（电力电子与电力传动专业论文）基于虚拟仪器的网络化监控系统.pdf

西华大学硕士学位论文关键词：虚拟仪器，远程测控，p i d ，模糊控制，神经网络i i西华大学硕士学位论文n e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tp o w e re l d e t r i o n i c sa n de l d e t r i c a l d r i v ep o s t g r a d u a t e ：m al a ns u p e r v i s o r ：d o n gx i u c h e n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o lt d e h n o l o g y ，a u t o m a t i ct e s tt d e h n i q u et e n d st ob ed i g i t a l ，i n t e l l i g e n ta n dn e t w o r k v i r t u a li n s t r u m e n th a sb r o u g h tr e v o l u t i o n a r yc h a n g et oa u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lf i e l d ，f u r t h e r m o r e ，w e b b a s e da u t o m a t i ct e s ts t a n d sf o rav e r yi m p o r t a n td i r d e t i o no ft h a tf i e l d t h i sp a p e rh a sd e v e l o p e dac o n t r o ls y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t ，a n da p p l i e st h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l sa l g o r i t h mi nt h ep r a c t i c a lc o n t r o ls y s t e m t h et r a d i t i o n a lp i d ，f u z z yp i d ，n e u r a ln e t w o r kp i da l g o r i t h mh a v es t u d i e dd e e p l yi n t h i sp a p e r ，s o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sh a v eb e e no b t a i n e db ym a t l a bs i m u l a t i o n t h ed o u b l ec a p a c i t yi nt h eq x l p c - i i is y s t e mh a sb e e nu s e da sal e v e ls u b j d e t s a c c o r d i n gt ot h er e s p d e t i v ef e a t u r e so ft h ea l g o r i t h m ，t h e s ea l g o r i t h m sh a v eb e e nu s e di nt h es y s t e m ，a n dg o o df u n c t i o n sh a v eb e e no b t a i n e d t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sh a v eb e e no b t a i n e d ：w h e nd on o tk n o wt h em o d e lb pn e u r a ln e t w o r kp i da l g o r i t h mi nt h es y s t e mb ys e l f - l e a r n i n gc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tp a r a m e t e r s i ff u z z yp i da l g o r i t h mu s et h ep a r a m e t e r st h a tb pn e u r a ln e t w o r kh a sl e a r na st h ei n i t i a lv a l u e ，t h r o u g ht h ea d j u s t i n gb ye p e r i e n c ec a na c h i e v eg o o dd y n a m i cq u a l i t y n o to n l yi nt h e o r yp r o v et h es u p e r i o r i t yo ft h e t h ec o n t r o l ，i np r a c t i c a li i i西华大学硕士学位论文- _ _ 一a p p l i c a t i o nh a sp r o v e di t ss u p e r i o r i t ya n dc a nb er e a l i z e d t h i sp a p e ra p p l i e st h ep x ic h a s s i so fn ic o m p a n i e sa si p c ，q x l p c i i lp r o c e s sc o n t r o ld e v i c e sa se