（电机与电器专业论文）电工电子网络实验室—电机网络实验室的研究与建设.pdf

浙江大学硕士论文 a b s t r a c t t l l i s p a p e r i s m a i n l y a b o u tt h er e m o t el a b o r a t o r y s y s t e m n o w a d a y s t h e d e v e l o p m e n to fi n t e r a c tt e c h n o l o g yi s s of a s ta n da m a z i n gt h a te v e r y b o d yi su n d e r g r e a tp r e s s u r et ok e e pu pw i t hi t r e m o t ee d u c a t i o ns e r v i c e si s an e w s t u d ym o d e ， a n y b o d yc o u l dh a v et h e i rc l a s s e so rl e a r nw h a tt h e yw a n tj u s ti nt h e i rh o m e sb y t h e i n t e r n e t t h i si sar e v o l u t i o na b o u th o wt os t u d y b u tt h ec u r r e n tr e m o t ee d u c a t i o n s e r v i c e ss y s t e mi sn o tac o n s u m l l l a t es y s t e m p e o p l ee s p e c i a l l yf o rt h ee n g i n e e r i n g c o u r s ec a nn o td oe x p e r i m e n t sb yt h ei n t e m e t t h a tm e a n st h eu n i v e r s i t i e sc a l ln o t g i v ee n g i n e e r i n g c o u r s es e r v i c e st h r o u g ht h ei n t e m e t s ow h a ts h a l lw ed o ? t h ec o m p l e t e l yn e w c o n c e p to f t h er e m o t el a b o r a t o r ys y s t e mc o m e st ou s t h i s s y s t e mp e r m i t su s e r st a k i n gu s eo f t h e1 七s o u r c eo ft h el a b o r a t o r yt h r o u g ht h ei n t e m e t f i r s t , u s e r sl o g i no nt h en e ts e r v e l ) t h e nt h e yc a n s e l e c tt h er e l a t i v ee x p e r i m e n t sf r o m t h ed a t ab a s ei nt h el a b o r a t o r yw o r k s t a t i o nw h i c hi si n t e r l i n k e d 、撕也t h en e ts e r v e r , a f t e rt h i st h ew o r k s t a t i o ng i v e si n s t r u c t i o n st ot h ec o n t r o l l e ro ft h e e x p e r i m e n t p l a t f o r m t h ep a r t i c u l a rr e m o t ee l e c t r o m o t o rl a b o r a t o r ys y s t e mh a v et h es a m es t r u c t u r ea s u p k e yw o r d s ：i n t e r n e tr e m o t ee d u c a t i o ns e r v i c e sn e t w o r ki a b 第一章绪论 第一章绪论 1 1 远程教育的发展、现状及其意义 近两年来，打开备类媒体，人们都可以看刘一些嬲校、嘲上大学餐现代远程 教育的稻艇广静。铺灭漩地的现代远程教宵广告使远程数育成为业内以及许多普 逶久关注熊焦煮， 现代远程教育作为一种全新的教育方式和手段，它愁传统教育与现代嫠感技 术的完美结合，它所其有的革命性的力羹，不仅对千百华来我们所习惯的教育模 式黟教蠢零段掇瞧了熬竣嚣髯造懿簧袭，嚣星逛淹霎藏处于稿对低迷状态豹i 零 产业制造出了个前所来有的市场机会。擞：器经会组织的研究装明，从1 9 9 5 年 到2 0 0 0 牮，全徵界的斌程教育市场规模戚以每年4 5 的速度扩张着。