（机械电子工程专业论文）虚拟测控系统研究.pdf

y 互2 6 si3 虚拟测控系统研究 摘要 本文面向网络制造下测控系统，在对国内外研究现状和n i 公司软硬件解 决方案分析探讨的基础上，构建了基于l a b v i e w 统一软件平台的虚拟测控系统 结构，对系统中关键技术进行了研究。重点探讨了系统中非标准硬件设备的驱 动程序的，r 发，局域网环境下客户j j l i 务器通信的实现，l a b v i e w 软件平台与其 它程序语言的接口技术。在此基础上，利用实验室硬件和l a b v i e w 软件平台具 体 发了虚拟测控实验系统，验证了提出的系统结构的可行性。 本文的研究剥于测控领域虚拟仪器的应用和虚拟实验教学有定的参考价 ， i r 关键词：虚拟仪器，虚拟测控系统，客户服务器通信一虚拟实验教学 南东州人掌h 仑上 型! 塑些型 a b s t r a c t o b j e c t e d t ot h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l f i e l d ，t h i sp a p e rf o c u s e s o nt h e c o m d r e h e n s i v e a r c h i t e c t u r ea n da p p l i c a t i o ns y s t e m o fv i r t u a li n s t r u m e n t - t h e a r c h i t e c t u r em o d u l eo fv i r t u a lm e a s u r i n g a n dc o n t r o l i n gs y s t e mb u i l tu pb yl a b v i e w s o f t w a r ei ss h o w n s o m ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so f t h es y s t e ma r ea l s oi n c l u d e d ，w h i o ha r e t h ed e s i g no ft h en o n s t a n d a r di n s t r u m e n td r i v e r s ，t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e ns e r v e r a n dc i i e n ti nt h el a ne n v i r o n m e n t ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n l a b v i e wa n do t h e r p r o g r a m s a tl a s t t w o v i r t u a l m e a s u r i n g a n d c o n t r o l i n gs y s t e m s f o r e x p e r i m e n t a r e d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y i t p r o v e st h a t t h et h e o r y 。a n dm e t h o d sp r e s e n t e di n t h i s d i s s e r t a t i o na r er e a s o n a b l ea n d v a l u a b l e k e y w o r d s ：v i r t u f l i n s t r u m e n t v i r t u a lm e a s u r i n g a n d c o n t r o l i n gs y s t 。m c l i e n t s e r v e rc o m p u t i n gm o d u l e ，v i r t u a le x p e r i m e n tt r a i n i n g 南京删r 人学硕士论文 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 1 绪论 2 l 世纪是敏捷制造、网络化制造的时代，网络的出现和广泛应用使制造 环境发生了根本性的变化。网络化制造以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征， 并具有动态易变性，快速重组性，快速响应性。网络化制造对制造过程的控制 系统提出了新的要求与挑战【1 】【2 1 1 3 。 1 1 制造过程控制系统的发展与演变 在过去的几十年里，制造系统的结构经历了分散一集中分散的演变。其演化 过程如图1 1 1 所示： 蚓 圈圈 0 圈 分散控制( a ) 全分散总线控制( d )集敞控制( c ) 图1 1 1 过程控制系统的演变 南京理t 大学帧i ，论史 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 ( 1 ) 4 y - r 控制阶段 分散控制体现为单机自动化。在5 0 年代左右，主要采用模拟式调节器和 仪表，进 ? 单变量调节和局? 