基于虚拟仪器的测量网络研究

　　摘 要：本文提出了一种利用虚拟仪器技术组建测量网络的方法，可用于在现代工业企业生产过程中进行远程多类型参数实时测量，便于数据的获取及综合利用。文中论述了测量网络的硬件结构、软件平台及应用软件的工作模式。通过应用局域网资源和图形化编程语言LabVIEW的DataSocket技术模拟在不同网关下进行网络化测量，并得出实验结果，从而验证了在企业内部组建测量网络的可行性。
　　关键词：虚拟仪器 DataSocket 测量网络

0引言
　　在参数测量领域经历了模拟仪器、数字仪器和智能仪器的充分发展后，20世纪90年代末，在信息技术高速发展的带动下，该领域进入了虚拟仪器和网络化测控技术阶段。

　　虚拟仪器技术是计算机技术和传统的仪器仪表技术相结合的产物。它利用计算机系统的强大功能结合相应的软件，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储方面的限制，给仪器仪表领域带来了革命性的变化，注入了新的活力和生机。现代工业企业的发展要求生产过程的各个部分都能够高效的运转，所以生产和管理大多需要依靠企业内部的Intranet或Internet进行。将虚拟仪器技术与Internet/Intranet技术的融合，使虚拟仪器系统更加突破了传统的测量理念，使测量数据得到了真正意义上的共享，使远程测量得以实现。 

1、网络测控系统的硬件组成

　　由于工业生产中涉及到对多种传感器的数据采集和仪器的驱动，同时也存在着对传感器参数的调整和生产现场环境恶劣等问题，所以整个测控系统要充分体现系统的柔性和健壮性的特点，要有较强的适应性，系统硬件组成框图见图1。

  现在正在逐渐推广的PXI数据采集平台通过相对独立的采集和控制模块可以实现多通道、多参数的实时高速数据采集，而且能够通过光纤与控制计算机实现高速通信，保证数据的完整性和实时性。

　　GPIB控制器现在已经比较成熟，而且应用起来也比较灵活，世界上多家公司均推出了功能强大的GPIB控制器，其中有的GPIB仪器支持10Base2或10BaseT，可以很方便的连入网络，如美国NI公司的GPIB-ENT/100。对于一些分散的、数据类型差异很大的测量点，可以由装有数据采集卡的采集控制计算机来进行，而且该计算机还可以同时控制多个GPIB仪器。

　　网络数据库服务器可以利用SQL技术为数据提供分类系统化的管理，以便于数据的后续处理和分布式存储。网关/交换机主要提供了接入网络的服务。

2、系统软件组成

2.1编程平台

　　现代的测量理念在向系统化、集成化、信息化和网络化发展。计算机技术的迅速发展和计算机价格的不断下降促进了虚拟仪器的发展和推广应用［1］。近年来，日益完善的Internet/Intranet技术和虚拟仪器结合，开始在远程测控领域崭露头角。测量数据在网络上发布和共享是网络化远程测量工程的关键技术之一。以前，都是采用TCP/IP和ActiveX等技术去解决网络方面的问题，但是由于需要设计较为复杂的TCP/IP底层编程，而且传输速率较慢，影响了网络化测量技术的推广和应用［2］。为了能更加适合广大工程技术人员的实际应用，各个提供虚拟仪器编程平台的公司都推出了自己的关于网络化测量的技术，并提供了丰富的网络化测量开发组件。

　　目前在我国应用的虚拟仪器开发平台主要有美国NI公司的LabVIEW及其相应组件和Agilent公司的HP-VEE，其中NI的LabVIEW系列产品在我国使用比较广泛。

　　LabVIEW是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具，它适用于多种操作系统，用LabVIEW设计的虚拟仪器程序可以脱离LabVIEW开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。LabVIEW为虚拟仪器设计者提供了便捷、轻松的设计环境，设计者可利用它方便快捷的建立自己的虚拟仪器程序而无需复杂的程序代码的编写。

