網絡化——測量技術與儀器發展的新趨勢

1. 引言

　　20世紀70年代以來，計算機、微電子等技術迅猛發展。在它們的推動下，同時也是為適應現代化工農業生產甚至戰爭的新需求，測量技術與儀器不斷進步，相繼誕生了智能儀器、PC儀器、VXI儀器、虛擬儀器及互換性虛擬儀器等微機化儀器及其自動測試系統，計算機與現代儀器設備間的界限日漸模糊，測量領域和范圍不斷拓寬。近10年來，以Internet為代表的網絡技術的出現以及它與其他高新科技的相互結合，不僅己開始將智能互聯網產品帶入現代生活，而且也為測量與儀器技術帶來了前所未有的發展空間和機遇，網絡化測量技術與具備網絡功能的新型儀器應運而生。

　　2. 計算機、微電子、通信和網絡等技術是網絡化測量技術與儀器產生并迅速發
展的強勁支撐

　　2.1“計算機就是儀器”
　　自從迅猛發展的計算機技術及微電子技術滲透到測量和儀器儀表技術領域，便使該領域的面貌不斷更新。相繼出現的智能儀器、總線儀器和虛擬儀器等微機化儀器，都無一例外地利用計算機的軟件和硬件優勢，從而既增加了測量功能，又提高了技術性能。由于信號被采集變換成數字形式后，更多的分析和處理工作都由計算機來完成，故很自然使人們不再去關注儀器與計算機之間的界限。近年來，新型微處理器的速度不斷提高，采用流水線、RISC結構和cachE等先進技術，又極大提高了計算機的數值處理能力和速度。在數據采集方面，數據采集卡、儀器放大器、數字信號處理芯片等技術的不斷升級和更新，也有效地加快了數據采集的速率和效率。與計算機技術緊密結合，已是當今儀器與測控技術發展的主潮流。對微機化儀器作一具體分析后，不難見，配以相應軟件和硬件的計算機將能夠完成許多儀器、儀表的功能，實質上相當于一臺多功能的通用測量儀器。這樣的現代儀器設備的功能已不再由按鈕和開關的數量來限定，而是取決于其中存儲器內裝有軟件的多少。從這個意義上可認為，計算機與現代儀器設備日漸趨同，兩者間已表現出全局意義上的相通性。據此，有人提出了“計算機就是儀器”／軟件就是儀器”的概念。

　　2.2“計算機就是測控系統的中堅”
總線式儀器、虛擬儀器等微機化儀器技術的應用，使組建集中和分布式測控系統變得更為容易。但集中測控越來越滿足不了復雜、遠程（異地）和范圍較大的測控任務的需求，對此，組建網絡化的測控系統就顯得非常必要，而計算機軟、硬件技術的不斷升級與進步、給組建測控網絡提供了越來越優異的技術條件。

　　Unix 、Windows NT、Windows2000、Netware等網絡化計算機操作系統，為組建網絡化測試系統帶來了方便。標準的計算機網絡協議，如OSI的開放系統互連參考模型RM、Internet上使用的TCP／IP協議，在開放性、穩定性、可靠性方面均有很大優勢，采用它們很容易實現測控網絡的體系結構。在開發軟件方面，比如NI公司的Labview和LabWindows／CVI，HP公司的VEE，微軟公司的的VB、VC等，都有開發網絡應用項目的工具包。軟件是虛擬儀器開發的關鍵，如Labview和LabWindows／CVI的功能都十分強大，不僅使虛擬儀器的開發變得簡單方便，而且為把虛擬儀器做到網絡上，提供了可靠，便利的技術支持。LabWindows／CVI中封裝了TCP類庫，可以開發基于TCP／Ip的網絡應用。Labview的TCP／IP和UDP網絡VI能夠與遠程應用程序建立通信，其具有的Internet工具箱還為應用系統增加了E-mail、FTP和Web能力；利用遠程自動化VI，還可對控制其他設備的分散的VI進行控制。Labview5．1中還特別增加有網絡功能，提高了開發網絡應用程序的能力。  
 
