摘要：本文提出以計算機監(jiān)控技術(shù)為主線，綜合匯編語言、C 語言、Visual Basic 6.0、計算機接口技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等專業(yè)平臺課的內(nèi)容，將各種理論知識應(yīng)用到實際的項目中，從不同的角度實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)，從而強化理論與實踐的結(jié)合，熟練掌握計算機監(jiān)控技術(shù)，有效提高就業(yè)率和薪資水平。

關(guān)鍵詞：計算機監(jiān)控；仿真軟件；綜合實踐；教學(xué)模式

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5913 (2007) 20-0077-04

1引言

目前，我國計算機專業(yè)的教學(xué)模式主要還是從基礎(chǔ)理論到專業(yè)理論，實踐環(huán)節(jié)較少，這就導(dǎo)致了學(xué)生厭學(xué)，眼高手低，本科畢業(yè)連基本的編程技能都不具備，從而，在就業(yè)市場上一敗涂地。這些效果又使在校學(xué)生更加沮喪，進(jìn)一步影響其學(xué)習(xí)的積極性。中國要發(fā)展IT產(chǎn)業(yè)，必須改革計算機專業(yè)的教學(xué)模式。

印度是一個貧窮落后的發(fā)展中國家，軟件業(yè)的成就卻舉世矚目。印度的軟件人才主要是通過職業(yè)教育而不是高等教育來培養(yǎng)的，從而大大降低了培養(yǎng)成本和使用成本，縮短了培養(yǎng)周期。其教學(xué)不是按從基礎(chǔ)理論到專業(yè)理論，再到實習(xí)的路徑，而是把順序顛倒過來，先從做開始，在做的過程中，學(xué)生如遇到問題，再以此問題為基點去學(xué)習(xí)專業(yè)理論。學(xué)員一入學(xué)，便要做項目，培訓(xùn)中心把所承接的大項目分解成一個個小項目，然后要求每個學(xué)員完成一個小項目，讓學(xué)員在完成項目的過程中學(xué)習(xí)。培訓(xùn)中心的學(xué)員最后一年都在公司實習(xí)，積累工作經(jīng)驗，同時也給企業(yè)提供深入了解雇員的機會。

我們借鑒印度發(fā)展軟件業(yè)的成功經(jīng)驗，結(jié)合多年從事計算機監(jiān)控的項目經(jīng)驗和從事教學(xué)的心得體會，提出一種“趣味實用程序的演示+知識點+趣味實用程序的模仿+綜合訓(xùn)練+學(xué)術(shù)論文”的教學(xué)模式[1]，引導(dǎo)學(xué)生充滿興趣地鉆研技術(shù)，最后逐漸成為計算機監(jiān)控方面的專家，并熟練掌握計算機專業(yè)的基礎(chǔ)理論與編程語言。

2計算機監(jiān)控技術(shù)的特點與主要技術(shù)

計算機監(jiān)控系統(tǒng)是以監(jiān)測控制計算機為主體，加上檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)與被監(jiān)測控制的對象共同構(gòu)成的整體。在這個系統(tǒng)中，計算機直接參與被監(jiān)控對象的檢測、監(jiān)督和控制。檢測主要是通過傳感器和相應(yīng)的輸入模塊來取得被監(jiān)控對象的狀態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)督主要是對狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后給操作員提供手動操作的參考，控制則是手動或按照一定的策略自動地對被監(jiān)控對象執(zhí)行相應(yīng)的操作。

傳統(tǒng)的檢測與控制所使用的模塊一般采用RS-232接口，因為該接口簡單可靠。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，采用網(wǎng)絡(luò)接口RJ-45的模塊逐漸增多。監(jiān)控用的計算機一般稱為主控機(或上位機)，各種檢測與控制模塊或嵌入式系統(tǒng)一般稱為受控機(或下位機)。主控機軟件一般采用高級語言(如Visual Basic 6.0，簡稱VB)進(jìn)行開發(fā)；受控機軟件沒有軟件界面，僅實現(xiàn)相關(guān)的邏輯功能，一般采用C語言、匯編語言等進(jìn)行開發(fā)，通過調(diào)試后，再下載到受控機系統(tǒng)中。主控機通過RS-232/RJ-45接口與受控機通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢與命令的發(fā)送。各種控制策略、設(shè)備的狀態(tài)等的保存，都需要使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)。因而，實現(xiàn)一個計算機監(jiān)控系統(tǒng)，需要綜合使用諸多計算機的基礎(chǔ)理論與編程語言：計算機接口技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、VB與C語言等，利用計算機監(jiān)控技術(shù)作為計算機專業(yè)實踐訓(xùn)練的主線，具有很高的操作性和極大的意義。