2 0 0 0 年， 全邀赛蠢7 0 0 0 蠢天逶过远纛教弯方建进行攀 - 7 ，2 0 0 1 零这嚣i 亿入。露竣憨觅， 远稷教育市场的规模和潜力是无穷的。 中西现代远程教育的发展 远程教弯( d i s t a n c ee d u c a t i o n 是蓑奎予教繇窝学擞装耪瑷蕊嵩辩静教裔， 它利用技术方式来替代颜对甏沟通釉交滤，通过黟啻、载频、数耀溅麓印尉晶等 综裔手段宪成教学活动。技术乎段的大量使用使远程教育与传统教育璧现了爨多 豢黪特意帮发蓑憝势。 近十颦来，现代远稷教誉_ 靛：始与豆联网缝合越来。基于互联鼹熬远程教脊常 被称为真越意义上的“现代远程教育”，事寓上它是远程教育的第四代形式。它 载最夫懿好楚在于，哥钍迁最太藏藏的入，辘够在饪谤辩简、强俺施虑接受几乎 耜学校谖爨学习一撵效果盼教窝。爨姥，瑗代远程激弯在上下游两头粼具有广大 的市场：上游是教育技术和教学内容提供者，下游是各种年龄( 从儿黧鹿到七、 ，卡爹老人) 熬教弯受众。 在中黧，远戆教弯翡发展经t - - 代。戮2 0 邀纪9 0 冬程，髓羞技术戆爱震， 我潮产生了以信息和网络技术为基础的第三代远程教育，巍接跟上了国外远攫教 育魏发震。 从教臀对象米娥分，匿虑麓远程教育誊塌霹分必正援教育枣场袭继缝教鬻蕊 第一章绪论 场。其中正规教育，又称学历教育，可再细分为中小学教育市场和大学教育市场。 这个市场以学历教育为主，也是我国远程教育市场发展最快、收效最为显著的市 场。继续教育市场则针对非学历教育内容，偏重于知识、技能、素养的培训，是 终身学习的组成部分。 中国的中小学远程教育起步较早，目前已经形成了网校、教育信息门户两大 类商业模式，内容仍以提供课外补习为主。这些基础远程教育虽然硬件条件和设 旌都还没有完全具备，但由于具备大量的潜在用户，它不仅可以在原有的市场上 获得较大发展，而且可以由低层次向高层次不断推进，从在校教育的补充向学历 教育本身逐步扩展。 而中国高等远程教育的发展则开始于2 0 世纪9 0 年代中期。 1 9 9 4 年底，在国家教委的主持下，“中国教育和科研计算机网( c e r n e t ) 示 范工程”开始建设，为开展远程教育提供了网络基础资源。1 9 9 6 年清华大学王 大中校长率先提出发展远程教育；1 9 9 7 年，湖南大学第一个建起了网上大学。 第2 年，清华大学推出了网上研究生进修课程。1 9 9 8 年9 月，教育部正式批准 清华大学、北京邮电大学、浙江大学和湖南大学为国家现代远程教育第一批试点 院校。1 9 9 9 年，教育部制定了关于发展我国现代远程教育的意见；2 0 0 0 年7 月教育部颁布了教育网站和网校暂行管理办法，其中对企业投资远程教育做 出了明确的管理规定，这实际上对企业介入远程教育的默认；同年，颁布了关 于支持若干所高等学校建设网络教育学院开展现代远程教育试点工作的几点意 见，确定了3 l 所试点院校有包括发放国家承认的学历文凭等在内的一系列自主 权，从根本上促进了高校远程教育的发展。 高等远程教育基础网络资源 网络是现代远程教育最重要的载体，也是现代远程教育发展的基础。就我国 高等远程教育而言，它的基础网络资源主要包括中国教育科研网和高校校园网。 进入2 0 世纪8 0 年代，随着世界范围内信息技术和教育科研网络的发展，中 国政府决定建设包括中国教育和科研计算机网络在内的四大主干网。同时，形成 以c e r n e t 为中心的教育科研网络信息资源交互平台，于是由国家投资8 0 0 0 万元 建设的中国教育和科研计算机网( c e r n e t ) 浮出水面，为中国高等远程教育的发展 准备了最主要的基础网络资源。 c e r n e t 始终贯彻了独立设计、自主实施、统一规划、分步实施、坚持先进 第一章绪论 性、开放性、标准化、短期支持，长期自立、强调应用和服务、国际合作等基本 原则，短期内就取得了很大的发展：截至2 0 0 1 年，c e r n e t 主干网的传输速率最 高可达到2 5 g b p s ，与美国、加拿大、英国、德国、日本和香港特区联网，总带 宽在2 5 0 b l b p s 以上。c e r n e t 的省级结点设在3 6 个城市的3 8 所大学，地区网的 传输速率达到1 5 5 m b p s ，已可通达中国大陆的1 6 0 个城市，联网的大学、中小学 等教育和科研单位超过9 0 0 多个，联网主机1 2 0 万台，网络用户达到8 0 0 万人。 在资源环境上，c e r n e t 建成了一个大型的中国教育信息搜索系统，建成了总 容量达8 0 0 g b 的全世界主要大学和著名国际学术组织的1 0 个信息资源镜像系统 和1 2 个熏点学科的信息资源镜像系统，以及一批国内知名的学术网站。此外， c e r n e t 还建成了系统容量为1 5 0 万页的中英文全文检索系统和涵盖1 0 0 万个文 件的文件检索系统。 1 9 9 8 年1 1 月，c e r n e t 在全国第一个实现了与国际下一代高速网i n t e r n e t2 的互联。目前，在赛尔网络有限公司的经营和管理下，c e r n e t 逐步走向了市场 化运作的轨道。 