將計算機、高檔外設和通信線路等硬件資源以及大型數據庫、程序、數據、文件等軟件資源納入網絡，可實現資源的共享。其次，通過組建網絡化測控系統增加系統冗余度的方法能提高系統的可靠性，便于系統的擴展和變動。由計算機和工作站作為結點的網絡也就相當于現代儀器的網絡。計算機已成為現代測控系統的中堅。

　　2.3網絡技術已越來越成為測控技術滿足實際需求的關鍵支撐
當今時代，以Internet為代表的計算機網絡的迅速發展及相關技術的日益完善，突破了傳統通信方式的時空限制和地域障礙，使更大范圍內的通信變得十分容易，Internet擁有的硬件和軟件資源正在越來越多的領域中得到應用，比如電子商務、網上教學、遠程醫療、遠程數據采集與控制、高檔測量儀器設備資源的遠程實時調用，遠程設備故障診斷，等等。與此同時，高性能、高可靠性、低成本的網關、路由器、中繼器及網絡接口芯片等網絡互聯設備的不斷進步，又方便了Internet、不同類型測控網絡、企業網絡間的互聯。利用現有Internet資源而不需建立專門的拓撲網絡，使組建測控網絡、企業內部網絡以及它們與Internet的互聯都十分方便，這就為測控網絡的普遍建立和廣泛應用鋪平了道路。

　　把TCP／IP協議作為一種嵌入式的應用，嵌入現場智能儀器（主要是傳感器）的ROM中，使信號的收、發都以TCP／IP方式進行，如此，測控系統在數據采集、信息發布、系統集成等方面都以企業內部網絡（Intranet）為依托，將測控網和企業內部網及Internet互聯，便于實現測控網和信息網的統一。在這樣構成的測控網絡中，傳統儀器設備充當著網絡中獨立節點的角色，信息可跨越網絡傳輸至所及的任何領域，實時、動態（包括遠程）的在線測控成為現實，將這樣的測量技術與過去的測控、測試技術相比不難發現，今天，測控能節約大量現場布線、擴大測控系統所及地域范圍。使系統擴充和維護都極大便利的原因，就是因為在這種現代測量任務的執行和完成過程中，網絡發揮了不可替代的關鍵作用，即網絡實實在在地介入了現代測量與測控的全過程。

　　基于Web的信息網絡Intranet，是目前企業內部信息網的主流。應用Internet的具有開放性的互聯通信標準，使Intranet成為基丁TCP／IP協議的開放系統，能方便地與外界連接，尤其是與Internet連接。借助Internet的相關技術，Intranet給企業的經營和管理能帶來極大便利，已被廣泛應用于各個行業。Internet也已開始對傳統的測控系統產生越來越大的影響。目前，測控系統的設計思想明顯受到計算機網絡技術的影響，基于網絡化、模塊化、開放性等原則，測控網絡由傳統的集中模式轉變為分布模式，成為具有開放性、可互操作性、分散性、網絡化。智能化的測控系統。網絡的節點上不僅有計算機、工作站，還有智能測控儀器儀表，測控網絡將有與信息網絡相似的體系結構和通信模型。比如目前測控系統中迅猛發展的現場總線，它的通信模型和OSI模型對應，將現場的智能儀表和裝置作為節點，通過網絡將節點連同控制室內的儀器儀表和控制裝置聯成有機的測控系統。測控網絡的功能將遠遠大于系統中各獨立個體功能的總和。結果是測控系統的功能顯著增強，應用領域及范圍明顯擴大。

　　1999年2月，Jini軟件技術問世。Jini軟件技術旨在使各種電器設備、測量儀器及采用JAVA芯片的各種裝置能連接上網，Jini軟件連同以Java語言編寫的簡單程序，可使聯網的任何儀器設備實現其自身功能的同時，還能為其他儀器設備加以利用。

　　網絡技術的出現，正在并將極大地改變人們生活的各個方面。具體到計量測試、測控技術及儀器儀表領域，微機化儀器的聯網，高檔測量儀器設備以及測量信息的地區性、全國性乃至全球性資源共享，各等級計量標準跨地域實施直接的數字化溯源比對，遠程數據采集與測控，遠程設備故障診斷，電、水、燃氣、熱能等的自動抄表，等等，都是網絡技術進步并全面介入其中發揮關鍵作用的必然結果。

