在科學技術發(fā)展過程中，資源信息的共享對科學研究水平的提高具有重要的意義。目前，在一些企業(yè)、高等院校和科研機構中，由于管理體制與設備使用機制的局限性，大型實驗儀器的使用率極為有限，造成了大量的資源浪費現(xiàn)象。

　　如果針對大型實驗儀器使用遠程控制實驗，一方面用戶可以在任何時間，任何地點通過網(wǎng)絡進行實驗，有利于用戶合理地安排自己的學習、工作計劃，而不再受時間和地點的約束;另一方面則可以提高實驗室資源的利用率。因此，構建大型實驗儀器共享平臺是符合科學技術發(fā)展要求的。

　　1 遠程實驗系統(tǒng)總體方案設計

　　1.1 系統(tǒng)的功能及需求分析

　　對大型實驗共享平臺而言，由于構建的是一種新型的實驗儀器資源共享平臺，希望能從各種不同設備中獲取其各自的實驗數(shù)據(jù)或結果，以平臺通用的格式來傳輸和存儲數(shù)據(jù)，便于進入平臺的各個用戶共享這些實驗數(shù)據(jù)或結果。

　　通常實驗儀器由于功能的不同、生產(chǎn)廠商的不同，使得獲取數(shù)據(jù)的方式、數(shù)據(jù)的存儲格式等均不相同，各種實驗儀器基本上采用的都是自己專用的數(shù)據(jù)采集裝置，不能滿足大型實驗共享平臺的要求。因此，在構建大型實驗儀器共享平臺中，如何完成平臺中各種不同設備數(shù)據(jù)信息的采集及處理是實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交流與共享的關鍵。

　　1.2 系統(tǒng)總體結構

　　根據(jù)需求分析，遠程實驗系統(tǒng)結構如圖1所示。

　　在實驗室本地，利用FPGA體積小，速度快，內部延時小，可自由編程，靈活性高等優(yōu)點，以FPGA為核心輔以A/D轉換器等設備，設計出可提供多種接口的數(shù)據(jù)采集箱。數(shù)據(jù)采集箱接口多樣化，便于同各種不同型號的實驗儀器相聯(lián)，并且數(shù)據(jù)采集箱可以轉發(fā)簡單的控制指令（如：啟動、停止）。

　　數(shù)據(jù)采集箱采集到的數(shù)據(jù)，在FPGA中完成數(shù)據(jù)格式化過程（將數(shù)據(jù)按照約定編碼成統(tǒng)一的格式）后，暫存到緩存中，然后經(jīng)傳輸線路將格式化的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器端存儲到數(shù)據(jù)庫中永久保存。數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)主要按時間段存儲，時間段的劃分由實驗用戶設置決定，可以用一次完整實驗過程來劃分時間段，也可以用同一個實驗分割成幾個時間片段來存儲數(shù)據(jù)，這樣有利于日后數(shù)據(jù)比較分析。

　　在異地，用戶可以使用PC機通過互聯(lián)網(wǎng)登錄到服務器，發(fā)出控制指令或將數(shù)據(jù)庫中的實驗數(shù)據(jù)下載到客戶端。用戶即可以用表格的形式顯示數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)導入到Matlab中，利用Matlab強大的繪圖和分析功能，對實驗數(shù)據(jù)進行更為高效的分析。

　　2 基于FPGA的數(shù)據(jù)采集箱設計

　　數(shù)據(jù)采集箱主要完成對實驗數(shù)據(jù)進行采集和初步處理的功能。數(shù)據(jù)采集箱可采集的數(shù)據(jù)種類包括溫度、電壓、電流、轉速等。為了達到“萬能”數(shù)據(jù)采集效果，數(shù)據(jù)采集箱還提供了多種接口，不僅提供了高效、方便的USB接口，也提供了工業(yè)通用的RS 232接口、IDE接口。

　　數(shù)據(jù)采集箱有溫度傳感器、電流傳感器、旋轉編碼器、霍爾傳感器、A/D等外部器件，如果由普通的單片機實現(xiàn)，需要很多的擴展芯片，而且單片機的時序性強，它很難同時實現(xiàn)這些功能，或者以降低系統(tǒng)精度作為代價。所以，在數(shù)據(jù)采集箱中采用FPGA芯片來并發(fā)處理系統(tǒng)的各位部分信號，這樣不僅可減少PCB板的面積，增加抗干擾能力，同時也減少了成本。數(shù)據(jù)采集箱結構如圖2所示。

　　數(shù)據(jù)采集箱結構

　　數(shù)據(jù)采集箱的核心：XC2VP30是工業(yè)級Virtex-II Pro FPGA器件之一，邏輯單元Slice有13 696個，RAM為2 448 Kb，136個18×1乘法器以及8個數(shù)字時鐘管理模塊和644個用戶I/O端口，以及2個工作在350+MH4，基于FPGA開發(fā)平臺的BLDCM模糊PI控制器IBM PowerPC 405 RISC處理器和8個3.125 Gb/s RocketIO收發(fā)器，能提供多達120 Gb/s全雙工數(shù)據(jù)傳輸。Xilinx的FPGA是基于SRAM工藝，因此它們是易失的，數(shù)據(jù)采集箱采用3塊FLASH XCF04S ISP PROM來存儲FPGA的配置文件。

