本框架。它是一个基于浏览器 和w 曲服务器的虚拟实验室。在该系统中，用户平台采用j a v a 编写，用户可通过 界面选择实验种类，并将用户的实验设计通过i n t e m e t 传送到服务器端。服务器端 是虚拟实验室的核心，用来完成客户端要求的实验内容，并将可信的实验结果返 回客户端。客户收到实验结果后，可评价自己的实验设计，从而对自己的能力进 行判断。利用该系统，已经实现了c a c h e 设计与流水线设计两个实验。 中国科技大学物理系研制了一套基于i n t e m e t 的扫描探针显微镜( s p m ) 远程系 统1 6 j 。该系统分为四个部分：客户端、服务器、s p m 仪器端、视频监视系统。其 客户端分为两种类型，一类是主控操作人员程序端，用户对设备进行远程操作， 采用t c m p 协议的c s 结构对s p m 进行操作运行；另一类是观众客户端，这部 分程序是基于h t t p 协议和c g i 的浏览器，提供给普通用户观看实验过程。服务 器和s p m 仪器端通过自行设计的d s p 控制器组成一套完整的s p m 反馈系统。 上海交通大学电子信息学院研制了机器人远程控制系统r 7 1 。该系统基于c s 模 型的远程控制，实现对机器人的运动及产品加工控制。文中介绍了在远程客户端 和机器人之问的机器人控制器( 服务器) 的详细设计。客户端和服务器上以完全 对接的自定义r p c ( 远程过程) 为通信协议基础。客户端发出的请求先调用r p c 存 根函数，存根函数将请转换，为调用请求和变元进行网络传输，服务器接收到数 据后再调用i 冲c 存根数转换控制命令。两个过程分别称为信号编集和信号逆编集。 由于带宽的限制，系统主要局限于局域网内运行。大连理工大学机械工程学院研 制的远程控制快速成型加工系统【8 】，通过生成底层数控代码，可以实现远程加工及 结果显示。 在国外，早在1 9 8 9 年美国维吉尼亚大学( u n i v e r s 埘o f r g i l l i a ) 的w i l l i 锄w b l f 教授就提出了合作实验室( c o l l a b o r a t o r y ) 的概念并称其为“无墙的研究中心”。提出 该类型实验室的目的为开发一个分布式计算机系统，让分布于世界各地的科学家 们可以相互共享各自的资源( 如设备、信息、数据和人才等) 。其实这就是现在人们 常说的网络实验室。 4 扬州人学硕十学位论文 美国t e l l l l e s s e ea tc h a t t a n o o g a 大学既( u t c ) 设计的网上工程实验室提供了一系 列远程控制实验，如压力控制、水位控制、温度控制、速度控制等实验。这个远 程实验室系统是由一台w 曲服务器和5 台客户机组成。每台客户机上都运行用 l a b v i e w 编写的软件，并与一套实际的实验设备相连。当用户通过i n t e m e t 访问 w 曲服务器时，首先需要选择控制参数，然后w 曲服务器把这些参数写入文件传 送给相应的客户机。客户机收到这些参数后，通过数据采集卡来控制相连的实验 设备完成实验，并把实验数据传回给w r e b 服务器。最后，w - e b 服务器根据这些数 据生成实验结果图返回给用户。 新加坡国立大学科u s ) 的远程实验室【1 0 以2 】允许用户通过i n t e m e t 进行远程实 验，使用b s 方式实验，可以实现昂贵的实验设备共享。远程实验室的服务器端 使用l b a v i e w 虚拟仪器软件实现对实验设备的控制，服务器与实验设备之间通过 r s 2 3 2 接口或e i e e 4 8 8 2 g p i b 总线进行连接。为了能让用户直观地观察到实验现 象，远程实验室采用视频会议技术向用户反馈视频和音频信息。用户也可以控制 摄像头的焦距和视角来获取满意的观察位置。客户端使用w - e b 浏览器作为统一的 用户界面，其中嵌入的j a v aa p p l e t s 可以显示各个虚拟仪器的控制面板和数据，并 通过i n t e m e t 与服务器进行通信以传递用户的控制数据和实验结果。到目前为止， 这个实验室已经实现了六个远程实验：调频实验、双水位控制实验、3 d 示波镜实 验、2 d 示波镜实验、直升机实验、机器人足球实验。系统提供了常规p i d 、状态 反馈、模糊控制等控制方法，允许用户输入参数并观察实验结果，取得了一定的 实验效果。