基于虛擬儀器的測(cè)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(cè)量網(wǎng)絡(luò)的方法，可用于在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程中進(jìn)行遠(yuǎn)程多類型參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量，便于數(shù)據(jù)的獲取及綜合利用。文中論述了測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件平臺(tái)及應(yīng)用軟件的工作模式。通過應(yīng)用局域網(wǎng)資源和圖形化編程語言LabVIEW的DataSocket技術(shù)模擬在不同網(wǎng)關(guān)下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而驗(yàn)證了在企業(yè)內(nèi)部組建測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的可行性。
　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器 DataSocket 測(cè)量網(wǎng)絡(luò)

0引言
　　在參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字儀器和智能儀器的充分發(fā)展后，20世紀(jì)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(cè)控技術(shù)階段。

　　虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)的儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的強(qiáng)大功能結(jié)合相應(yīng)的軟件，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲(chǔ)方面的限制，給儀器儀表領(lǐng)域帶來了革命性的變化，注入了新的活力和生機(jī)?，F(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的發(fā)展要求生產(chǎn)過程的各個(gè)部分都能夠高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，所以生產(chǎn)和管理大多需要依靠企業(yè)內(nèi)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(tǒng)更加突破了傳統(tǒng)的測(cè)量理念，使測(cè)量數(shù)據(jù)得到了真正意義上的共享，使遠(yuǎn)程測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)。 

1、網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成

　　由于工業(yè)生產(chǎn)中涉及到對(duì)多種傳感器的數(shù)據(jù)采集和儀器的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也存在著對(duì)傳感器參數(shù)的調(diào)整和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣等問題，所以整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)要充分體現(xiàn)系統(tǒng)的柔性和健壯性的特點(diǎn)，要有較強(qiáng)的適應(yīng)性，系統(tǒng)硬件組成框圖見圖1。

  現(xiàn)在正在逐漸推廣的PXI數(shù)據(jù)采集平臺(tái)通過相對(duì)獨(dú)立的采集和控制模塊可以實(shí)現(xiàn)多通道、多參數(shù)的實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集，而且能夠通過光纖與控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)高速通信，保證數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)時(shí)性。

　　GPIB控制器現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，而且應(yīng)用起來也比較靈活，世界上多家公司均推出了功能強(qiáng)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(duì)于一些分散的、數(shù)據(jù)類型差異很大的測(cè)量點(diǎn)，可以由裝有數(shù)據(jù)采集卡的采集控制計(jì)算機(jī)來進(jìn)行，而且該計(jì)算機(jī)還可以同時(shí)控制多個(gè)GPIB儀器。

　　網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以利用SQL技術(shù)為數(shù)據(jù)提供分類系統(tǒng)化的管理，以便于數(shù)據(jù)的后續(xù)處理和分布式存儲(chǔ)。網(wǎng)關(guān)/交換機(jī)主要提供了接入網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。

2、系統(tǒng)軟件組成

2.1編程平臺(tái)

　　現(xiàn)代的測(cè)量理念在向系統(tǒng)化、集成化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和計(jì)算機(jī)價(jià)格的不斷下降促進(jìn)了虛擬儀器的發(fā)展和推廣應(yīng)用［1］。近年來，日益完善的Internet/Intranet技術(shù)和虛擬儀器結(jié)合，開始在遠(yuǎn)程測(cè)控領(lǐng)域嶄露頭角。測(cè)量數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布和共享是網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程測(cè)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)方面的問題，但是由于需要設(shè)計(jì)較為復(fù)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(cè)量技術(shù)的推廣和應(yīng)用［2］。為了能更加適合廣大工程技術(shù)人員的實(shí)際應(yīng)用，各個(gè)提供虛擬儀器編程平臺(tái)的公司都推出了自己的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量的技術(shù)，并提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量開發(fā)組件。

　　目前在我國應(yīng)用的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)主要有美國NI公司的LabVIEW及其相應(yīng)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言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，它適用于多種操作系統(tǒng)，用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器程序可以脫離LabVIEW開發(fā)環(huán)境，最終用戶看見的是和實(shí)際的硬件儀器相似的操作面板。LabVIEW為虛擬儀器設(shè)計(jì)者提供了便捷、輕松的設(shè)計(jì)環(huán)境，設(shè)計(jì)者可利用它方便快捷的建立自己的虛擬儀器程序而無需復(fù)雜的程序代碼的編寫。

