一种新型的实验室开放管理与控制系统

摘要：文章介绍了一种新型的实验室开放管理与控制系统的设计方案、系统硬件组成和主要功能，以及软件的设计方法。

关键词：非接触式IC卡；实验室开放管理；实验实时控制

概述

随着我国经济的高速发展和科教兴国战略的实施，国内高校都纷纷扩大办学规模，并加大对教学设施的投入，实验教学仪器设备日益精良，原有的验证性实验项目多被设计性和综合性实验项目取代，开放实验室已成为许多高校提高仪器设备使用率，培养学生综合素质和创新能力的重要举措。
非接触式IC卡因其高容量、高可靠、无接触双向通信、无污染、安全防伪、操作简单、寿命长（擦写次数在10万次以上）等诸多优点，现被广泛应用在公交收费、考勤、餐厅记帐、小区管理等系统中，并以惊人的速度得到推广。目前，由于高校招生人数不断扩大，实验室人员编制数相对降低，开放实验室又必需安排专人负责，再加上管理工作复杂，致使实验技术人员负担过重，实验室开放很难进行。为此，我们把非接触式IC卡与计算机系统结合起来，研制开发了一种新型的实验室开放管理与控制系统。

系统的整体设计

系统设计的目的是：学生做实验时，系统能自动识别学生身份，并跟据教师指定或学生事先预约的实验时间、实验项目等，由系统给学生提供实验思路、实验注意事项、实验应得出的结论和要验证的问题等实验资料，学生根据需要自行设计实验，独立完成实验，教师则通过计算机对实验室及学生实验过程进行有效管理与控制，最大限度降低教师和工作人员的工作量。

系统的硬件组成和主要功能


系统框图参见图1。系统硬件由：主计算机、主读写器、打印机、非接触式IC卡实验室出入控制器、实验室电子门、RS485接口卡、实验室安全检测报警装置、实验台等组成。其中实验台由单片机、非接触式IC卡实验控制器、实验装置构成，实验装置上的电源和仪器仪表均带有计算机接口。主计算机安装了管理软件，通过RS485接口卡与主读写器、IC卡实验室出入控制器及实验台上的单片机相连接，并对它们进行控制，如预约实验、设置权限、识别身份、记录测试数据、统计实验故障类型、误操作次数和实验成绩等，一台主计算机同时可连接128个实验台，一般可控制5至6间中规模实验室。IC卡实验室出入控制器通过读取主读写器写入IC卡上的信息，控制实验室电子门的开关，记录出入实验室人员情况。IC卡实验控制器读取IC卡上的信息，控制实验台主电源的通电状态和学生实验时间，限定学生实验范围。单片机主要是对学生实验的数据进行采集，将处理后的数据传递给主计算机并接受主计算机的各种控制指令，对实验台进行实时控制。实验室安全检测装置通过传感器自动检测，如出现异常情况，则自动报警和切断实验室主电源。实验台与学生之间联系的人机界面由一液晶显示屏和标准的16键小键盘组成，学生可通过此界面，方便地调用主计算机中的实验资料、仪器仪表资料、元器件资料等。IC卡控制器硬件结构框图如图2所示。本系统使用非接触式IC卡作为学生的身份标识，在卡中存储其姓名、学号、专业和教师写入的有关实验信息及预约实验等有关信息，系统通过读写IC卡只允许学生进行由教师指定或预约的若干个实验。

系统的主机选用586以上的微机；单片机采用美国Microchip公司的PIC16C74A系列单片机，该系列单片机时钟频率能达20MHZ，A/D转换时间仅需16μs，能很好满足实时监测的需要；非接触式IC卡选用可读可写的e5551-125kHZ芯片，该芯片设置有8个区块和264位的EEPROM存储器，实际可供用户存贮数据使用的有7个区块的224位存储空间；可读写型读写器选取长波125KHz的E5551/E5561读写器，该读写器采用了专用的U2270B基站芯片进行通信，性能稳定可靠，成本适中，其内部电路示意图如图3所示。


系统的软件设计

主计算机部分
本系统主计算机软件是在Windows98环境下，采用微软的Visual Basic 6.0企业版开发的，由于VB6.0提供了多媒体MCI、显示数据图表的MSChart、串行通信MSComm等众多控件，所以使得所编程序界面友好、操作简单、功能强大。主要包括：系统设置、实验预约管理、实验室出入管理、实验过程实时管理、学生实验成绩管理五大模块。

系统设置：包括密码修改，使用权限、读写器地址、串口和安全报警规则等设置；
实验预约管理：进行数据库的运行、维护和管理；通过主读写器读写IC卡来确定学生身份、实验类型（分为必做或选做、验证或综合设计）、实验项目、实验时间，建立学生实验名册并添加实验相关参考资料信息；
实验室出入管理：通过读写IC卡，IC卡实验室出入控制器控制实验室电子门的开关，记录出入人员情况，对老师和学生进行考勤，生成表格等；
实验过程实时管理：实现监测实验运行情况，发送各项控制指令、实验数据记录、统计及形成表格等功能；
学生实验成绩管理：有统计学生实验起始时间、原始实验数据、误操作次数、缺补情况、最后形成报表等功能；
主计算机与单片机接口部分软件采用VB6.0中的串行通信MSComm控件来实现，主要程序如下：

(1)Comm控件的初始化
MSComml.comport=1’ 以COMM1为通信端口
MSComml.Setting-“9600,N,8,1” ’设置串行通信的数据格式
MSComml.InputMode=l ’ 以二进制方式接收数据

（2）通信端口的读写程序实现
a. 发送数据程序
Dim sendout( ) As Byte ’ 发送字节的可变数组
ReDim sendout(I) ’ 重新定义数组元素个数
Mscomml.output=sendout ’数组数据装入发送缓冲区，启动发送
b. 接收数据程序
Dim Receive( ) As Byte ’ 接收字节数组
Dim I As integer
Receive(I)=AscB(MSComml.input) ’接收数据

单片机部分

本系统单片机部分程序用C语言和汇编语言编写，主要功能有：（1）控制IC卡实验控制器对实验台主电源通电状态进行控制和限定实验范围及时间；（2）及时采集实验数据，对实验数据进行计算处理，生成数据源；（3）实时监测实验台运行情况，出现异常，发送相应的报警和控制信号；（4）完成单片机与主计算机之间的通信；（5）实现人机交流。
单片机与主计算机串行通讯流程如图4所示。



非接触式IC卡读写器
非接触式IC卡与读写器的通信流程如图5所示。主计算机与主读写器和IC卡实验室出入读写器之间的数据通信采用Windows API通信接口函数来实现。读写器与单片机的通信方式采用半双工异步分组传输方式，格式设置为波特率9600band，1个起始位，8位数据位，1个奇偶校验位，时钟频率为3.57MHZ。

结束语

通过对某公司生产的电工电子实验台加装该系统试验表明，系统工作可靠，性能良好，实用性强，可大大减轻教师和实验技术人员的工作量，在高校不同类型的实验室开放管理工作中有广阔的应用前景，具有较高的推广价值。