“计算机控制”课程网络化实验平台

“计算机控制”课程网络化实验平台

王　俊　陈建元　许康平

（东南大学仪器科学与工程系，江苏南京，210096）

【摘要】　本文提出了用嵌入式网络化实验平台解决高校因实验室经费不足，导致“计算机控制”课程实验设备过于简化的问题。该实验平台由多个由嵌入式系统构成的网络节点组成，其中网络节点和PC机都是连接在局域网之内的，学生可以通过PC机分时段地控制这些网络节点，从而提高了设备的使用率。本文还以该实验平台为基础，提出了一种远程“计算机控制”课程实验的设想。

【关键词】　计算机控制　网络　嵌入式　Win CE

【中图分类号】　TP312；G642．423　　　　　　　　　【文献标识码】　B

【文章编号】　1008－0686（2006）06－0092－03

1．引言

“计算机控制”是数字计算机和自动控制相结合的产物，是自动化专业的一门主干课程，许多高校开设了“计算机控制”课程的必修课或选修课。然而在该课程的实践教学中，却出现了许多问题和困难。如为每位学生都准备几套符合真实环境的全硬件实验设备，这能够很好地与工程实际结合，但是其价格因为数量大而过于昂贵，实现起来相当困难；而仅仅采用计算机进行仿真实验，不能很好地与实际工程结合，教学效果不明显；通过简化控制对象节约经费，这比在计算机上做简单数值仿真进了一大步，但与真实的生产实践差距过大，一个本科生因此所增加的能力有限。为了解决实验设备不能及时更新的问题，可以利用网络技术来缓解经费压力。

2．“计算机控制”课程新设想

计算机控制系统实验设备结构如图1所示。其工作原理为：对PC机进行编程，通过AD采集卡接收传感器信息，通过DA转换卡控制执行器，最终实现对受控对象的控制。控制对象可以是一个步进电机，一个直流风扇，一个电加热器或一个几升的液面控制水槽，并且各控制对象是独立的。我们采用网络技术设计了一种新型“计算机控制”课程实验平台，使得上面所遇到的问题得以解决。

“计算机控制”课程教学实验平台的设想是：整个教学实验平台是一个局域网。局域网内有多个网络节点及PC机，每个网络节点又由控制器、传感器、执行器与受控对象组成，学生可以通过PC机控制各个网络节点。该系统核心是一套分布式分时控制系统。网络接口是网络节点的重要部分。每个网络节点都保持自己的独立性，整个系统采用分时管理机制，学生分时段控制每个网络节点，由于学生修改自己程序的时间远多于控制实验时间，实验对象被充分利用。实验平台系统框图如图2所示。

图1　计算机控制系统实验设备结构示意图

图2　实验平台系统框图

基于该实验平台，我们还设计了一种远程“计算机控制”课程实验的方法：每一个网络节点可放置在不同的地方，但都连接在局域网内部，同时每个网络节点都具备摄像头和拾音器，在校园网远端的学生可以通过PC机操作该节点。

3．网络节点系统构成

网络节点硬件部分采用Cirrus　Logic公司的EP9315作为控制核心，该芯片是一款基于ARM920T内核的32位处理器，具有200MHz的处理速度、16kB数据高速缓存和16kB指令高速缓存以及丰富的外围接口。此芯片集成度相当高，本身集成了许多常用的外围设备接口，能够大大简化外围电路的设计。芯片内置一个高性能1／10／100Mbps以太网媒体存取控制器（MAC），只需外接一片物理层（PHY）芯片即可实现以太网通讯，还内置三个USB　2．0全速（12Mbps）主端口，并且拥有音频接口，支持AC′97和I2S接口。经过系统需求分析，该芯片十分适合作为网络节点的控制CPU。因为已经具有大部分接口，故只需设计A／D、D／A电路即可。网络节点的系统框图如图3所示。

图3　网络节点的系统框图

网络节点软件部分采用嵌入式操作系统来实现，嵌入式操作系统能够有效管理复杂的系统资源，完成进程管理、处理器调度、存储管理、设备管理、中断处理等操作系统任务。更重要的是，嵌入式操作系统能够把硬件虚拟化，使得开发人员从驱动程序的移植和维护中解脱出来。这里我们选用32位、多线程、多任务的Windows CE．net作为操作系统，采用独立于通常的程序设计语言并且和Windows兼容的API的方式，保障了Windows CE．net的组件化和ROM化。而且，Windows CE．net在通信方面有着强大的功能，我们可以利用API或XML、SOAP、Winsock、MSMQ、MediaSense等服务能力创建丰富的基于网络的应用程序和服务。

网络节点的网络接口部分，选用WindowsSockets编程来实现，它利用下层的网络通信协议功能和操作系统调用来实现实际的通信工作，编程环境为Embedded Vis－ual C^＋＋。首先对WinSock进行初始化，调用WSAStartup函数加载WinSockDLL相应版本，然后通过socket函数创建套接字，之后调用一系列API函数完成网络通信。本系统采用有序、可靠、双向和基于连接的通信方式。本实验平台已实现了下面三个网络实验：电机控制、温度控制、电梯控制。

4．结束语

该计算机控制实验平台符合计算机控制及其最新发展技术的工程应用特点，可以培养学生的工程意识，提高学生综合运用所学知识的能力、动手能力和科研能力。该实验平台不但节约了大量的实验室经费，而且完善的各种实验设备为提高学生的素质提供了良好的条件。在进行一般实验的同时，学生接受了网络控制这个新概念，特别是开放嵌入式网络控制概念。

参考文献：

［1］　马应魁，张虎．计算机控制系统［M］．北京：化学工业出版社，2006：15－30

［2］　夏洁，高金源．计算机控制系统综合性实验平台建设［J］．实验室研究与探索，2005，24：321－323

［3］　周毓林，宁杨，陆贵强，付林林．Windows　CE．net内核定制及应用开发［M］．北京：机械工业出版社，2005：9－11

［4］　EP9315User's Guide［R］．CIRRUS LOGIC，February 2004：25－60

（原载于《电气电子教学学报》，2006年第6期）