一种远程实验控制系统及控制方法与流程

1.本发明涉及远程操控技术领域，尤其涉及一种远程实验控制系统及控制方法。


背景技术：

2.远程教育主要利用广播、电视、计算机网络或其他通讯方法实现。远程教育应包括远程课堂和实验两个方面。目前远程教育中的实验主要采用以下几种方式进行：一种方式，利用计算机仿真技术和多媒体技术构成的虚拟仪器和虚拟设备所组成的虚拟实验系统。例如用matlab为矩阵实验室软件、electronics work-bench为电子工作平台，labview为虚拟仪器、daq designer为图样设计进行虚拟实验。这是一种全新的实验方法。但是目前技术水平，用虚拟方式构成的仪器、设备与真实的仪器、设备的实验，在很多方面还有很大差别，缺乏真实感。
3.另一种方式采用邮寄实验箱到学生家中进行实验，完成实验后再寄回的方法。国外有采用邮寄方式的远程实验，但成本高、周期长。
4.目前计算机远程教育中应用的计算机网络技术中，特别是可以实现远程连接的一些软件，例如telnet为远程登录软件、pc anywhere为远程计算机、netmeeting为网络会议软件、remoteexpert32为远程专家软件，都不是专门为远程实验而开发的，使用中均有缺陷，不能直接利用这些软件完成远程实验的各个环节，目前尚无实用的远程实验控制软件。
5.为了满足日益增加的远程实验的需求，让教师在课堂上教导完理论课后，学生不必亲自去实验室，在线上即可完成实验的操作，可将理论与实验快速地结合起来的需求，发明一种远程实验控制系统势不容缓。


