专利名称：远程实验系统和远程实验方法
技术领域：
本发明涉及互联网领域，特别涉及一种远程实验系统和远程实验方法。
背景技术：
随着互联网的广泛普及，越来越多的人们基于互联网进行各种活动，如通过互联网工作、学习或娱乐，丰富了人们的生活。目前出现了基于互联网进行远程实验的方案，人们在互联网上进行科学实现，提高了工作效率。现有技术中，基于互联网的远程实验方案主要包括两种一种是利用Director、 Flash.Authorware等工具软件设计的网上仿真或虚拟实验，采用“虚拟操作一虚拟测量” 的模式，这种方案的实验现象和数据都是在理想情况下由软件计算得到的，完全由软件来虚拟化实验环境，大多数是针对自身物理、计算机等学科的实验教学内容开发出自己的虚拟实验系统；一种是采用“虚拟仪器面板-硬件设备实体-真实实验场景”的模式，进行远程控制实验。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题现有技术一的方案不具有实验过程中应有的真实性，不能模拟实际情况存在的问题；现有技术二的方案实现起来较为复杂，对资源的要求较高。
发明内容
为了模拟真实的实验环境，并降低资源配置，本发明实施例提供了一种远程实验系统和远程实验方法。所述技术方案如下本发明提供了一种远程实验系统，所述系统包括至少一个客户端、服务器和至少一个远程实验设备；所述客户端，用于提供实验页面，接收用户在实验页面上输入的实验信息，并将所述实验信息发送给所述服务器；所述服务器，用于接收所述实验信息，并根据所述实验信息向相应的远程实验设备发送命令；所述远程实验设备，用于接收所述命令，根据所述命令在实验板上进行实验操作得到实验结果，并将所述实验结果发送给所述服务器。 具体地，所述远程实验设备包括虚拟仪器和实验板，所述虚拟仪器，用于采集模拟信号，生成波形数据，采集所述实验板的各输出管脚状态，并将采集的数据发送给所述服务器；所述实验板，用于根据服务器发送的命令调整电路参数和改变电路的连接关系， 并与所述服务器进行通信。其中，所述远程实验设备还包括采集卡，用于采集实验现场的实验数据，并将所述实验数据发送给所述服务器。其中，所述虚拟仪器具体包括芯片控制的示波器、信号源、电压表和/或逻辑分析仪。所述信号源具体为CY7C68013A芯片；所述电压表具体为12bit A/D芯片；和/或所述逻辑分析仪具体为FPGA EP3C25Q240芯片。其中，所述实验板具体为电子电路实验板、数字电路实验板CPLD(CompleX Programable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)实验板、FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)实验板、ARM (Advanced RISC Machines)实验板、 DSP(Digtal Signal Processor数字信号处理)实验板或单片机实验板。具体地，所述实验板具体包括数字电位器、模拟开关和复杂可编程逻辑器件 CPLD ；所述数字电位器，用于调整电路参数，使用户能在客户端控制电阻值；所述模拟开关，用于改变电路的连接关系；所述CPLD用于根据服务器发送的命令下载相应的数字实验程序，以进行实验。其中，所述服务器还包括功耗控制模块，用于对服务器内的中央处理器CPU的功耗进行控制，并控制所述远程实验设备的电源。本发明还提供了一种远程实验方法，所述方法包括接收用户通过客户端发送的实验信息；根据所述实验信息向相应的远程实验设备发送命令；接收所述远程实验设备发送的在实验板上进行实验的实验结果，并将所述实验结果发送给所述客户端。其中，所述接收所述远程实验设备发送的实验结果之后，所述方法还包括接收所述远程实验设备发送的实验数据，并对所述实验数据进行编码后发送给所述客户端。其中，所述根据所述实验信息向相应的远程实验设备发送命令，具体包括根据所述实验信息分析出所述实验信息对应的实验类型；根据预设的实验类型与远程实验设备的对应关系，向相应的远程实验设备发送携带实验类型的命令。