　　LabVIEW在5.0及其以后的版本中充分考慮到了測(cè)控系統(tǒng)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)TCP/IP的專為測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送而設(shè)計(jì)的DataSocket技術(shù)，它能有效支持同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，不同應(yīng)用程序?qū)μ囟〝?shù)據(jù)的同時(shí)應(yīng)用，以及連接在網(wǎng)絡(luò)上的不同計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)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(dú)立的接口，用于不同的語言平臺(tái)內(nèi)部多種數(shù)據(jù)類型的通讀。DataSocket Server通過自己內(nèi)部對(duì)TCP/IP的優(yōu)化和管理，簡化了Internet通訊方式。DataSocket通過內(nèi)部數(shù)據(jù)自描述格式提供自由的數(shù)據(jù)傳輸格式，可以直接傳送虛擬儀器程序及所采集到的數(shù)據(jù)中常用的字符串形式、布爾形式、數(shù)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(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)它通過使用URL地址唯一地標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)源，它還支持多種數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，主要包括HTTP、FTP、DSTP(DataSocket Transport Protocol)、OPC、Windows Logos等［3］。目前應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)組建的測(cè)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”、“讀”和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能的控件。應(yīng)用“寫”功能的大多是數(shù)據(jù)的采集裝置；而應(yīng)用“讀”功能的則是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和進(jìn)一步處理的計(jì)算機(jī)。

 2.2應(yīng)用通信程序

　　應(yīng)用Intranet/Internet及虛擬儀器技術(shù)的測(cè)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/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)客戶端采集數(shù)據(jù)，有一個(gè)服務(wù)器充當(dāng)數(shù)據(jù)庫的角色；客戶端通過通信協(xié)議把測(cè)試數(shù)據(jù)寫入遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。對(duì)于這種模式，設(shè)計(jì)人員要做到兩個(gè)方面的程序開發(fā)：一個(gè)是客戶端采集程序和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)布程序(相當(dāng)于“寫”端的功能)。另一方面是客戶端數(shù)據(jù)的接收程序(相當(dāng)于“讀”端)的制作。應(yīng)用LabVIEW編寫的“寫”端和“讀”端的程序在運(yùn)行的時(shí)候，都會(huì)有一個(gè)名字是DataSocket Server的程序同步運(yùn)行，用來監(jiān)視程序執(zhí)行的狀況。在“寫”端，它可以顯示連接的客戶端的實(shí)際數(shù)目和顯示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的數(shù)目。在“讀””端，它用來顯示接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)目和數(shù)據(jù)來源。

　　(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在Web模式下發(fā)布數(shù)據(jù)。通常用戶端只需要安裝一個(gè)瀏覽器，直接訪問這個(gè)測(cè)控網(wǎng)站的地址，就可以監(jiān)視遠(yuǎn)程測(cè)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化情況。這種模式的主要工作在于服務(wù)器端程序的開發(fā)，不存在客戶端程序的開發(fā)和維護(hù)。在LabVIEW環(huán)境下可以直接將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)應(yīng)用Web Publishing tool在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布。

　　對(duì)于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程的全程多參數(shù)的監(jiān)視與測(cè)量，同時(shí)為了滿足測(cè)量數(shù)據(jù)多樣應(yīng)用的目的，這兩種模式都會(huì)被用到。在生產(chǎn)部門及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)主要應(yīng)用了客戶/服務(wù)器模式，其主要作用是對(duì)參數(shù)的獲取和預(yù)處理，并把測(cè)得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來；而在科研和管理部門，則要調(diào)用數(shù)據(jù)或監(jiān)視數(shù)據(jù)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應(yīng)用LabVIEW提供的DataSocket組件來編程實(shí)現(xiàn)。

3、實(shí)驗(yàn)

　　在研究過程中，我們通過局域網(wǎng)實(shí)驗(yàn)了一個(gè)簡單的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，模擬了在不同網(wǎng)關(guān)間傳送數(shù)據(jù)。在“寫”端，用信號(hào)發(fā)生器模擬傳感器輸入信號(hào)，用數(shù)據(jù)采集卡讀入信號(hào)，并用一個(gè)監(jiān)視窗口監(jiān)視信號(hào)的特性。
　　在實(shí)際測(cè)量過程中，對(duì)讀取的數(shù)據(jù)可以做進(jìn)一步的處理，并存儲(chǔ)起來供調(diào)用。

4、結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

1、賈克斌.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)測(cè)控技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用［J］.測(cè)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(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用.暨南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000(6)
3、劉君華等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW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