　　電流采集利用ADS807完成。ADS807是帶采樣/保持的高速12位A/D轉換器，采用流水線技術并行處理模擬量。數(shù)據(jù)采集箱中通過電流傳感器采集到電流值，然后通過ADS807將其轉換為12位數(shù)字信號傳送給FPGA。為了降低噪聲的影響，采用了平均濾波方法對A/D輸出進行濾波?；诖笮蛯嶒炂脚_的特殊性，本設計采用兩個獨立工作的轉換器構成兩通道的模式。

　　為了得到高精度的速度信號，F(xiàn)PGA對E6B2CWZ6C增量式旋轉編碼器的A相脈沖信號進行采集，被測對象每旋轉一周，A相將發(fā)出1 000個脈沖信號。

　　由于各種設備、接口的傳輸數(shù)率不相同，在FPGA內部為每一種設備或接口開辟獨立的緩沖區(qū)。FPGA對讀入的數(shù)據(jù)，先編碼，依據(jù)讀入設備，添加設備編號和接收時間;然后將讀取數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū);當緩沖區(qū)滿，接收到清空緩沖區(qū)或者發(fā)送指令后，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)卡發(fā)送到服務器端。

　　3 基于J2EE的軟件設計

　　J2EE作為業(yè)界開發(fā)企業(yè)級電子商務的標準技術，其組件不僅繼承了Java 2平臺的優(yōu)點，如平臺無關性、安全性等，還增加了一系列的企業(yè)應用程序編程接口，如Java消息服務（Java Messaging Service，JMS）、企業(yè)Java組件（Enterprise Java Bean，EJB）、Java命名和目錄服務（Java Naming and Directory Interface，JNDI）、公共對象請求代理體系結構（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）、遠程方法調用（Remote Method Invocation，RMI）、Java事務服務（Java Transaction Setvice，JTS）、Java數(shù)據(jù)庫連接（Java DataBaseCon-nectivity，JDBC）等。

　　本系統(tǒng)服務器端應用基于Struts和Hibernate的MVC（Model View Controller）設計模式。該設計模式把數(shù)據(jù)庫封裝起來，對業(yè)務層提供統(tǒng)一API訪問，節(jié)省開發(fā)人員的工作量，它可使整個管理系統(tǒng)的結構層次清晰，并實現(xiàn)了層之間的解耦，使開發(fā)過程中層與層之間的工作幾乎是完全獨立的，極大的提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率，同時也提供了系統(tǒng)的可重用性和靈活性，為日后的擴展和維護留有很大的余地。

　　在服務器端，主要設計了用戶管理模塊，實驗數(shù)據(jù)管理模塊，通信模塊。用戶管理模塊的主要功能是實現(xiàn)用戶權限分級，防止惡意訪問。實驗數(shù)據(jù)管理模塊主要對接收到的實驗數(shù)據(jù)進行分類、分時間入庫，并建立相應的數(shù)據(jù)日志和備份。通信模塊一方面負責與采集箱通信，另一方面負責與遠程客戶端交流，完成按用戶指令采集實驗數(shù)據(jù)、將實驗數(shù)據(jù)提交給用戶等工作。

　　遠程實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查看頁面示意圖如圖3所示。

　　遠程實驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查看頁面示意圖

　　當用戶通過互聯(lián)網(wǎng)遠程登錄后，根據(jù)用戶權限，可以自由選擇查看特定時間段時內的某個端口數(shù)據(jù)，還可以刪除冗余的數(shù)據(jù)。

　　通常，數(shù)據(jù)庫中存儲的實驗數(shù)據(jù)比較龐大，單純的表格有時難以形象地反映實驗效果。Matlab是常用的仿真軟件，廣泛應用到各種科研領域，具有強大的繪制曲線功能，利用這一功能，本文編寫.m文件，將服務器端的實驗數(shù)據(jù)下載到本地，然后利用Matlab繪制出圖形，進一步幫助用戶對實驗結果進行分析。

　　4 結語

　　在此對建設遠程實驗系統(tǒng)的意義進行了探討，并設計了遠程實驗系統(tǒng)結構：以FPGA為核心設備的數(shù)據(jù)采集箱，利用J2EE平臺以B/S模式對實驗數(shù)據(jù)進行遠程讀取。今后將在遠程實驗系統(tǒng)設計方案中設備可靠性進行進一步研究。例如：多用戶并發(fā)控制實驗設備時，指令發(fā)出的先后順序控制;用戶發(fā)出錯誤指令可能導致設備工作異常的處理措施等方面，還待進一步研究。