3仿真軟件的設(shè)計

學(xué)習(xí)計算機監(jiān)控技術(shù)，需要購買相應(yīng)的硬件模塊，從而在一定程度上制約了該技術(shù)的推廣。本文提出了一個基于RS-232的仿真模塊的可視化模型，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計了可視化的仿真數(shù)字I/O模塊，模擬量輸入模塊，并設(shè)計了對應(yīng)的通信協(xié)議。主控軟件與仿真模塊之間的通信通過虛擬串口實現(xiàn)，從而，達(dá)到在計算機房零成本搭建計算機監(jiān)控系統(tǒng)平臺的效果。

RS-232/RJ-45協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以用于實現(xiàn)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程處理，也可以用于將普通的輸入模塊轉(zhuǎn)換為仿真的網(wǎng)絡(luò)傳感器。

3.1仿真模塊的可視化模型

基于RS-232接口的仿真模塊的可視化模型如圖1所示。模塊表示區(qū)用來模擬實際的模塊，對于數(shù)字量輸入模塊(Digital Input Module，DIM)，輸入開關(guān)根據(jù)設(shè)定的時間隨機閉合/打開，并通過圖形表示；對于數(shù)字量輸出模塊(Digital Output Module，DOM)，用有源電路回路表示輸出開關(guān)的狀態(tài)，例如，開關(guān)閉合，播放鈴聲或燈亮等；對于模擬量輸入模塊(Analog Input Module，AIM)，用圖形表示檢測回路，并在檢測點旁邊顯示溫度的原始數(shù)據(jù)。每個模塊都設(shè)置數(shù)據(jù)接收和發(fā)送指示燈，顯示數(shù)據(jù)收發(fā)的狀態(tài)。

功能按鈕區(qū)為系統(tǒng)設(shè)置按鈕和關(guān)閉程序按鈕。系統(tǒng)設(shè)置主要完成串行通信的端口號、波特率、校驗碼、結(jié)尾碼、模塊地址等的設(shè)置，對于DIM模塊，還需要設(shè)置隨機切換輸入開關(guān)所需要的時間段。

協(xié)議描述區(qū)顯示本仿真模塊適用的通信協(xié)議，包括協(xié)議的格式及其具體的含義。

數(shù)據(jù)接收區(qū)顯示接收到的主控程序發(fā)送的原始數(shù)據(jù)包，以字節(jié)形式顯示；數(shù)據(jù)響應(yīng)區(qū)則發(fā)送對應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)包，也是以字節(jié)形式。

利用此可視化模型設(shè)計的軟件界面，使用方便，動態(tài)效果好，仿真模塊的開關(guān)狀態(tài)、溫度數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均一目了然。與實物模塊相比，不需要物理連線，也不需要信號發(fā)生器與萬用表來產(chǎn)生信號和測量狀態(tài)與數(shù)據(jù)，對于通信協(xié)議，也不需翻閱手冊。

3.2通信協(xié)議的設(shè)計

相同類型(或廠家)的模塊一般采用相同的前導(dǎo)字符，EOT是一個特殊的ASCII字符(0x04)，常被用做控制字符，這里的仿真模塊全部采用EOT作為前導(dǎo)字符。

計算機所連接的I/O模塊比較多，CPU為了與連接的設(shè)備相互溝通，必須給設(shè)備設(shè)置一個編號，從而使CPU可以通過每個設(shè)備獨一無二的編號與不同的設(shè)備進(jìn)行溝通，這個設(shè)備編號就是地址，用ADD表示，地址占用一個字節(jié)。

功能碼主要包括讀功能碼(用RD表示)和寫功能碼(用WD表示)。RD用字符“R”(0x52)表示，WD用字符“W”(0x57)表示。

BCC為數(shù)據(jù)塊校驗碼，一般有Xor、Add、CRC、CheckSum幾種。Xor與Add分別是異或與累加和，占一個字節(jié)的長度；CRC與CheckSum分別是循環(huán)冗余校驗碼與TCP/IP協(xié)議簇中所使用的累加求補校驗碼，分別占兩個字節(jié)。這里的仿真模塊提供4種數(shù)據(jù)塊校驗方式，根據(jù)程序設(shè)置進(jìn)行選擇。

不少模塊以回車CR(0x0d)作為結(jié)尾標(biāo)志EM(End Message)，而TCP/IP協(xié)議簇(如HTTP，POP3等)較多地采用CRLF(0x0d0a)作為結(jié)尾標(biāo)志，這里的仿真模塊也提供這兩種結(jié)尾標(biāo)志，根據(jù)程序設(shè)置進(jìn)行選擇。

