遠程虛擬儀器在工程機械控制中的應用
關鍵詞：工程機械 遠程 虛擬儀器
引言
目前，測試技術與計算機深層次的結合正引起測試儀器領域里的一場新的革命，一種全新的儀器——虛擬儀器應運而生。虛擬儀器，是虛擬技術的一個重要組成部分，它是現代計算機軟件技術、通信技術和測量技術高速發展孕育出的一項革命性技術，其導致了傳統儀器的結構、概念、和設計觀點都發生了巨大變革。而把它應用到傳統工程機械的控制中，就打破了傳統工程機械的基于現場系統控制的相對封閉，故障診斷與維修等等都會受到人力、技術和地域的限制的局面，同時對于危險作業、一些極端惡劣環境下的作業都提供了解決的方案或途徑。因此可以說，通過將虛擬儀器技術和與計算機網絡技術相結合，應用于現代工程控制中，建立一種開放式的農機控制系統已經是勢在必然。
1 關于遠程虛擬儀器
隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術和網絡技術的高度發展，在科研、工業和醫學領域，隨著低成本高性能的計算機資源的有效利用，數字化平臺逐漸成為測量儀器的基礎。儀器技術和計算機技術的深層次的結合創造了虛擬儀器的概念，將計算機（處理器、存儲器、顯示器等）和通用儀器硬件（A/D、D/A變換器、數字輸入/輸出、定時和信號處理器等）與用于數據分析、過程通訊及用戶圖形界面的軟件有效地結合起來，就組成了虛擬儀器。儀器的智能化和虛擬化已經成為未來各級實驗室以及研究機構發展的方向，“The Soft is Instruments（軟件就是儀器）”正在被廣大科技、教學工作者逐步接受。
繼“軟件就是儀器”的概念之后，出現了“網絡就是儀器”的新觀念。遠程虛擬儀器就是虛擬儀器在網絡領域的擴展。遠程虛擬儀器技術結合了虛擬儀器技術與網絡技術，將虛擬儀器的應用范圍拓展到整個Internet/Intranet 網上，使信號采集、傳輸和處理一體化。因此構建基于Internet/Intranet上的遠程虛擬儀器系統已經成為虛擬儀器應用發展的一個重要的環節。
無論哪種遠程虛擬儀器系統，都是將硬件儀器（傳感器、調理放大器、A/D卡）搭載到遠端服務器上，加上應用軟件并和本地的筆記本電腦、臺式 PC 機或工作站等各種計算機通過網絡相連而構成的，實現了用計算機和網絡技術的全數字化的采集測試分析。Internet/Intranet 為實現遠程虛擬儀器系統提供了一個很好的平臺，利用瀏覽器/服務器模式，操控者可以在瀏覽器端控制遠程服務器進行測試以及進行遠程實驗的操作，從而實現對遠地實驗系統的遠程控制和監控。
2 基于LabVIEW的遠程虛擬實現方案比較
Labview是一個功能完整的軟件開發環境，它同時也是一種功能強大的編程語言。Labview針對數據采集、儀器控制、信號分析、和數據采集等任務，設計提供了豐富完善的功能模塊，用戶只需直接調用，就可以免去自己去編寫程序的繁瑣，而且labview作為開放性的工業標準，提供了各種接口總線和常用儀器的驅動程序，是一個通用的軟件開發平臺?；贚abVIEW，主要有四種用于開發遠程虛擬儀器的技術，它們是DataSocket 技術、基于 ActiveX 技術、基于 Java Applet 技術以及基于AppletVIEW的 技術。
基于 DataSocket 技術的遠程測控方案，優點是 DataSocket 定義了一個測控數據傳輸協議，從而利用這種方法可以達到很高的數據傳輸效率，實時性能相當好。缺點是它只能實現 C/S 模式而不能實現 B/S 模式，需要同時開發服務器端程序和客戶端程序，客戶端控制功能太弱，尚有待加強。
基于 ActiveX 實現方案，在實現上采用 Delphi 開發，它的優點是開發效率高，而且一旦程序下載成功，比起同樣功能的 Java 程序具有更高的執行速度和效率，占用的系統資源也相對比較少;但是，實驗證明，生成的 ActiveX 控件程序的尺寸比 Java 程序要大許多，客戶端需要花費大量的時間來下載這個程序。
基于 Java Applet 技術的優點是可以實現 B/S 模式，只需開發服務器端程序，開發效率高，客戶端無須下載插件，程序較小便于下載執行;缺點是圖像質量差,動態顯示有跳動感不連續。
基于 AppletVIEW 組件技術實現的遠程測控方案，可以實現 B/S 模式，AppletVIEW 是第三方開發的遠程測控專用組件，為遠程測控系統提供了可視化開發環境，能把 LabVIEW 儀器面板自動生成 Java 儀器面板，所以具有很高的開發效率。而且，數據的傳輸是基于 Socket 的一種傳輸方式，具有較高的數據吞吐量，缺點是需要修改本地測控程序，并在本地 VI 程序中調用AppletVIEW 提供的一些網絡控件 VI，來與瀏覽器端的 Java 程序通信，從而實現網絡測控。