弗拓i 制，分别实现各个单机自动化，很少有桐日：合 作。由于没有考虑整个系统的相互关联，各自分别设计的单变量凋节系统同时 投入运行时，往往不能相互配合，又缺乏有效的坍调，从而会造成整个系统的 4 i 稳定。分散控制结构如图1 1 1 ( a ) 所示。 ( 2 ) 集中控制阶段 住集中控制结构中，由一个控制中心完成总任务的分解、分派和协调，采 用计算机或逻辑程序装置作为控制中心，实行集中控制。在过程自动化中，集 一 - 控制表现为机组自动化，在6 0 年代左右，为了实现机组自动化，设置了控制 t t ，心，采川计算机或逻辑程序装置，进行集中控制，如图1 1 1 ( b ) 所j 。它 比常舰仪表控制系统具有很大的优越性，控制功能齐全，而且可实现模拟仪表 难以实现的功能和先进的控制、联锁功能等复杂控制。 ( 3 ) 递阶控制阶段 7 0 年代中期，随着制造系统的进一步扩大和分工的进一1 步细化，由个控 制中心实现对所有子系统的控制变得很难。这时恰逢微机价格下降和通信网络 技术的发展，加上管理的集中性和控制的分散性这一实际需求推动了递阶控制 系统，即集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的出现，其结构模式 为：“操作站控制站现场总仪表”三层结构。集散控制系统的实质足利 用计算机技术对生j “过程进行集中监视、操作、管理和分散控制，其结构如蚓 1 1 1 ( c ) 所示。集散控制系统按系统结构进行垂直分解，i “i i 到 ：可分为过 程控制级、控制镀：理级和生产管理级。各级既相互独立又相互联系，饵一级可 按水平分解为若干了集。8 0 年代随着网络技术的提高，集散系统采用标准化、 模块化和系列化设计，适应性灵活性加强，控制功能更加完善。足一个以通信 州络为纽带的集中展示操作管理，控制相对分敞，具有灵活配罱、组念方便的 多级计算机多网络系统。 ( 4 ) 分布式控制阶段 剑了9 0 年代，伴随着微电子技术的不断发展，特别是微处理技术、网络 技术以及智能化仪表技术的发展和广泛应用，d c s 向两个方向发展：一是计算 机控制系统向高层次发展，使面向过程控制的d c s 和面向管理与，牛产调度系统 南京埋t 人学颐l ：论义 2 0 0 1 年1 2 月虚拟测控系统研究 的m 1 s 集成，组成了计算机集成制造系统c i m s 和计算机集成过程控制系统 c i p s ；二是计算机控制系统向生产过程的低层次渗透，将系统中的过程及工作 站下沉到工作现场，形成一种分布式的控制，如图1 1 1 ( d ) 所示。 网络化制造和分布式控制系统都以网络为载体，网络化制造以分布式控 制系统构成其过程控制系统，必须在分布式网络环境下实现，其对承担控制任 务的测控仪器、测控总线、测控系统也提出了更高的要求。合适的测控仪器、 测控总线和测控系统都将使分布式网络控制的性能大大提高【4 l i5 1 。 1 2 测控总线与仪器概述 所谓总线，就是传送信息的公共通路。它是计算机和测控系统乃至网络 系统的重要组成部分，总线的性能对计算机或测控系统的性能有举足轻重的作 用【6 】【7 】【8 】。 1 2 1 测控机箱与计算机的互连总线 总线是计算机、测控系统乃至网络系统的基础，现代计算机和测控技术的 发展，已将计算机融入测控系统之中，或者说测控系统融入计算机之中，因此 很难将测控系统总线与计算机截然分开。在此只讲述独立于计算机的测控机箱 或机柜需用总线( 或标准接口) 与计算机连接，以便组成计算机控制的测控系 统或测控网络。这类总线有两大类，即并行或串行总线。 ( 1 )并行互连总线 在集中式测控系统中，计算机与测控系统往往靠得很近，为提高数据速率， 大多采用并行总线将计算机和测控机箱连接起来。这类总线有标准和非标准的 两种。常用的标准并行总线有i e e e 4 8 8 通用总线和a n s ix 3 1 3 1 1 9 8 6s c s i 总 线。非标准的并行总线种类很多，大多数生产厂家都采用自行设计的专用测控 总线。 i e e e 4 8 8 总线也称g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) ，它是美国h p 公司 在7 0 年代推出的。该标准总线在仪器、仪表及测控领域得到了广泛的应用，至 今还是测控系统与计算机互连的标准总线，但随着测控系统速度的提高，这种 南京理工大学硕士论文 2 0 0 】年1 2 月 虚拟测控系统研究 最高i m b s 传输速率的总线已经不能满足要求。 s c s i 总线1 9 8 6 年称为美国国家标准，其传输速率可达到5 m b s ，现已经 普遍作为计算机高速外设总线。许多高速数据采集也用它与计算机互连，目前 正在发展之中。 在非标准的总线之中，性能先进、具有良好应用前景的是m x i ( m u l t i s y s t e m e x t e n s i o ni n t e r f a c eb u s )。它是美国n i 公司推出的3 2 位高速并行总线，其将 成为v x i 总线机箱与计算机互连事实上的标准 ( 2 )串行互连总线 串行总线通常是指按位串行传送数据的通路，由于其传送线少，接口成本 低，传送距离远，被广泛用于计算机连接外设和计算机组网。 测控系统与计算机互连最简单的方法是用r s 2 3 2 串彳亍接口。