協(xié)議舉例。讀取仿真模塊狀態(tài)的命令協(xié)議如圖2所示，其中，ADD的范圍為1至255，可由程序進(jìn)行設(shè)置，這樣，一臺主控設(shè)備可以連接多達(dá)255個虛擬模塊。BCC和EM的種類也可以根據(jù)需要由程序進(jìn)行設(shè)置。

3.3RS-232/RJ-45協(xié)議轉(zhuǎn)換器

該協(xié)議轉(zhuǎn)換器的主要功能是用軟件轉(zhuǎn)換器來替代硬件轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)口數(shù)據(jù)的直接轉(zhuǎn)發(fā)，不涉及到協(xié)議的變換。串口只要進(jìn)行常規(guī)的設(shè)置，與所連接設(shè)備的串口參數(shù)一致。由于主控機與嵌入式模塊之間一般采用串口進(jìn)行連接，另外，數(shù)據(jù)采集模塊也大部分采用串口，因而，通過該協(xié)議轉(zhuǎn)換器，可以將此類串口設(shè)備連接到Internet，進(jìn)行遠(yuǎn)程處理。AIM模塊與該協(xié)議轉(zhuǎn)換器配合，可以轉(zhuǎn)換為一個開關(guān)量輸入的網(wǎng)絡(luò)傳感器。

3.4虛擬串口的使用

除了跟內(nèi)置的Modem通信，一般地，進(jìn)行串行通信的調(diào)試都需要RS-232連接線。參考文獻(xiàn)[2]提供了虛擬串口驅(qū)動程序，模擬實際的RS-232接口，可以在沒有物理RS-232接口和電纜的情況下，進(jìn)行串行通信的調(diào)試，并且，還可以模擬硬件引腳信號的變化。

4教學(xué)模式的具體實現(xiàn)

重視教材建設(shè)和教學(xué)方法的研究，在教學(xué)過程中重視由實踐而激發(fā)學(xué)生對相關(guān)理論的興趣，再用提高了的理論水平來指導(dǎo)新的實驗和實踐活動。傳統(tǒng)的教學(xué)模式在實踐環(huán)節(jié)上的缺乏與不足也與今天社會人才市場急功近利的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相適應(yīng)。長期以來，我們培養(yǎng)的學(xué)生存在著“什么都學(xué)過，卻什么都不會”的尷尬局面，專業(yè)教育和教材與市場需求嚴(yán)重脫節(jié)。事實上，學(xué)生就業(yè)難并不是就業(yè)市場不需要人才，其根源還是教學(xué)的現(xiàn)狀所致[3]。

本文采用“趣味實用程序的演示+知識點+趣味實用程序的模仿+綜合訓(xùn)練+學(xué)術(shù)論文”的教學(xué)模式，在講解新的課程的時候，首先演示程序，例如，用主控程序?qū)Ψ抡鏀?shù)字I/O模塊進(jìn)行監(jiān)控，讓學(xué)生觀察輸入開關(guān)量的變化，可以導(dǎo)致輸出開關(guān)量的變化，并可以看到指示燈的亮與滅，聽到電鈴的響與停，通過實物激發(fā)學(xué)生的興趣，為學(xué)生樹立一個目標(biāo)：要實現(xiàn)該系統(tǒng)，需要掌握哪些技術(shù)？從而引出本課程中涉及的主要相關(guān)技術(shù)。

4.1C語言和匯編語言的應(yīng)用

C語言是許多高校為計算機專業(yè)學(xué)生設(shè)置的第一門計算機程序設(shè)計語言。學(xué)習(xí)一門語言，不是學(xué)習(xí)其語法，而是要學(xué)習(xí)利用該語言去解決問題的方法，從而培養(yǎng)相關(guān)的能力。通信是計算機監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，制訂了通信協(xié)議，引入了校驗碼與結(jié)尾碼，如果收到的數(shù)據(jù)，其頭字節(jié)、校驗碼或結(jié)尾碼錯誤，一般不進(jìn)一步處理，而是直接丟棄該數(shù)據(jù)。

可以利用C語言設(shè)計異或校驗碼的生成程序，即對給定的一批字節(jié)，計算其異或校驗碼；對于含異或校驗碼的一批字節(jié)，編寫子程序檢查是否正確。同理，可以編寫其它校驗碼處理程序。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步講解在一個C語言項目中集成子程序的方法。如果學(xué)生掌握了這些方法，就基本掌握了用C語言開發(fā)受控機軟件的80%以上的技術(shù)。