3 用遠程虛擬儀器實現遙控挖掘
用挖掘機挖掘化學或者危險爆炸物以及有毒物品時，從安全角度考慮，應該使用遙控挖掘來清除障礙目標或物品，使得化學或有毒物品等對處于遙控位置的設備操作者的傷害最小化。
挖掘機的控制設計應包括6個獨立機件的控制，以及視覺能力、操作參數、遙控啟動裝置和緊急停車環節等。
CASE CX-160挖掘機可通過兩個雙軸操縱桿和兩個單軸腳踏板的傳統方式操作，其中每一個軸均由兩級液壓伺服閥驅動。挖掘機有6個獨立機件：臂、吊桿、鏟斗、轉軸、左、右履帶。為了控制這些機件，在駕駛室和挖土機中放置FieldPoint模塊。然后裝載FieldPoint模塊程序，通過操控桿輸入來控制挖掘機動作。FieldPoint分布式I/O系統工作頻率為10Hz，遙控6個獨立機件。電源為12伏特到24伏特，電流最大量為45安培。獨立的緊急停車電路用來實現安全要求。
圖1、基于無線I/O的分布式遙控挖掘機系統結構圖
為了確保穩定性和整體的安全性，必須實時遙控自動挖掘機。采用FieldPoint模塊與LabVIEW實時軟件相結合。這樣不僅實現了挖掘機的智能控制，同時也提供了挖掘機的自動故障防止。同時選擇電子傳感器和采集系統組成FieldPoint分布式I/O模塊，這些模塊通過FieldPoint網絡模塊連接在一起。FieldPoint分布式I/O通過使用LavVIEW簡單集成功能極大地方便了構建基于客戶的系統。FieldPoint模塊通過以太網和串口數據傳送協議進行通信，而模塊之間傳送的數據通過無線串行調制解調器進行通信。挖掘機的基本操作需要讀取遙控站控制輸入設備的模擬電壓，通過網絡傳輸到挖掘機FieldPoint模塊中執行?；跓o線I/O的分布式系統結構如圖1：
而軟件層采用Datasocket技術與基于B/S結構的遠程面板相結合的策略。DataSocket 是 LabVIEW 最新提供的一個網絡測控系統開發工具，它大大簡化甚至免除了網絡通信編程，用戶使用這種技術可以很容易地在互聯網上實現高速實時數據交換。借助它可以在不同的應用程序和數據源之間共享數據并進行時實數據（Live data）的傳輸。圖2描述了 DataSocket 的體系結構。而遠程面板可以在通過在服務器端安裝Runtime Engine實現遠端的遠程面板的發布，實現了B/S結構的控制。
圖2、DataSocket的體系結構
DataSocket 可以訪問本地文件以及 HTTP 和 FTP 服務器上的數據，并為低層通訊協議提供了統一的 API 函數，編程人員無需為不同的數據格式和通訊協議編寫具體的通訊程序代碼。DataSocket 使用一種增強型數據類型來交換儀器類型的數據，這種數據類型包括數據特性（如采樣率、操作員、通道數、時間、及采樣精度）和實際測試數據。使用DataSocket可以得到很高的數據傳輸速率，可以獲得很好的實時性能，從而可以滿足大多工程機械的需要。
圖3、遠程VI主面板
在遠程操控站，操作者遙控開關視覺系統和工作燈的電源。四個控制按鈕為挖掘機攝像機提供了拍攝全景和傾斜調節的能力。同時操作者必須監控挖掘機的工作參數：例如：油位，水和油溫的實時警告信息，這些參數顯示在控制桿旁邊的一體化液晶顯示器上。這些數據由位于挖掘機的計算機上的RS-232端口發送的。挖掘機的狀態經過處理后，通過無線網絡發送到遠程遙控站站，然后再執行適當的操作。如果發生嚴重錯誤，車輛控制將終止并顯示警告信息給操作者。如圖3是基于B/S結構發布的遠程VI面板，操作者可以在任何裝有網頁瀏覽器的電腦上監控挖掘機。
4 結論
遠程虛擬儀器是虛擬儀器在網絡領域的拓展，除了具備虛擬儀器的全部優點外，它的主要優勢還在于不受地域、環境的限制。用網絡技術組建的遠程虛擬儀器系統，可以使信號采集、傳輸和處理一體化，不但可以共享許多昂貴的硬件資源，而且還便于擴展測試系統、提高測試效率，所以應用面極為廣泛，是科研、教育、開發、測量、檢測、計量、測控等領域不可多得的好工具，而本文把它應用在工程機械的代表-挖掘機上，對虛擬儀器這一技術在這些領域的應用和發展有重要意義，也使現代工程機械實現全面自動化和網絡化的開展成為可能，使遠程虛擬儀器的發展走上一個新的高度。
本文作者創新點：
1.虛擬儀器技術在工程機械挖掘機的遠程控制中的應用
2.FieldPoint和DataSocket技術實現對工程機械的實時控制
參考文獻：
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