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是通过远程实验设备根据用户在客户端输入的实验信息完成实验，首先，用户通过网络可以随时随地进行实验，而不需要专门到固定的实验室进行实验；其次，实验中产生的实验数据为远程实验设备产生的真实数据，而并非是软件模拟仿真数据，为用户提供了便利的同时也能调动用户做实验的积极性。 另外，由于将实验硬件设置在远程实验设备上，对本地客户端的硬件要求不高，用户可以在普通的PC上完成实验。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中提供的远程实验方法的流程图；图2是本发明实施例2中提供的远程实验方法的流程图；图3是本发明实施例3中提供的远程实验系统的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。实施例1 参见图1，本发明实施例提供了一种远程实验系统，所述系统包括至少一个客户端 101、服务器102和至少一个远程实验设备103 ；客户端101，用于提供实验页面，接收用户在实验页面上输入的实验信息，并将实验信息发送给服务器102 ；服务器102，用于接收客户端101发送的实验信息，并根据实验信息向相应的远程实验设备发送命令；远程实验设备103，用于接收命令，根据命令在实验板上进行实验操作得到实验结果，并将实验结果发送给服务器102。本发明实施例提供的系统，通过远程实验设备根据用户在客户端输入的实验信息完成实验，首先，用户通过网络可以随时随地进行实验，而不需要专门到固定的实验室进行实验；其次，实验中产生实验数据为远程实验设备产生的真实数据，而并非是软件模拟仿真数据，为用户提供了便利的同时也能调动用户做实验的积极性。另外，由于将实验硬件设置在远程实验设备上，对本地客户端的硬件要求不高，用户可以在普通的PC上完成实验。实施例2参见图2，本发明实施例提供了一种远程实验系统，所述系统包括至少一个客户端 201、服务器202和至少一个远程实验设备203 ；具体地，该远程实验系统采用客户端/服务器(Client/Server，C/S)结构，系统可以同时容纳多个客户端通过hternet网络访问服务器，服务器处理所有的请求，根据用户发送的实验信息向远程实验设备发送命令，该服务器存储用户通过客户端发送的实验信息和远程实验设备发送过来的实验数据和实验结果，并将实验结果回送到客户端，同时服务器对远程实验设备发送的多路视频进行实时编码和传输。实际应用中，该远程实验系统中可以有多个客户端，各个客户端之间独立存在，不同用户在不同的客户端上进行实验，本发明实施例中一个服务器可以对应多个远程实验设备，各个远程实验设备上进行不同的实验。客户端201，用于提供实验页面，接收用户通过实验页面上输入的实验信息，并将实验信息发送给服务器202 ；其中，客户端提供的实验页面至少包括实验操作控制页面和实验结果显示页面， 用户通过实验操作控制页面输入实验信息，在实验结果显示页面上看到远程实验设备完成实验后的实验结果。另外，客户端提供的实验页面还包括实验设备状态监视视频页面，用户可以通过实验设备状态监视视频页面检测远程实验设备实验过程中实验状态，如实验环境或实验数据等。具体地，客户端通过hternet网络与服务器连接，该客户端提供登录页面，该登录页面上显示有选择按钮，用户能够根据选择按钮进行相应的实验。服务器202，用于接收实验信息，并向相应的远程实验设备发送命令；具体地，服务器采用htel Core Duo T2300处理器，实现对多路视频的H. 264编码及传输，控制虚拟仪器及处理客户端请求等功能。服务器通过Socket套接字与客户端相连，监听接收客户端发送的实验信息，该服务器通过2个USB接口与远程实验设备相连，交换数据；通过1个USB接口与远程实验设备中的采集卡相连，接收、处理视频数据；通过1个 RS-232串口与云台相连，控制云台动作。其中，服务器包括采集模块202a、处理模块202b和传输模块202c ；采集模块202a，在Windows平台采集视频数据，一般使用的函数集有VFW和 Directshow。优选地，采用Directshow函数进行采集，Directshow是基于COM组件构成， 同时支持VFW和WDM驱动模型和多种视频数据格式，能够很好的解决数据源匹配问题。且， Directshow架构下，内部线程管理对外部应用程序透明，简化了应用程序开发，而且拥有不错的预览性能。