遠程虛擬儀器管理實(shí)戰

  

虛擬儀器技術(shù)的出現徹底打破了傳統儀器由廠(chǎng)家定義、用戶(hù)無(wú)法改變的模式，用戶(hù)借助通用的儀器硬件平臺，調用不同的測試軟件，就可以構成不同功能的儀器。本文對遠程虛擬儀器中的網(wǎng)絡(luò )通信、工作原理、實(shí)現方案等作了系統的探討和研究。 

醫生通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)操控異地的機器人，對患者成功實(shí)施手術(shù)。

遠程虛擬儀器系統是近年來(lái)誕生并發(fā)展迅速的一種新型網(wǎng)絡(luò )測控技術(shù)，它不同于一般的信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，其主要應用于遠方有傳感器或其他數據接收設備得到的數據的傳輸與通信。例如，醫療系統遠程會(huì )診、環(huán)境監測與數據分析等等。本文對遠程虛擬儀器中的網(wǎng)絡(luò )通信、工作原理、實(shí)現方案等作了系統的探討和研究。 

虛擬儀器與遠程虛擬儀器 

隨著(zhù)微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的高度發(fā)展，在科研、工業(yè)和醫學(xué)領(lǐng)域，隨著(zhù)低成本高性能的計算機資源的有效利用，數字化平臺逐漸成為測量?jì)x器的基礎。儀器技術(shù)和計算機技術(shù)的深層次的結合創(chuàng )造了虛擬儀器的概念，將計算機(處理器、存儲器、顯示器等)和通用儀器硬件(A／D、D／A 變換器、數字輸入／輸出、定時(shí)和信號處理器等)與用于數據分析、過(guò)程通訊及用戶(hù)圖形界面的軟件有效地結合起來(lái)，就組成了虛擬儀器。 

虛擬儀器技術(shù)的出現徹底打破了傳統儀器由廠(chǎng)家定義、用戶(hù)無(wú)法改變的模式，用戶(hù)借助通用的儀器硬件平臺，調用不同的測試軟件，就可以構成不同功能的儀器。虛擬儀器能提供給用戶(hù)一個(gè)充分發(fā)揮自己才能和想象力的空間，用戶(hù)可以隨心所欲地設計和構造自己的儀器系統以滿(mǎn)足多種多樣的測試需求，而所需的只是一些必要的硬件、軟件加上通用計算機。儀器的智能化和虛擬化已經(jīng)成為未來(lái)各級實(shí)驗室以及研究機構發(fā)展的方向，“The Soft is Instruments(軟件就是儀器)”正在被廣大科技、教學(xué)工作者逐步接受。 

繼“軟件就是儀器”的概念之后，出現了“網(wǎng)絡(luò )就是儀器”的新觀(guān)念。遠程虛擬儀器就是虛擬儀器在網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域的擴展。遠程虛擬儀器技術(shù)結合了虛擬儀器技術(shù)與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，將虛擬儀器的應用范圍拓展到整個(gè)Internet網(wǎng)上，使信號采集、傳輸和處理一體化，一方面可以使許多昂貴的硬件資源得以共享，充分利用現有的實(shí)驗室資源; 另一方面還有利于遠程教育實(shí)驗教學(xué)的開(kāi)展，從而解決限制遠程教育中的實(shí)驗教學(xué)進(jìn)行的難題。因此構建基于Internet上的遠程虛擬儀器實(shí)驗系統已經(jīng)成為虛擬儀器應用發(fā)展的一個(gè)重要的環(huán)節。遠程虛擬儀器結構模式如圖1所示。 


圖1 遠程虛擬儀器的結構模式
遠程虛擬儀器的實(shí)現 

無(wú)論哪種遠程虛擬儀器系統，都是將硬件儀器(傳感器、調理放大器、A/D卡)搭載到遠端服務(wù)器上，加上應用軟件并和本地的筆記本電腦、臺式 PC 機或工作站等各種計算機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )相連而構成的，實(shí)現了用計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的全數字化的采集測試分析，因此遠程虛擬儀器的發(fā)展跟計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展步伐完全同步，顯示出其靈活性和強大的生命力，Internet為實(shí)現遠程虛擬儀器系統提供了一個(gè)很好的平臺，利用瀏覽器／服務(wù)器模式，操控者可以在瀏覽器端控制遠程服務(wù)器進(jìn)行測試以及進(jìn)行遠程實(shí)驗的操作，從而實(shí)現對遠地實(shí)驗系統的遠程控制和監控。 

