摘要：本文提出以計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)為主線，綜合匯編語(yǔ)言、C 語(yǔ)言、Visual Basic 6.0、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等專業(yè)平臺(tái)課的內(nèi)容，將各種理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目中，從不同的角度實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)，從而強(qiáng)化理論與實(shí)踐的結(jié)合，熟練掌握計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，有效提高就業(yè)率和薪資水平。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)監(jiān)控；仿真軟件；綜合實(shí)踐；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913 (2007) 20-0077-04

1引言

目前，我國(guó)計(jì)算機(jī)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(shí)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(chǎng)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(guó)要發(fā)展IT產(chǎn)業(yè)，必須改革計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)模式。

印度是一個(gè)貧窮落后的發(fā)展中國(guó)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(guò)職業(yè)教育而不是高等教育來(lái)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(shí)習(xí)的路徑，而是把順序顛倒過(guò)來(lái)，先從做開始，在做的過(guò)程中，學(xué)生如遇到問(wèn)題，再以此問(wèn)題為基點(diǎn)去學(xué)習(xí)專業(yè)理論。學(xué)員一入學(xué)，便要做項(xiàng)目，培訓(xùn)中心把所承接的大項(xiàng)目分解成一個(gè)個(gè)小項(xiàng)目，然后要求每個(gè)學(xué)員完成一個(gè)小項(xiàng)目，讓學(xué)員在完成項(xiàng)目的過(guò)程中學(xué)習(xí)。培訓(xùn)中心的學(xué)員最后一年都在公司實(shí)習(xí)，積累工作經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也給企業(yè)提供深入了解雇員的機(jī)會(huì)。

我們借鑒印度發(fā)展軟件業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合多年從事計(jì)算機(jī)監(jiān)控的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和從事教學(xué)的心得體會(huì)，提出一種“趣味實(shí)用程序的演示+知識(shí)點(diǎn)+趣味實(shí)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(jì)算機(jī)監(jiān)控方面的專家，并熟練掌握計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)理論與編程語(yǔ)言。

2計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的特點(diǎn)與主要技術(shù)

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是以監(jiān)測(cè)控制計(jì)算機(jī)為主體，加上檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與被監(jiān)測(cè)控制的對(duì)象共同構(gòu)成的整體。在這個(gè)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)直接參與被監(jiān)控對(duì)象的檢測(cè)、監(jiān)督和控制。檢測(cè)主要是通過(guò)傳感器和相應(yīng)的輸入模塊來(lái)取得被監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)督主要是對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后給操作員提供手動(dòng)操作的參考，控制則是手動(dòng)或按照一定的策略自動(dòng)地對(duì)被監(jiān)控對(duì)象執(zhí)行相應(yīng)的操作。

傳統(tǒng)的檢測(cè)與控制所使用的模塊一般采用RS-232接口，因?yàn)樵摻涌诤?jiǎn)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(jì)算機(jī)一般稱為主控機(jī)(或上位機(jī))，各種檢測(cè)與控制模塊或嵌入式系統(tǒng)一般稱為受控機(jī)(或下位機(jī))。主控機(jī)軟件一般采用高級(jí)語(yǔ)言(如Visual Basic 6.0，簡(jiǎn)稱VB)進(jìn)行開發(fā)；受控機(jī)軟件沒(méi)有軟件界面，僅實(shí)現(xiàn)相關(guān)的邏輯功能，一般采用C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等進(jìn)行開發(fā)，通過(guò)調(diào)試后，再下載到受控機(jī)系統(tǒng)中。主控機(jī)通過(guò)RS-232/RJ-45接口與受控機(jī)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(kù)技術(shù)。因而，實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，需要綜合使用諸多計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)理論與編程語(yǔ)言：計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、VB與C語(yǔ)言等，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)作為計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)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(jì)

學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，需要購(gòu)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(gè)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(jì)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(jì)了對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議。主控軟件與仿真模塊之間的通信通過(guò)虛擬串口實(shí)現(xiàn)，從而，達(dá)到在計(jì)算機(jī)房零成本搭建計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的效果。