优选地，为了减少不必要的色彩空间转换，降低处理器开销。本发明实施例终端中的采集模块可以自动识别远程实验设备的类型，判断视频源数据类型，并将图像信息(色彩空间，尺寸)提供给编码器线程，以帮助编码器的正确初始化。处理模块202b，用于接收客户端发送的实验信息，并对该实验信息进行处理，同时控制虚拟仪器。其中，该处理模块具体可以为CPU (Central Processing Unit，中央处理器)，服务器通过hternet网络接收实验信息，对实验信息进行处理得到处理结果，从而根据处理结果向远程实验设备发送命令。服务器在客户端与虚拟仪器之间起到了数据路由的作用，服务器接收不同客户端发送的实验信息，即每个客户端作为一个数据源，并对该实验信息进行处理得到处理结果，即根据实验信息中携带的消息标识解析该实验信息的内容，从而根据预设的远程实验设备对应的实验板，确定出该实验信息的传送目的地，实现数据处理。利用USB2. 0最高480Mbps的传输速率，服务器可以迅速地和远程实验设备交换数据，服务器将对实验信息的处理结果发送给远程实验设备，远程实验设备将采集数据、虚拟示波器的采样数据，虚拟信号源的波形数据，以及实验电路板的控制信息等海量数据及时地传输至服务器，经过服务器的筛选，解析，处理，再反馈给远端的用户。传输模块202c，用于将远程实验设备发送过来的实验结果传输给客户端。其中，传输模块采用RTP协议传输，满足实时性要求，保证网络传输质量。配合组播方式进行数据传输，平衡网络负载。多路视频编码数据放置在不同组播段，对于客户端， 只需加入不同组播地址即可获得多路数据流，实现了多路视频动态切换。另外，该服务器还包括编码器202d，用于对远程实验设备发送的实验数据进行编码，相应地，传输模块202c还用于将编码模块编码后的实验数据传输给客户端。其中，本发明实施例中采用ITU-T H. 264标准，H. 264编码的编码效率高，能够得到尽可能多的数据压缩率，降低网络传输数据量，降低画面质量损失的同时使画面质量有所保证，且可以有效利用Intel处理器资源。
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实际应用中，该编码器可以利用基于高性能函数库IPP ( Intel Integrated Performance Primitives)构建的多媒体函数类 UMC(Unified Media Classes)在 htel 双核平台上完成H. 264编码流程开发，在开源RTP函数库JRTP的基础上实现视频流数据组播。编码器进行编码的编码级别和参考帧数量，保持最低以保证编码和解码缓冲区 (DPB)足够小，不致产生过大的图像延迟。采集帧缓冲中一般只保存最近一次采集的图像， 避免由于解码器繁忙而产生附加延迟。进一步地，本发明实施例中的服务器中还包括存储模块，用于对远程实验设备发送过来的实验数据和实验结果进行存储。进一步地，本发明实施例在服务器中设置功耗控制模块，对CPU功耗进行控制，在没有用户进行连接和操作时，降低CPU的工作频率，直至进入休眠模式；并通过该功耗控制模块控制远程实验设备的电源，使用继电器来接通和切断远程实验设备的电源，有效降低了整个远程实验系统的功耗。另外，远程实验设备优选采用低功耗、具有可关断功能的芯片，在系统不需要其工作时，由服务器控制相应的芯片进行关断，降低功耗。远程实验设备203，用于接收命令，根据命令在实验板上进行实验操作得到实验结果，并将实验结果发送给服务器202。其中，远程实验设备通过USB接口与服务器进行连接并通信，远程实验设备包括虚拟仪器203a和实验板20北，实际应用中，远程实验设备与服务器之间可以通过USB 2. 0 和485总线进行通信。虚拟仪器203a，用于生成波形数据，采集实验板的各输出管脚状态，并将采集的数据发送给服务器。虚拟仪器利用ARM进行控制，实现了示波器、信号源、电压表、逻辑分析仪的功能，也就是说该虚拟仪器包括虚拟示波器、虚拟信号源、虚拟逻辑分析仪等。虚拟仪器通过单片机CY7C68013A的USB端口进行数据传输，实现虚拟仪器与服务器之间的通信，示波器和信号源采用一个FPGA EP3C25Q240实现，数字电压表采用12bit A/D芯片采集实现， 逻辑分析仪采用FPGA EP3C25Q240实现。