基于信息物理系统架构的微机接口远程实验系统设计与实现

发布时间：2017-10-15 07:34

  本文关键词：基于信息物理系统架构的微机接口远程实验系统设计与实现

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【摘要】：自二十世纪九十年代以来,随着多媒体远程教学的发展,越来越多的远程实验室出现在各种教学活动当中。远程实验室的出现,使用户可以通过计算机来远程控制实验室物理设备,完成相关教学实验,为传统教学模式带来了突破,也使教学资源得到了最大化的利用。另一方面,随着嵌入式系统的不断发展,一些学者认为,目前嵌入式系统面临的挑战已不再是资源的有限性问题,而是嵌入式系统与物理过程相互作用的问题。根据这一发展状况,美国国家科学基金会的Helen Gill提出了信息物理系统(Cyber-Physical System)的概念。在信息物理系统中,嵌入式系统通过传感器感知物理过程,将收集到的数据经过网络发送给处理单元,处理单元对数据进行处理,同时通过反馈回路对物理过程进行控制,使物理过程与嵌入式系统融合,形成一个整体。本文从信息物理系统的角度出发,以微机接口原理远程实验室为依托,搭建了一个基于信息物理系统的远程实验系统。系统选用Lab8000实验箱作为物理实验设备,通过远程控制,完成微机接口实验。实验箱通过串口与服务器通信。用户通过客户端计算机与服务器建立连接,向服务器发送控制命令,控制实验程序的编译、调试、烧写以及硬件实验过程,并根据实验反馈结果和实验过程的视频信息,实时与实验箱交互,形成反馈回路。本系统中,服务器支持多用户共同控制实验箱,系统客户端支持虚拟实验,因此系统实现了一个虚实结合的远程实验系统。同时作为一个简单的信息物理系统,在系统可靠性和安全性上,采用了心跳包、加密等方法,本系统为进一步研究信息物理系统的各种细节提供了一个平台。本文完成的主要工作包括:(1)介绍本文的研究背景,即信息物理系统和远程实验室的国内外研究现状和发展趋势,指出基于信息物理系统架构的微机接口远程实验系统的研究意义。(2)研究典型信息物理系统及其特征,比较传统远程实验室与基于信息物理系统的远程实验系统。设计并实现系统的关键技术方案:远程控制、网络通信、多任务处理、虚拟实验平台设计、实验程序编译的远程控制。(3)研究系统的功能需求,对系统的整体架构进行分析设计,包括客户端和服务器结构设计,并根据需求确定系统硬件选型、硬件环境搭建。(4)划分系统客户端和服务器各软件功能模块,对客户端和服务器进行详细设计和实现,包括服务器与实验箱通信、网络通信、多客户端任务调度、视频采集与接收、实验程序编译远程控制、虚拟实验平台实现等软件模块的设计与实现。(5)设计并实现系统远程实验,包括实验原理说明,实验箱资源选取,实验连线情况,软件程序编写与测试。(6)对系统主要模块分别进行单元测试和集成测试,分析测试结果,验证系统是否满足需求。
【关键词】：远程实验系统 信息物理系统 Lab8000 远程控制 虚拟实验
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP334.7
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-16
• 1.1 引言11-12
• 1.2 信息物理系统国内外发展现状12-13
• 1.3 远程实验室国内外发展现状13-14
• 1.4 本文研究目的和意义14
• 1.5 本文主要研究内容14-16
• 第2章 信息物理系统远程实验室及关键技术16-23
• 2.1 信息物理系统概述16-19
• 2.1.1 典型信息物理系统16-18
• 2.1.2 信息物理系统特性18-19
• 2.2 远程实验室概述19
• 2.3 信息物理系统架构的远程实验系统19-23
• 第3章 信息物理系统架构的微机接口远程实验系统设计23-35
• 3.1 功能需求分析23-24
• 3.2 系统技术方案设计24-28
• 3.2.1 系统远程控制方案设计24-25
• 3.2.2 网络通信方案设计25-26
• 3.2.3 多任务处理方案设计26
• 3.2.4 虚拟实验平台方案设计26-27
• 3.2.5 实验程序编译的远程控制方案设计27
• 3.2.6 视频流处理方案设计27-28
• 3.3 系统结构设计28-32
• 3.3.1 系统整体结构设计28-29
• 3.3.2 系统服务器端结构设计29-30
• 3.3.3 系统客户端结构设计30-32
• 3.4 系统开发工具32
• 3.5 系统软/硬件环境搭建32-35
• 3.5.1 物理实验设备32-33
• 3.5.2 系统软件环境搭建33
• 3.5.3 系统基本硬件环境搭建及接线说明33-35
• 第4章 系统服务器端详细设计与实现35-49
• 4.1 远程实验的设计与实现35-41
• 4.1.1 远程实验设计35
• 4.1.2 实现远程实验的基本方法35-36
• 4.1.3 系统实现的远程实验36-41
• 4.2 服务器管理界面设计41-42
• 4.3 服务器计算机与实验箱通信42-44
• 4.4 视频流采集与接收44-46
• 4.5 多任务处理模块设计与实现46-49
• 第5章 系统客户端详细设计与实现49-57
• 5.1 虚拟实验平台设计49-50
• 5.2 控制命令网络传输50-53
• 5.3 实验程序编译的远程控制53-55
• 5.4 多客户端55-57
• 第6章 系统集成与测试57-65
• 6.1 测试方案概述57
• 6.2 系统主要模块功能测试57-63
• 6.3 系统集成测试63-65
• 第7章 总结与展望65-66
• 参考文献66-69
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果69-70
• 致谢70

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本文编号：1035886