（机械电子工程专业论文）网络化虚拟仪器中数据的传输和处理技术的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：琳嘴匙签字目期：细，5年辱月对目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废盍堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废塞堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：林廊抛 签字日期：2 一f 年年月对目 1 f 彦， 剔磁乡歹m 及一 l 7 签字日期：铆t 年牛月对佃 中文摘要 摘要 最近几年以来，随着虚拟仪器技术与分布式处理技术的发展，尤其是网络通 讯技术的显著进步和i n t e m e t 的迅速普及，使得我们可以突破时间和地域限制将分 布在不同地点的仪器设备通过网络连接起来协同工作，将一个个独立的仪器整合 成一个分布式的仪器系统，从而获得更为强大的处理功能或者完成单台仪器所不 能完成的任务。网络化虚拟仪器正是顺应这种需要，成为仪器发展的一种趋势。 网络化虚拟仪器系统中，数据的传输技术是系统的关键技术之一，它关系到 系统的网络功能能否实现，更重要的是关系到系统能否满足远程测试的现实需要。 本文以网络化虚拟仪器中数据的传输和处理技术为核心，针对网络化虚拟仪器的 特点，主要做了以下几个方面的研究开发工作。 1 ) 对网络化虚拟仪器的总体架构进行了研究。包括网络化虚拟仪器的组建形 式、发布到网络化虚拟仪器的表现形式和网络化数据获取技术等方面。 2 ) 介绍了一些相关的网络基本知识，重点研究了在n e t 框架下网络数据的传 输技术和分布式处理技术( n e tr e m o t i n g 和w e bs e r v i c e s 技术) 。 3 ) 研究了数据压缩、数据库、数据加密等网络数据处理技术。 4 ) 将网络化虚拟仪器中数据的传输和处理技术应用于网络化扭矩功率监测仪 的开发中，实现了“测试数据发布系统”形式的网络化扭矩功率监测仪的数据传 输和处理功能，达到了实时和可靠传输数据的目的。并给出了这些部分在n e t 框 架下用c # 语言实现的主要代码。 关键词：网络化虚拟仪器，数据传输，数据处理，n e t 框架 英文摘纂 a b s t r a c t s i n c et h en e a r e s ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e sa n d d i s t r i b u t e de x e c u t i o nt e c h n i q u e s ，e s p e c i a l l yw i t ht h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e m a k i n gm a r k e dp r o g r e s sa n dt h es w i f tp o p u l a r i z a t i o no fi n t e m e t ，i tc a u s e st h a tw em a y m a k eab r e a k t h r o u g ha tt i m ea n dt h el i m i to fd i s t r i c ta n dc a l lc o n n e c tt h ea p p a r a t u s i n s t a l l a t i o no fd i s t i n c ts i t e sb ym e a n so ft h en e t w o r kf o rt h ep u r p o s eo fc o o p e r a t i o n a l s ot h ed i s t r i b u t e di n s t r u m e n ts y s t e mc a nm a k eu po fs i n g l ev i r t u a li n s t r u m e n t sa s w h o l e ，t h e r e b yg a i n i n gs t r o n g l yp r o c e s s i n gc a p a c i t yo ra c c o m p l i s h i n gs o m et a s k st h a t o n ev i r t u a li n s t r u m e n tc a n td o w i t ht h i sd e m a n d n e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n th a s b e e nat r e n do fd e v e l o p i n go fi n s t r u m e n t a m o n g n e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m ，d a t at r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ei so n eo f k e yt e c h n i q u e so ft h es y s t e m i td e c i d e st h a ti ft h en e t w o r