3. 網絡化儀器初見端倪

　　3.1測量與儀器定義的新拓展---網絡化儀器的初步定義
　　（1）以測量觀念的拓展為基礎
　　現代自然科學的發展，多學科技術的創新與融合，測量儀器與計算機及通信的互動，使測量、測試過程、測量目的、測試結果的管理等觀念均發生了改變。今天，測量作為信息技術的源頭和基礎，已很難再找到其以純原始的方式出現：人們似乎已不大關心某個測量需求是屬于電測量范疇還是屬于非電測量領域，因為各種傳感器的出現和日益完善，已使非電量測量與電量測量幾乎就是一回事；測試、數據采集、控制三者之間的界限已模糊不清；測量、維護、診斷、修理、數據處理／管理一體化的需求日趨迫切；對測試的現場化、遠地化、網絡化要求不斷升溫；自校準、自診斷和自預估，已成為評定測試系統性能的必備指標；測量與控制高度融合并相互滲透，測量為控制提供更準確可靠的信息，控制也不斷為測量的發展注入新的活力，出現了狀態監測、系統可控性判別、狀態預測、智能控制、模式識別、對不可直接測量對象的間接測量、對特殊預知對象的測量以及信號濾波，等等；與此同時，測量反映在對被測對象的描述和表示上，也根據實際的需要從傳統的數值加帶方向的誤差值，擴展為還可以由自然語言以及高度抽象的文字或符號來表征，出現了所謂“符號化測量”的概念。傳統意義上的十大測量門類中不包含軟件測試，而今，軟件已成為現代新型儀器即各種微機化儀器設備中的重要組成部分。因此，為了保證軟件的安全性能和質量，國外幾年前就已開始著手制定測試軟件的規范或標準。由此可見，依托于這些現代測試與測控技術的飛速發展，傳統意義上的測量的含義、目的和作用等均得到了豐富和拓展。這種豐富和拓展自然而然地預示著網絡技術向測量領域的注入和滲透，也必將導致測量觀念上新的思想和概念的產生。

　?。?）以不斷拓寬的儀器概念為借鑒
現代高新科學技術的迅速發展，有力地推動了儀器儀表技術的不斷進步。儀器儀表的發展將遵循跟著通用計算機走、跟著通用軟件走和跟著標準網絡走的指導思想；儀器標準將向計算機標準、網絡規范靠攏。依托于智能化、微機化儀器儀表的日益普及，聯網測量技術已在現場維護和某些產品的生產自動化方面實施，還必將在儀器儀表出廠校驗。現代化工業生產等越來越多的領域中大顯身手。繼“計算機就是儀器”和“軟件就是儀器”概念之后，“網絡就是儀器”的提法也已出現。具備網絡功能的多種最新型現代測量儀器的相繼問世，正急切地期待著人們對“網絡就是儀器”的提法賦予更科學的描述。

　?。?）網絡化儀器的初步定義
服務于人們從任何地點、在任意時間都能夠獲取到測量信息（或數據）的所有硬、軟件條件的有機集合，已遠遠超出了傳統的單個式獨立儀器的范疇，且也不是傳統單個式獨立儀器的簡單組合，而一定少不了電子化的信息傳輸媒介，即電子化的信息載體。沒有了電子化信息載體的介人，在任意時間、從任何地點獲取測量信息就根本不可能實現。信息的載體越來越電子化，以及測量結果需要通過電纜、光纖Internet、移動通信、電視等媒介傳輸和顯示（輸出）的發展變化過程，正是一種含蓋范圍更寬、應用領域更廣的全新現代測量技術――網絡化測量技術逐步形成并日漸清晰的過程。網絡技術已開始逐漸成為儀器控制與測量的主要工具。從進一步拓展儀器設備定義的角度出發，并根據網絡化測量技術的特點，我們試將服務于人們從任何地點、在任意時間都能夠獲取到測量信息（或數據）的所有硬、軟件條件的有機集合稱為“網絡化儀器”。