但它只是一对 一的传输，速度低，仅用于简单或低速测控系统。r s 一4 8 5 是一种典型的串行总 线，可进行一点对多点的通信，但其传送速率依然很低。9 0 年代，在数据传送 速率方面取得了重大的发展，最为突出的是u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 和 i e e e l 3 9 4 ( f i r e w a r e ) 总线。 u s b 总线是美国多家公司提出的一种高性能串行总线标准，现在市场上不 少新推出的微型机上已配上u s b 总线接口，这种串行总线具有传输速率高、即 插即用、热切换和可利用总线传送电源等特点。i e e e l 3 9 4 高性能串行总线最高 传输速率已经达到4 0 0 m s ，后来改进的i e e e l 3 9 4 b 又将传输速率提高到 8 0 0 m s ，这是一种应用非常广泛的串行总线，在测控系统中，它可以作为机箱 底板总线的备份总线f 9 】( 1 0 】【i ”。 1 2 2 测控现场总线 所谓现场总线，是指计算机网络与生产过程专用网络，或工业控制网络与 生产现场底层的自动化测控设备之间传送信息的公共通路。自8 0 年代以来，现 场总线得到了迅速的发展，许多测控行业的大公司自己或相互联合推出了各种 现场总线。其中比较著名的有：p r o f i b u s ，h a r t , c a n ，f f , l o n w o r k s 等【1 2 】【”1 。 p r o f i b u s 是瑞士联邦工艺所于1 9 8 7 年推出的串行总线。它采用开放系统互 连( o s i ) 参考模型的第1 、2 和7 层结构，可把传感器、变送器和执行器连接 南京理工大学硕士论文 虚拟测控系统研究 到p l c 上，主要用于机床制造业。 h a r t 防议是美囡r o s e m o u n t 公司于1 9 8 5 年推出的4 - 2 0 m a 模拟信号，传 输藏容的现场总线标准，用r 工厂自动化测试系统。 c a n 是德国推出的对等式串行总线。其物理层符合i s od i s l l8 9 8 标准， 数据链路层与以太网相似，采用c s m a 机制，最多可连接1 1 0 个结点。这种总 线由于其性能优良，在汽车工业及工业测控领域得到了广泛应用。 f f 即基金会现场总线，它是世界上两大现场总线组织w o r l df i p 和i s p 合 并后成立的现场总线基会会制定的现场总线标准。基金会现场总线标准分为低 速现场总线标准h l 传输速率3 1 2 5 k s ：高速总线标准h 2 ，支持1m s 、2 5m s 两种传输速率。这一标准得到世界上1 0 0 多家仪表和设备制造厂的支持，其有 报好的发展前景。 l o n w o r k s 是美幽e c h e l o n 公司推出的现场总线。该公司丌发出。种集控制 器和网络通信于一体的神经元芯片，固化o s 全部7 层协议，具有很强的网络 功能。 测控系统j f 向着高效、高速、高精度和高可靠性以及自动化、智能化和网 络化方向发展。 1 2 3 现代仪器系统 微电子学和计算机技术、通信技术的发展给仪器和测控领域也带来了革命 性的影响。先后出现了独立式智能仪器、g p i b 自动测试系统、插卡式智能仪 器。在此基础卜又问世了v x i 总线仪器系统。v x i 系统集1 i j 了众多仪器系统的 特长，使用众多厂商的模块仪器，已被认为是当今仪器测试系统的世界潮流。 工业计算机平台与趋于模块化的硬件结构( 如v x i 仪器) 及丰富的软件相结合i f 存迅速的改变着传统仪器和测控系统的概念。以软件为重的虚拟仪器应运而生。 1 4 1 智能仪器是自身带有微处理器能独立进行测试的电子仪器，是现阶段智能化 电子仪器的主体。智能仪器都带有o v m ( 或r s 2 3 2 c ) 通信接口。g p i b 是( i e c ) 推荐的- 种仪器用接口总线。凡是符合这种标准接几的仪器和计算机都可借助 。条无源电缆总线按积小式互联，灵活的组成各种用途的自动测试系统。典犁 南京埋丁人学蟛：论义 虚拟测控系统研究 自动测试系统如图1 2 3 1 所示。 标准总线 图1 2 3 1 自动测试系统结构 从计算机系统结构来看，由智能仪器组成的自动测试系统是一个分布式多 微机系统，由计算机、多台可程控仪器设备以及g p i b 总线构成。计算机是系 统的控制者，可程控仪器是测试系统的执行单元，总线如同神经网络，完成信 息交换和传输任务。 v x i 总线是v m e 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 的缩写，即v m e 总线在 测量仪器领域的扩展。这是一种新型测量仪器的标准总线，其总线标准是一种 在世界范围内完全开放的、适用与各国、不同应用领域的行业标准。因此被认 为是“跨世纪的仪器总线”。v x i 总线系统具有标准化、通用化、系列化、模 块化的显著优点，集测量、计算、通信功能于一体。它不仅继承了g p i b 智能 仪器和v m e 总线的特点，还有高速、模块化、易于使用的优点。 v x i 总线系统可简化为资源管理器和组态寄存器两种。资源管理器用于完 成识别所有仪器、对管理器进行自检、分配存储器、分配中断线、分配通信等 级。资源管理器可管理0 - 2 5 5 共计2 5 6 个v x i 总线仪器。