kf u n c t i o no ft h es y s t e mc a n r e a l i z e ，a n dw h a ti sm o r ei m p o r t a n ti si td e c i d e si ft h es y s t e mc a nm e e tt h ep r a c t i c a l d e m a n d so fr e m o t em e a s u r e m e n t t h ee m p h a s e so ft h er e s e a r c ha r ed a t at r a n s m i s s i o n a n dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gt h ef a l l o w i n gr e s e a r c h e dt a s k s 1 ) r e s e a r c h i n gt h ew h o l ef r a m e w o r ko fn e t w o r k e d v i r t u a li n s t r u m e n t i n c l u d i n gt h e c o m p o n e n tf o r m 、r e l e a s et of o r mo fn e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n ta n dn e t w o r k e dd a t aa c q u i s i t i o n t e c h n i q u e s ，e t c 2 1i n t r o d u c i n gs o m er e l a t i v en e t w o r kb a s i ck n o w l e d g e m o s t l yr e s e a r c h i n g n e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ea n dd i s t r i b u t e de x e c u t i o nt e c h n i q u e s ( n e t r e m o t i n ga n dw e bs e r v i c e s ) 3 ) r e s e a r c h i n gs o m ed a t ap r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，s u c h a sd a t ac o m p r e s s i o n t e c h n i q u e 、d a t a b a s et e c h n i q u ea n d d a t ae n c r y p t i o nt e c h n i q u e s 4 ) a p p l y i n gd a t at r a n s m i s s i o na n dd a t ap r o c e s s i n gt e c h n i q u e so f n e t w o r k e dv i r t u a l i n s t r u m e n ti n t ot h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k e dt o r q u ea n dp o w e rm o n i t o r r e a l i z i n gt h e d a t at r a n s m i s s i o na n dd a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o n so ft h en e t w o r k e dt o r q u ea n dp o w e r m o n i t o rw h o s ef o r mi st e s t i n gd a t ap u b l i s h i n gs y s t e m a c h i e v i n ga i m so fr e a l - t i m ea n d r e l i a b i l i t yd a t at r a n s m i s s i o n a n dg i v i n gt h em o s t l yc o d er e a l i z a t i o n s o ft h e s ep a r t s u s i n gc 撑i n n e tf r a m e w o r k k e y w o r d s ：n e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n t ，d a t at r a n s m i s s i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ， n e tf r a m e w o r k i i i 1 绪论 1 绪论 1 i 网络化虚拟仪器中数据的传输和处理技术研究的意义 一个大而复杂的测试系统，往往系统的测量、输入、输出、结果分析可能分 布在不同的地理位置，仅用一台计算机并不能胜任测试任务，需要由分布在不同 地理位置的若干计算机共同完成整个测试任务。计算机网络技术、总线技术与数 据库技术的发展，乃至i n t e m e t 网的发展拓展了虚拟仪器测试系统的应用范围。