　　傳統測試（測量）儀器或系統一旦聯網，即一旦與某種合適的電子化信息載體結合在一起組成了網絡化儀器，便正像電信服務運營商今天已能進行遠程測試一樣，就可以做到從地球上的任何地點、在任意時間，能獲取到任何地方的他所需要的測量信息。

　　儀器儀表及現代化測量技術的發展及其相應傳統概念的突破和延拓，是網絡化儀器概念產生的必然和前提。網絡化儀器概念的確立、可能更有助于人們盡早明確今后儀器儀表的研發戰略，促進并加速現代測量技術手段的更快、更廣泛普及和發展。

　　3．2網絡化儀器初見端倪
網絡化儀器的概念并非建立在虛幻之上，而已經在現實廣泛的測量與測控領域初見端倪。以下是現有網絡化儀器的幾個典型例子。

（1）網絡化流量計
　　流量計是用來檢測流動物體流量的儀表，它能記錄各個時段的流量，并在流量過大或過小時報警?，F在已有商品化的、具有聯網能力的流量計。按照上述定義，它也可稱為網絡化流量計。使用它，用戶可以在安裝過程中通過網絡瀏覽器對其若干參數進行遠程配置。在嵌入FTP服務器后，網絡化流量計就可將流量數據傳送到指定計算機的指定文件里；STMP(簡短消息傳輸協議）電子郵件服務器可將報警信息發送給指定收信人（指定的信箱或尋呼機）。技術人員收到報警信息后，可利用該網絡化流量計的互聯網地址做遠程登錄，運行適當的診斷程序、重新進行配置或下載新的固件，以排除障礙，而無需離開辦公室趕赴現場。

　?。?）網絡化傳感器
　　傳感器是一種以一定的精確度將被測對象轉化為與之有確定對應關系的、便于應用的某種物理量的測量裝置。隨著工業現代化的飛速發展和測控系統自動化、智能化技術的不斷進步，傳統的傳感器已不能滿足要求。與計算機技術和網絡技術相結合，傳感器從傳統的現場模擬信號通信方式轉為現場級的全數字通信方式成為現實，即產生了傳感器現場級的數字網絡化---網絡化傳感器。網絡化傳感器是在智能傳感器基礎上，把TCP／IP協議作為一種嵌入式應用，嵌入現場智能傳感器的ROM中，從而使信號的收、發都以TCP／IP方式進行，如此，網絡化傳感器像計算機一樣成為了測控網絡上的節點登臨網絡，并具有網絡節點的組態性和互操作性。利用局域網和廣域網，處在測控點的網絡傳感器將測控參數信息加以必要的處理后登臨網絡，聯網的其他設備便可獲取這些參數，進而再進行相應的分析和處理。

　　網絡化傳感器應用范圍很大，比如在廣袤地域的水文監測中，對江河從源頭到入海口，在關鍵測控點用傳感器對水位乃至流量、雨量進行實時在線監測，網絡化傳感器就近登臨網絡，組成分布式流域水文監控系統，可對全流域及其動向進行在線監控。在對全國耕地進行的質量監測中，也同樣可利用網絡化的傳感器，進行大范圍信息的采集。隨著分布式測控網絡的興起，網絡化傳感器必將得到更廣泛的應用。

　?。?）網絡化示波器和網絡化邏輯分析儀
　　安捷倫科技有限公司遵循“對網絡看得越清楚，問題就能越快地解決”的宗旨，幾年前就將聯網功能作為其Infinium系列數字存儲示波器的標準性能；并且在最近又研制出了具有網絡功能的16700B型邏輯分析儀--網絡化邏輯分析儀。這種網絡化邏輯分析儀可實現任意時間、任何地點對系統的遠程訪問，實時地獲得儀器的工作狀態；通過友好的用戶界面，可對遠程儀器的功能加以控制，狀態進行檢測；還能將遠程儀器測得的數據經網絡迅速傳遞給本地計算機。