x p e r i m e n t a lp l a n t d e s i g n et h ec o m m u t a t o r i tc a nt r a n s f o r ma n da d j u s tt h es i g n a l t h es c b - 6 8h a sb e e nu s e dt oa d j u s tt h es i g n a l t h ep x i 一6 2 21h a sb e e nu s e dt oe o l l d e tt h es i g n a l t h es y s t e mh a sg o o di n t e r f a c ec o m m u n i c a t i n gw i t hp e o p l e i th a st h er e a l t i m ed a t ap r o c e s s i n ga n dd i s p l a y i n gf u n c t i o n a n di th a st h en e t w o r km o n i t o rf u n c t i o n k e y w o r d ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，r e m o t ec o n t r o l ，p i d ，f u z z yc o n t r o l n e u r a ln e t w o r k i v西华大学硕士学位论文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。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，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同一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。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。作者签名： - - b 反刷磁名勘刃，y | f ，l o 8 78 年多月4 日刃吁年占月矽日西华大学硕士学位论文第一章绪论1 1 课题来源四川省“信号与信息处理”重点实验室建设项目 项目编号：s b e d 0 5 0 3 4 1 2 基于虚拟仪器的网络化监控系统的研究意义测控技术在现代科学技术、工业生产和国防等诸多领域中应用十分广泛，测控技术的现代化己被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，是当前测控领域的技术热点，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，必将对科学技术的发展和工业生产产生不可估量的影响洋】。虚拟仪器以其人机界面友好，操作简单易行；测控效率及测控精度高，测控过程统一、标准；仪器功能升级成本低；虚拟仪器硬件功能单元易于更新换代；系统功能可扩展性好等在测控系统中的优点，将使其发展的更好。有专家估计，随着计算机硬、软件技术的快速进步，虚拟仪器会随之在本世纪前l o 年内获得迅猛发展，n 2 0 i o 年前后电测控仪器中的5 0 以上将会是虚拟仪器，虚拟仪器不容置疑地将成为2 1 世纪测控仪器的重要发展方向。计算机网络及通信技术的飞速发展，使得控制系统和网络技术相结合，改变了传统的控制系统结构，使其向着网络化的方向发展，以计算机为中心、以网络为核心的网络化测控技术与网络化测控系统应运而生。测控系统网络化可以降低测控成本，实现了资源共享，可以远程监测和控制实验过程，而不必亲临现场，不但节约了人力物力，而且实时性好。在测控系统中将虚拟仪器像计算机和工作站一样成为网络结点，可以充分利用目前已比较成熟而且还在不断发展的i n t e m e t 网络设施，那么将不仅能实现更多资源的共享、降低组建系统的费用，还可以提高测控系统的功能并拓宽其应用的范围。综上所述，本课题利用过程控制实验装置、虚拟仪器，采用网络技术、自动化、虚拟仪器等较先进的技术，涉及到信息科学、电子学、虚拟仪器等多门交叉学科的研究，设计一个网络化过程实验室装置的控制系统，可以在p c 机上西华大学硕士学位论文远程控制过程控制实验装置，不仅可以充分利用现有的网络资源开展远程实验教学，而且可以通过网络进行远程实物实验，从而实现仪器设备、实验资料、测试经验以及实验数据等的网上共享，大大提高了实验效率和实验资源利用率。1 3 网络化监控系统的发展历史及国内外现状2 0 世纪4 0 年代前后，生产过程自动化主要是凭生产实际经验，局限于一般的控制元件及机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表，实现生产设备就地分散的局部自动控制。2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代，先后出现了电动与气动单元组合仪表和巡回检测装置，采用了集中监控与集中操纵的控制系统，实现了工厂仪表化和局部自动化。2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，由于集成电路与计算机技术的飞速进展，为过程控制的发展创造了条件，开始采用计算机直接数字控制( d i r d e te l i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) 与计算机监控( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l ，s c c )系统。为了满足工业生产的监控集中、危险分散的要求，7 0 年代中期，集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，d c s ，也称之为分布式控制系统) 开发问世了。