虚拟示波器负责采集实验中的模拟信号，通过示波器前端放大电路送入200M libit A/D进行模数转换，FPGA负责进行触发、水平采样时钟设置、垂直放大倍数设置等，将数据采集到内部FIFO中，并在采集结束后将数据通过CY7C68013A回送到服务器中。服务器接收客户端发送的控制指令，如水平时基、垂直灵敏度等，实时调节示波器参数。虚拟信号源采用DDS方式，服务器接收用户设置的参数，如频率、幅度等，实时生成波形数据，通过CY7C68013A传输到FPGA中，FPGA控制波形数据及时钟，通过实现输出信号波形。示波器和信号源采用一个FPGA EP3C25Q240实现。数字电压表采用12bit A/D芯片采集实现。逻辑分析仪接收用户设置的采样频率，对数字实验电路板的各输出管脚状态进行采集，并通过CY7C68013A将数据送回到服务器，同时接收和处理客户端发送的数字实验板输入信息。实验板20北，用于调整电路参数和改变电路的连接关系，并与服务器进行通信。其中，实验板具体可以为电子电路实验板、数字电路实验板或单片机实验板。本发明实施例中的实验板采用数字电位器、模拟开关和CPLD(CompleX Programmable LogicDevice，复杂可编程逻辑器件)控制相结合的结构，该实验板包括运算放大器应用和晶体管放大电路实验。其中，电路参数的调整，主要通过数字电位器技术实现，用户可以在客户端远程控制电阻的阻值；电路的连接关系的改变通过模拟开关实现，可以随时改变电路连接关系；通过CPLD根据服务器发送的命令下载相应的数字实验程序，以进行实验。其中，实验板的数字电路与逻辑设计采用Altera MAXII系列可编程器件 EPM1270T144C5为核心，具有多种外部接口和显示器件。实验板主要包括下载接口、时钟电路、显示器件(如，数码管、发光二极管、点阵)、蜂鸣器、输入接口(如按键、拨码开关、PS2、 串口、VGA显示)、RAM (随机存取存储器)、AD电路(模拟信号转换为数字信号的电路)、DA 电路(数字信号转换为模拟信号的电路)等部分。该实验板通过USB下载电路，实现了编程文件的远程实时下载。本发明实施例中的远程实验设备还包括采集卡203c，用于采集实验现场的实验数据，并将实验数据发送给服务器。具体地，该采集卡可以采用USB视频采集卡，将采集到的数据输入到服务器中，由服务器进行编码后，通过485总线传输给客户端，实现了客户端对实验现场的全面可视。其中，该采集卡可以为采集摄像机输出的PAL制视频图像，从而采集到用户所需要的视频图像。本发明实施例提供的系统，通过远程实验设备根据用户在客户端输入的实验信息完成实验。首先，用户通过网络可以随时随地进行实验，而不需要专门到固定的实验室进行实验；其次，实验中产生的实验数据为远程实验设备产生的真实数据，而并非是软件模拟仿真数据，为用户提供了便利的同时也能调动用户做实验的积极性。另外，由于将实验硬件设置在远程实验设备上，对本地客户端的硬件要求不高，用户可以在普通的PC上完成实验。实施例3参见图5，本发明实施例提供了一种远程实验方法，所述方法包括步骤301 接收用户通过客户端发送的实验信息；步骤302 根据实验信息向相应的远程实验设备发送命令；步骤303 接收远程实验设备发送的在实验板上进行实验的实验结果，并将实验结果发送给客户端。其中，接收远程实验设备发送的实验结果之后，所述方法还包括接收远程实验设备发送的实验数据，并对实验数据进行编码后发送给客户端。其中，根据所述实验信息向相应的远程实验设备发送命令，具体包括根据实验信息分析出实验信息对应的实验类型；根据预设的实验类型与远程实验设备的对应关系，向相应的远程实验设备发送携带实验类型的命令。本发明实施例提供的方法，通过远程实验设备根据用户在客户端输入的实验信息完成实验。首先，用户通过网络可以随时随地进行实验，而不需要专门到固定的实验室进行实验；其次，实验中产生的实验数据为远程实验设备产生的真实数据，而并非是软件模拟仿真数据，为用户提供了便利的同时也能调动用户做实验的积极性。另外，由于将实验硬件设置在远程实验设备上，对本地客户端的硬件要求不高，用户可以在普通的PC上完成实验。