基于虛擬儀器的測量網(wǎng)絡研究

　　摘 要：本文提出了一種利用虛擬儀器技術組建測量網(wǎng)絡的方法，可用于在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程中進行遠程多類型參數(shù)實時測量，便于數(shù)據(jù)的獲取及綜合利用。文中論述了測量網(wǎng)絡的硬件結(jié)構、軟件平臺及應用軟件的工作模式。通過應用局域網(wǎng)資源和圖形化編程語言LabVIEW的DataSocket技術模擬在不同網(wǎng)關下進行網(wǎng)絡化測量，并得出實驗結(jié)果，從而驗證了在企業(yè)內(nèi)部組建測量網(wǎng)絡的可行性。
　　關鍵詞：虛擬儀器 DataSocket 測量網(wǎng)絡

0引言
　　在參數(shù)測量領域經(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90年代末，在信息技術高速發(fā)展的帶動下，該領域進入了虛擬儀器和網(wǎng)絡化測控技術階段。

　　虛擬儀器技術是計算機技術和傳統(tǒng)的儀器儀表技術相結(jié)合的產(chǎn)物。它利用計算機系統(tǒng)的強大功能結(jié)合相應的軟件，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲方面的限制，給儀器儀表領域帶來了革命性的變化，注入了新的活力和生機。現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的發(fā)展要求生產(chǎn)過程的各個部分都能夠高效的運轉(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進行。將虛擬儀器技術與Internet/Intranet技術的融合，使虛擬儀器系統(tǒng)更加突破了傳統(tǒng)的測量理念，使測量數(shù)據(jù)得到了真正意義上的共享，使遠程測量得以實現(xiàn)。 

1、網(wǎng)絡測控系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集和儀器的驅(qū)動，同時也存在著對傳感器參數(shù)的調(diào)整和生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣等問題，所以整個測控系統(tǒng)要充分體現(xiàn)系統(tǒng)的柔性和健壯性的特點，要有較強的適應性，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)采集平臺通過相對獨立的采集和控制模塊可以實現(xiàn)多通道、多參數(shù)的實時高速數(shù)據(jù)采集，而且能夠通過光纖與控制計算機實現(xiàn)高速通信，保證數(shù)據(jù)的完整性和實時性。

　　GPIB控制器現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，而且應用起來也比較靈活，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，如美國NI公司的GPIB-ENT/100。對于一些分散的、數(shù)據(jù)類型差異很大的測量點，可以由裝有數(shù)據(jù)采集卡的采集控制計算機來進行，而且該計算機還可以同時控制多個GPIB儀器。

　　網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫服務器可以利用SQL技術為數(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。網(wǎng)關/交換機主要提供了接入網(wǎng)絡的服務。

2、系統(tǒng)軟件組成

2.1編程平臺

　　現(xiàn)代的測量理念在向系統(tǒng)化、集成化、信息化和網(wǎng)絡化發(fā)展。計算機技術的迅速發(fā)展和計算機價格的不斷下降促進了虛擬儀器的發(fā)展和推廣應用［1］。近年來，日益完善的Internet/Intranet技術和虛擬儀器結(jié)合，開始在遠程測控領域嶄露頭角。測量數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上發(fā)布和共享是網(wǎng)絡化遠程測量工程的關鍵技術之一。以前，都是采用TCP/IP和ActiveX等技術去解決網(wǎng)絡方面的問題，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)絡化測量技術的推廣和應用［2］。為了能更加適合廣大工程技術人員的實際應用，各個提供虛擬儀器編程平臺的公司都推出了自己的關于網(wǎng)絡化測量的技術，并提供了豐富的網(wǎng)絡化測量開發(fā)組件。