利 用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬 件设备、软件在网络内得以共享，减少了设备重复投资。一台计算机采集的数据 可以立即传输到另一台处理分析机上进行处理分析，分析后的结果可被执行机构、 设计师查询使用，使数据采集、传输、处理分析成为一体，容易实现实时采集、 实时监测。重要的数据实行多机备份，提高了系统的可靠性。对于有些危险的、 环境恶劣的不适合人员操作的数据采集工作可实行远程采集，将采集的数据放在 服务器中供用户使用。虚拟仪器与计算机网络结合实现仪器的远程教学，学生通 过网络学习仪器、操作仪器。虚拟仪器计算机网络化在测试系统中具有广泛的应 用前景。 在网络化虚拟仪器的研究中，网络数据的传输技术是一个十分重要的，也是 一个十分关键的技术。它关系到测控数据的准确性和实时性，从而决定了整个系 统的有效性。目前新的网络技术真是层出不穷，日新月异。同时集合了各种新技 术的网络开发平台更为我们开发网络应用程序提供了非常便捷和经济的手段，因 此如何充分有效利用目前最新的和成熟的网络开发平台，实现实时、可靠的网络 传输就成了主要问题。 为了提高网络传输中数据的实时性和可靠性，我们根据不同的应用场合，可 以选用不同的网络技术，对数据进行不同的处理。比如使用t c p 协议能够准确地 传输数据：u d p 协议可以及时快速传输，但不能够保证数据准确性；数据压缩技 术可以有效地利用网络带宽传输更多的数据；数据加密技术，可以防止数据被改 动或者置换而造成的损失和危害，尤其在商业和军事上：等等。由此我们可以看 到数据传输和处理技术在网络传输中具有十分重要的作用。 网络化虚拟仪器将在各种工程领域中具有广阔的应用前景，也是仪器领域发 展的大趋势，所以本文通过研究网络化虚拟仪器中关键的数据传输和处理技术， 充分利用现有的网络技术，虚拟仪器技术等技术，在工程实践中易取得较好的效 果。通过该研究，进一步弄清网络化虚拟仪器技术及其采集到的数据是如何通过 网络传输和处理的，对不同的实际工况，如何选择数据的传输方法和处理方法， 重庆大学硕士学位论文 使理论转化为实际。 1 2 国内外现状综述【l 叫j 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便 使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统， 并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是n i 公司的l a bv i e w 软件和l a b w i n d o w s c v i 开发软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案，是非常有用的开发软件。 l a bw i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发人员准备的，在w i n d o w s 环境下的标准 a n s i c 开发环境。美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o n i x 公司的e z t e s t 和t e k 一丁n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的s n a p - - - m a s t e r 平 台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。各家公司对虚拟仪器网 络化的理念和解决方案大多体现在相应的产品中，以下对n i 公司和a g i l e n t 公司 及其产品作一概述。 n i 公司在其产品l a b v i e w 、l a b w i n d o w s 和m e a s u r e m e n ts t u d i o 中开发的网 络传输技术d a t a s o c k e t 。d a t a s o c k e t ( 也称d s ) 是一种面向测量和自动化工程的网上 实时数据交换的编程新技术它包括了d s s e r v e rm a n a g e r 、d ss e r v e r 和d s 函数 库这几个工具软件，以及d s t p ( d a t a s o c k e tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 协议、通用资源定位 符u r l ( u n i f o r mr e s o u r c el o c a t o r ) 和文件格式等技术规范。它能大大简化i m e m e t 网上计算机之间的测控数据交换的编程工作。同时，d s 也可以用于一台计算机内 或局域网中多个应用程序之间的数据交换。 为了降低开发难度，n i 公司还在l a b v i e w 6 1 及以后的版本中提供了n i l a b v i e wr e m o t ep a n e l s 技术，它可以通过简单的配置利用i e 控制l a b v i e wv i s 当 然远程面板技术也存在着速度慢，客户端连接能力有限等缺陷。 安捷伦公司( a g i l e n tt e c h n o l o g i e s ) 是为通讯、电子、生命科学和化学分析领 域的广大客户提供尖端技术、解决方案和服务的技术领导者。