v x i 总线组态寄存器 用于存储仪器模块的各种信息。每个v x i 仪器都包含仪器型号及装置类型、通 信能力、状态信息、存储器的需求。v x i 总线的通信又分为两种类型：消息基， 寄存器基。前者支持高级的标准v x i 总线通信协议，后者不支持高级通信协议， 仅支持v x i 总线的配置寄存器，因此不能通用。v x i 总线的控制器有i e e e 4 8 8 控制器、嵌入式控制器。 南京理t 大学硕士论文 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 一个典型的v x i 总线系统如图1 2 3 2 所示。v x i 总线是一个公开的开放 式结构，允许不同的生产厂家的卡式仪器都可以在同一个机箱中工作，从而使 v x i 总线很快成为测试系统昀主导结构。 图1 2 3 2v x i 总线系统结构 1 2 4 虚拟仪器概述 在新一代的测试系统中，计算机软件与测试仪器更加紧密的结合在一起， 计算机和软件逐渐占据了核心地位。“t h es o f t w a r ei si n s t r u m e n t ”的虚拟仪器概 念应运而生。与计算机一起工作的仪器共有四类：g p i b 仪器，r s 一2 3 2 仪器， v x i 仪器和数据采集板。出于让使用者将更多的精力用于测试对象，近年来许 多公司开发出很多基于图形设计的仪器开发系统软件包。在这方面最具代表性 的产品是n i 公司的l a b v i e w 软硬件和h p 公司的v e e 等。这些产品软件系统 本身就带有各个厂家生产的各类仪器的驱动软件、软面板等。同时还提供上百 种数学算法，即包括f f t 分析、数字滤波、回归分析、统计分析等数字信号处 理等功能。当测试控制人员建立一个测试系统时，只要调出代表仪器的图标， 输入相关的参数和条件并用鼠标按已规划好的测试流程将有关仪器连接起来， 就可以实现测试工作。所谓虚拟仪器或集成仪器，即是在通用计算机上添加几 种共性的基本仪器模块，通过软件来组合各种功能的仪器或系统仪器的思想。 各种仪器一无论是传统的还是虚拟的，所拥有的各项功能其实都是大同小 异，它们进行数据采集，数据分析并且显示结果。虚拟仪器与传统的仪器最大 的不同之处就在于应用的灵活性上。虚拟仪器是用户自己定义的，你可以将各 南京理工大学硕士论文 虚拟测拄系统f f j | = 究 种计算机平台、硬件、软件和附件结合起来，组装成你所需要的应用设备，使 你的标准计算机变成了一个测控系统。虚拟仪器的整体测控解决方案可以使用 户降低成本，减少系统j l ：发赞辟j 和系统维护费用，刚时又呵缩短自行生产的产 品的l 二f h 时问，提高，“：品质量f 1 5 m 】1 1 7 1 。 利用虚拟仪器思想建立的测控系统提高了测量精度、测量速度、灵活方便、 成本低、效率高和可视化，已经成为现代测控领域的热点之一。基于p c 的自动 化测试测量系统的软件主要分为四层结构；测试管理层、测试程序层、仪器驱 动j ，：和l ，o 接口层。虚拟仪器的软件标准使这些软件层的设计均以“与设备无 关”为特征，大人改薄了丌发环境。接口软件与仪器驱动程序实现了i j 业 干，j ；准化，且e | | 仪器制造厂家随仪器配套提供。测试开发工具包含了大警不同类 型的槲序库，用于数妣分析、丝示、报表等。用户町以使用单一的、i 口后一致 的 发工具完成测试系统的所有部分，包括用户应用程序、测试测量控制系统 的所有部分。所丌发的卅i 同测试测量程序可以很方便的集成在一起。以n i 公 i jl a b v i e w 为例，其软件的基本框架结构如图1 2 4 1 所示f 懈1 1 1 9 】。 测试管理层是。+ 个带有易用操作界面，用于管理和执行某。测试任务、与波 备无关的测试管理环境。它为测试系统与操作者交互、被测器件分析、顺序测 试、分支、循环提供一个专门的测试运行程序。离层测试管理软件还能为心户 提供他i k 范围内的联系，将用，o 的测试程序与其余部分集成在一起包括生成 测试报告、数据访问和结果分析等。 在测试程序层丌发的功能模块是个有其特殊性的独立软件组件。刚户只 嵩征玎发甲臼f - 以图形方式调出相应的仪器功能模块和数据处理模块，即町构 成一个具体的仪器对象，节约了大量时间。 仪器驱动层的仪器驱动程序都是按模块化、与设备无关的方式向用户释 放，供使用者迅速将仪器接入自己的测试系统。而且，驱动程序足以原代码方 式提供给用户，用户可以很容易的优化和增强这些驱动程序。 i o 接口软件是测试系统软件的基础，用于处理计算机与仪器硬件问联接 的低j 。：通信协议。当今的虚拟仪器测试软件都是建立在一个标准化i o 接叫软 件组件的通用内核之上的。 虚拟仪器软件还提供较强的通信能力，充分利用网络操作系统增强性能。 如l a b v i e w 的t c p i p 毋ju d p 网络v i 能够与远程应用系统建立通信，i n t e r n e t 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 工具箱还为应用系统增加了e - m a i l ，f t p 和w e b 功能，利用远程自动化还 图1 2 4 1 虚拟仪器软件结构 可以对控制其它设备的分散v i 进行控制，利用o l e 和d d e 则可以将应用程 序与其它基于w i n d o w 的系统集成起来。 