意大利的p o l i t e c n i c od im i l a i l o 大学也使用类似方案实现了远程实验室 【8 1 o 文献 1 3 】介绍的是美国德克萨斯州立大学的n i t i ns w a m y 等建立了一个远程实 验室。该实验室系统的控制对象是一个倒立摆，主要提供给校内学生进行远程实 验。倒立摆由一台专门的服务器使用m a t l a b s i m u l i n k 作为其控制器。该实验系统 采用的技术是m s n n e t m e e t i n g 。学生通过n e t m e e t i n g 连接到控制服务器，可以 对相应的控制器进行修改，以获得需要的控制器结构，控制信号经由串口控制倒 立摆的运动。实验结果由视频( 音频) 装置传递回客户端。 意大利锡耶纳大学m c a s i n i 和d p r a l = t i h c i z z o 等开发的自动控制远程实验系 统a c t ( a u t o m a t i cc o n t r o lt e l e l a b ) 选择了m a t l a b s i m u l i n k 作为系统运行环境”j 。 a c t 既可以让用户选择它预先定义好的控制器( 如p i d ) ，也可以让用户自定义控制 器，不过它需要用户安装并熟悉m a t l a b ，会用s i m u l i n l ( 设计控制器模型。用户可 以一边做实验一边修改实验参数( 控制器参数、参考输入等) ，实时的实验结果数据 李宗宝基于w 曲的远程实验室监控系统研究 5 和曲线可以从波形图中观察到。该系统可在软件上不断升级，实验内容也可不断 添加。目前，该系统已经有7 个实验可以通过i n t e m e t 访问，包括电机速度控制、 电机角度控制、水槽液位控制、流量控制、磁悬浮系统、2 自由度直升机和遥控机 器人控制实验。其中，水槽系统属于非线性系统；磁悬浮系统是个非线性且不稳 定系统；2 自由度直升机系统是一个非线性、不稳定且为多输入多输出系统。系统 一个比一个更难控制，让用户在实验中不但可以认识不同对象的特性，而且在知 识面上可以得到步步提升的效果。该系统不但可以让远程用户实时操作和观看实 验结果，而且可以保存实验数据，支持离线数据分析。 1 3 本文的主要工作和研究内容 智能大厦中央空调控制系统实验装置属于比较昂贵的教学设备，而该设备只 有一台，许多专业的班级需要做实验，还有部分研究生也需要使用，教学资源的 供需矛盾十分突出，因此建立网络实验室有着重要的现实意义。本文在研究了远 程实验室的设计方法后，制定了系统的总体结构，开发了基于w 曲的远程实验系 统，并制作了基于a r m 的嵌入式控制器。本文共六章，每章的内容如下： 第一章主要介绍了远程实验室的应用背景和研究意义，国内外远程实验室的 研究现状，然后简单介绍了本文的主要工作和研究内容。 第二章介绍了开发远程实验系统的相关知识以及目前远程实验室的相关设计 方法，比较了b s 模式和c s 模式的优缺点，给出了远程实验系统的总体结构方 案。 第三章介绍了远程控制实验室系统的各个平台结构，主要介绍了远程控制实 验室系统的软硬件结构以及相应的结构，并提出设计使用嵌入式控制器，对实验 装置进行控制。 第四章是嵌入式控制器的开发。介绍了l p c 2 2 1 0 微处理器和嵌入式实时操作 系统u c o s i i ，完成了硬件电路的设计，操作系统的任务函数的编写，实现了操 作系统的移植。 第五章主要介绍了远程实验服务器和客户端软件的设计与开发，详细介绍了 客户端操作界面的并以送风温度和室内湿度为控制对象完成了控制实验。 第六章对整个课题研究工作进行了总结，并提出了基于w r e b 的远程控制实验 室系统的一些不足和改进方向。 6 扬州大学硕十学位论文 第二章基于a sp n e t 的实验系统方案 2 1a s p n e t 及相关技术 2 1 1 n e t 框架 n e t 开发框架1 8 1 如图2 1 所示，主要组成部分：首先是整个开发框架的基础， 即通用语言运行库( c l r ) 以及它所提供的一组基础类库；在开发技术方面，n e t 提供了全新的数据库访问技术a d o n e t ，以及网络应用丌发技术a sp n e t 和 w i n d o w s 编程技术w i i l f o m s ；在开发语言方面，n e t 提供了c 稃，v b n e t ，v c + + ， j a v a s c r i p t 等多种语言支持；而v i s u a ls t u d i o n e t 则是全面支持n e t 的开发工具。 