　　（4）網絡化電能表
　　按上述網絡化儀器的定義不難發現，電能自動抄表系統也在一定意義上相當于一種用于測量電能數據的網絡化儀器--網絡化電能表。因為利用電能自動抄表系統，經電纜或電話線或無線電或電力線路，用電管理部門便可完成對異地用電信息的測取和監控。當然，與前幾者相比，現有網絡化電能表的技術含量相對較低。

　　此外應該注意到，不僅國外著名儀器廠商、大的公司已在積極研制和開發新型網絡化儀器，國內也不乏有識之士，成都前鋒電子儀器廠為自己提出的2000年新產品研發方向，就是儀器的數字化、網絡化和多媒體化。

　　3．3使用網絡化儀器可能帶來的好處
　　使用網絡化儀器，人們從任何地點、在任意時間獲取到測量信息（或數據）的愿望將成為現實。與傳統的儀器、測量、測試相比，這的確是一個質的飛躍！

　　在網絡化儀器環境條件下，被測對象可通過測試現場的普通儀器設備，將測得數據（信息）通過網絡傳輸給異地的精密測量設備或高檔次的微機化儀器去分析、處理；能實現測量信息的共享；可掌握網絡節點處信息的實時變化的趨勢；此外，也可通過具有網絡傳輸功能的儀器將數據傳至原端即現場。

　　采用自動抄表系統，可提高抄表的準確性；能減少因估計或謄寫而可能出現的帳單錯誤；（供用電、水、燃氣”熱能等）管理部門因此能及時獲得準確的數據信息；用戶也不再需要與抄表員預約上門抄表時問，還能迅速查詢帳單。

　　在帶來上述諸多好處的同時，采用網絡測量技術、使用網絡化儀器，無疑能顯著提高測量功效，有效降低監測、測控工作的人力和財力投入，縮短完成一些類型計量測試工作的周期，并將增強測量需求客戶的滿意程度。

4. 測量技術與儀器發展趨勢展望

　　隨著計算機技術、網絡通信技術的進步而不斷拓展，21世紀的儀器概念將是一個開放的系統概念。以PC機和工作站為基礎，通過組建網絡來形（構）成實用的測控系統，提高生產效率和共享信息資源，已成為現代儀器儀表發展的方向。從某種意義上說，計算機和現代儀器儀表已相互包容，計算機網絡也就是通用的儀器網絡，如果在測控系統中有更多不同類型的智能設備也像計算機和工作站一樣成為網絡的節點聯入網絡，比如各種智能儀器、虛擬儀器及傳感器等，它們充分利用目前已比較成熟的Internet網絡的設施，不僅能實現更多資源的共享、降低組建系統的費用，還可提高測控系統的功能，并拓寬其應用的范圍?！熬W絡就是儀器”的概念確切地概括了儀器的網絡化發展趨勢。

　　目前，以Internet為代表的計算機網絡正迅猛地發展，隨著網絡信道容量的擴大，網絡速度將不再成為網絡應用的障礙。利用現有的Internet網絡設施，網絡化傳感器已應用到分布式測控系統中，簡化了系統建設和設備維護，降低了費用并提高了系統的功能，隨著測控網絡的發展，測控網絡和信息網絡的互聯技術也將日臻完善，最終實現大規模對等的范圍和廣度，一定將以更快的速度擴大。

　　計算機技術、傳感器技術、網絡技術與測量、測控技術的結合，使網絡化、分布式測控系統的組建更為方便。以Internet為代表的計算機網絡技術的迅猛發展及相關技術的不斷完善，使得計算機網絡的規模更大，應用更廣。在國防、通信、航空、航天、氣象、制造等領域，對大范圍的網絡化測控將提出更迫切的需求，網絡技術也必將在測控領域得到廣泛的應用；網絡化儀器很快會發展并成熟起來，從而有力地帶動和促進現代測量技術即網絡測量技術的進步。

　　有專家預計，在不久的將來，地球將披上一層由大量各種各樣電子測量儀器設備組成的“通訊外殼”，它們將負責監控城市、公路甚至整個環境，并會隨時將測得的數據信息直接輸入網絡。與各行各業一樣，測量技術與儀器也必將在網絡時代發生革命性變化。