一个完整的虚拟仪器开发环境包括基本模块和扩展模块两部分，如图 1 2 4 2 所示。引擎部分是开发环境的核心，包括编辑模块、运行模块和调试模 块。一个完整的虚拟仪器编程环境如图1 2 4 3 所示。 就v i 的外延而言，由于v i 技术本身以计算机为平台，具有方便、灵活的互联 能力，因而广泛支持诸如c a n ，d e v i c e n e t ，f f ，p r o f i b u s 等各种工业标准，并 有大量适于工业现场应用的分布式i o 产品面世。尽管i n t e r n e t 技术最初没有 考虑如何将嵌入式智能设备联接在一起，不过n i 公司已经开发了通过w e b 浏 览器观测这些嵌入式设备的产品，使人们可以通过i n t e m e t 操作仪器设备，进 而形成遍布家庭、办公室和工业现场的测控网络。而且有关m c n ( m e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ln e t w o r k ) 方面的标准正在制定，已经取得了一定的进展。随着测量、 控制过程的进步网络化，一个真正的虚拟化测控时代即将到来【2 0 1 1 2 1 1 。 南京理工大学硕士论文 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 图1 2 4 3 虚拟仪器编程环境 1 3 网络制造环境下的虚拟测控系统 利用互连网、企业内部网构建敏捷制造网络集成平台，可建立将有关企业 和高校、研究所、研究中心等结合成一体的敏捷制造网络体系，实现基于网络 的信息资源共享和设计制造过程的集成。测控网络的快速组建与在线重组已经 成为网络制造实现的必备条件之一【2 j 【3 j 。 对于测控系统来说，p c 已经成为一种功能强大的、价格低廉的运行平台。 根植于各种操作系统平台的虚拟仪器软硬件，很好的利用了通用计算机的资源， 使得数据采集、分析、过程控制和网络化数据共享变得更加简单易行。与其它 方式构成的测控系统比较而言，虚拟仪器构成的虚拟测控系统有以下优点： 南京理工大学硕士论文 2 0 0 1 年1 2 月虚拟测控系统研究 f 1 ) 易重组性虚拟仪器构造的虚拟测控系统采用统一的软件平台，软 件编程采用模块化，面向对象的编程方式，其硬件驱动程序采用统 一仪器工业标准的软件接口标准v i s a ，与平台无关，只需很少的修 改就可以从一个平台移植到另一个开发平台。当测控系统需要更改 时，只需将对软件中的模块简单删减即可，伸缩性强。开发人员在 澳4 试分析控制等开发阶段用同一种开发工具，缩短了开发周期。其 易重组性如图l - 3 1 所示 ( 2 ) 网络功能强大虚拟仪器根植于通用计算机，充分利用了p c 和操 作系统的各种资源，使得构成网络化的测控系统易如反掌，其软件 中的网络功能和t c p i p 协议完全互容，完全适应了网络化测控系统 的需要。其构成的网络化测控系统如图1 3 2 所示。 ( 3 ) 强大的数据处理和分析功能软件中强大的数据处理和分析库完全 可以适应各种数据分析和处理，使得开发者的工作量大大减少。 ( 4 ) 标准性满足各种需要的标准的硬件设备，使得系统集成的工作量 菘大减少。 ( 蹄铡功能强大与虚拟仪器软件配合的各种控制软件套件使得系统的 控制功能大大增强，可满足各种控制需求。 图1 3 1 虚拟仪器的易重组性 南束理1 = 大学硕士论文 虚拟测控系统研究 其整体软硬件集成构成的测控系统如图1 3 3 所示 南京删工大学硕士论文1 2 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 1 4 论文研究的目标、内容 1 4 1 研究目标 面向网络化制造环境，研究并建立虚拟测控系统的框架。在所建立的 虚拟测控系统框架的基础上，利用实验室现有软硬件条件，在局域网环境中 完成虚拟测控实验系统的设计和开发工作，来对系统结构和功能进行实验验 证。 1 4 2 研究内容 本文的主要研究内容有： 虚拟测控系统的体系结构和实现方式 虚拟测控系统中硬件驱动程序的开发方法 虚拟测控系统中的网络通信方法 虚拟测控系统所采用的l a b v i e w 软件平台与其它应用程序、编程语 言的交互 虚拟测控系统在虚拟测控实验系统中的具体应用 论文具体安排如下： 第一章为论文的绪论部分。 第二章为系统体系结构的研究。 第三章为虚拟测控系统中关键技术的研究。 第四章为以虚拟测控系统体系结构为基础的虚拟测控实验系统的设计 和开发。 第五章对全文进行总结。 南京理t 大学硕士论文 堆拟测挡系统研究 2 虚拟测控系统体系结构研究 2 1 对虚拟测控系统体系结构的要求 作为支持网络制造环境下的虚拟测控系统，其体系结构应该满足以下需求： ( 1 ) 开放性建立基于“即插即用”技术和异种软件间标准数据接口的体 系，以实现体系的丌放性。具体表现为系统功能的易扩展性、系统硬件的j i ：放 性、系统软件的j l ：放性。 ( 2 ) 分布性使用分布性的应用工具，共享制造过程中各种信息。 ( 3 ) 动态性测控系统可以动态地运行操作，以支持制造过程中的所有的 9 1 l l 羚活园3 ， ( 4 ) 可塑性可以根据不同的用o 对象，迅速扩展或抽取 ；不同的系统，并 卧i j 以往原系统的基础上扩充为更大的系统。 ( 5 ) 人机和谐性强i 周人在测控系统运行中的作用。 2 虚拟测控系统研究现状 作为虚拟技术的重要组成部分的虚拟仪器，是目前发达国家研究的热点之 。碣外研究起步较早的n i 公司，8 0 年代以来已经研究和推出了多种总线的 虚拟仪器。惠普( h p ) 公司、t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司也相继推出了自己的 虚拟仪器。虚拟仪器的研究和开发在国内尚属起步阶段，国内的重庆大学、哈 l 大、两安交通大学、电子科技大学、中科泛华等高校和高科技企业往研究和 开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台方面以及引进消化n i 公司的广：品办面 部墩得了一些成粜特别是重庆大学以秦树人教授为首的科研人员在虚拟仪器 体系结构、功能框架的研究和开发取得了很大的成绩 4 i t s l 利用虚拟仪器统一的软件平台和强大的功能，国内外许多高校和研究机构 建立了一些典型的远程监控和远程测控系统。 意人利e l e t t i c a 人学构造的虚拟实验室由计算机刚络技术提供支持环境， 它w w ws e r v e r 、元件库、客户机三个主要部分组成。分布式结构主要w w w 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 s e r v e r 和l a b v i e w 软件功能实现【2 3 1 。系统的总体结构如图2 2 1 所示： 图2 2 1 中w w w 服务器可以使用h t m l 、j a v a 编程语言组织成网页模式。 懊拟器装在服务器，当客户与服务器第一次连接时，服务器上的模拟引擎自 功从服务器上_ 卜载。这样可以避免虚拟硬盘。这种自解压和自安装自j 引擎需要 客户端配置相关数据。客户机上的浏览器可以自动更新下载来直接认证和管理 服务器元件库中的虚拟仪器元件。 当用户进入服务器主页时，用户需填写认证表格。然后用户可以从元件库 中选择元件和信号发生器，配置好的虚拟工作流送入服务器上的c g i ( 计算机 图形接口) 来动态连接这些元件，为模拟引擎生成包含工作流的压缩文件。服 务器把文件放入不同的文件夹中以免用户相互冲突。随后，一个为模拟引擎准 备的包含这个文件的h t m l 页出现，点击连接，用户可以下载这个文件， 图2 2 1 虚拟实验室总体结构 下载完毕后客户机的模拟引擎启动，用户可以开始在客户机端模拟流程。服务 器和客户机不限定在一种客户服务器模式上，只要双方符合w w w 规范即可。 可以采用u n i x 、w i n d o w s 和n t 等。服务器和客户机间软件结构如图2 2 2 所 示。服务器和客户机都支持t c p i p 协议，数据库采用s q l 语言编写。 南京理工人学硕上论文 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 倒2 2 2 服务器和客户机问软件结构 国内西安交通大学利用虚拟仪器也构造了自己用于彩管钡4 试和图象监控的 虚拟测控系统【2 2 】，其系统结构如图2 2 3 所示，硬件连接图如2 2 4 所示。 基于网络，充分的利用虚拟仪器统一、便捷、功能强大的软件平台来开发 各种应用，是目前虚拟仪器应用研究中的热点。上述介绍的国内外应用实例， 都是将分布式网络结构和虚拟仪器有机结合成一体的良好范例。虚拟仪器本身 所提供的各种解决方案在测控系统构成结构和构成方式方面也提供了很多方便 之，处。 图2 2 3 彩管测控系统结构 南京理t 大学硕| ：论文 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 p x i 一8 1 5 6 系统控制者 p x i 一0 0 7 1 e li8 c x i 一1 0 0 0if h p b 4 8 8 a jl v x i g p i b ii t e kt d s 一2 2 0 掣5 c x _ 十i - 1 3 0 2 l 数据采集器j 丁_ = ip x i 。 对蒙 图2 2 4 彩管测控系统硬件连接 2 3 基于虚拟仪器的自动化系统 n i 公司以l a b v i e w 软件思想为基础，开发出系列软件，获得了广泛应用。 所构造的工业自动化系统也有其独特之处，这些系列软件包括m e a s u r e m e n t s t u d i o ，l o o k o u t ，b r i d g e v i e w 等。 2 3 1 用于测试的m e a s u r e m e n t s t u d i o m e a s u r e m e n ts t u d i o 是n i 公司一套专为测试开发的软件套件，其以 l a b w i n d o w s c v i 为平台。软件整体结构如图2 3 所示【2 4 1 ( 2 5 1 2 6 1 。功能结构如 图2 3 1 2 所示。 当使用m e a s u r e m e n ts t u d i o 通过g p i b 或串行仪器、插入式数据采集卡、图 象采集装置采集数据时，此套件都提供了高质量的接口。可以选择a c t i v e x 、 v b 、v c + + 或使用功能库中的a n s ic 开发环境来与c 通信。