遠程虛擬儀器是虛擬儀器在網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域的拓展，除了具備虛擬儀器的全部?jì)?yōu)點(diǎn)外，主要優(yōu)勢還在于不受地域、環(huán)境的限制。用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)組建的遠程虛擬儀器系統，可以使信號采集、傳輸和處理一體化，不但可以共享許多昂貴的硬件資源，而且還便于擴展測試系統、提高測試效率，所以應用極為廣泛，是科研、教育、開(kāi)發(fā)、測量、檢測、計量、測控等領(lǐng)域不可多得的好工具，更值得一提的是它的出現對遠程醫療、遠程診斷等新興領(lǐng)域的發(fā)展有重要意義，也使現代遠程教育的全面開(kāi)展成為可能，同時(shí)也會(huì )使教學(xué)實(shí)驗走上一個(gè)新的發(fā)展高度。 

遠程虛擬儀器開(kāi)發(fā)和實(shí)現方案 

Internet 網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和基于計算機技術(shù)的虛擬儀器(VI)系統技術(shù)正在推動(dòng)著(zhù)遠程測控技術(shù)的迅速發(fā)展?；?nbsp;Internet 的遠程測控開(kāi)發(fā)主要研究和討論基于Web的虛擬儀器技術(shù)，本文則基于最流行的現場(chǎng)測控開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW，討論了四種用于開(kāi)發(fā)遠程虛擬儀器的技術(shù)實(shí)現過(guò)程及其工作原理，并對其實(shí)現特點(diǎn)進(jìn)行了分析。 

1. DataSocket 技術(shù) 


LabVIEW 具有強大的網(wǎng)絡(luò )通信功能，這種功能使得 LabVIEW 的用戶(hù)可以很容易地編寫(xiě)出具有強大網(wǎng)絡(luò )通信能力的 LabVIEW 應用軟件，實(shí)現遠程虛擬儀器。DataSocket 是 LabVIEW 最新提供的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )測控系統開(kāi)發(fā)工具，它大大簡(jiǎn)化甚至免除了網(wǎng)絡(luò )通信編程，用戶(hù)使用這種技術(shù)可以很容易地在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現高速實(shí)時(shí)數據交換。借助它可以在不同的應用程序和數據源之間共享數據并進(jìn)行實(shí)時(shí)數據（Live data）的傳輸。圖2描述了 DataSocket 的體系結構。 

DataSocket 可以訪(fǎng)問(wèn)本地文件以及 HTTP 和 FTP 服務(wù)器上的數據，并為低層通信協(xié)議提供了統一的 API 函數，編程人員無(wú)需為不同的數據格式和通信協(xié)議編寫(xiě)具體的通信程序代碼。DataSocket 使用一種增強型數據類(lèi)型來(lái)交換儀器類(lèi)型的數據，這種數據類(lèi)型包括數據特性(如采樣率、操作員、通道數、時(shí)間、及采樣精度)和實(shí)際測試數據。 

DataSocket 遵循了 TCP/IP 協(xié)議，并對底層進(jìn)行了高度封裝，所提供的參數簡(jiǎn)單友好，用類(lèi)似與 Web 中的統一資源定位符(Uniform Resource Locator，URL)定位數據源，URL 不同的前綴代表了不同的數據類(lèi)型。FILE 表示本地文件，HTTP 為超文本傳輸資源，FTP 為文件傳輸服務(wù)器上的資源，OPC表示訪(fǎng)問(wèn)的資源是 OPC 服務(wù)器，DSTP(DataSocket Transfer Protocal，DataSocket 傳輸協(xié)議)則說(shuō)明數據是來(lái)自 DataSocket 服務(wù)器的實(shí)時(shí)數據。 

2. 基于 ActiveX 技術(shù) 

組件式技術(shù)已經(jīng)成為當今軟件技術(shù)的潮流之一，組件式技術(shù)是一種廣泛的體系結構，支持包括設計、開(kāi)發(fā)和部署在內的整個(gè)生命周期計算的理念，它將徹底改變目前軟件生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)的模式。組件是一種能夠提供某種服務(wù)的自包含的軟件模塊,它封裝了一定的數據（屬性）和方法,并提供特定的接口,開(kāi)發(fā)人員利用這一特定的接口來(lái)使用組件,并使其與其它組件交互通信,以此來(lái)構造應用程序，用戶(hù)可根據自己的需求靈活購買(mǎi)軟件組件。他們只需編寫(xiě)一些“膠水編碼”將各個(gè)組件“粘”起來(lái)，便可構建自己的應用系統，就如同今天我們購買(mǎi)板卡組裝計算機一樣簡(jiǎn)單。 