匝困王圈区困 图2 1 n e t 框架结构 m i c r o s o r n e t 给开发人员带来了一种全新的开发框架，而通用语言运行时则 处于这个框架的最低层，是这个框架的基础。通用语言运行时为多种语占提供了 一种统一的运行环境。基于通用语言运行时开发的代码称为受控代码，它的运行 步骤大体如下：首先使用一种通用语言运行时支持的编程语言编写源代码，然后 使用针对通用语言运行时的编译器生成独立于机器的微软中间语言( m i c r o s o 矗 i n t e 姗e d i a t e l a n g u a g e ) ，同时产生运行所需的元数据，在代码运行时再使用即时编 译器( j u s t1 1 1t i m ec o m p i l e r ) 生成相应的机器代码来执行。 基础类库包括了从输入输出到数据访问等各方面，提供了一个统一的面向对 李宗宝基于，e b 的远程实验室监控系统研究 7 象的、层次化的、可扩展的编程接口。 n e t 是一种面向网络、支持各种用户终端的开发平台环境，它将改变因特网 的行为方式：软件将变成为服务；n e t 统一了编程类库，提供了对下代网络通 信标准，可扩展标记语言( e x 把n s i b l em a 出叩l a l l g u a g e ，x m l ) 的完全支持，使应用 程序的开发变得更容易、更简单。n e t 框架的意义就在于只用统一的命令集支持 任何的编程语言，消除了各种异类框架之间的差异，将它们合并为一个整体。 2 1 2a s p n e t a s r n e t ”是微软推出的新一代动态网页技术，它是微软发展新的体系结 构n e t 的一部分，是新一代的，e b 应用程序开发技术，在n e tf r a l i l e w o r k 上提 供一个全方位的w 曲开发平台，为开发和管理w 曲应用程序提供了最佳的平台。 由于a s pn e t 是在服务器端执行，所以开发者可咀不必考虑浏览器是否支持 a s p n e t ，也不必担心别人下载从而知道程序的逻辑。a s p n e t 大量使用组件技 术，将w e b 浏览器和w c b 服务器之问的网络通信完全地包装起柬。在a s p n e t 的支持下，利用a d o n e t ，开发者可以方便地访问种种基于w 曲的数据库，不管 数据源是关系数据库、非结构数据库、还是多媒体数据库，都可以通过a d o n e t 来存取。 ；。览。i l 芏# 。 3h m 务g 擅自a s pn e t 程j 目，# 结r 转换m h t m l 卫 服务器 图22 动态阿页与服务器的交互 a s p n e t 程序只能在服务器端执行，当客户端浏览器向服务器发送请求要求 打开a s p n e t 程序时，服务器会从磁盘上读取该程序并执行，然后将执行结果转 换成h t m l 文档作为响应返回给客户端浏览器，客户端浏览器收到服务器返回的 h 州l 文档后，经过解析得到的页面就会呈现在用户面前。a s p n e t 程序的响应 过程如图2 2 所示。 21 3 a s p _ n e t 的优点 篆。 m 0 去 8 扬州大学硕士学位论文 a s p n e t 是m i c r o s o 危n e t 的一部分，它的主要优点如下f 2 0 1 ： ( 1 ) 易于写出结构清晰的代码，代码易于重用和共享。 ( 2 ) a s p i n e t 比s c r i p t 语言、编译类语言运行速度快，更适合编写大型应用。 ( 3 ) w 曲s e i c e 为w 曲系统集成和基于w 曲的分布式计算提供了良好的框 架。 ( 4 ) a sp n e t 提供c a c h ea p i ，程序员可以控制c a c h e 的使用，可以编写出 性能更好的应用。 ( 5 ) a s p n e t 的模块化支持非常好。提供了常用库，提供了结构化的代码组 织方式。 ( 6 ) a sp n e t 的配置信息放在x m l 文件中，而不是注册表中，实施a sp n e t 应用，只要把程序拷贝到一个目录，不需要注册任何对象。 ( 7 ) a sp n e t 支持编译过的程序的运行，可以保护技术秘密。在数据库访问 方面，a s p n e t 利用a d o n e t 实现对数据库的高效访问。 ( 8 ) a sp n e t 内置了对多级缓存的支持；内置了对x m l 的支持。 2 1 4c 牟及其特性 c 撑是m i c r o s o r n e t 的核心语言，它是完全面向对象的语言。