本实施例提供的方法，具体可以与系统实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种远程实验系统，其特征在于，所述系统包括至少一个客户端、服务器和至少一个远程实验设备；所述客户端，用于提供实验页面，接收用户在实验页面上输入的实验信息，并将所述实验信息发送给所述服务器；所述服务器，用于接收所述实验信息，并根据所述实验信息向相应的远程实验设备发送命令；所述远程实验设备，用于接收所述命令，根据所述命令在实验板上进行实验操作得到实验结果，并将所述实验结果发送给所述服务器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述远程实验设备包括虚拟仪器和实验板， 所述虚拟仪器，用于采集模拟信号，生成波形数据，采集所述实验板的各输出管脚状态，并将采集的数据发送给所述服务器；所述实验板，用于根据服务器发送的命令调整电路参数和改变电路的连接关系，并与所述服务器进行通信。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述远程实验设备还包括采集卡，用于采集实验现场的实验数据，并将所述实验数据发送给所述服务器。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述虚拟仪器具体包括芯片控制的示波器、 信号源、电压表和/或逻辑分析仪；所述信号源具体为CY7C68013A芯片；所述电压表具体为12bit A/D芯片；和/或所述逻辑分析仪具体为FPGA EP3C25Q240芯片。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述实验板具体为电子电路实验板、数字电路实验板、复杂可编程逻辑器件CPLD实验板、现场可编程门阵列FPGA实验板、ARM实验板、 数字信号处理DSP实验板或单片机实验板。
6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述实验板具体包括数字电位器、模拟开关和复杂可编程逻辑器件CPLD ；所述数字电位器，用于调整电路参数，使用户能在客户端控制电阻值； 所述模拟开关，用于改变电路的连接关系；所述CPLD，用于根据服务器发送的命令下载相应的数字实验程序，以进行实验。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述服务器还包括功耗控制模块，用于对所述服务器内的中央处理器CPU的功耗进行控制，并控制所述远程实验设备的电源功耗。
8.—种远程实验方法，其特征在于，所述方法包括 接收用户通过客户端发送的实验信息；根据所述实验信息向相应的远程实验设备发送命令；接收所述远程实验设备发送的在实验板上进行实验的实验结果，并将所述实验结果发送给所述客户端。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述接收所述远程实验设备发送的实验结果之后，所述方法还包括接收所述远程实验设备发送的实验数据，并对所述实验数据进行编码后发送给所述客户端。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述实验信息向相应的远程实验设备发送命令，具体包括根据所述实验信息分析出所述实验信息对应的实验类型；根据预设的实验类型与远程实验设备的对应关系，向相应的远程实验设备发送携带实验类型的命令。
全文摘要
本发明公开了一种远程实验系统和远程实验方法，属于互联网领域。系统包括至少一个客户端、服务器和至少一个远程实验设备；客户端提供实验页面，接收用户在实验页面上输入的实验信息，并将实验信息发送给嵌入式服务器；服务器接收实验信息，向相应的远程实验设备发送命令；远程实验设备根据接收的命令在实验板上进行实验操作得到实验结果，并将实验结果发送给客户端。本发明通过远程实验设备根据用户在客户端输入的实验信息完成实验，用户通过网络可以随时随地进行实验，而不需要专门到固定的实验室进行实验，实验中产生的实验数据为实验设备产生的真实数据，而并非是软件模拟仿真数据，为用户提供了便利的同时也能调动用户做实验的积极性。
文档编号G06F17/50GK102592018SQ20111046057
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者任维政, 崔岩松, 张晓欢, 徐连明, 陈科良 申请人:北京邮电大学