目前，基于組件式技術(shù)的規范主要有 Microsoft 的 COM／ActiveX 和 Sun的 Java／JavaBeans。由于 Microsoft 的 Windows 操作系統已經(jīng)成為桌面 PC 操作系統的事實(shí)上的標準，所以 COM／ActiveX 得到了許多第三方廠(chǎng)商的支持。利用 COM／ActiveX 技術(shù)，我們可創(chuàng )建各式各樣的桌面和 Internet 應用程序。ActiveX 控件技術(shù)是 COM／ActiveX 技術(shù)的重要組成部分，是 COM 技術(shù)在 Internet 上的擴展。ActiveX 是一種可以在應用程序和網(wǎng)絡(luò )十計算機上重復使用的程序對象。創(chuàng )建它的主要技術(shù)是 Microsoft 的 COM／ActiveX 技術(shù)，組件對象模型(COM)是其基礎。ActiveX 控件可以以小程戶(hù)下載裝入網(wǎng)頁(yè)，也可以用在一般的 Windows 應用程序環(huán)境中。 

ActiveX 控件可以由不同的可以識別 Microsoft 的 COM 技術(shù)的語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，它是一個(gè)組件，它可以在同一個(gè)或分布式的計算環(huán)境中開(kāi)發(fā)或使用。COM 的分布式支持技術(shù)稱(chēng)為 DCOM。在實(shí)現中，ActiveX 控件是一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)模塊，它包括在容器(包括 COM 程序接口的應用程序)當中,這種可重復使用的組件技術(shù)可以加快開(kāi)發(fā)速度和質(zhì)量。 

通常情況下，基于以下三點(diǎn)可以考慮采用 ActiveX 控件實(shí)現遠程測控功能: 

● 瀏覽器對組件技術(shù)，尤其是ActiveX 的廣泛支持; 

● ActiveX 控件在客戶(hù)端的執行效率要高于 JavaApplet; 

● 易于開(kāi)發(fā)，Delphi 開(kāi)發(fā)的程序可以直接以 ActiveX 控件形式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)。 

在遠程測控系統開(kāi)發(fā)中，我們可以用 Borland Delphi 開(kāi)發(fā)平臺對遠程測控客戶(hù)端軟件進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)，并以 ActiveX 控件的形式進(jìn)行封裝。當客戶(hù)端在訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)時(shí)，會(huì )自動(dòng)下載和運行該 ActiveX 控件程序，從而實(shí)現了類(lèi)似Java Applet 程序所實(shí)現的功能。 

3. 基于 Java Applet 技術(shù) 

(1)Java Applet 技術(shù)的特點(diǎn) 

首先，Applet 程序是從服務(wù)器端自動(dòng)下載到客戶(hù)端執行，并且是嵌入到瀏覽器中運行。對用戶(hù)而言，這與一般的上網(wǎng)瀏覽沒(méi)有任何區別，Applet 只能在瀏覽器環(huán)境內運行，只需所用的瀏覽器支持 Java 即可，而當前幾乎所有的瀏覽器均支持 Java 并擁有 Java 虛擬機，無(wú)須下載插件。而且，Java 方便的語(yǔ)言操作能力，無(wú)論在界面操作還是程序設計上，均給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)極大的便利。 

其次，Java 語(yǔ)言具有強大而完善的網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)功能。在 Applet 程序中，很容易就可以實(shí)現同遠程服務(wù)器之間建立連接并控制數據傳遞。當客戶(hù)端打開(kāi)服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)時(shí)，會(huì )自動(dòng)下載和啟動(dòng) Applet 程序，這樣，客戶(hù)端只需簡(jiǎn)單操作 Applet程序即可控制遠端系統工作和結果數據傳輸。 

第三，由于 Java 本身是一種優(yōu)秀的跨平臺語(yǔ)言，這使得無(wú)論在 Windows操作系統還是 Unix 系統抑或是 Linux 系統下，針對客戶(hù)端開(kāi)發(fā)的 Applet 程序都無(wú)須修改而做到完全移植。這一特點(diǎn)很大程度地擴展了遠程測控系統的應用范圍。 