a g i l e n tv e e 是其推 出的具有代表性的虚拟仪器开发平台，其中提供了大量的网络开发工具，如 t c p i p 、a c t i v e x 功能等。由于安捷伦公司的强项在于成套的自动化测试仪器，因 此，它们的网络功能侧重于测试仪器设备的远程调用。 另外，还有利用编程语言比如v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 以及微软公司最新 的n e t 平台开发语言，基于t c p f i p ，u d p i p 等协议开发的网络传输程序，也能 很好的解决网络的数据传输问题。 国内虚拟仪器起步于九十年代中期，至今已有多家科研院所、高校及公司从 事虚拟仪器技术的研究与产品开发，而且大部分都是研究如何应用国外各大公司 所提供的网络虚拟仪器开发平台。在秦树人教授的领导下，重庆大学的虚拟仪器 1 绪论 研究和开发取得了一系列成绩，提出了“虚拟仪器框架协议”，“智能虚拟仪器控 件”等理论，开发了几十种q l v 系列虚拟仪器产品。目前，我们进行的网络化虚 拟仪器研究是整个研究工作的延续和升华。 1 3 本文研究的范围和主要内容 本文在对网络化虚拟仪器进行了较详细的介绍后，着重对网络化虚拟仪器中 网络数据的传输和处理技术进行了详细深入地研究。本文涉及的范围有网络化虚 拟仪器知识、网络技术、数据库技术、数据压缩技术、数据加密技术和n e t 技术。 最后通过网络数据的传输和处理技术在网络化扭矩功率监测仪开发中的应用，论 述了如何选择和使用本文所述的技术，在n e t 开发平台下，实现数据的传输和处 理的。论文主要内容如下： 虚拟仪器和网络化虚拟仪器的概念、网络化虚拟仪器的组建形式、表现形 式网络化数据获取技术。 网络基本知识：网络的基本概念、o s i 和t c p i p 协议体系结构、t c p 和 u d p 协议。 n e t 技术：网络套接字、数据流、多线程、n e tr e m o t i n g 和w e bs e r v i c e 技术。 数据处理技术：数据压缩、数据加密、数据库技术。 在n e t 平台上，用c # 语言实现“网络化扭矩功率监测仪”中数据的传输 和处理。 2 网络化虚拟仪器 2 网络化虚拟仪器 2 1 虚拟仪器2 , 6 , 7 , 1 0 1 8 】 虚拟仪器( v i r t u a li n s t u m e n t s 简称v i ) 技术发展非常迅速，测量测试仪器的 主要功能可由数据采集、数据测试和分析、结果输出显示等三大部分组成，其中 数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提供 一定的数据采集硬件，就可构成基于计算机的测量测试仪器。基于计算机的数字 化测量测试仪器就称为虚拟仪器( v i ) 。虚拟仪器是指以计算机作为仪器的硬件支 撑，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理等智能 式的功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与计算机结合起来，用户可以 通过友好的图形界面来操作这台计算机，就象在操作自己定义、自己设计的一台 单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。 它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等： 可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。它由计算机、 应用软件和仪器硬件组成。无论那种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记 本电脑、台式p c 或者工作站等各种计算机平台加上应用软件构成的。 虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以形成功能完全不同 的各种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器， 因此可以说“软件即仪器”。 虚拟仪器的体系结构如图2 i 所示。它由被测对象、信号调理、信号采集与控 制、通用或工控计算机、虚拟仪器软件、网络等软硬件单元有机组成。模块化的 硬件是虚拟仪器系统的关键，它们主要实现信号的调理、传输、采集和控制等： 功能强大的软件是虚拟仪器的核心，它们主要实现信号的处理、分析和呈现等。 在实际应用中，硬件和软件是有机结合起来共同完成测控任务的。 h信号调理f 叫数据采集卡 - 一 测刮g p i b 接口仪器hg p i b 接口卡b 控 叫串行口仪器p l c p c 工作站 对 象叫 v x i 仪器卜 虚拟仪器软件 刊现场总线( f i e l d b u s ) 设备 叫其他计算机硬件h e 一 图2 1 虚拟仪器系统构成 f i g2 1s t r u c t u r eo f v i r t u a li n s t u m e n t s 重庆大学硕士学位论文 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为以下几种类 型： 第一类：pc 总线式插卡型虚拟仪器 根据pc 的总线，又可分为：i s a 、e i s a 、p c i 和c o m p a c t p c i 等数据采集卡， 数据采集卡与专用的软件相结合，就形成了插卡型虚拟仪器。 