在c e r n e t 的基础上，我国也逐步开始了高校校园网的建设：从c e r n e t 节点 院校到其他重点院校，从重点院校逐渐向普通院校扩展。 就收益来说，校园网不以盈利为目的，也不期望于收回投资，主要为教师学 生的教学、研究、交流活动服务，日常收费以可维持校园网运作为基点。一般校 园网都具有了下列功能：e - m a i l 、w w w 、f t p 、b b s 等。同时，各院校还在开发基 于校园网的管理、教学信息系统、远程教育综合平台等。 虽然中国教育科研网和高校校园网的自身发展仍存在着一定的问题，但从总 体上说，它们都为中国现代高等远程教育的发展准备了不可或缺的网络基础资 源。 另外，远程教育是非常好的重复利用现有教学资源，扩大招生的方式，我国 政府非常重视和支持各试点高校开展现代远程教育，这也为中国远程教育的发展 提供了良好的外部环境。 研究中国远程教育的意义有：第一，在中国谈论教育与发展时不涉及远距离 开放式教育是不可能的。远距离开放式教育已经成为国家综合发展的重要标志。 近年来，远距离开放式教育对世界各国的发展起到了积极作用。如果没有它，整 个世界，特别是发展中国家就难以生存。第二，远距离开放式教育在全球范围内 第一章绪论 经历了非凡的历程，目前，在世界各地，它已经成为一种家喻户晓的教育方式。 它是如此重要，以致于曾经讥讽过群体教育这一创新形式的传统正规大学现在也 变成了参与者。可以预言，不久全球内所有的大学都将在多样化的远距离开放式 教育中寻找到自己的位置。第三，香港的远距离开放式教育有许多成功的经验。 说它是成功的，是因为他们采用了最有效的方法，最广泛的方式，他们迎合了大 多数为个人和国家发展渴望接受高等教育的需求。换句话说，要不是有远距离开 放式教育，这些人就不会有接受高等教育的机会。从这个意义上讲，远距离开放 式教育不仅仅是一种教育冠军赛式的角逐，更重要的是给希望参赛的人提供一个 平等的运动场地。 1 2 基于i n t e r n e t 远程教育的优势 目前，纵览各国相关网络实验室建设，其总体结构大多采用基于i n t e r n e t 网络的服务器客户机模式。i n t e r n e t 发展之所以如此迅猛，个重要的原因是 它有许多优点并提供了许多受大众欢迎的服务：1 灵活多样性的入网方式。 i n t e r n e t 所采用的t c p i p 协议解决了不同硬件平台不同网络产品和不同操作 系统之间的兼容性问题。任何计算机只要采用t c p i p 协议与i n t e r n e t 中的任 何一台主机通讯就可以成为i n t e r n e t 的一部分。2 网络信息服务的灵活性。 i n t e r n e t 采用了目前分布式网络中最为流行的客户机服务器方式，大大增加 了网络信息服务的灵活性。凡装有服务程序的主机均可对其他主机提供信息服 务；凡是装有客户程序的主机均可获取其他主机所提供的信息服务。因此、用户 在使用i n t e r n e t 的各种信息服务时，可以通过安装在自己主机上的客户程序发 出请求，与装有相应服务程序的主机进行通讯从而获得所需要的信息。 3 i n t e r n e t 把网络技术、多媒体技术和超文本技术融为一体，体现了当代多种 信息技术互相融合的发展趋势。它为教学、科研、商业广告、远程医学诊断和气 象预报等应用提供了新的手段。4 收费低廉。由于政府的资助，各国的i n t e r n e t 服务收费是很低的，收费低吸引了更多的用户使用网络。从而形成了一种良性循 环。5 有极为丰富的信息资源，而且多数是免费的。虽然i n t e r n e t 最初的宗旨 是为美国的大学和科研单位服务，但目前已成为服务于全世界各行各业的通讯网 络信息。从所有的g o p h e r 服务器、w a i s 服务器、a r c h i e 服务器到w w w 服务器都 4 第一章绪论 是免费的。此外还有许多免费的f t p 服务器和t e l n e t 服务器。6 丰富的信息服 务功能和友好的用户接口使i n t e r n e t 可以做到雅俗共赏。i n t e r n e t 的丰富性信 息服务方式已经使之成为当今世界上功能最强的信息网络，传统网络所具有的功 能它全包括，此外还增添了许多新的功能，除了t c p i p 协议所提供的基本功能 外，还有许多高级的信息服务方式和友好的用户接口。如在w w w 通讯协议的基础 上开发的n e t s c a p e 浏览器软件是目前水平最高的网络化用户接口，其强大的“导 航”功能可以帮助用户在i n t e r n e t 的信息海洋中随意漫游。正是由于i n t e r n e t 具备了这些特点才使其得以应用到网络教学中。 1 3 远程教育中存在的问题及网络实验室的发展 网络实验室正是在远程教育快速发展的情况下提出的。现在的远程教育大多 只是让学生或观看或参与讨论，这样也只能提高学生的参与兴趣，拉进学生与老 师之间的距离。大家都很清楚相比于正统的大学教育，参与远程学习的人在缺乏 现场授课气氛的网络中不可能拥有现场听课时的积极参与的主动性，学生只能像 观看电影一样，被动的去听去看老师所讲述的内容，这样的授课效果将是非常差 的。随着网络技术的快速发展，在宽带网络上进行交互式的网络授课也就成为了 现实。