此套件还提供了 南京理工大学硕士论文 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 大量的数据处理程序，你可以选择方便的信号处理和数据分析工具，例如曲线 拟合，谱分析，统计与图象视图分析。套件内嵌的i n t e m e t 工具使用户可以在 广泛的因特网上共享数据。n i 公司的d a t a s o c k e t 工具使你很容易的在网络中应 用采集的数据，包括使用w e b 浏览器。 二! 亘亟 臣三三三三回 图2 3 1 1m e a s u r e m e n ts t u d i o 软件整体结构 图2 3 i 2m e a s u r e m e n ts t u d i o 功能结构 l a b w i n d o w s c v i 完全是以a n s ic 为开发环境，利用l a b w i n d o w s c v i ，可以 很容易的产生与a c t i v e x 的用户接口，从而提供了一个内嵌入v b 和a c t i v e x 南京理工大学硕士论文 一一一一一 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 控件的容器的方法。此软件也提供了与v c + + 的交互式接口，方便在其环境中 使用微软的其它工具。 m e a s u r e m e ns t u d i o 充分利用了微软的c o m 技术，提供了标准的代码交 互和集成。c o m 技术使得在w i n d o w s 下方便的进行客户机朋r 务器模式通信。 2 3 2 用于监控的软件套件 为了便于在工业环境和过程控制中更加方便的使用l a b v i e w 的编程方法。 n i 公司专门开发了针对工业监控需求下的软件套件。此套件包括了最新的各种 标准技术，如a c t i v e x ，a d o ，o p c 和可集成于开发系统的的w e b 技术。此软 件套件包括用于工业测试的t e s t s t a n d ，用于工业组态的l o o k o u t ，b r i d g e v i e w 。 此套件的结构如图2 3 2 1 所示。 图2 3 2 1 工业自动化软件结构 t e s t s t a n d 提供了一个完全的功能测试平台，其和l a b v i e w 及 m e a s u r e m e n ts t u d i o 都可以完全的集成起来。其提供的强有力、灵活的组建制 造测试的方式，不仅适应于单步测试，更适应多步测试和复合测试。t e s t s t a n d 也可以调用用v c + + ，v b 编写的测试程序，针对工业测试软件必须考虑与其它 基于工业环境的系统融合，t e s t s t a n d 提供了与其它相关数据库的接口，并且能 南京理工大学硕士论文 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 动态产生用于远程监控的w e b 数据页。 l o o k o u t 是一个优秀的不需语言编程的h m i s c a d a 软件，其可从单一的 h m i 结构拓展到网络化的h m i 。它采用面向对象的方式构成s c a d a 系统。你 可以在线填加、删减、更改你的p l c 和f i e l di o 连接而不必关闭正在运行的程 序。 当构成一个网络化h m i 系统时，l o o k o u t 采用多服务器客户机协调监控 过程，也可以使用一个w e b 浏览器来管理控制整个过程。l o o k o u t 既是一个o p c 服务器也是一个o p c 客户机，可以使用o p c 与其它使用o p c 标准的软件无缝 连接。o p c 在工业自动化中的作用如图2 3 2 2 所示： 图2 3 2 2o p c 在工业自动化中的作用 l o o k o u t 支持无线、m o d e m ，拨号方式与其它远程计算机通信。这种方式是 内集成在l o o k o u t 的i ，o 驱动程序中的。l o o k o u t 还包括事件驱动方式，当事件 发生时，相应的子程序开始运行。 b r i d g e v i e w 在传统的h m i s c a d a 基础上增加了仪器控制类库i o ，例如 振动分析、机器视觉以及运动控制等。其简易功能远远超过了传统自动化软件 的范围。其包含两个主要程序，一个事件驱动引擎用来维持实时数据库，与设 南京理t 人学硕士论文2 0 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 备服务器通信、记录历史资料及处理报警信息。用户处理程序是用来显示操作 界面及执行程序代码，用来定义高级控制运算、监督控制、分析以及显示。这 两种操作均为多线程处理。 2 3 3 用于实时控制的软硬件套件 大量的测量和控制都需要实时性，实时系统的最重要的特点就是提高了程 序的执行速度、精确度和可预测性，这样你将可以精确的预测系统的执行时间， 使的控制和测试系统的可靠性大大提高。一个实时系统包括软件和硬件两个基 本要素。为了完成一个硬件系统，需要精确的时钟定时器。实时操作系统和实 时软件环境可以解决以前软件中遇到的许多问题，它提供了更加灵活、方便的 调试工具。利用软件环境，你可以将你的应用放于一个硬件环境中，硬件按照 软件内容运行。 