技术实现要素：

6.鉴于背景技术存在的不足，本发明涉及一种远程实验控制系统及控制方法，根据上述问题，设计了一种远程实验控制系统及控制方法，此系统不仅省去了学生来回实验室的时间，而且可避免学生因为各种客观原因而无法去实验室做实验，省去此过程在一定程度上也提高了学生学习的积极性，因为便利可以使原本不愿意去实验室的学生多了一种选择。
7.本发明涉及一种远程实验控制系统及控制方法，远程实验控制系统包括：控制单元：包括主控芯片、隔离通讯芯片、数字逻辑芯片，所述隔离通讯芯片将从上位机传过来的通信信号转换并传输至主控芯片，所述主控芯片进行处理后将输出线号发送至数字逻辑芯片后传输至驱动扩展单元；驱动扩展单元：包括位移缓存芯片、数字隔离芯片、驱动芯片，所述位移缓存芯片接收到控制单元发出的信号后发往数字隔离芯片进行信号的隔离，然后再输出至驱动芯片输出驱动信号发送至继电器扩展单元；继电器扩展单元：包括若干继电器，所述继电器之间相互连通。
8.通过采用上述方案，该系统可将用户在上位机内编辑完成的电路连线传输至主控板后控制驱动板驱动继电器板来实现元器件的任意连接。
9.进一步的，所述控制单元、驱动拓展单元、继电器拓展单元之间采用工业用2.54mm接插件与fpc接插件连接。
10.通过采用上述方案，连接稳定，操控智能方便。
11.进一步的，所述继电器从上往下继电器数量递减，递减数量为1个。
12.通过采用上述方案，形成继电器阵列，用于实现点位之间的任意连接。
13.进一步的，所述继电器为15行继电器阵列，所述继电器阵列第一行数量为30个，共345个继电器，所述继电器之间实现30个点位间的连接。
14.通过采用上述方案，可实现30个点位间的任意连接，也可进行拓展实现更多点位的任意连接。
15.进一步的，每个所述继电器连接有元件，所述继电器间的连接可实现各元件之间的电路连接。
16.通过采用上述方案，用于控制元件。
17.一种远程实验控制控制方法，其特征在于：其控制方法步骤如下：s1：实验室中的电路元件中添加通过线路连接继电器阵列，获取远程实验的每一个实验用品的电路元件的初始位置坐标以及目的位置坐标；s2：根据每一个实验用品中的各个实验用品电路元件的初始位置坐标以及目的位置坐标，得到控制各个实验用品的若干连接轨道；s3：通过接收控制单元发送来的控制信号控制继电器实现各个实验用品电路元件在连接轨道上的连通；s4：上位机获取所述继电器返回给控制单元的实验数据，进行数据分析。
18.进一步的，s1步骤中的坐标获取包括如下步骤：利用下面的公式判断消除远程控制的网络延时后，各个实验用品的横纵坐标中是否存在与目的位置的横纵坐标有重叠的情况；其中，δxi(t)表示在消除远程控制的网络延时后t时刻第i个实验用品的横坐标与目的位置的横坐标的差值；δyi(t)表示在消除远程控制的网络延时后t时刻第i个实验用品的纵坐标与目的位置的纵坐标的差值；xi(t)表示未消除远程控制的网络延时的t时刻学生端显示设备的实验平台界面上第i个实验用品的横坐标；yi(t)表示未消除远程控制的网络延时的t时刻学生端显示设备的实验平台界面上第i个实验用品的纵坐标；b表示传输学生根据所述控制各个实验用品下方滚轮移动的控制按键信息远程控制各个实验用品下方滚轮移动的控制指令的传输数据的数据量；vb表示远程控制的传输网速；若δxi(t)＝0，则表示t时刻第i个实验用品的横坐标与目的位置的横坐标已重叠；若δxi(t)≠0，则表示t时刻第i个实验用品的横坐标与目的位置的横坐标未重叠；若δyi(t)＝0，则表示t时刻第i个实验用品的纵坐标与目的位置的纵坐标已重叠；若δyi(t)≠0，则表示t时刻第i个实验用品的纵坐标与目的位置的纵坐标未重叠；以及若消除远程控制的网络延时后，存在实验用品的横纵坐标中与目的位置的横纵坐标有重叠的情况，则切断对该实验用品在相应方向上的远程控制并对其进行制动。
19.通过采用上述方案，可实现断网情况下的精确控制。
20.进一步的，还包括s5步骤：继电器归零操作，所述归零操作采用数组循环赋予继电器阵数组初始值=0x00，此时完成继电器复位操作。
21.通过采用上述方案，自动清零便于下个实验者操作。
22.进一步的，s4步骤中，所述数据分析包括在实验进行过程中，观察实验设备的实际运行情况，打开视频窗口，用摄像头观察实验设备的实际运行，观看现场直播，同时监视程序的运行，读取实验数据结果，存盘或打印机输出实验结果，完成实验报告。
23.通过采用上述方案，提高实验准确性，可实时观测电路故障问题并及时发现解决，提高安全性问题。
24.进一步的，所述控制单元控电路制元件采用网络连接的多种智能化实验设备和相应的软件操作，该控制软件包括，可编程控制器控制软件、单片机或嵌入式计算机控制软件、变频器控制软件、伺服系统控制软件。
25.通过采用上述方案，可操作性更强。
具体实施方式
26.以下将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
27.为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