在这种情况下，学生已经没有了由于距离所产生的影响，任何人不论是在 现场，还是在万里之外的网络上，都可以积极的参与到活跃的课堂氛围之中，学 生可以向老师提出疑问，可以回答问题，可以和其他同学一起参与讨论。 现在远程教育一般有以下几种方式： 1 讲授型模式，利用i n t e r n e t 实现讲授型模式可以分为同步式和异步式两 种： ( 1 ) 同步式讲授 这是一种简单易行的基于i n t e r n e t 的同步集中教学系统，它最大的特点是 实现的技术相对简单，只需附加电话即可，价格比较低廉。缺点是交互性不强。 要解决这一问题，必须采用实时交互式远程教学系统，该系统将网络、多媒体及 虚拟现实技术结合起来，达到双方或多方实时交互，即要求能够实现实时传送音 频和视频。这就不仅要求较高的网络传输率，而且需要一些硬件设备( 如摄像机、 话筒等) 。 第一章绪论 ( 2 ) 异步式讲授 异步式讲授也可以很简单地实现，只要利用i n t e r n e t 的w w w 服务及电子邮 件服务就可以满足基本要求。这种模式是由教师将教学要求、教学内容、以及教 学评测等教学材料，编制成h t m l 文件，存放在w e b 服务器上，学生通过浏览这 些页面来达到学习的目的。当学生遇到疑难问题时，便以电子邮件的方式询问教 师，教师再通过电子邮件对学生的疑难问题给予解答。在此过程中，学生还可阅 读一些教师提供的参考资料，就象我们在学校图书馆中查找资料一样。学生不仅 可以通过b b s 或电子邮件向教师请教，也可以通过b b s 或电子邮件与其他学习者 讨论交流。这种模式的特点在于教学活动可以全天2 4 小时进行，每个学生都可 以根据自己的实际情况确定学习的时间、内容和进度，可随时在网上下载学习内 容或向教师请教，其主要缺点是缺乏实时的交互性，对学生的学习自觉性和主动 性要求较高。这种教学模式要取得比较好的教学效果，必须要有一套能充分体现 学习者特点，并能适合网上信息表达与传输的图、文、声并茂的优秀电子教材： 要为学生提供与该课程紧密配合的大量信息资料( 最好能建立一个虚拟的图书 馆) ；此外还要建立一个专门负责解答学生疑难问题，并能对学生作形成性评价 的应答与评测反馈系统。 2 个别辅导模式，这种教学模式可通过基于i n t e r n e t 的c a i 软件以及教师 与单个学生之间的密切通信来实现。 方式是直接在网上运行用j a v a 语言编写的c a i 软件。由于j a v a 语言编制的 程序可被目前的主流浏览器解释执行，故可实现软件的跨平台运行，这对基于 i n t e r n e t 的教学应用具有重要意义。因此利用j a v a 语言编写嵌在w e b 网页中的 c a i 软件是j a v a 应用程序开发的主要内容之一，也是目前开发网络c a i 软件的 主流方向。内嵌在w e b 页面中的j a v ac a i 软件大大增强了教学材料的交互性与 实时性。用j a v a 编制内嵌于w e b 页面的c a i 软件支持多媒体功能，因此可将多 媒体信息引进c a i 软件中并结合单机c a i 软件工作模式( 如操练、讲解、模拟、 演示、游戏等等) ，从而真正营造一个基于i n t e r n e t 网络的个别化学习系统。这 种教学模式的最大优点在于它有很高的性能价格比，一次编制c a i 程序可以跨所 有平台运行，成千上万的学习者几乎可以同时使用该软件。显然，这将极大地拓 展c a i 软件所涵盖的范围。 个别指导可以在学生和教师之间通过电子邮件异步非实时地实现，也可以通 第一章绪论 过i n t e r n e t 上的在线交谈( i r c ) 方式实时实现。前者的优点在于学生可以随时 向教师请教，但不能马上得到辅导；后者可以得到教师的即时讲解，就象面对面 一样。但它要求学生和教师同时连入网络，这对距离较远的教师和学生来说，这 种时间同步性的要求往往难以满足。 3 讨论学习模式 在i n t e r n e t 上实现讨论学习的方式有多种，最简单实用的是利用现有的电 子布告牌系统( b b s ) 。这种系统具有用户管理、讨论管理、文章讨论、实时讨论、 用户留言、电子信件等诸多功能，因而很容易实现讨论学习模式。这种模式一般 是由专职教师监控，即由各个领域的专家或专业教师在站点上建立相应的学科主 题讨论组，学生可以在自己学习的特定主题区内发言，并能针对别人的意见进行 评论，每个人的发言或评论都即时地被所有参与讨论的学习者所看到。这种学习 过程必须由具有特权的领域专家监控，以保证学生的讨论和发言能符合教学目标 的要求，防止讨论偏离当前学习的主题。 学生参与b b s 讨论时，一般都是通过t e l n e t 登录到一台主机上，然后才进 入b b s 系统参加讨论。但t e l n e t 的操作是基于仿真的u n i x 终端，操作命令复杂， 一般人难以掌握：而且又是基于字符界面，信息表现形式单一，不能从多个感觉 通道来促进学生的认知。除此以外，对于仿真终端来说，用户每输入一个字符， 它都要传送再确认信息，因而在这种教学模式下，网络的使用效率是比较低的。 4 探索学习模式 这种模式在i n t e r n e t 上涵盖的范围很广，从简单的电子邮件、邮件列表， 到大型、复杂的学习系统都有。