　　目前在我國應用的虛擬儀器開發(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設計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需復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控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化要求，提供了豐富的網(wǎng)絡化組件。不但包含了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡通信技術，NI還提出了基于工業(yè)網(wǎng)絡標準TCP/IP的專為測量數(shù)據(jù)實時傳送而設計的DataSocket技術，它能有效支持同一臺計算機上，不同應用程序?qū)μ囟〝?shù)據(jù)的同時應用，以及連接在網(wǎng)絡上的不同計算機之間的數(shù)據(jù)共享。DataSocket包括兩個主要組成部分，即DataSocket API和Data Socket Server。DataSocket API提供了獨立的接口，用于不同的語言平臺內(nèi)部多種數(shù)據(jù)類型的通讀。DataSocket Server通過自己內(nèi)部對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。同時它通過使用URL地址唯一地標識數(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］。目前應用虛擬儀器技術組建的測量網(wǎng)絡大多使用DSTP協(xié)議。LabVIEW中包含了豐富的DataSocket組件，主要包括了“寫”、“讀”和相應的網(wǎng)絡功能的控件。應用“寫”功能的大多是數(shù)據(jù)的采集裝置；而應用“讀”功能的則是對數(shù)據(jù)進行存儲和進一步處理的計算機。

 2.2應用通信程序

　　應用Intranet/Internet及虛擬儀器技術的測量網(wǎng)絡在進行網(wǎng)絡通信時通常要用到以下兩種模式［3］：

　　(1) Client/Server模式：即客戶/服務器模式。這種模式是網(wǎng)絡通信中常用的一種模式。它一般有多個客戶端采集數(shù)據(jù)，有一個服務器充當數(shù)據(jù)庫的角色；客戶端通過通信協(xié)議把測試數(shù)據(jù)寫入遠程服務器數(shù)據(jù)庫。對于這種模式，設計人員要做到兩個方面的程序開發(fā)：一個是客戶端采集程序和數(shù)據(jù)遠程發(fā)布程序(相當于“寫”端的功能)。另一方面是客戶端數(shù)據(jù)的接收程序(相當于“讀”端)的制作。應用LabVIEW編寫的“寫”端和“讀”端的程序在運行的時候，都會有一個名字是DataSocket Server的程序同步運行，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瀏覽器，直接訪問這個測控網(wǎng)站的地址，就可以監(jiān)視遠程測控點的數(shù)據(jù)變化情況。這種模式的主要工作在于服務器端程序的開發(fā)，不存在客戶端程序的開發(fā)和維護。在LabVIEW環(huán)境下可以直接將測量得到的數(shù)據(jù)應用Web Publishing tool在網(wǎng)絡上發(fā)布。

　　對于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過程的全程多參數(shù)的監(jiān)視與測量，同時為了滿足測量數(shù)據(jù)多樣應用的目的，這兩種模式都會被用到。在生產(chǎn)部門及生產(chǎn)現(xiàn)場主要應用了客戶/服務器模式，其主要作用是對參數(shù)的獲取和預處理，并把測得的數(shù)據(jù)存儲起來；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/服務器模式。這兩種模式都可以通過應用LabVIEW提供的DataSocket組件來編程實現(xiàn)。

3、實驗

　　在研究過程中，我們通過局域網(wǎng)實驗了一個簡單的測量網(wǎng)絡，模擬了在不同網(wǎng)關間傳送數(shù)據(jù)。在“寫”端，用信號發(fā)生器模擬傳感器輸入信號，用數(shù)據(jù)采集卡讀入信號，并用一個監(jiān)視窗口監(jiān)視信號的特性。
　　在實際測量過程中，對讀取的數(shù)據(jù)可以做進一步的處理，并存儲起來供調(diào)用。

4、結(jié)論

　　測量系統(tǒng)的網(wǎng)絡化已經(jīng)成為現(xiàn)代測量理念的發(fā)展趨勢，并將成為科學研究和生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)的重要組成部分。隨著計算機技術的發(fā)展和信息化建設的深入，基于虛擬儀器和網(wǎng)絡技術的測量網(wǎng)絡會發(fā)揮更大的作用。

參考文獻

1、賈克斌.計算機網(wǎng)絡技術對測控技術發(fā)展的促進作用［J］.測控技術，1998，17(4)：22
2、王思華等.DataSocket技術及其在虛擬儀器遠程測控系統(tǒng)中的應用.暨南大學學報(自然科學版)，2000(6)
3、劉君華等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程.西安：西安電子科技大學出版社，2001
4、LabVIEW User Manual.USA:National Inatruments Corporation,1998
5、LabVIEW Function Manual.USA:National Instruments Corporation,1998