i s a ( 1 n d u s t r i a ls t a n d a r d a r c h i t e c t u r e i s a ) ，早期的一种p c 总线，制定于1 9 8 4 年， 是一种8 1 6 位的非同步数据总线，工作频率8 m h z ，数据传输率为1 m b s ( 8 位) 或 者2 m b s ( 1 6 位) 。i s a 总线虽未被标准化组织正式定位标准，但由于应用广泛已成 为事实上的标准，在测试领域内以p c 为基础的数据采集应用中曾占据着主导地 位。i s a 总线虽然扩展了对微处理器的支持能力，但仍存在着许多不足之处，如 i o 扩展能力差，边缘式印制插头( 座) 接触不良，耐振动、冲击能力差，对温湿度 比较敏感而不适应工业现场工作等，在速度上已成为系统的瓶颈，已逐渐被p c i 、 c o m p a c tp c i 总线所取代。 e i s a ( e x t e n d e di n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 扩展工业标准结构总线是在i s a 1 6 位总线基础上发展的3 2 位总线，它包含1 6 位的i s a 总线，而1 6 位的i s a 总 线又包含了8 位的x t 总线。e i s a 总线采用特殊的插座引脚结构，保留原a 、b 、 c 、d 面的9 8 个引脚，新扩展e 、f 、g 、h 面的9 0 个引脚达到1 8 8 个，并且新扩 展的引脚夹在原9 8 个引脚中间，使原来的p c a t 的i s a 总线和x t 保持向下的兼 容性，不同的数据总线宽度不同，但是可以进行板问的相互访问。 p c i 总线是一种先进的高性能的局部总线，针对整个系统，它以3 3 m h z 的时 钟频率工作，带宽为3 2 b i t ，最高数据传输率可达1 3 2 m b s ，比i s a 总线快7 8 倍，并且总线始终频率最高可达5 0 m h z 。p c i 总线有严格的规范来保证高度的可 靠性和兼容性，完全兼容1 s a 、e i s a 、m a c 总线：支持多台设备，可以带相对较 多的负载( 多达1 0 台) 且运行更为可靠；不受制于处理器，为c p u 和高速外设提供 了一条高吞吐量的数据通道，非常使用于网络适配器、磁盘驱动器、视频卡、图 形加速卡及各类高速外设；支持即插即用的结构；采用多路复用技术等一系列优 点更受到了众多厂家地支持，成为市场的主流。 c o m p a c tp c i 总线由多家厂商于1 9 9 4 年提出，是p c i 总线的1 2 种规范之一， 也是p c i 总线的增强和扩展，在电器上完全与p c i 总线兼容，具有抗振颤和利于 散热等特点，更适合于工业控制的应用。其数据宽度同p c i ，最高传输速率可达 5 2 8 m b s 。 第二类：并行口式虚拟仪器 可连接到计算机并行口的测试装置。标准并 t 】是采用2 5 线的并行通讯总线， 由j ：是用于计算机与打印机或者绘图仪外设的连接总线，因此，传输速率较高， 2 网络化虚拟仪器 传输距离较短f 最长2 m ) 。 第三类：串口式虚拟仪器 r s 一2 3 2 ( r e c o m m e n d e ds t a n d a r d r s ) 串行接口是计算机与外设之间以及计算机 与测试系统之间最简单、最普遍的连接方法，采用2 5 线连接器。其最高单向数据 传输率为2 0 k b s ，此时的最大传输距离为1 5 米。适当降低速率，其最大传输距离 可达6 0 米。但它只是一对一的传输，仅用于简单或低速的系统，在实际应用中还 有一定的市场。 r s - 4 2 2 a 串行总线也是一种常用的接口总线，开始支持一点对对点的通讯。 它在传输速率、传送距离及抗干扰性能等方面均优于r s 一2 3 2 c ，采用差动( 差分) 收发的工作方式，利用双端线来传送信号，最高数据传输率为1 0 m b s ，此时的传 输距离为1 2 0 米，可连接3 2 个收发器。如适当降低传输率，可增加其通讯距离。 例如在1 0 k b ，s 时距离可达1 2 0 0 米。 r s 4 8 5 是一种典型的串行总线，支持一点对多点的通讯，采用多绞线连接， 可连接3 2 个收发器，其他特征与r s 一4 2 2 a 总线接近，在测控系统中得到较为普遍 的应用，但不能满足高速测试系统的应用要求。 u s b ( u n i v e r s a ls e f i a lb u s ) b p 通用串行总线接口，它是由c o m p a q 、d i g i m l 、 i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e t 和n o r t h e nu n i v e r a ls e r i a lb u st e l e c o m 七家公司联合 提出的外部输入偷出接口的新标准。它有1 5 m b s 传输方式，可以最多支持1 2 7 个设备，真正支持“即插即用”，接入和断开时主机均会做出调整，并且操作系统 支持u s b ，w i n d o w s 9 8 将u s b 作为它的一种关键部件，全面支持u s b ；a p p l e 的 平台也已提供了对u s b 支持。 u s b 总线接口是4 “针”方形的，其中2 根为电源线，2 根为信号线，接电脑 端为大口，接外设端为小口。