利用实时系统，你可以连续的模拟和监视一个物理过程，实时系统依照其 精确的定时使得每一个连续的控制过程有着相同的时间间隔。特别对于靠两个 过程的差值来执行控制任务的控制系统来说，实时控制更显其卓越性能。 n i 公司的实时软硬件套件完全基于w i n d o w s 操作系统，利用l a b v i e wr t 在l a b v i e w 环境下编写测控任务，然后将这些程序下载到安装实时操作系统的 n i 公司硬件中，这样你可以使用更加灵活、强大的工具来构造你的测控系统。 实时软件套件的编辑界面以l a b v i e w 为基础，其相关内容和编辑环境与 l a b v i e w 相同，r t 实时硬件都包括一个嵌入式操作系统，硬件是脱离p c 机而 独立运行的，一个简单的实时硬件组成如图2 3 3 1 所示： 南京理r 人学坝j ：论史 虚拟测控系统研究 图2 3 3 1 实时硬件组成结构 利用这些软硬件开发一个实时控制系统的过程如图2 3 3 2 所示 l 翟簿匡蓍；渊；l 月8 序r 广 o “q ”i 图2 3 3 2 实时控制系统开发过程 4 虚拟测控系统的体系结构 对于工业自动化和测试测量来讲，p c 已经成为一种可靠高效的运行平台。 可以通过选择虚拟仪器的软硬件产品将数据采集、存储、显示提高到测量测试 南京理工大学硕士论文 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 领域的新水准。通过广泛的硬件选择，包括数据采集和调理设备，仪器控制接 口，分布式i o 、图象采集、运动控制和工业网络，用相关的硬件产品和应用 程序组建成虚拟测控系统。当用户需要建立一个新应用系统，或改变已有的应 用中的参数时，用户只需简单改变计算机中的设备接口即可。 虚拟测控系统采用标准协议，标准硬件设备模板以及标准的接口，更具有 通用性。虚拟测控系统的体系结构是本课题研究的重点之一，其包括功能模型、 结构模型和计算模型。只有三者有机高效的结合才能最大的减少结构对不同环 境、设备造成的系统的变化。 2 4 1 虚拟测控系统的功能模型 一个构架于网络的虚拟测控系统必须顺利的实现包括数据采集、数据处 理、数据存储查询、控制的功能以及其他用户所需的功能。虚拟测控系统的功 能模型如图2 4 1 1 所示 图2 4 1 1 虚拟测控系笏的功能模型 一个完整的虚拟测控系统的结构应包括采集一处理一存储一控制一通信 等几个基本部分，只有这几项功能的实现，才能很好的实现网络环境下的测控。 南京理工大学硕士论文 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 2 4 2 虚拟测控系统的结构模型 提出的基于系统级、子系统级和工作站级的三级结构模型如图2 , 4 2 i 所示。 图中系统级是对某一个测控系统的整体描述，通常由多个子系统组成， 它们之m 协调：亡作，共同完成测控任务；子系统级是对一个系统中各功能模型 的抽象描述，每个子系统代表一个功能模块，而具体的功能是由相应的工作站 束完成：工作站是对具体完成相应功能的计算机的描述。其各部分的基本功能 及构成如下： 图2 4 2 1 虚拟测控系统集成的结构模型 采集子系统完成数据的采集和仿真数据的生成。它f l 备、数捌源等组成。 主控子系统构建系统，确定运行模式( 实验仿真) ， 它l 【i 虚拟测控系统软件开发平台组成。 再种采集控制改 完成系统调度。 数据处理子系统完成数据的的实时存取和图形显示，用数据库处理采 集数据。它由实时数据服务器和数据处理工作站组成。 网络管理子系统管理本局域网及与其它外部网络的通信。它由连接各 子系统的i 叫络及实时测控网络通信协议组成。 系统构建辅助设计予系统为用户提供设计、构建测控系统的相关技术 支持及建议，由相应的模型库、方法库和数据库组成。 南京埋丁人学f l j j ! i 。论之 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 2 4 3 虚拟测控系统的计算模型 要完整的实现虚拟测控系统，还需要选择恰当的计算模型，针对虚拟测 控系统对计算模型的需求，相应的基于客户朋务器结构的多线程的计算模型如 图2 4 3 1 所示： 图2 4 3 1 虚拟测控系统计算模型 图中客户方向服务器发出请求，服务器由若干通过线程实现的运行对象完 成请求任务，然后响应给客户方。图中实线表示物理连接关系，虚线箭头表示 逻辑连接关系。客户方接收用户指令，发送请求，接收服务器响应，提交测控 任务，服务器进行数据处理和数据存储。 2 4 。4 虚拟测控系统的结构 在以上提出的虚拟测控系统功能模型、结构模型和计算模型的基础上，结 合网络化制造的实际应用，本人提出了虚拟测控系统的具体结构如图2 4 4 1 所 示。结构中综合了制造过程数据的采集、制造过程中的智能控制、制造过程的 优化以及制造过程的监控，满足了制造过程测控部分的种种需求。图中系统层 是程序的上层部分，完成数据的处理和存储和系统的各种应用。在应用程序部 分实现网络通信和任务多机协调实现，硬件驱动层完成客户机( 服务器) 对硬 南京理工大学硕士论文 2 0 0 1 年1 2 月 虚拟测控系统研究 件的数据采集或控制，i o 接口是各种仪器设备，包括各种仪器、现场总线模 块、数据或图像采集卡及p l c 等，这些设备和制造过程中的各种传感器相连。 通