　　LabVIEW在5.0及其以后的版本中充分考虑到了测控系统的网络化要求，提供了丰富的网络化组件。不但包含了传统的网络通信技术，NI还提出了基于工业网络标准TCP/IP的专为测量数据实时传送而设计的DataSocket技术，它能有效支持同一台计算机上，不同应用程序对特定数据的同时应用，以及连接在网络上的不同计算机之间的数据共享。DataSocket包括两个主要组成部分，即DataSocket API和Data Socket Server。DataSocket API提供了独立的接口，用于不同的语言平台内部多种数据类型的通读。DataSocket Server通过自己内部对TCP/IP的优化和管理，简化了Internet通讯方式。DataSocket通过内部数据自描述格式提供自由的数据传输格式，可以直接传送虚拟仪器程序及所采集到的数据中常用的字符串形式、布尔形式、数字量形式，甚至于采集到的波形。DataSocket支持多种URL地址的连接和数据传输。同时它通过使用URL地址唯一地标识数据源，它还支持多种数据传送协议，主要包括HTTP、FTP、DSTP(DataSocket Transport Protocol)、OPC、Windows Logos等［3］。目前应用虚拟仪器技术组建的测量网络大多使用DSTP协议。LabVIEW中包含了丰富的DataSocket组件，主要包括了“写”、“读”和相应的网络功能的控件。应用“写”功能的大多是数据的采集装置；而应用“读”功能的则是对数据进行存储和进一步处理的计算机。

 2.2应用通信程序

　　应用Intranet/Internet及虚拟仪器技术的测量网络在进行网络通信时通常要用到以下两种模式［3］：

　　(1) Client/Server模式：即客户/服务器模式。这种模式是网络通信中常用的一种模式。它一般有多个客户端采集数据，有一个服务器充当数据库的角色；客户端通过通信协议把测试数据写入远程服务器数据库。对于这种模式，设计人员要做到两个方面的程序开发：一个是客户端采集程序和数据远程发布程序(相当于“写”端的功能)。另一方面是客户端数据的接收程序(相当于“读”端)的制作。应用LabVIEW编写的“写”端和“读”端的程序在运行的时候，都会有一个名字是DataSocket Server的程序同步运行，用来监视程序执行的状况。在“写”端，它可以显示连接的客户端的实际数目和显示传输的数据包的数目。在“读””端，它用来显示接收到的数据包数目和数据来源。

　　(2) Browser/Server模式：即浏览器/服务器模式。这种模式是为了方便用户在Web模式下发布数据。通常用户端只需要安装一个浏览器，直接访问这个测控网站的地址，就可以监视远程测控点的数据变化情况。这种模式的主要工作在于服务器端程序的开发，不存在客户端程序的开发和维护。在LabVIEW环境下可以直接将测量得到的数据应用Web Publishing tool在网络上发布。

　　对于工业企业生产过程的全程多参数的监视与测量，同时为了满足测量数据多样应用的目的，这两种模式都会被用到。在生产部门及生产现场主要应用了客户/服务器模式，其主要作用是对参数的获取和预处理，并把测得的数据存储起来；而在科研和管理部门，则要调用数据或监视数据的变化，这就要用到浏览器/服务器模式。这两种模式都可以通过应用LabVIEW提供的DataSocket组件来编程实现。

3、实验

　　在研究过程中，我们通过局域网实验了一个简单的测量网络，模拟了在不同网关间传送数据。在“写”端，用信号发生器模拟传感器输入信号，用数据采集卡读入信号，并用一个监视窗口监视信号的特性。
　　在实际测量过程中，对读取的数据可以做进一步的处理，并存储起来供调用。

4、结论

　　测量系统的网络化已经成为现代测量理念的发展趋势，并将成为科学研究和生产自动化控制系统的重要组成部分。随着计算机技术的发展和信息化建设的深入，基于虚拟仪器和网络技术的测量网络会发挥更大的作用。

参考文献

1、贾克斌.计算机网络技术对测控技术发展的促进作用［J］.测控技术，1998，17(4)：22
2、王思华等.DataSocket技术及其在虚拟仪器远程测控系统中的应用.暨南大学学报(自然科学版)，2000(6)
3、刘君华等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程.西安：西安电子科技大学出版社，2001
4、LabVIEW User Manual.USA:National Inatruments Corporation,1998
5、LabVIEW Function Manual.USA:National Instruments Corporation,1998