它一经出现就受到了工业控制界的青睐，实现了控制最优化和生产调度与经营管理自动化相结合的集散控制系统，使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。从2 0 世纪9 0 年代开始，过程控制进入了综合自动化阶段。在自动化工具上推出了现场总线( f i e l d b u s ) 控制技术。当前，过程控制已进入了计算机时代，进入了所谓计算机集成过程控制系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s ss y s t e m ，c i p s ) 的时代。随着网络技术的发展，当前计算机应用已经进入网络时代，测控领域也进入了网络化时代。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e r n e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合主办 1 l ，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了有关远程诊断系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议，以及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于i n t e r n e t 的下一代远程诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n ，h p , b o e i n g ，i n t e l ，f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个实验性的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成2西华大学硕士学位论文在i n t e m e t 范围内的信息监控和诊断推理。许多大公司在他们的产品中加入了i n t e m e t 的功能，特别是著名的n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它的虚拟仪器应用产品l a b w l n d o w s c v i 以及l a b v i e w中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过w w w , f t p , e m a i l 方式在网络范围内进行监控数据的传送。目前，国内外将虚拟仪器广泛应用于网络化系统中。美国维吉尼亚州技术公司应用虚拟仪器技术开发了一种光学测微计，用来测量m e m s 设备中硅晶片的厚度，分辨率可达到微米级。与基于v i s u a lc + + 的系统相比，使用基于l a b v i e w 的系统，该公司的开发时间和费用减少了近5 0 。密歇根州大学开发了一种微电子气敏传感器，研究人员使用一个基于计算机的带有数据采集板的系统，其中数据采集板由l a b v i e w 控制，它可以精确地控制传感器的温度，同时通过监测电阻值来测量气相环境的微小变化。l a b v i e w 的灵活性使得数据采集软件和控制软件的扩展变得容易起来。国内将虚拟仪器用于远程监控技术也开展了积极的研究。在实验教学、工业生产、军事上都有很多的成就。西安交通大学开发的基于i n t e m e t 的小型多功能试验台远程试验系统，南京航空航天大学研究并构建了基于w e b 的网络虚拟仪器实验室，通过控制w e b 页的方式实现对客户端访问的控制，使得操作页面只对一个客户可见。天津工程师范学院也研究出了基于l a b v i e w 的包装生产线远程监控系统。上海交通大学研究的基于m w i n d o w s c 的生物发酵监控系统。第二炮兵工程学院研究出基于p x i 总线的虚拟测试实验系统。飞睿测控科技生产销售的虚拟仪器系列产品，面向各个行业领域用户，其生产的档案库房温湿度自动监控系统在报警方面，除了传统的声光报警，甚至应用了电话报警、短信报警、e m a i l 报警。并结合s m s 短信技术，利用g s m 的全球资源，实现了短信监控。除了传统的数据采集，可以运用及其视觉技术完成实际物体的图像采集，尺寸判断和测量。基于i n t e m e t i n t r a n e t 的网络化虚拟仪器正是计算机技术、虚拟仪器技术、网络技术的完美组合，它代表了当前和今后仪器仪表领域的发展方向。网络化测试技术与仪器的现状和发展趋势主要表现为：以太网技术，网化仪器和传感器，基于w e b 的虚拟仪器。基于i n t e r n e t 网络的工作模式代表了分布式自动测西华大学硕士学位论文试系统的发展方向，由各种测控仪器与计算机构成的数据采集、传输与处理为一体的网络化系统，将成为今后测控领域的主导系统。网络化仪器、网络化传感器、测控计算机、专家知识库甚至测试人员都将作为网络资源的一部分由整个网络共享，用户可以在任意地点操纵网络，完成测试控制任务。1 4 本文研究的主要内容基于虚拟仪器的网络化监控系统的设计，整个系统采用b s 结构，具有客户端平台无关性优点。应用n i 公司的p x i 机箱作为工控机，q x l p c - i i i 过程控制实验装置作为被控对象，传感器传来的电流信号，通过设计的接口板，将信号转换成采集卡可测量的电压信号，通过s c b 一6 8 进行信号调理，利用n i 公司的p x i 6 2 2 1 数据采集卡采集。软件系统完成对测量数据进行采集、处理，以及相关的先进控制算法的应用程序；将控制算法得到的控制参数通过n ip x i 一6 2 2 1 传给执行机构( 电动执行阀) ，对系统进行控制，使其达到要求。