28.本发明的实施例1，包括一种远程实验控制系统及控制方法，其中一种远程控制系统包括如下三部分：主控单元、驱动拓展单元、继电器拓展单元，三个单元之间采用工业用2.54mm接插件与fpc接插件进行连接。
29.所述控制单元包括主控芯片、隔离通讯芯片、数字逻辑芯片，所述主控模块采用主控芯片组成的最小系统加隔离通讯芯片加数字逻辑芯片组成。上位机信号通过隔离通讯芯片转换后将信号输入至主控芯片，所述主控芯片进行处理后输出信号至数字逻辑芯片，随后将信号输入下一级的驱动拓展单元。
30.所述驱动扩展单元包括位移缓存芯片、数字隔离芯片、驱动芯片，所述位移缓存芯片接收到上一级由主控单元输出的信号进行处理后通过数字隔离芯片进行信号的隔离再输出至驱动芯片使驱动芯片输出驱动信号至驱动拓展单元。
31.所述继电器扩展单元包括若干继电器，采用15行继电器阵列，经过优化计算每行分别为：30个、29个、28个、27个、26个、25个、24个、23个、22个、21个、20个、19个、18个、17个、16个继电器，共345个继电器实现30个点位间的任意连接，也可进行拓展实现更多点位的任意连接。每个所述继电器连接有元件，所述继电器间的连接可实现各元件之间的电路连接。
32.所述一种远程实验控制方法，包括如下操作流程：s1：实验室中的电路元件中添加通过线路连接继电器阵列，获取远程实验的每一个实验用品的电路元件的初始位置坐标以及目的位置坐标；s2：根据每一个实验用品中的各个实验用品电路元件的初始位置坐标以及目的位
置坐标，得到控制各个实验用品的若干连接轨道；s3：通过接收控制单元发送来的控制信号控制继电器实现各个实验用品电路元件在连接轨道上的连通；s4：上位机获取所述继电器返回给控制单元的实验数据，进行数据分析；s5：继电器归零操作。
33.下面对各个步骤进行详细说明：在一种可能的实现方式中，经过步骤s1后的电路元件可能因为网络问题进行坐标延迟或重叠，可利用下面的公式判断消除远程控制的网络延时后，各个实验用品的横纵坐标中是否存在与目的位置的横纵坐标有重叠的情况。
34.其中，δxi(t)表示在消除远程控制的网络延时后t时刻第i个实验用品的横坐标与目的位置的横坐标的差值；δyi(t)表示在消除远程控制的网络延时后t时刻第i个实验用品的纵坐标与目的位置的纵坐标的差值；xi(t)表示未消除远程控制的网络延时的t时刻学生端显示设备的实验平台界面上第i个实验用品的横坐标；yi(t)表示未消除远程控制的网络延时的t时刻学生端显示设备的实验平台界面上第i个实验用品的纵坐标；b表示传输学生根据所述控制各个实验用品下方滚轮移动的控制按键信息远程控制各个实验用品下方滚轮移动的控制指令的传输数据的数据量；vb表示远程控制的传输网速；若δxi(t)＝0，则表示t时刻第i个实验用品的横坐标与目的位置的横坐标已重叠；若δxi(t)≠0，则表示t时刻第i个实验用品的横坐标与目的位置的横坐标未重叠；若δyi(t)＝0，则表示t时刻第i个实验用品的纵坐标与目的位置的纵坐标已重叠；若δyi(t)≠0，则表示t时刻第i个实验用品的纵坐标与目的位置的纵坐标未重叠；以及若消除远程控制的网络延时后，存在实验用品的横纵坐标中与目的位置的横纵坐标有重叠的情况，则切断对该实验用品在相应方向上的远程控制并对其进行制动，可实现断网情况下的精确控制，解决重合问题。
35.在一种可能的实现方式中，经过步骤s2后的连接轨道为了不产生交叉或者轨道重合，可采用如下方式设置继电器矩阵的位置：所述继电器从上往下继电器数量递减，递减数量为1个，形成的继电器阵列，用于实现点位之间的任意连接且不重合交叉。具体为：所述继电器为15行继电器阵列，所述继电器阵列第一行数量为30个，共345个继电器，所述继电器之间实现30个点位间的连接。
36.在一种可能的实现方式中，所述步骤s3中采用主控板后控制驱动板驱动继电器板来实现元器件在轨道之间的滑动。
37.在一种可能的实现方式中，所述步骤s4中的数据分析过程中，观察实验设备的实际运行情况，打开视频窗口，用摄像头观察实验设备的实际运行，观看现场直播，同时监视程序的运行，读取实验数据结果，存盘或打印机输出实验结果，完成实验报告，提高实验准确性，可实时观测电路故障问题并及时发现解决，提高安全性问题。所述控制单元控电路制元件采用网络连接的多种智能化实验设备和相应的软件操作，该控制软件包括，可编程控制器控制软件、单片机或嵌入式计算机控制软件、变频器控制软件、伺服系统控制软件，可
操作性更强。
38.在一种可能的实现方式中，所述步骤s5中的继电器归零操作，具体为所述归零操作采用数组循环赋予继电器阵数组初始值=0x00，当数组被赋予初始值后主控单元控制驱动板驱动继电器板实现电路元器件的轨道互动，滑动到初始起点，从而完成继电器复位操作。
39.所述控制软件所运行的可读存储媒介固定终端包括但不限于：移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、pda(个人数字助理)、pad(平板电脑)、pmp(便携式多媒体播放器)、车载终端(例如车载导航终端)等等的移动终端以及诸如数字tv、台式计算机等等的固定终端。
40.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。