匯編語言是符號化了的面向機器的語言，比較枯燥?？梢杂脜R編語言來生成校驗碼與檢查數(shù)據(jù)是否正確，通過調(diào)試，讓學(xué)生明確各個寄存器的作用。在字節(jié)處理方面，可以用0表示開關(guān)打開，1表示開關(guān)閉合，在置位和復(fù)位某位時，不能影響其它位的值。

4.2計算機接口技術(shù)的應(yīng)用

在計算機接口中講解“串行通信技術(shù)”時，首先演示一個“支持來電顯示的多賬號撥號器”，可以讓學(xué)生一鍵撥號──201卡與IP卡及所撥打的長途電話，只要一鍵即可完成，還支持來電顯示。通過演示，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)習(xí)成為其需要；然后，講解知識點，讓學(xué)生模仿軟件的開發(fā)。

可以通過匯編語言設(shè)置串口參數(shù)，對串口進(jìn)行初始化，然后，發(fā)送字節(jié)數(shù)據(jù)，控制仿真模塊的輸出開關(guān)，通過聲光效果觀察程序運行的結(jié)果，這比觀察單純的數(shù)據(jù)變化要形象直觀，對學(xué)生更有吸引力。

4.3計算機網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

在C語言、匯編語言，以及計算機接口技術(shù)中都涉及到字節(jié)數(shù)據(jù)流，這就是協(xié)議及主控機與受控機之間的約定。通過串行通信協(xié)議，可以自然過渡到TCP/IP協(xié)議，加深學(xué)生對協(xié)議的理解。

在網(wǎng)絡(luò)編程方面，可以演示一個充當(dāng)客戶機的POP3密碼攻擊程序，讓學(xué)生在增強信息安全意識的同時，學(xué)習(xí)基于Socket的客戶機與服務(wù)器程序的設(shè)計。3.3節(jié)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，就是通過客戶機/服務(wù)器編程，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與串行通信數(shù)據(jù)的無縫轉(zhuǎn)換。這個協(xié)議轉(zhuǎn)換器雖然功能簡單，代碼簡單，但是，作用非常大，可以用來對計算機監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試與維護(hù)。

4.4VB與數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用

有了仿真模塊，就可以采用VB開發(fā)主控程序。VB是一門快速語言，采用VB編程，學(xué)生可以很快入門，有利于增強學(xué)生學(xué)習(xí)編程的自信心。VB可以很方便地設(shè)計各種表單界面，通過MSComm32控件和Winsock控件，實現(xiàn)串行通信和網(wǎng)絡(luò)通信，從而與受控機或模塊建立通信，完成查詢和控制功能。VB也可以很方便地調(diào)用數(shù)據(jù)庫，用數(shù)據(jù)庫來存儲控制策略、通信協(xié)議及設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、報警記錄等，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行各種操作。通過主控程序的開發(fā)，可以提高對計算機接口技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫的感性認(rèn)識，從而加深理論方面的理解。

5結(jié)束語

計算機監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。本文提出了“趣味實用程序的演示+知識點+趣味實用程序的模仿+綜合訓(xùn)練+學(xué)術(shù)論文”的教學(xué)模式，通過程序演示，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生樹立一個學(xué)習(xí)目標(biāo)，然后，講解知識點，讓學(xué)生模仿相應(yīng)的程序，再進(jìn)行綜合訓(xùn)練。同樣是學(xué)習(xí)相同的課程，但是我們在其中融入了計算機監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計了仿真模塊，可以在計算機房零成本搭建計算機監(jiān)控系統(tǒng)平臺，通過我們的教學(xué)，學(xué)生畢業(yè)后，可以直接作為項目負(fù)責(zé)人或技術(shù)骨干參加計算機監(jiān)控系統(tǒng)項目的開發(fā)。進(jìn)行深入學(xué)習(xí)后，學(xué)生也可以發(fā)表計算機監(jiān)控方面的學(xué)術(shù)論文。

目前，我校已經(jīng)開設(shè)了“計算機監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)開發(fā)”課程，實踐表明，該課程的開設(shè)，將計算機專業(yè)的若干專業(yè)平臺課有機地融合到一起，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強技能的培養(yǎng)，加深對理論的理解，提高就業(yè)率具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬玉春. 計算機監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)開發(fā)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] Virtual Serial Port[EB/OL]. http://www.eltima.com/products /vspdxp/，2007-7.

[3] 周蘇，王文. 軟件工程實驗教學(xué)的設(shè)計與創(chuàng)新[J]. 計算機教育，2006，(10).

作者簡介

馬玉春(1969-)，男(漢族)，江蘇南京人，博士，東北大學(xué)秦皇島分校計算機工程系教學(xué)主任。

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中國高等教育學(xué)會教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃研究課題(06AIJ0240070)