该模式一般都是由某个教育机构( 如中学、大学 或研究机构) 设立一些适合由特定的学生对象来解决的问题，通过i n t e r n e t 向 学生发布，要求学生解答。与此同时提供大量的、与问题相关的信息资源供学生 在解决问题过程中查阅。另外，还设有专家负责对学生学习过程中的疑难问题提 供帮助。给学生的帮助并不是直接告诉他答案，而是给以适当的启发或提示，例 如“请查阅某某节点上的某某文章”之类。这种学习模式彻底改变了传统教学过 程中学生被动接受的状态，而使学生处于积极主动的地位，因而能有效地激发学 生的学习兴趣和创造性。实现这种模式的学习，并不需要很复杂的技术和昂贵的 设备，只要利用电子邮件功能，便可实现。 虽然先进的远程教育在网络技术的快速发展中已得到不断的完善，但我们不 第一章绪论 应该忽视这样一个事实，那就是完整的大学教育不单单包含教师的授课，还应有 很重要的实践机会。对于很多的社会人文类学科，学生不在校园里也能拥有众多 的实践机会，但对于很多理工科的学生由于缺乏相关的实验器材与指导教师，并 不能得到较好的实践机会，这将使学生只能得到并不直观的书本上的理论知识， 学生的知识结构将严重失衡，而且所学并不牢固。这也是现今的大多数学校并不 能开设相当数量类别的理工科课程的远程教育。 在这种情况下，网络实验室的概念就相应的被提出了。人们希望不仅仅在网 络上可以参与到课堂中去，还希望通过网络就可以利用实验室的相关设备参与试 验。网络实验室的提出不仅极大完善了远程教育体系，而且由于其本身技术的先 进，在学科之间的合作也将会有很大的作为。 现代科技的发展导致了众多边缘学科的产生，这些相互交叉的边缘学科需要 不同学科的研究人员相互合作，在众多研究人员相互协作的过程中，由于人员流 动、实验器材的相互借用又产生了人力资源、物质资源的合理分配问题。网络实 验室利用其技术优势将非常好的解决这个问题，由于在网络实验室的概念中，实 验者不论身在何处，只要有网络存在就可以做远程实验，因此人员的流动大为减 少，而且实验资源也可以得到更有效的利用。 实际上交叉学科的例子向我们展示了网络实验室的另一重要用途，利用网络 实验室概念，大量试验室资源将得到更为有效的利用，例如：同行之间的交流， 不同机构可以通过网络将彼此的实验室资源共享，优势互补，不但可以节省试验 设备的开支还可以说整个社会的资源利用更加合理 1 4 网络实验室设计思路 网络实验室在实现方式上和智能家庭有很多相似的地方，在这里我们不妨先 介绍一下智能家庭的实现方式。 智能家庭是现代社会随着科技的发展，人们为了追求更加舒适、安全、方便 的生活而提出的用与家庭环境的智能控制系统。智能家庭系统往往与网络是密切 相关的，它使得网络实实在在的走进了人们的生活。 智能家庭系统的结构体系： 上图就是s h s 的系统结构框图，其中包含有：一台服务器、至少一个客户机 和家用电器网络。客户机通过超文本传输协议链接到房屋服务器，而服务器和家 用电器网络是通过c a n 控制局域网协议相联接的。家用电器网络的主控制器和 服务器通过串行通讯来交换信息和数据。 用户在客户机上用因特网浏览器向服务器发送控制信号。这些信号被称为控 制信息包，客户机不断的更新界面以使其和家用电器装备的状态保持一致。服务 器接收来自客户机的控制信息包，对它们进行解释，同时更新数据库并向主控制 器发送控制信息包，由此实现对电器装备的控制。万维网服务向客户提供一个用 超文本标示语言制作的界面，有一个用p h p 语言编写的程序通过浏览器接收来 自客户机的控制信息包，同时更新服务器上的数据库并且通过数据校验和m p 5 加密算法来提高系统的安全性。这个p h p 语言编写的程序还有另外一个功能就 是，用存储在服务器数据库中的数据不停的更新系统界面。这个结果对用户是可 见的。只要任何一个电器装备的状态发生变化，系统数据库就会自动更新。这种 做法的一个优点就是不再需要浏览器上的刷新按钮，另外一个优点就是智能房屋 系统可以自动地向居住者发送警报信息。 在服务器上还运行着一个用j a v a 语言编写的程序，这个程序主要用来负责服 务器和主控制器之间的串行通讯。这个程序的另外一个功能就是保证系统数据库 和电器装备状态信息之间的一致性。 主控制器是服务器和控制局域网之间的接口，翻译串行数据和c a n 帧。 安装在房屋中的串行总线把所有的电器装备连接在一起。服务器连同控制局 域网协议一起构成了房屋自动化的基础。每一个电器装备都有他自己的本地控制 器，在装备和总线之间提供了一个接口。控制局域网协议的实现是通过用v h s l 9 第一章绪论 语言描述的i p 网际协议的核心技术来实现的。 智能房屋系统是适用于家庭，办公，小型建筑的相关技术和服务的整合，他 的目的就是为了在更少的人工参与的情况下使我们的居住和工作环境更安全可 靠，更舒适，更节能，通讯更便捷。同时远程控制使我们获得了远距离遥控电器 的能力。 结合了智能房屋系统和远程控制技术就使得房屋的内部网络与因特网相连 接成为了一种可能。这样的连接可以让我们远距离的控制和管理房屋。现举例说 明该系统的实际工作状况： 比如以下这种情况，玛丽下班之后正在家的路上，这时她可以用自己的掌上 电脑通过因特网连接到自己的房屋主页上，调节浴缸的温度，并且在自己到家之 前把灯打开。