它是c 语言家 族里的一个新成员，但是它又与c 和c + + 不同，它没有牺牲c 和c + + 程序员所关 心的特性，而是忠诚地继承了它们的优点。c 撑语言具有如下显著的特点： 语法简洁。c 群继承了c c + + 和j a v a 的优点，它没有指针，尽量减少语法的 冗余。 精心的面向对象设计。c 拌具有面向对象语言的一切特性，使得开发广泛组 件比较容易。另外，c 牟中每个类型都可以看作一个对象，提供装箱和拆箱操作机 制来实现。c 拌具备良好的开发环境，再加上完全面向对象，大大提高了开发效率。 与w 曲开发相结合。针对新的开发模式所利用现有的各种w e b 标准，例如 h t m l ，l ，s o a p ( 简单对象访问协议) ，c 在m i c r o s o j f t n e t 平台上可以将任 何组件转变为w 曲s e r v i c e ，并且可被运行于i n t e m e t 上的任何平台的任何应用程序 调用。 安全性与错误处理。c 撑运行于c l r 之上，它所提供的垃圾回收机制将减轻 开发人员对内存管理的负担。另外c 撑中变量是类型安全的，使得丌发人员更加易 于开发和维护各种商业应用。c # 提供了内置的版本支持可以减少开发费用。 c 拌功能强，易于表现、灵活。c 群允许使用在任何对象使用预定义数据或者 李宗宝基于w 曲的远程实验室监控系统研究 9 经过扩展的元数据。 可扩展协作能力好。c 撑内置支持c o m 模型和w i n d o w s 平台a p i ，允许有 限制的使用指针。在c 撑中对象可自动称为c o m 对象，开发者无需显式的实现 m n h o w n 和其他一些c o m 接口，同时也可以方便而自然地使用现有的c o m 对 象，而不需要关心这些c o m 对象是否使用c 撑开发。 c 撑与n e t 框架完美结合，是专门为n e t 应用而开发的语言。c 使得程序员 可以快速地编写各种基于m i c r o s o f t n e t 平台的应用程序，m i c r o s o r n e t 提供了 一系列的工具和服务来最大程度地开发利用计算与通讯领域。 2 2 远程实验室设计方法 目前的远程实验室研究仍然处于研究和探索阶段，国内外己经有很多大学进 行了这方面的研究，总结他们所使用的技术，主要有以下几类【2 l 】： 1 、使用j 趟，a 进行开发：j a v a 是由s u n 公司推出的、伴随着i n t e m e t 发展而 出现的一种网络编程语言。s u l l 公司将j a v a 【2 2 】描述为一种具有简单性、面向对象 性、动态性、分布性、可移植性、多进程、平台无关性、高性能、稳定性、健壮 性和安全性的语言。由于它具有这些特点，使得它己经成为跨平台应用软件开发 的一种规范，在世界范围内广泛流行。为了使开发出来的虚拟实验室更加逼真， 更具动感，采用j a v a 语言来开发虚拟实验场景，但利用j 趟，a 技术难以实现3 d 效 果，一般采用j a 、，a + v i 洲l 混合编程【2 3 】。这一点对于构建网络虚拟实验室系统来 说也是非常关键的。 2 、使用a c t i v e x 控件进行开发：a c t i v e x 技术是m i c r o s o f t 为适应网络发展 的需要而将o l e 技术在h l t e m e t 上的重定义，可以利用v b 、v c + + 、d e l p m 、b u i l d e r 等任何一种支持c o m 规范的开发工具来进行a c t i v e x 控件的开发。a c t i v e x 技术 使得一个大的工程项目可以划分成小块的组件，完成了每个组成部分之后集成起 来就可以得到最终的项目；允许不同软件开发的组件在网上互相进行操作；本地 的组件可以和网络上的组件进行通信。在网络虚拟实验室的开发过程中，一个实 验仪器可以在多个实验环境中重复使用，这种代码复用性对于持续开发过程尤为 重要。 3 、使用v r m l 进行开发：v r m l 是第二代w e b 上的关键技术，是一种三 维场景的描述性语言，也是在h l t e m e t 网上实现虚拟现实的关键性技术。它的基本 原理是用文本信息描述三维场景，在i n t e m e t 上传输，在本地机上由v i w l 的浏 览器解释生成三维场景，解释生成的标准规范即是v i w l 规范。正是这种思想使 l o 扬州大学硕十学位论文 得在i n t e m e t 上传输很少的数据，就可以在w e b 上实现三维虚拟场景浏览成为可 能。