u s b 信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞 线，而且最长不能超过5 m ；在低速模式中可以使用不带屏蔽的双绞线，但最长不 能超过3 m 。这主要是由于信号衰减的限制。为了保证提供一定的信号电压，以及 与终端负载相匹配，在电缆的每一端都使用了不平衡的终端负载。这种终端负载 也保证了能够检测外设端口的连接和分离，并且可以区分高速与低速设备。 第四类：g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期阶段所采用的技术。它的出现使电 子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。g p i b 即通用接口总线， 是一种国际通用的可编程仪器的数字接口标准，采用8 位数据并行传输，因此其 传输速度较高，达8 m b s 。典型的g p l b 系统由一台p c 机、一块g p i b 接口卡和 若干台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。总线提供的个控制器在2 0 米的排线长度内最多可连接1 4 个仪器。如果使用者使用g p i b 扩增器与延长器便 重庆大学硕士学位论文 可以突破这两个限制，而g p i b 排线与连接器是一种多方而使用并符合工! l k 标准的 产品，可在任何环境内使用。利用g p i b 技术可以用计算机实现对仪器的操作和控 制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于 可以预先编制好测试测量程序，实现自动测试，提高测试测量可靠性和效率。利 用g p i b 技术，可以很方便地将多台仪器组合起来，形成较大的自动测量测试系统， 高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。利用g p i b 技术，还可以很方便地 扩展传统仪器的功能。 第五类：v x i 总线方式虚拟仪器 v x i f v e m b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在v l 领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽等特性，为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。由于其标准开放、 传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、使用方便灵活， 众多一商支持等优点，已越来越受人们的重视。在近十年时间内，随着v x i 总线 规范的不断完善和发展，v x i 即插即用系统联盟的不懈努力，v x i 系统的组建和 使用越来越方便。其应用面也越来越厂，尤其是在组建中大规模自动测量测试系 统，以及对速度、精度要求较高的场合，有着其他仪器系统无法比拟的优势，是 仪器发展的一个方向。 第六类：p x i 总线方式虚拟仪器 p x i 总线方式是p c i 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。它将 c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应 用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。制订p x i 规范 的目的是为了将台式p c 的性能价格比优势与p c i 总线面向仪器领域的必要扩展 完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。它增加了多板同步触发总 线的技术规范和要求。同时增加了多板触发总线和参考时钟，用于进行精确定时 的星形触发总线以及用于相邻模块间高速通讯的局部总线来满足试验和测量用户 的要求。p x i 将m i c r o s o t = tw i n d o w sn t 和m i c r o s o f tw i n d o w s9 5 定义为其标准软件 框架，并要求所有的仪器模块都必须带有按v i s a 规范编写的w i n 3 2 设备驱动程 序，使p x i 成为一种系统级规范，保证系统的易于集成与使用，从而进一步降低 最终用户的开发费用并且使系统具有高度的可扩展性。 2 2 网络化虚拟仪器 2 2 1 网络化虚拟仪器的概念( 2 8 3 1 】 当今时代，以i n t e m e t 为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善 突破了传统通讯方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分容易 2 网络化虚拟仪器 i n t e r a c t 拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到应用，比如电子商务、 网上教学、远程医疗、远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时 调用、远程设备故障诊断等等。与此同时，高性能、高可靠性、低成本的网关、 路由器、中继器及网络接口芯片等网络互联设备的不断进步，又方便了i n t e m e t 、 不同类型测控网络、企业网络间的互联。