基于虛擬儀器的測量網(wǎng)絡(luò )研究

　　摘 要：本文提出了一種利用虛擬儀器技術(shù)組建測量網(wǎng)絡(luò )的方法，可用于在現代工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行遠程多類(lèi)型參數實(shí)時(shí)測量，便于數據的獲取及綜合利用。文中論述了測量網(wǎng)絡(luò )的硬件結構、軟件平臺及應用軟件的工作模式。通過(guò)應用局域網(wǎng)資源和圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW的DataSocket技術(shù)模擬在不同網(wǎng)關(guān)下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )化測量，并得出實(shí)驗結果，從而驗證了在企業(yè)內部組建測量網(wǎng)絡(luò )的可行性。
　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器 DataSocket 測量網(wǎng)絡(luò )

0引言
　　在參數測量領(lǐng)域經(jīng)歷了模擬儀器、數字儀器和智能儀器的充分發(fā)展后，20世紀90年代末，在信息技術(shù)高速發(fā)展的帶動(dòng)下，該領(lǐng)域進(jìn)入了虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò )化測控技術(shù)階段。

　　虛擬儀器技術(shù)是計算機技術(shù)和傳統的儀器儀表技術(shù)相結合的產(chǎn)物。它利用計算機系統的強大功能結合相應的軟件，大大突破了傳統儀器在數據處理、顯示、傳送、存儲方面的限制，給儀器儀表領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化，注入了新的活力和生機?，F代工業(yè)企業(yè)的發(fā)展要求生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)部分都能夠高效的運轉，所以生產(chǎn)和管理大多需要依靠企業(yè)內部的Intranet或Internet進(jìn)行。將虛擬儀器技術(shù)與Internet/Intranet技術(shù)的融合，使虛擬儀器系統更加突破了傳統的測量理念，使測量數據得到了真正意義上的共享，使遠程測量得以實(shí)現。 

1、網(wǎng)絡(luò )測控系統的硬件組成

　　由于工業(yè)生產(chǎn)中涉及到對多種傳感器的數據采集和儀器的驅動(dòng)，同時(shí)也存在著(zhù)對傳感器參數的調整和生產(chǎn)現場(chǎng)環(huán)境惡劣等問(wèn)題，所以整個(gè)測控系統要充分體現系統的柔性和健壯性的特點(diǎn)，要有較強的適應性，系統硬件組成框圖見(jiàn)圖1。

  現在正在逐漸推廣的PXI數據采集平臺通過(guò)相對獨立的采集和控制模塊可以實(shí)現多通道、多參數的實(shí)時(shí)高速數據采集，而且能夠通過(guò)光纖與控制計算機實(shí)現高速通信，保證數據的完整性和實(shí)時(shí)性。

　　GPIB控制器現在已經(jīng)比較成熟，而且應用起來(lái)也比較靈活，世界上多家公司均推出了功能強大的GPIB控制器，其中有的GPIB儀器支持10Base2或10BaseT，可以很方便的連入網(wǎng)絡(luò )，如美國NI公司的GPIB-ENT/100。對于一些分散的、數據類(lèi)型差異很大的測量點(diǎn)，可以由裝有數據采集卡的采集控制計算機來(lái)進(jìn)行，而且該計算機還可以同時(shí)控制多個(gè)GPIB儀器。

　　網(wǎng)絡(luò )數據庫服務(wù)器可以利用SQL技術(shù)為數據提供分類(lèi)系統化的管理，以便于數據的后續處理和分布式存儲。網(wǎng)關(guān)/交換機主要提供了接入網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)。

2、系統軟件組成

2.1編程平臺

　　現代的測量理念在向系統化、集成化、信息化和網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展。計算機技術(shù)的迅速發(fā)展和計算機價(jià)格的不斷下降促進(jìn)了虛擬儀器的發(fā)展和推廣應用［1］。近年來(lái)，日益完善的Internet/Intranet技術(shù)和虛擬儀器結合，開(kāi)始在遠程測控領(lǐng)域嶄露頭角。測量數據在網(wǎng)絡(luò )上發(fā)布和共享是網(wǎng)絡(luò )化遠程測量工程的關(guān)鍵技術(shù)之一。以前，都是采用TCP/IP和ActiveX等技術(shù)去解決網(wǎng)絡(luò )方面的問(wèn)題，但是由于需要設計較為復雜的TCP/IP底層編程，而且傳輸速率較慢，影響了網(wǎng)絡(luò )化測量技術(shù)的推廣和應用［2］。為了能更加適合廣大工程技術(shù)人員的實(shí)際應用，各個(gè)提供虛擬儀器編程平臺的公司都推出了自己的關(guān)于網(wǎng)絡(luò )化測量的技術(shù)，并提供了豐富的網(wǎng)絡(luò )化測量開(kāi)發(fā)組件。

　　目前在我國應用的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺主要有美國NI公司的LabVIEW及其相應組件和Agilent公司的HP-VEE，其中NI的LabVIEW系列產(chǎn)品在我國使用比較廣泛。

　　LabVIEW是一種基于圖形化編程語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)工具，它適用于多種操作系統，用LabVIEW設計的虛擬儀器程序可以脫離LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境，最終用戶(hù)看見(jiàn)的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板。LabVIEW為虛擬儀器設計者提供了便捷、輕松的設計環(huán)境，設計者可利用它方便快捷的建立自己的虛擬儀器程序而無(wú)需復雜的程序代碼的編寫(xiě)。