可见，将v 1 w l 融合到网络虚拟实验室的开发过程中，丰富了媒体表现形式、 协同工作角色的可视化管理、改善了协同环境的用户界面、增强了协同环境的交 互性。 4 、使用f l a s h 进行开发：在图像上，f l a s h 是一种基于矢量的图形系统， 图形可以任意缩放而不失真。只需用少量的数据就可以描述一个相当复杂的对象， 而它所占用的存储空间却只是位图的几千分之一，非常适合在网络上使用；在声 音方面，f l a s h 支持m p 3 压缩格式和流式的声音播放技术。可以将声音打碎在 每一帧罩面。这样在网上传输时，保证了声音和图像的同步；在播放方式上，f l a s h 采用的是插件工作方式。用户只要在某个时候安装一次插件，以后就可以快速启 动并观看动画，而且f l a s h 生成的动画，一般都很小，因此其页面调用的速度非 常快。 2 3 远程实验室监控系统结构比较 随着计算机网络技术的发展，引发了工业控制网络远程监控模式的重大变 革，目前主要有【2 4 之7 】：客户服务器( ( c l i e 州s e e r ) 模式、浏览器服务器 ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式。 1 、客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) l 奠式 在c l i e n s e e r 系统中，应用程序分为两大部分：一部分是由多个用户共享的 信息与功能，此部分称为服务器部分。服务器主要负责执行后台服务，如管理共 享外设、控制对共享数据库的操纵、接受并应答客户机的请求等。另一部分是为 每个用户所专用，称为客户部分。客户部分负责执行前台功能，如管理用户接口、 报告请求等。这种体系结构将一个应用系统分为两大部分，由多台计算机分别执 行，使它们有机的结合在一起，协同完成整个系统的应用，从而达到系统中软、 硬件资源最大限度的利用。 c l i e n t s e e r 应用系统基本运行关系体现为：“请求珥匈应”的应答模式。当用 户需要访问服务器时，由客户机发出“请求”，服务器接受“请求”并“响应， 然后执行相应的服务，将执行结果送回给客户机，由它进一步处理后再提交给用 户。由于c l i e 州s e r v e r 结构被设计成两层模式，显示逻辑和事务处理逻辑部分 均被放在客户端，数据处理逻辑和数据库放在服务器端，从而使客户端变得很 “胖”，成为胖客户机，而服务器端的任务则相对较轻，成为瘦服务器。c l i e n t s e r v e r 体系结构如图2 3 所示。 李宗宝基于w 曲的远程实验室监控系统研究 1 l 客户机服务器 + 噬 l j 釜毳槲 广y 图2 3c l i e n t s e r v e r 体系结构 c s 具有强大的数据操作和事务处理能力，以及数据的安全性和完整性约束。 但随着系统规模的日益扩大，应用程序的复杂程度不断提高，也逐渐暴露出以下 几个缺点： ( 1 ) 开发成本较高。c s 结构对客户端软硬件要求较高，尤其是软件的不断升级， 对硬件的要求不断提高，增加了整个系统的成本，客户端越来越臃肿。移植困难。 不同开发工具开发的应用程序，一般来说互不兼容，很难在其他平台上运行。 ( 2 ) 用户界面风格不一，使用繁杂，不利于推广使用。维护复杂，升级麻烦。如 果应用程序要升级，必须到现场为客户升级，每个客户机上的应用程序都要维护。 ( 3 ) 用户界面风格不一，使用繁杂，不利于推广使用。 ( 4 ) 维护复杂，升级麻烦。如果应用程序要升级，必须到现场为客户升级，每个 客户机上的应用程序都要维护。 ( 5 ) 信息内容和形式单一。 ( 6 ) 不利于新技术的推广应用。因为一个软件平台和开发工具一旦选定，不可能 轻易更改。 2 、浏览器朋艮务器( b r o w s e r s e e r ) 模式 b r o 、硼e r s e n ，e r 模式为c l i e 州s e r v e r 模式的扩展，采用三层结构即 b r o w s e 扪e b s e e 佃a t 扭硒e s e r v e 组成了浏览器、w 曲服务器和后台服务器的三层 算模式。这种计算模式方便了原有的c s 中客户机与服务器端的联系。可以看出， 三层b s 模式增加了较厚的中间件，形成“瘦客户机一胖中间层一瘦服务器”的 计算模式，这种模式比较适合于1 1 1 t e m e 们n 圩a n e