编写操作界面，数据实时显示等；最后将系统前面板发布到网上，客户端可以通过w e b 浏览器监测系统。整个系统完成对过程控制实验装置进行网络化监控。在研究和实现系统的过程中，主要的技术要点体现在一下几个方面：第一：深入学习研究双容控制对象物理特性，建立系统的数学模型。第- - ：对各种先进控制算法进行深入分析和研究，构建适应于双容对象的智能控制算法，并对其进行仿真，对仿真结果进行深入分析，得出有价值的结论。第三，熟悉掌握虚拟仪器及相关技术，构建系统软硬件控制平台。第四，将智能控制算法用于实际系统，并验证其控制效果。第五，研究网络化实现方法，实现系统网络化功能。4西华大学硕士学位论文第二章虚拟仪器及远程监控概述2 1 虚拟仪器【4 3 】 6 l 】【6 2 12 0 世纪8 0 年代中期美国的国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ，简称n i ) 首先提出了虚拟仪器( x r m u a li n s t r u m e n t , 简称) 的概念，认为虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机作为统一硬件平台，并由计算机操纵的模块化、软件化的仪器。虚拟仪器是虚拟技术在仪器仪表领域中的一个重要应用，是日益发展的计算机硬件、软件和总线技术在向其他技术领域密集渗透的过程中，与测试技术、仪器技术密切结合，共同孕育出的一项新成果。虚拟仪器由计算机、应用软件和仪器硬件三部分构成，以计算机作为仪器统一硬件平台，充分利用计算机独具的运筹、存储、回放、调用、显示及文件管理等基本智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，通过软件将计算机硬件与仪器硬件有机融合为一体，把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件测量、控制能力结合在一起，这样构成了一台从外观到功能都与传统仪器一致，同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统即虚拟仪器。在虚拟仪器中，硬件仅仅解决信号的输入、输出，软件才是虚拟仪器的核心。2 1 1 虚拟仪器的发展过程第一代一模拟仪器。这类仪器在某些实验室仍能看到，是以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器，如指针式万用表、指针式电压表、指针式电流表等。这类指针式仪器借助指针来显示最终结果。第二代一分立元件式仪器。当2 0 世纪5 0 年代出现电子管，2 0 世纪6 0 年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管电子线路为基础的第二代测试仪器一分立元件式仪器。第三代一数字化仪器。2 0 世纪7 0 年代，随着集成电路的出现，诞生了以集成电路芯片为基础的第三代仪器一数字化仪器。这类仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频谱仪等。这类仪器将模拟信号的测量转化为数字信号的测量，西华大学硕士学位论文并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。第四代一智能仪器。随着微电子技术的发展和微处理器的普及，以微处理器为核心的第四代仪器一智能仪器迅速普及。这类仪器内置微处理器，既能进行自动测试，又具有一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动，习惯上称其为智能仪器。其缺点是它的功能块全部都以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，无论对开发还是针对应用，都缺乏灵活性。目前，微电子技术和计算机技术飞速发展，测试技术与计算机深层次的结合正引起测试仪器领域里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致了新一代仪器一虚拟仪器的出现。它是现代计算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革，是仪器产业发展的一个重要方向。它的出现使得人类的测试技术进入一个新的发展纪元。国际上从1 9 9 8 年开始陆续有虚拟仪器产品面市。当时有5 家制造商推出了3 0 种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加。2 1 2 虚拟仪器在测控系统中的优越性( 1 ) 人机界面友好，操作简单易行。虚拟仪器软件界面与w i n d o w s 界面有相同的风格及操作方法，而且虚拟仪器面板具有与传统仪器面板几乎完全一样的模式，用户在操作软面板时如同在操作真实的仪器一样。【2 3 】( 2 ) 测控效率及测控精度高，测控过程统一、标准。采用虚拟仪器软件技术的测控系统，其各个测控子过程是在计算机控制下进行的，可最大限度地消除人为操作因素对测控精度带来的误差。( 3 ) 仪器功能升级成本低。虚拟仪器系统的设计主要是在系统硬件功能单元提供基本测控功能的基础上，对其派生功能或综合功能的开发，其主体为虚拟仪器软件，对虚拟仪器功能的升级实际上是对虚拟仪器软件所完成功能的进一步拓展和完善。( 4 ) 虚拟仪器硬件功能单元易于更新换代。开发仪器系统时，对仪器的软件整体结构进行科学合理的规划，使其软件主体独立于硬件驱动程序。这样虚拟仪器就不再依赖于特定的硬件功能单元。( 5 ) 系统功能可扩展性好。虚拟仪器系统是一个开放型的系统，各硬件功能6西华大学硕士学位论文单元之间通过标准接口实现连接的。2 1 3 虚拟仪器硬件系统虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件和测控功能硬件。