在第二种情况下，加热系统的油料传感器只是油料不足需要加油， 这时系统就会向油料派送中心发送一个请求加油的信息。在第三种情况下，约翰 正在他的办公室，突然他收到一个紧急信息，有人正在非法进入他的住宅，约翰 立即连接到他的房屋主页，通过监控录像发现了正在行窃的小偷。与此同时，系 统可能已经向警方发送了警报信息。在第四种情况下，约翰和玛丽正要去看电影， 当他们出门的时候，系统向玛丽的掌上电脑发送了一条信息，告诉他们有一扇窗 户忘了关上。 智能家庭系统为我们展示了网络技术和自动化技术的整合对现代生活方式 带来的巨大冲击，也让我们看到了这种整合技术的不可想象的发展前景。 这种智能家庭系统设计的思想也将被应用在网络实验室的设计中。我们将利 用一个非常相似的结构来实现网络实验室。 o 第一章绪论 1 5 网络实验室总体结构 终上所述，并根据目前的网络条件和实际情况，考虑应用传统的c s ( 即 c l i e n t s e v e r ，客户机服务器模式) 但是采用多层( 三层) 架构如图1 所示，这 也是现在相对而言较通用的方式。即主要的三层分别为：作为后台实际操作试验 的若干个工作站，中间转发和执行一般网络任务的大型服务器，以及远端不确定 的实时客户。客户端与服务器通过1 1 1 e m e t 连接服务器与各工作站是可由校内现 成的局域网进行连接，这样可以充分利用现有的资源节约了成本和开发时间。 圈l网络实验室三层结构 网络实验室三层结构主要作用为： 1 ) 客户端 客户端为需要通过网络实验室进行实验的远程终端，它应该具备独立的存 储设备，用来保存从服务器下载用于进行远程实验的软件： ) w i n d o w s 9 8 及以上 版本操作系统，下载的远程实验的软件需要该操作系统的支持；显示及输入设 备，用与输入实验命令、数据及显示实验结果； 2 ) 服务器端 服务器端的服务器为客户端提供各种所需要的服务，它响应客户端的请求， 并向客户端提供某种形势的数据，包括图象、声音、应用程序，甚至是视频。服 务器同时负责多个工作站同客户端的数据传递，起到了非常重要的网络枢纽作 用服务器相应速度的快慢直接影响到整个网络实验室的工作效率，因此服务器 在整个网络实验室中有举足轻重的作用。 3 ) 工作站 工作站为直接控制硬件设备的子服务器，它一般由p c 机构成，可以单独运 第一章绪论 行，也可以通过服务器接收远程控制，控制软件主要在工作站上运行。就本课题 而言，工作站用于接收通过服务器传送过来的数据控制电机的运行，并返回检测 的电压、电流、功率等数据值。就网络实验室的软件而言，此网络实验室将拥有 个比较大的数据库。网络数据库保存各种试验信息，包括实验室以及试验使用 人员，错误记录，考核记录等等，由m y s q l 完成。远程用户用w e b 方式与中心 服务器建立连接后下载对应的试验程序，安装后以s o c k e t s 方式与主服务器通讯， 主服务器随即与工作站进行联系( s o c k e t s ) 。 对于客户端软件设计，主要要求为客户提供美观简洁的交互操作界面，并且 使用户可方便地进行各项操作。客户端的软件首先需要完成客户的身份接入，通 过服务器完成客户身份的确认。一旦客户的身份通过确认，客户端设计的软件将 为客户展现一个交互操作的界面，客户所进行的所有电机实验都在这个界面上完 成。软件的具体内容包括：a ) s o c k e t s 连接，建立与主服务器的通讯，进而实现 与工作站的试验数据交换；b ) 部分用户校验功能，在用户输入学号之后将数据 送至工作站端，判断是否允许其继续进行试验，即首先从工作站端进行验证，如 不通过则必须从主数据库读取数据进行验证，并将数据条转存到工作站数据库： c ) 若干试验准备，例如异步电动机绕组首末端判断，调压过程等的检查工作， 以及电器接线图正确性判断，不正确将不允许其进行试验；d ) 实验要求数据发 送，根据不同试验提交数量各异的实验点；e ) 在实验点数据反馈回来之后，对 其进行处理，生成试验曲线，试验数据表格和试验中出现的各种错误记录。并组 织成为试验报告；f ) 提供打印功能。 服务器与工作站是通过局域网传递数据。因此工作站的软件设计要把这一点 考虑到中间来。所以它要求：1 能够与远程客户端进行数据交互传输：2 通过 r s 2 3 2 与单片机及电压、电流、功率数据采集模块进行通信，控制电机及读取各 状态数据；3 设计类似于客户端的可独立操作界面，用于本地实验及控制。工 作站的软件设计还需要考虑多人接入、数据存储等问题。 1 6 本文的工作 本文的工作主要是电机实验室方案确定、硬件设备的选择、控制电路设计、 上位机接口软件的设计及下位机控制软件设计。在确定好方案和选择硬件设备 第一牵绪论 纛，本文耱难患主要簸放京井围磷俘控裁兹龟爨援设诗窝上下霞极软释蠡孽设计 上。控制电路扳的设计要考虑周全，选择简单易用又能满足实骏要求的微处理器。 其他电予器件聚保证安全可靠。控制电路原理图的制作、布线及电路板的烊接、 谲试是本文硬佟方蟊瓣主要麓作。软件上懿主要王俸是上往赣l 接投数据窝奉行逶 售子程j 挚编程，还有下位枫的串行通信、步进电机控制、a d 转换控制及数据处 理等系统程序的编程。