(2)Java Applet的工作原理及通信過(guò)程 

應用本方案實(shí)現的遠程測控系統的基本結構示意圖如圖3所示?？蛻?hù)端由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是網(wǎng)絡(luò )瀏覽器，另一部分則是嵌入到瀏覽器頁(yè)面中運行的 Java Applet 程序，客戶(hù)端通過(guò) Internet 和支持 Java Applet 的瀏覽器來(lái)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器，自動(dòng)下載并運行 Applet。服務(wù)器端由 Web 服務(wù)器、LabVIEW 程序和DataServer 三部分組成。Web 服務(wù)器為客戶(hù)端提供 WWW 服務(wù)，使得客戶(hù)端能夠通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器。LabVIEW 程序負責服務(wù)器端的現場(chǎng)測控。而 Data Server 一方面同客戶(hù)端 JavaApplet 程序建立網(wǎng)絡(luò )連接，作為 Applet 程序的數據服務(wù)器，按受客戶(hù)端 Applet 程序的請求并傳送數據; 另一方面又負責響應Applet 程序的請求，以客戶(hù)方式對 LabVIEW 程序進(jìn)行相應的控制。 


具體過(guò)程如下: 

①客戶(hù)端 Web 瀏覽器請求服務(wù)器端的網(wǎng)頁(yè)，JavaApplet 自動(dòng)下載到客戶(hù)端并啟動(dòng)運行。建立客戶(hù)端于服務(wù)器端 Data Server 的網(wǎng)絡(luò )連接。 

②A(yíng)pplet 向 Data Server 發(fā)送數據請求，實(shí)現數據接收和顯示。 

③Applet 程序獲取鼠標和鍵盤(pán)事件，并發(fā)送到服務(wù)器端的 Data Server，Data Server 對 LabVIEW 程序進(jìn)行相應的控制，從而間接實(shí)現遠程控制。 

4. AppletVIEW 技術(shù) 

AppletVIEW 是 Nacimiento Software Corporation 的產(chǎn)品，它能夠把由LabVIEW 以及 LabWindow/CVI 生成的虛擬儀器發(fā)布到 Web 上。 

(1) AppletVIEW 技術(shù)的特點(diǎn) 

客戶(hù)端程序采用 AppletVIEW 開(kāi)發(fā)實(shí)現，AppletVIEW 是一個(gè)為 LabVIEW開(kāi)發(fā) Web 應用程序的軟件，可以實(shí)現 B/S 模式虛擬儀器。它為服務(wù)器端提供了網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)的 G 語(yǔ)言支持，從而在服務(wù)器端，可以在 LabVIEW 平臺上結合AppletVIEW 的代理功能更好的解決網(wǎng)絡(luò )多用戶(hù)問(wèn)題。而且，數據的傳輸是基于 Socket 的一種傳輸方式，具有較高的數據吞吐量。針對客戶(hù)端程序開(kāi)發(fā)，AppletVIEW 提供了一個(gè)友好的可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境和—些測控常用的組件，這個(gè)環(huán)境也加快了客戶(hù)端程序的設計開(kāi)發(fā)。 

(2) AppletVIEW 的工作原理及通信過(guò)程 

AppleWIEW 開(kāi)發(fā)包的一部分是 VITP 服務(wù)器，它負責處理本地儀器和遠端儀器的經(jīng)由 Web 的通信。在服務(wù)器端的儀器系統里，它作為 LabVIEW 程序運行，提供了一個(gè)在 AppletVIEW 子儀器和遠端儀器之間的接口界面。此服務(wù)器管理經(jīng)過(guò) AppletVIEW 子儀器的來(lái)自以及送入虛擬儀器的數據，并且通過(guò)JavaApplet ID 以及一組數據管道在本地儀器和遠端儀器間進(jìn)行通信。在遠端可以監控本地儀器的運行狀態(tài)，具體通信過(guò)程如圖4所示，過(guò)程描述如下: 


1-2: Web 瀏覽器從 Web 服務(wù)器請求 HTML 頁(yè)面，Web 服務(wù)器發(fā)送此頁(yè)面到 Web 瀏覽器。 

3-4: 在瀏覽器端，帶有< Applet>標示的 HTML 頁(yè)面說(shuō)明有 Java 程序被調用，Web 瀏覽器的 Java 虛擬機運行并從 Web 服務(wù)器請求 Applet 類(lèi)文件。需要的 Java 類(lèi)文件在 AppletVIEW.jar 中。 

5: 服務(wù)器發(fā)送 AppletVIEW.jar 到 Web 瀏覽器。 

6-7: AppletVIEW.jar 加載后，程序開(kāi)始運行，請求“configureFile”中的參數。 

8: Appletbuilder 生成的 MyApplet.jvi 被送到 Web 瀏覽器的程序中。 

9: Java 程序與服務(wù)器通過(guò)數據端口（默認 4749）建立 TCP/IP 連接，通信過(guò)程建立。 

鏈接:四種實(shí)現方案比較 

基于DataSocket技術(shù)的遠程測控方案，優(yōu)點(diǎn)是DataSocket定義了一個(gè)測控數據傳輸協(xié)議，從而利用這種方法可以達到很高的數據傳輸效率，實(shí)時(shí)性能相當好。缺點(diǎn)是它只能實(shí)現C/S模式而不能實(shí)現B/S模式，需要同時(shí)開(kāi)發(fā)服務(wù)器端程序和客戶(hù)端程序，客戶(hù)端控制功能太弱，尚有待加強。 