利用现有i n t e r a c t 资源而不需建立专门的 拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以及它们与i n t e r a c t 的互联都十分方便， 这就为测控网络的普遍建立和广泛应用铺平了道路。具体到计量测试、测控技 术及仪器仪表领域，微机化仪器的联网，高档测量仪器设备以及测量信息的地区 性、全国性乃至全球性资源共享，各等级计量标准跨地域实施直接的数字化溯源 对比，远程数据采集与控制，远程设备故障诊断，电、水、燃气、热能等的自动 抄表等等，都是网络技术进步并全面介入其中发挥关键作用的必然结果。网络技 术己开始逐渐成为仪器控制与测量的主要工具。传统的仪器仪表与网络连接在一 起，就成了网络化仪器。而具备网络功能的虚拟仪器就成为网络化虚拟仪器了。 2 2 2 网络化虚拟仪器的组建形式p j 网络本身具有很强的灵活性，其重要的一个基本特征就是实现信息资源的共 享。传统的测试测量仪器或系统一旦联网，如虚拟仪器中的计算机接入i n t e m e t 或 者i n t r a n e t ，即一旦与某种合适的电子化信息载体结合在一起，便组成了网络化虚 拟仪器。因此网络化虚拟仪器的组建形式表面上有许多种，但都可归结为以下三 种。 远程测试系统 远程测量系统即将一个或多个测量点测量的数据通过网络传送到一台计算机节 点进行处理，进行数据分析处理及图形化显示，适用于危险恶劣的环境或测试系统 比较庞大，测试节点通常分布在异地、测试节点分散。其系统结构如图2 2 所示。 远程测量节点 g p i b - e n e t仪器 图2 2 远程测试系统结构 f i 9 2 2s t r u c t u r eo f r e m o t et e s ts y s t e m 9 重庆大学硕士学位论文 完成远程测试系统可以配置一个或多个远端测试节点来完成测试任务，并将 测试数据实时或非实时发送回本地p c 机。 目前有许多针对组建该系统的专门技术。如n i 公司的d a t a s o c k e t 和f i e l d p o i n t 技术就是专门针对该系统的技术。 g p i b - e n e t 是一个能将任何g p i b 设备变成远程测量节点的“e t h e m e t 到 g p i b ”的控制器。 测量数据发布系统 测试数据发布系统是一个铡试节点通过网络把数据传输给一个或者多个远距 离的p c 机，实现信息资源的共享。系统可以通过软件灵活地将测试数据等分散给 其他相关远程p c 机，来完成测试数据的存储( 可能是数据库存储) 、分析、显示等 功能，即位于不同地点的p c 机可以分工合作共同完成测试任务。本文后面的应用 实例就是采用这种形式。当然测试节点处的p c 机也可以完成所有的测试任务，而 把结果发布给远程的p c 机。该系统的机构如图2 3 所示。 远程p c 节点 图2 3 测试数据发布系统结构 f i 9 2 3s t r u c t u r eo f t e s td a t ap u b l i s h i n gs y s t e m 企业级测试系统 企业级测试系统是前两种技术的组合，同时又有一定的区别。通过网络将多 台计算机连接起来协同工作，对多个远距离的测试节点的信息进行分析处理，可 有效提高测试系统的运行性能和效率。其系统结构如图2 4 所示。 2 2 3 网络化虚拟仪器的表现形式 3 1 , 3 6 - 4 4 基于桌面的网络化虚拟仪器 基于桌面的应用也称c l i e n t s e r v e r 模式或者客户朋犀务器模式，是网络应用的 2 网络化虚拟仪器 一种常见模型。服务器通常采用高性能的p c 、工作站或者小型机，客户端需要安 装专用的客户端虚拟仪器软件。 图2 4 企业级测试系统结构 f i g2 4s t r u c t u r eo f c o r p o r a t i o nl e v e lt e s ts y s t e m 在c l i e n v s e r v e r 模式中，一部分应用进程( 客户) 获得另一组应用进程( 服务器) 提供的服务。对于局域网内的网络测控系统，c l i e n t s e r v e r 模式是一种好的解决方 案。 基于c l i e n t s e r v e r 模式的分布式的网络化虚拟仪器系统，将系统的不同功能模 块分解到不同的计算机上，不同任务可以通过灵活改变系统软件模块来实现。然 后通过c l i e n t s e r v e r 模式技术将各模块灵活地联结起来。必要的数据通过网络进行 传输。这种方式实现的远程测控系统分工明确，对于不同的要求只需改变响应服 务器或者客户机功能即可。多台计算机执行不同的功能，实现不同的服务器与客 户角色，借助于网络环境，就可以实现数据的远程测控与处理。 客户端应用程序首先打开一个服务器的连接，然后发送命令到服务器，并得 到反馈信息，如果连接正确，则接收服务器的数据；否则返回错误信息。接着关 闭与服务器的连接。 服务器首先进行初始化，成功后程序进入等待客户端连接命令的循环；一旦 连接建立，程序将等待接受命令；然后执行命令并返回结果。直至连接结束；程 序再次执行上述过程，直到服务器被关闭。 图2 5 是一个基于c l i e n t s e r v e r 模式的网络化虚拟仪器的结构示意图，系统包 括数据库、仪器控制、信号采集、信号分析和结果显示等部分。各部分以桌面程 序的形式发布，根据需要安装到不同的计算机中，实现网络化测控要求。 