软件设诗根据电机实验的具体要求绘制程序流程图，然后 撩据流稔窝迸褥各部分编程谪试，簸后避行总体调试，零文懿互俸完成螽霉与其 他同学的远程遄信程序进行接口、调试，调试通过螽电机网络实验室的研究与建 设任务就告一段落。 第二章电机网络实验室研究与建设概述 第二章电机网络实验室研究与建设概述 2 1 电机实验内容 电机实验的内容主要包括空载实验、短路实验和负载实验三个部分，这三个 部分都对硬件有很高的要求，而且操作复杂，需要实现设备的正确连接、负载的 增减、电机调速、各类数据的读取等工作。最后还有进行数据的处理。数据处理 主要是对这三项实验的实验数据进行曲线拟合并分析实验结果。 2 1 1 空载实验 实验电机( 三相异步电动机) 不接负载，逐渐升高电压，启动电动机，保持 在额定电压下空载运行数分钟，待机械损耗稳定后，继续升高电压至1 2 倍额定 电压，然后逐级降低电压，直至电动机转速显著降低或电流显著增大时( 电压约 降至o 5 u n 左右) 为止。在降压过程中，测取空载电压、空载电流、空载功率。 2 1 2 负载实验 将被试电动机的转轴与测功机相连接，逐渐升高输出电压到额定电压，并在 实验过程中保持不变。然后逐渐升高测功机励磁电压，这时异步电动机的负载随 之增加，直至异步电动机定子电流上升至1 2 5 倍额定电流时为止；然后逐级减 少负载直至空载时为止，在减少负载过程中，测取异步电动机的定子电流、输入 功率、转速和输出转矩( 通过测功机读取) 。 2 1 3 堵转实验 把被试电动机的转轴固定住，然后调节电压使电压从零开始慢慢升高，使短 路电流达到1 2 倍额定电流，再逐级降至o 3 倍额定电流时为止。在降低电流过 程中，测取短路电流、短路电压和短路功率。 4 第二章电机网络实验室研究与建设 匮鲨 2 2 电机实验室的主要硬件设备 电机网络实验室的硬件设备包括：实验主体设备一一台鼠笼异步电动机， 动机外部调压设备，步进电机及其控制器，测功机，控制电路板，开关电源， 相电动机检测模块等( 见附录1 ) 。 2 2 1 异步电机 三相鼠笼异步电动机接线可以采用三角形和星形结构，本课题采用星形结构 进行实验。 三相鼠笼异步电动机的主要参数如下： 额定电压为：2 2 0 v 额定功率：1 0 0 w 额定电流：0 4 8 a 额定转速：1 4 2 0 r m i n 额定频率：5 0 h z 2 2 2 测功机 测功机与异步电动机连接在一起，在进行负载实验时可以提供不同的负载， 由控制电路板给定负载值，同时测功机也可以用于在短路实验时使电机堵转。测 功机还包括一个压力传感器，工作电压为1 5 v ，其测量的转矩与电压值的关系如 下表l 所示： 表1 ：转矩与电压值的关系 转矩( n m )电压( m y ) o 52 6 8 l5 2 1 57 5 8 21 0 1 所得到的转矩值经控制板传送到工作站进行处理。 第二章电机网络实验室研究与建设概述 2 2 3 三相电参数数据采集模块“2 对于电压、电流、功率的采样采用e d a 9 0 3 3 智能三相电参数数据综合采集模 块。e d a 9 0 3 3 模块是一智能型电参数数据采集模块；可测量三相三线制或三相 四线制电路中的三相电流、电压的有效值，功率、功率因数和电度数。其输入为 三相电压( 0 , , - 5 0 0 v ) 、三相电流( 0 - - - 2 0 a ) ，输出为r s - 4 8 5 或r s 2 3 2 数字信号： 有三相电压值、三相电流值、有功功率、无功功率、功率因数、累计电量及各相 有功功率等。基本精度为0 2 级。输出接口位r s - - 4 8 5 或r s - - 2 3 2 。 e d a 9 0 3 3 模块可广泛应用于各种工业控制与测量系统及各种集散式分布式 电力监控系统。 e d a 9 0 3 3 模块能替代过去的电流、电压、功率、功率因数、电量等变送器 及测量这些变送器标准输出信号的模入模块，可大大降低系统成本，方便现场布 线，提高系统的可靠性。其4 8 5 总线输出与兼容于n u d a m 、a d a m 等模块的 a s c i i 码指令集，使其可与其他厂家的控制模块挂在同一4 8 5 总线上，且便于计 算机编程。 e d a 9 0 3 3 模块外形结构图如下： 丁 3 0 + 2 5 i k - - 6 9 一 li 图2e d a 9 0 3 3 模块外形结构图 该模块的使用示意图如图3 所示。 e d a 9 0 3 3 通讯接口与协议： 1 r s 4 8 5 二线制+ 1 5 k v e s d 保护 2 r s 2 3 2 t x d 、r x d 、g n d 三线制+ 1 5 k ve s d 保护 3 指令为a s c i i 码格式。兼容于n u d a m 、a d a m 等模块，与微机接口时编程 方便。 1 6 第二章电机网络实验室研究与建设概述 图3e d a 9 0 3 3 智能三相电参数数据综合采集模块 4 指令为十六进制格式，l c 0 1 协议。更适合与单片机等微控制器接口。 e d a 9 0 3 3 模块带有这两种通讯协议( a s c i i 码与十六进制格式) ，用户可通 过s l t 端( 也为i n i t * 端) 选择，s l t 端悬空为a s c i i 码协议，接地为十六进制 l c 0 1 协议。 