基于A(yíng)ctiveX實(shí)現方案，在實(shí)現上采用 Delphi開(kāi)發(fā)，它的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)效率高，而且一旦程序下載成功，比起同樣功能的Java 程序具有更高的執行速度和效率，占用的系統資源也相對比較少; 但是，實(shí)驗證明，它生成的ActiveX控件程序的尺寸比 Java 程序要大許多，客戶(hù)端需要花費大量的時(shí)間來(lái)下載這個(gè)程序。 

基于Java Applet技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現B/S模式，只需開(kāi)發(fā)服務(wù)器端程序，開(kāi)發(fā)效率高，客戶(hù)端無(wú)須下載插件，程序較小便于下載執行; 缺點(diǎn)是圖像質(zhì)量差,動(dòng)態(tài)顯示有跳動(dòng)感不連續。 

基于A(yíng)ppletVIEW組件技術(shù)實(shí)現的遠程測控方案，可以實(shí)現B/S模式，AppletVIEW 是第三方開(kāi)發(fā)的遠程測控專(zhuān)用組件，為遠程測控系統提供了可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境，能把LabVIEW儀器面板自動(dòng)生成Java儀器面板，所以具有很高的開(kāi)發(fā)效率。而且，數據的傳輸是基于Socket的一種傳輸方式，具有較高的數據吞吐量，缺點(diǎn)是需要修改本地測控程序，并在本地VI程序中調用AppletVIEW提供的一些網(wǎng)絡(luò )控件VI，來(lái)與瀏覽器端的Java程序通信，從而實(shí)現網(wǎng)絡(luò )測控。 

遠程虛擬儀器是虛擬儀器在網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域的拓展，它的許多優(yōu)點(diǎn)使其應用極為廣泛，是科研、教育、開(kāi)發(fā)、測量、檢測、計量、測控等領(lǐng)域不可多得的好工具。網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)相結合是本文的討論重點(diǎn)，文中對遠程虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò )結構及構成、開(kāi)發(fā)方案及工作原理都作了較為系統的研究。最后再給出幾點(diǎn)經(jīng)驗和建議: 

(1) 如果是實(shí)驗室或小范圍的遠程測控，可采用C/S模式，客戶(hù)端實(shí)現與服務(wù)器直接相連，沒(méi)有中間環(huán)節，因此響應速度快。如果是遠距離、大范圍的遠程測控工作，可采用B/S模式，具有分布性特點(diǎn)，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行操作，而且升級維護方便。 

(2) DataSocket定義了一個(gè)測控數據傳輸協(xié)議，數據傳輸效率高，實(shí)時(shí)性能好，但只能實(shí)現C/S模式。而基于A(yíng)ctiveX 技術(shù)開(kāi)發(fā)效率高，具有更高的執行速度和效率，但生成的ActiveX控件的尺寸較大，客戶(hù)端需要花費大量的時(shí)間來(lái)下載這個(gè)程序。采用Java Applet技術(shù)可以實(shí)現B/S模式，開(kāi)發(fā)效率高，實(shí)驗證明圖像質(zhì)量差，動(dòng)態(tài)顯示有跳動(dòng)感不連續?；贏(yíng)ppletVIEW組件技術(shù)可以實(shí)現B/S模式，開(kāi)發(fā)效率高，數據的傳輸是基于Socket的一種傳輸方式，具有較高的數據吞吐量，試驗結果表明，系統穩定可靠，實(shí)時(shí)性好。 

(3) 服務(wù)器端IIS中的Web服務(wù)器使用的是8080端口，和LabVIEW中的Web服務(wù)器沖突，應修改端口號或關(guān)閉IIS中的 Web 服務(wù)器，這樣才能使AppletVIEW通過(guò)8080端口和LabVIEW通信。 

網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和虛擬儀器的結合，使 VI 拓展到真正的分布式網(wǎng)絡(luò )測試應用環(huán)境中去，對于豐富測試手段，提高測試效率，共享信息，充分合理地利用現有資源都有著(zhù)很好的作用，將成為現代儀器儀表發(fā)展的方向。