RS-232/RJ-45協(xié)議轉(zhuǎn)換器可以用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)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(lái)模擬實(shí)際的模塊，對(duì)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(shí)間隨機(jī)閉合/打開，并通過(guò)圖形表示；對(duì)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(duì)于模擬量輸入模塊(Analog Input Module，AIM)，用圖形表示檢測(cè)回路，并在檢測(cè)點(diǎn)旁邊顯示溫度的原始數(shù)據(jù)。每個(gè)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(hào)、波特率、校驗(yàn)碼、結(jié)尾碼、模塊地址等的設(shè)置，對(duì)于DIM模塊，還需要設(shè)置隨機(jī)切換輸入開關(guān)所需要的時(shí)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(duì)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(jì)的軟件界面，使用方便，動(dòng)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(shí)物模塊相比，不需要物理連線，也不需要信號(hào)發(fā)生器與萬(wàn)用表來(lái)產(chǎn)生信號(hào)和測(cè)量狀態(tài)與數(shù)據(jù)，對(duì)于通信協(xié)議，也不需翻閱手冊(cè)。

3.2通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

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(gè)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(jì)算機(jī)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(gè)編號(hào)，從而使CPU可以通過(guò)每個(gè)設(shè)備獨(dú)一無(wú)二的編號(hào)與不同的設(shè)備進(jìn)行溝通，這個(gè)設(shè)備編號(hào)就是地址，用ADD表示，地址占用一個(gè)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(yàn)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(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度；CRC與CheckSum分別是循環(huán)冗余校驗(yàn)碼與TCP/IP協(xié)議簇中所使用的累加求補(bǔ)校驗(yàn)碼，分別占兩個(gè)字節(jié)。這里的仿真模塊提供4種數(shù)據(jù)塊校驗(yàn)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(tái)主控設(shè)備可以連接多達(dá)255個(gè)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(lái)替代硬件轉(zhuǎn)換器，實(shí)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(jī)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(guò)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(gè)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(dòng)程序，模擬實(shí)際的RS-232接口，可以在沒(méi)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(hào)的變化。

4教學(xué)模式的具體實(shí)現(xiàn)

重視教材建設(shè)和教學(xué)方法的研究，在教學(xué)過(guò)程中重視由實(shí)踐而激發(fā)學(xué)生對(duì)相關(guān)理論的興趣，再用提高了的理論水平來(lái)指導(dǎo)新的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐活動(dòng)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式在實(shí)踐環(huán)節(jié)上的缺乏與不足也與今天社會(huì)人才市場(chǎng)急功近利的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相適應(yīng)。長(zhǎng)期以來(lái)，我們培養(yǎng)的學(xué)生存在著“什么都學(xué)過(guò)，卻什么都不會(huì)”的尷尬局面，專業(yè)教育和教材與市場(chǎng)需求嚴(yán)重脫節(jié)。事實(shí)上，學(xué)生就業(yè)難并不是就業(yè)市場(chǎng)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(shí)用程序的演示+知識(shí)點(diǎn)+趣味實(shí)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(shí)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(guò)實(shí)物激發(fā)學(xué)生的興趣，為學(xué)生樹立一個(gè)目標(biāo)：要實(shí)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(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的應(yīng)用

C語(yǔ)言是許多高校為計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生設(shè)置的第一門計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。學(xué)習(xí)一門語(yǔ)言，不是學(xué)習(xí)其語(yǔ)法，而是要學(xué)習(xí)利用該語(yǔ)言去解決問(wèn)題的方法，從而培養(yǎng)相關(guān)的能力。通信是計(jì)算機(jī)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(yàn)碼與結(jié)尾碼，如果收到的數(shù)據(jù)，其頭字節(jié)、校驗(yàn)碼或結(jié)尾碼錯(cuò)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(yǔ)言設(shè)計(jì)異或校驗(yàn)碼的生成程序，即對(duì)給定的一批字節(jié)，計(jì)算其異或校驗(yàn)碼；對(duì)于含異或校驗(yàn)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(yàn)碼處理程序。在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步講解在一個(gè)C語(yǔ)言項(xiàng)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(yǔ)言開發(fā)受控機(jī)軟件的80%以上的技術(shù)。