采用这种方法具有地理分散性、数据完整性、安全性高、系统处理速度更快 重庆大学硕士学位论文 等优点，充分发挥客户端p c 的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给 服务器。但由于客户端需要安装专用的客户端软件，也带来了维护升级困难、跨 平台性差、开放性差、系统资源的耗费大等一些不可避免的缺点。 网络 图2 5 基于c l i e n f f s e r v c r 模式的网络化虚拟仪器 f i g2 5 n e t w o r kv i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do f fm o d e lo f c s 基于w e b 的网络化虚拟仪器 基于w e b 的虚拟仪器，简单说就是把虚拟仪器技术和面向i n t e r a c t 的w e b 技 术二者有机结合所产生的新的虚拟仪器技术。形象一些说，虚拟仪器的主要工作 是把传统仪器的前面板移植到普通计算机上，利用计算机的资源处理相关的测试 需求；基于w e b 的虚拟仪器则更进一步，它是把仪器的前面板移植到w e b 页面上， 通过w e b 服务器处理相关的测试需求。 w e b 技术是i n t e m e t 的一个组成部分，如果说i n t e r n e t 是世界范围内计算机网 络相互间连接的集合，那么w e b 可以说是在i n t e m e t 顶部运行的一个协议。w w w 具有相互通信的能力，具有友好的图形用户接口，而且有良好的平台独立性，所 有这些都为把虚拟仪器和w e b 结合起来奠定了坚实的基础。 构建基于w e b 的网络化虚拟仪器基本方法是将虚拟仪器以组件的形式放在服 务器上，当用户利用浏览器访问网络化虚拟仪器主机时，虚拟仪器自动下载到客 户机上，并嵌入浏览器中执行。采用这种方法的优点是实现了瘦客户端及客户端 只需安装运行浏览器，不需要安装其他软件。 根据实际情况和任务的复杂程度，可以将功能在客户端和服务器端进行合理 的分配。例如在远程教学中，浏览器从服务器端下载虚拟仪器，仅仅包含仪器的 控制面板和显示面板，而信号采集、信号处理分析等全部在服务器端实现；在远 程监测中，服务器负责信号的采集及传输，客户端虚拟仪器程序对信号进行分析， 并以波形、频谱等方式显示。 图2 6 显示了基于w 曲的网络化虚拟仪器的结构示意图。 2 网络化虚拟仪器 一墅量墨誉一，一一刿望堡趟一 w 曲服务器k 0 浏览器 虚拟仪器 l 虚拟仪器1 i 一 ，r y7 客户端 雕 o ， 夕一 用户交互 l 数据库k ；一 结果显示 、一， 图2 6 基于w e b 的网络化虚拟仪器 f i g2 6n e t w o r kv i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do nw e b 2 2 4 网络化数据获取技术1 4 卜 】 目前有许多网络数据获取技术，比如串e lr s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 、g p i b 、现场总线( f i e l d b u s ) 、工业以太网等许多技术，这里重点介绍工业以太网。本文后面所介绍的网络 技术都是基于工业以太网技术的。 以太网( e t h e m e t ) 最初是在1 9 7 3 年由d rr o b e r t m e t c a c f e 领导的小组在x e r o x p a l oa o t or e s e a r c hp a r k 研制出来的，应用于微型计算机系统商业网络终端。后几 经修改，1 9 8 3 年出版了的i e e e 8 0 2 3 标准，它和1 9 8 5 年发布的i s o 一8 8 0 2 3 标准 是相同的。 e t h e m e t 采用星型或总线结构，传输速率为1 0 m ，1 0 0 m ，1 0 0 0 m 甚至更高， 传输介质为屏蔽( 或非屏蔽) 双绞线、光纤、同轴电缆等。 e t h e m e t 区别与其他网络( 如令牌网、令牌环网、主从式网络等) 的重要特点是， 它采用的介质访问控制方法- - - - c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s w i t h c o l l i s i o nd e t e c t i 0 1 1 7 冲突检测载波监听多点访问) 是一种非确定性或随机性通信方 式。其基本工作原理是：某节点要发送报文时，首先监听网络，如果网络忙，则 等待到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续监听网络；如果两个或者更多 的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停止发送， 并等待一段随机长度的时间后重新发送。1 6 次碰撞后，控制器将停止发送并向节 点微处理器回报失败信息。 在网络负荷较高时，e t h e m e t 上存在的这种碰撞成了主要问题，因为它极大地 影响了e t h e m e t 的数据吞吐量和传输延时，并导致e t h e m e t 实际性能的下降。由于 在一系列碰撞后，报文可能会丢失，因此节点与节点之间的通信将无法得到保障。 e t h e m e t 的这种c s m a c d 介质访问机制