基于虛擬儀器的測量網絡研究

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

0引言
　　在參數測量領域經歷了模擬儀器、數字儀器和智能儀器的充分發展后，20世紀90年代末，在信息技術高速發展的帶動下，該領域進入了虛擬儀器和網絡化測控技術階段。

　　虛擬儀器技術是計算機技術和傳統的儀器儀表技術相結合的產物。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，給儀器儀表領域帶來了革命性的變化，注入了新的活力和生機。現代工業企業的發展要求生產過程的各個部分都能夠高效的運轉，所以生產和管理大多需要依靠企業內部的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，使遠程測量得以實現。 

1、網絡測控系統的硬件組成

　　由于工業生產中涉及到對多種傳感器的數據采集和儀器的驅動，同時也存在著對傳感器參數的調整和生產現場環境惡劣等問題，所以整個測控系統要充分體現系統的柔性和健壯性的特點，要有較強的適應性，系統硬件組成框圖見圖1。

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

　　GPIB控制器現在已經比較成熟，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絡，如美國NI公司的GPIB-ENT/100。對于一些分散的、數據類型差異很大的測量點，可以由裝有數據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。

　　網絡數據庫服務器可以利用SQL技術為數據提供分類系統化的管理，以便于數據的后續處理和分布式存儲。網關/交換機主要提供了接入網絡的服務。

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、信息化和網絡化發展。計算機技術的迅速發展和計算機價格的不斷下降促進了虛擬儀器的發展和推廣應用［1］。近年來，日益完善的Internet/Intranet技術和虛擬儀器結合，開始在遠程測控領域嶄露頭角。測量數據在網絡上發布和共享是網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絡化測量的技術，并提供了豐富的網絡化測量開發組件。

　　目前在我國應用的虛擬儀器開發平臺主要有美國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開發環境，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的網絡化要求，提供了豐富的網絡化組件。不但包含了傳統的網絡通信技術，NI還提出了基于工業網絡標準TCP/IP的專為測量數據實時傳送而設計的DataSocket技術，它能有效支持同一臺計算機上，不同應用程序對特定數據的同時應用，以及連接在網絡上的不同計算機之間的數據共享。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部多種數據類型的通讀。DataSocket Server通過自己內部對TCP/IP的優化和管理，簡化了Internet通訊方式。DataSocket通過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。同時它通過使用URL地址唯一地標識數據源，它還支持多種數據傳送協議，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絡大多使用DSTP協議。LabVIEW中包含了豐富的DataSocket組件，主要包括了“寫”、“讀”和相應的網絡功能的控件。應用“寫”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絡在進行網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。這種模式是網絡通信中常用的一種模式。它一般有多個客戶端采集數據，有一個服務器充當數據庫的角色；客戶端通過通信協議把測試數據寫入遠程服務器數據庫。對于這種模式，設計人員要做到兩個方面的程序開發：一個是客戶端采集程序和數據遠程發布程序(相當于“寫”端的功能)。另一方面是客戶端數據的接收程序(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，用來監視程序執行的狀況。在“寫”端，它可以顯示連接的客戶端的實際數目和顯示傳輸的數據包的數目。在“讀””端，它用來顯示接收到的數據包數目和數據來源。

　　(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模式下發布數據。通常用戶端只需要安裝一個瀏覽器，直接訪問這個測控網站的地址，就可以監視遠程測控點的數據變化情況。這種模式的主要工作在于服務器端程序的開發，不存在客戶端程序的開發和維護。在LabVIEW環境下可以直接將測量得到的數據應用Web Publishing tool在網絡上發布。

　　對于工業企業生產過程的全程多參數的監視與測量，同時為了滿足測量數據多樣應用的目的，這兩種模式都會被用到。在生產部門及生產現場主要應用了客戶/服務器模式，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；而在科研和管理部門，則要調用數據或監視數據的變化，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。

3、實驗

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

4、結論

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

參考文獻

1、賈克斌.計算機網絡技術對測控技術發展的促進作用［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