e d a 9 0 3 3 供电电源g 1 + 5 v 供电，功耗小于0 5 w ，输入纹波小于2 0 0 m v ，输入电压5 v 1 0 。 2 + 1 0 3 0 v 供电，功耗小于o 7 w ，最高输入电压不得超过+ 3 2 v 。 3 交流供电( 5 0 h z ) ，可由测量电压输入线上取得，输入电压范围为6 0 v 2 6 5 v a c 。模块为交流电源供电时，1 9 、2 0 脚为a c 电源输入端；若电源由电压 测量线上取时，可将a c 接u g n d ，a c + 任一相电压。此时若用户需要( 需定 制) ，模块可从9 、1 0 脚提供+ 5 v ，最大8 0 m a 的电源。模块为d c 供电时，1 9 、 2 0 脚悬空未用。 u+nhj “ 图4e d a 9 0 3 3 三相电参数数据采集模块 第二章电机网络实验室研究与建设 表2 各接线端口的简要说明 引脚号名称描述 3r x d r s 一2 3 2 接口数据输入 4t x d r s 一2 3 2 接口数据输出 5g n d 地 6i n i t * ( s l t ) 协议选择端 7y ( d a t a ) + r s 一4 8 5 接口信号正极 8g ( d a t a ) 一 r s 一4 8 5 接口信号负极 9+ 5 ( + k ) 电源正，+ 5 v 1 0 g n d 电源负，地 1 1u g n d 电压输入地 1 3u a a 相电压输入 1 5u b b 相电压输入 1 7u c c 相电压输入 1 9a c + 交流供电电源正极 2 0 a c - 交流供电电源负极 l ，2 ，1 2 ，1 4 ，1 6 ，1 8n c 未连接 e d a 9 0 3 3 引脚定义： 认+ ：a 相电流输入 i b + ：b 相电流输入 i c + ：c 相电流输入 l e d 指示灯；模块正常运行状态下，指示灯每秒闪烁2 次。 注：1 i n i t + ( s l t ) 协议选择端将s l t 端悬空为a s c i i 码协议，接至5 脚 为十六进制l c 0 1 协议。 2 电流输入的方向如图示，应从“+ ”端输入每相的电流与电压应如图示相 对应接入，否则将导致错误的功率与累计电量。 3 9 脚为“+ v c c ”时，输入电源为1 0 3 0 v ；当用户未作要求时，将以+ 5 v 供货。 4 模块为交流电源供电时，1 9 、2 0 脚为a c 电源输入端；着电源由电压测 量线上取时，可将a c - 接u g n d ，a c + 接任一相电压。模块为d c 供电时，1 9 、 2 0 脚悬空。 第二章电机网络实验室研究与建设概述 2 2 4 步进电机及其驱动器 二相混和式步进电机及驱动器为珠海运控电机有限公司的产品，在本课题中 用于控制调压器。步进电机型号：8 6 b h 2 5 0 b ( 4 ) ；绝缘电阻：5 0 0 v d c 1 0 0 m f 2 m i n ；轴向间隙：0 1 o 3 m m ；径向跳动：0 0 2 m mm a x ：温升：6 5 km a ) ( ； 绝缘强度：5 5 0 v5 0 h z1 m i n u t e ；环境温度：2 0 + 5 5 ；绝缘等级：b ； 其基本技术数据为： 整步步距角：1 8 0 保持转矩：5 o n m 相电阻：0 6 q 静态相电流：4 a 相电感：9 6 m h 转动惯量：3 ，0 9 c m s e e 2 重量：3 2 k g 步进电机的出线方式及联接如图5 所示。 b +b 红 仝黑 黑 ? 黄呔万佩兰 图58 6 b h 2 5 0 b ( 4 ) 步进电机出线及联接图 步进电机驱动器为珠海运控电机有限公司生产的m c - - 2 0 8 0 6 系列二相混和 式步进电机驱动器，其具体型号为：m c - - 2 0 6 0 5 b ，它采用最新的专利技术，其 驱动等级为：相电流达6 a ，额定直流电压8 0 v ，具有较高的性能价格比。m c 一 2 0 8 0 6 系列驱动器接线示意图如图6 所示。 m c - - 2 0 8 0 6 系列驱动器接线说明： 驱动器输入信号包括控制脉冲c p 、方向d i r 。脱机f r e ( e ) ，输出报警信 号e e 、e c ，均采用光耦隔离；其中控制脉冲c p 输入脉冲频率可高达2 0 0 k h z ， 第二章电机网络实验室研究与建设概述 e e 、e c 为输出报警光耦的发射级和集电级。 驱动器采用直流电源供电，d c 、d c + 分别为其负。正极接线端子，额定电 压为8 0 v ，可工作于5 5 1 0 0 v 的较宽范围内，应注意电源正负极关系，超 过1 0 0 v 时可能造成永久性损坏。所加电源电压的波动幅度应限制在1 0 以内，要求有提供至少5 安培( 视所驱动的电机及电源电压所不同) 的稳定 电流的能力。在电压允许范围以内，较高的电源电压会使驱动器的高速特性 得到改善。一个特别需要注意的因数是国内电网波动较大，通常可达1 5 ， 因此，在选用工作电压时，当电网为额定电压值时，直流电压不应超过8 0 v 。 图6m c - - 2 0 6 0 5 驱动器接线示意图 a + 、a 、b + 、b