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件支持。按照测控功能硬件的不同，虚拟仪器分为g p i b 、v x i 、p x i 和d a q 四种标准体系结构【2 3 1 。( 1 )以通用接口总线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 ) 接口构成的虚拟仪器系统。他是最早的仪器总线。典型的g p i b 钡, t j 试系统包括一台计算机、一块g p i b接口卡和若干台g p i b 仪器。( 2 )由v x i 总线构成的虚拟仪器系统。v x i 总线是一种真正开放的标准，具有较高的测试系统数据吞吐量，更容易获得高性能的仪器系统，虚拟仪器容易实现，缩小体积，降低成本，可与g p i b 仪器相容，还可混合使用，相得益彰，做到了真正的升级通道和软件保护，使用户的测试系统永远不会废弃。( 3 ) 基于d a q 数据采集的虚拟仪器系统。d a q 数据采集系统是指基于p c 计算机标准总线( 如i s a ，p c i ，u s b 等) 的数据采集功能模块。它充分地利用计算机的资源，大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。( 4 ) 基于p x i 总线系统虚拟仪器系统。p x i 是p c i 在仪器领域的扩展，他将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。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结合，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。( 5 )串口系统是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。2 1 4p x i 总线特点【5 8 】【5 9 】【】1 9 9 7 年9 月1 日，n i 公司发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范一- p x i 【 1 【18 1 。p x i 是p c i 在仪器领域的扩展( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，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。p x i7西华大学硕士学位论文结构类似于v x i 结构，但由于它基于p c i 总线，因此与v x i 总线相比设备成本低、运行速度快、体积更紧凑，而且目前基于p c i 总线的软硬件均可以应用于p x i系统中，从而使p x i 系统具有良好的兼容性和可扩展性。p x l 支持在工业仪器、数据采集及工业自动化应用中要求更高的机械、电气、软件特性。p x i 扩充- j c o m p a c t p c i 规范，对提供优异的机械完整性及易装易卸的p c i硬件定义了坚固的结构形式。p x i 在c o m p a c t p c i 机械规范中增加了环境测试和主动冷却要求，以保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。p x i 提供了与p c i 一样包括1 3 2 m b s 的数据率和即插即用功能的电气特性。对p x i 来说，最具诱惑力的是由超过8 0 0 个供应商供应的p c i 占主导的台式p c 市场，从而产生大量的基于p c i 的硬件驱动程序操作系统与应用程序，所有这些都可以有效地应用在p x i 系统中。由于运用t c o m p a c tp c i ，p x i 的每个总线提供的扩展槽个数几乎是台式p c i 系统的两倍。因此，p x i 系统有更强的i o 能力。另外，它增加了用于多板同步的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，故p x i 更能满足试验和测量用户的要求。p x i 将m i c r o s o f tw i n d o w sn t 和m i c r o s o f tw i n d o w s 9 5 定义为其标准的系统软件框架。由于m i c r o s o f tw i n d o w sn t 和m i c r o s o f tw i n d o w s 9 5 已有超过6 3 亿用户和多达1 4 0 0 种应用，因此保护了多供应商产品的兼容性，简化了系统集成任务。另外，所有的p x i 外设必须包括相应的设备驱动软件以降低最终用户的开发成本。p x i 与传统的工业计算机相比，具有以下特点：( 1 ) p x i 机箱和设备必须进行包括湿度、撞击和振动在内的各种测试，能够适应各种测试环境的要求。( 2 ) 模块具有牢固的接插端，可以抵抗撞击和振动。( 3 ) p x i 系统采用模块化的设计，使得升级单个组件非常容易。( 4 ) p x i 平台的设计简化了维护工作。所有的模块和接线端都在机箱的前面。每个模块的前面都有一个手柄，使其能正确插入和容易拆卸。两个导轨确保模块对准，避免背板上的被损坏。用户还可以拆下机箱中的一个模块而不影响到8两华大学硕士学位论文系统的其他部分。( 5 ) p x i 系统的设计具有很好的可扩展性。在每个3 3 m h z 总线区段上，p x i 背板可以集成7 个模块，而工业控制计算机只能有4 个。通过p c i p c i 桥，一个p x i机箱内可以容纳更多板卡。( 6 ) 所有的p x i 硬件都至少支持w i n d o w s 9 5 ，w i n d o w s 9 8 ，w i n d o wn t ，w i n d o w s 2 0 0 0 ，w m d o w sx p 四个操作系统中的一个。