匯編語(yǔ)言是符號(hào)化了的面向機(jī)器的語(yǔ)言，比較枯燥?？梢杂脜R編語(yǔ)言來(lái)生成校驗(yàn)碼與檢查數(shù)據(jù)是否正確，通過(guò)調(diào)試，讓學(xué)生明確各個(gè)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(shí)，不能影響其它位的值。

4.2計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用

在計(jì)算機(jī)接口中講解“串行通信技術(shù)”時(shí)，首先演示一個(gè)“支持來(lái)電顯示的多賬號(hào)撥號(hào)器”，可以讓學(xué)生一鍵撥號(hào)──201卡與IP卡及所撥打的長(zhǎng)途電話，只要一鍵即可完成，還支持來(lái)電顯示。通過(guò)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(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生模仿軟件的開發(fā)。

可以通過(guò)匯編語(yǔ)言設(shè)置串口參數(shù)，對(duì)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(guò)聲光效果觀察程序運(yùn)行的結(jié)果，這比觀察單純的數(shù)據(jù)變化要形象直觀，對(duì)學(xué)生更有吸引力。

4.3計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

在C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言，以及計(jì)算機(jī)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(jī)與受控機(jī)之間的約定。通過(guò)串行通信協(xié)議，可以自然過(guò)渡到TCP/IP協(xié)議，加深學(xué)生對(duì)協(xié)議的理解。

在網(wǎng)絡(luò)編程方面，可以演示一個(gè)充當(dāng)客戶機(jī)的POP3密碼攻擊程序，讓學(xué)生在增強(qiáng)信息安全意識(shí)的同時(shí)，學(xué)習(xí)基于Socket的客戶機(jī)與服務(wù)器程序的設(shè)計(jì)。3.3節(jié)中的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，就是通過(guò)客戶機(jī)/服務(wù)器編程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與串行通信數(shù)據(jù)的無(wú)縫轉(zhuǎn)換。這個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器雖然功能簡(jiǎn)單，代碼簡(jiǎn)單，但是，作用非常大，可以用來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)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(kù)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(yǔ)言，采用VB編程，學(xué)生可以很快入門，有利于增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的自信心。VB可以很方便地設(shè)計(jì)各種表單界面，通過(guò)MSComm32控件和Winsock控件，實(shí)現(xiàn)串行通信和網(wǎng)絡(luò)通信，從而與受控機(jī)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(kù)，用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)控制策略、通信協(xié)議及設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄等，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行各種操作。通過(guò)主控程序的開發(fā)，可以提高對(duì)計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)的感性認(rèn)識(shí)，從而加深理論方面的理解。

5結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)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(shí)用程序的演示+知識(shí)點(diǎn)+趣味實(shí)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(guò)程序演示，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生樹立一個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)，然后，講解知識(shí)點(diǎn)，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?cè)谄渲腥谌肓擞?jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，設(shè)計(jì)了仿真模塊，可以在計(jì)算機(jī)房零成本搭建計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)我們的教學(xué)，學(xué)生畢業(yè)后，可以直接作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人或技術(shù)骨干參加計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)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(jì)算機(jī)監(jiān)控方面的學(xué)術(shù)論文。

目前，我校已經(jīng)開設(shè)了“計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)與系統(tǒng)開發(fā)”課程，實(shí)踐表明，該課程的開設(shè)，將計(jì)算機(jī)專業(yè)的若干專業(yè)平臺(tái)課有機(jī)地融合到一起，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)技能的培養(yǎng)，加深對(duì)理論的理解，提高就業(yè)率具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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[3] 周蘇，王文. 軟件工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2006，(10).

作者簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)工程系教學(xué)主任。

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