　　LabVIEW在5.0及其以后的版本中充分考慮到了測控系統的網(wǎng)絡(luò )化要求，提供了豐富的網(wǎng)絡(luò )化組件。不但包含了傳統的網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，NI還提出了基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )標準TCP/IP的專(zhuān)為測量數據實(shí)時(shí)傳送而設計的DataSocket技術(shù)，它能有效支持同一臺計算機上，不同應用程序對特定數據的同時(shí)應用，以及連接在網(wǎng)絡(luò )上的不同計算機之間的數據共享。DataSocket包括兩個(gè)主要組成部分，即DataSocket API和Data Socket Server。DataSocket API提供了獨立的接口，用于不同的語(yǔ)言平臺內部多種數據類(lèi)型的通讀。DataSocket Server通過(guò)自己內部對TCP/IP的優(yōu)化和管理，簡(jiǎn)化了Internet通訊方式。DataSocket通過(guò)內部數據自描述格式提供自由的數據傳輸格式，可以直接傳送虛擬儀器程序及所采集到的數據中常用的字符串形式、布爾形式、數字量形式，甚至于采集到的波形。DataSocket支持多種URL地址的連接和數據傳輸。同時(shí)它通過(guò)使用URL地址唯一地標識數據源，它還支持多種數據傳送協(xié)議，主要包括HTTP、FTP、DSTP(DataSocket Transport Protocol)、OPC、Windows Logos等［3］。目前應用虛擬儀器技術(shù)組建的測量網(wǎng)絡(luò )大多使用DSTP協(xié)議。LabVIEW中包含了豐富的DataSocket組件，主要包括了“寫(xiě)”、“讀”和相應的網(wǎng)絡(luò )功能的控件。應用“寫(xiě)”功能的大多是數據的采集裝置；而應用“讀”功能的則是對數據進(jìn)行存儲和進(jìn)一步處理的計算機。

 2.2應用通信程序

　　應用Intranet/Internet及虛擬儀器技術(shù)的測量網(wǎng)絡(luò )在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信時(shí)通常要用到以下兩種模式［3］：

　　(1) Client/Server模式：即客戶(hù)/服務(wù)器模式。這種模式是網(wǎng)絡(luò )通信中常用的一種模式。它一般有多個(gè)客戶(hù)端采集數據，有一個(gè)服務(wù)器充當數據庫的角色；客戶(hù)端通過(guò)通信協(xié)議把測試數據寫(xiě)入遠程服務(wù)器數據庫。對于這種模式，設計人員要做到兩個(gè)方面的程序開(kāi)發(fā)：一個(gè)是客戶(hù)端采集程序和數據遠程發(fā)布程序(相當于“寫(xiě)”端的功能)。另一方面是客戶(hù)端數據的接收程序(相當于“讀”端)的制作。應用LabVIEW編寫(xiě)的“寫(xiě)”端和“讀”端的程序在運行的時(shí)候，都會(huì )有一個(gè)名字是DataSocket Server的程序同步運行，用來(lái)監視程序執行的狀況。在“寫(xiě)”端，它可以顯示連接的客戶(hù)端的實(shí)際數目和顯示傳輸的數據包的數目。在“讀””端，它用來(lái)顯示接收到的數據包數目和數據來(lái)源。

　　(2) Browser/Server模式：即瀏覽器/服務(wù)器模式。這種模式是為了方便用戶(hù)在Web模式下發(fā)布數據。通常用戶(hù)端只需要安裝一個(gè)瀏覽器，直接訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)測控網(wǎng)站的地址，就可以監視遠程測控點(diǎn)的數據變化情況。這種模式的主要工作在于服務(wù)器端程序的開(kāi)發(fā)，不存在客戶(hù)端程序的開(kāi)發(fā)和維護。在LabVIEW環(huán)境下可以直接將測量得到的數據應用Web Publishing tool在網(wǎng)絡(luò )上發(fā)布。

　　對于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的全程多參數的監視與測量，同時(shí)為了滿(mǎn)足測量數據多樣應用的目的，這兩種模式都會(huì )被用到。在生產(chǎn)部門(mén)及生產(chǎn)現場(chǎng)主要應用了客戶(hù)/服務(wù)器模式，其主要作用是對參數的獲取和預處理，并把測得的數據存儲起來(lái)；而在科研和管理部門(mén)，則要調用數據或監視數據的變化，這就要用到瀏覽器/服務(wù)器模式。這兩種模式都可以通過(guò)應用LabVIEW提供的DataSocket組件來(lái)編程實(shí)現。

3、實(shí)驗

　　在研究過(guò)程中，我們通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)驗了一個(gè)簡(jiǎn)單的測量網(wǎng)絡(luò )，模擬了在不同網(wǎng)關(guān)間傳送數據。在“寫(xiě)”端，用信號發(fā)生器模擬傳感器輸入信號，用數據采集卡讀入信號，并用一個(gè)監視窗口監視信號的特性。
　　在實(shí)際測量過(guò)程中，對讀取的數據可以做進(jìn)一步的處理，并存儲起來(lái)供調用。

4、結論

　　測量系統的網(wǎng)絡(luò )化已經(jīng)成為現代測量理念的發(fā)展趨勢，并將成為科學(xué)研究和生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統的重要組成部分。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展和信息化建設的深入，基于虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的測量網(wǎng)絡(luò )會(huì )發(fā)揮更大的作用。

參考文獻

1、賈克斌.計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)對測控技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用［J］.測控技術(shù)，1998，17(4)：22
2、王思華等.DataSocket技術(shù)及其在虛擬儀器遠程測控系統中的應用.暨南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2000(6)
3、劉君華等.虛擬儀器圖形化編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW教程.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001
4、LabVIEW User Manual.USA:National Inatruments Corporation,1998
5、LabVIEW Function Manual.USA:National Instruments Corporation,1998