p x i 设备符合v x i p l u g & p l a y 标准，并与v i s a 软件兼容。( 7 ) p x i 系统的设计降低了构建和维护的成本。虽然有些工业计算机价钱l p , p x i低，但二者有质的差别。p x i 的可靠性更高、更坚固、使用的总体成本更低。2 1 5 虚拟仪器软件系统虚拟仪器的软件框架从低层到顶层包括三部分：v i s a 库、仪器驱动程序、仪器开发软件( 应用软件) 。( 1 ) v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t d e t u r e ) 虚拟仪器软件体系结构。v i s a 体系结构是标准的i o 函数库及其相关规范的总称。一般称这个i o 函数库为v i s a 库。它驻留于计算机系统之中，执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。( 2 ) 驱动程序。每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商以源码的形式提供给用户。( 3 ) 应用软件。应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过提供直观友好的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能，来完成自动测试任务。目前测控领域上位机系统软件开发的主流解决方案共有四种：一是用传统的编程语言设计虚拟仪器，代表性的是h p i t g i ，流行的虚拟仪器开发环境l a b w i n d o w s c v i 等，二是用图形编程语言设计虚拟仪器，代表性的是h p v e e ，l a b v i e w 等，三是零编成开发系统，代表性的是v m i d s 框架协议系统，四是应用工业组态软件进行组态，代表性软件为国内的m c g s 和美国的f i x i f i x等。9西华大学硕士学位论文( 1 ) l a b w i n d o w s c v i 开发平台l a b w i n d o w s c v i 是n i 公司开发的一种用c 语言编程的软件开发环境。它有着交互的开发环境和用于数据采集和仪器控制应用的函数库，它还包含一个面向数据采集、分析和描述的软件工具集。他主要针对测试和控制等相关领域的软件开发、调试，其最重要的是其对设备的控制能力和数据获取分析的能力，主要体现在其丰富而又全面的库函数上。( 2 ) l a b v i e w 开发平台l a b v i e w 是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r l 丌e n t ) 推出的图形化软件编程平台。l a b v i e w 是英文l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的简写，即实验室虚拟仪器工程平台，它是世界上第一个采用图形化编程技术的面向仪器的3 2 位编译型程序开发系统，由n i 公司于2 0 世纪九十年代推出并不断更新。l a b v i e w 是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。它提供一种新颖的编程方法，即以图形编程方法，建立一系列的来完成用户指定的测试任务。l a b v i e w 在国际测控领域l a b v i e w 普及率已超过3 9 。( 3 ) 组态软件i f i x 开发平台f i x i f 软件具有功能强大、编程方便、配置灵活、联网方便等优点。其基本功能就是数据采集和数据管理，拥有强大的应用模块。组态软件应用简单，适用于监控过程相对成熟，相关软、硬件设施相对稳定，且所使用板卡为其支持的经过长期工程实践检验的场合。( 4 ) v m i d s 开发平台中国重庆大学研制出一种零编程开发系统v m i d s 系统，用户不需要任何编程知识和技能，便可获得自已l 需要的虚拟式仪器。它包含了一个测控仪器功能库和一个控件库，在框架协议中功能和控件进行软设计、软连接、软调试形成智能虚拟控件成品。2 2 网络化监控系统网络化监控系统是将监控系统中地域分散的基本功能单元( 计算机、测控仪器、测控模块或智能传感器) ，通过网络互连起来，构成一个分布式的监控1 0西华大学硕士学位论文系统。监控系统网络化的思路是把监控系统与计算机网络相结合，构成信息采集、传输、处理和应用的综合网络，符合信息化发展的要求，是具有信息时代特点的新思路。2 2 1 网络化虚拟仪器计算机网络技术、总线技术与数据库技术的发展乃至i n t e r n e t 的进步拓展了虚拟仪器测试系统的应用范围。网络测量技术与计算机虚拟仪器技术的结合产生了一种新型仪器网络化虚拟仪器( n e t w o r kv i r t u a li n s t r u m e n t ，n v i ) 。网络化虚拟仪器突破了早期虚拟仪器将仪器的三大功能模块( 信号采集、信号分析处理和显示模块) 都集中在单一的计算机上的限制，将分解到不同的计算机上的虚拟仪器、昂贵的外围设备、被测试点以及数据库等功能模块纳入网络，利用网络将各个模块灵活地连接起来，实现资源共享，共同完成测试任务。利用网络化虚拟仪器，不仅可以在任意时刻从任何地点获取测量信息，而且可以进行异地或远程控制、故障监测、报警，这为测控领域提供了很大的方便。 7 1根据客户端和服务器的不同，网络化虚拟仪器包括基于c l i e n t s e r v e r 模式的虚拟仪器和基于w e b 的网络化虚拟仪器【2 】。两者都是在虚拟仪器的基础上增加网络通讯能力，具有测量仪器和网络服务器的双重功能。它们能够从网络接收命令，提供远程测量服务，并返回测量结果。( 1 )c l i e n t s e r v e r 模式是网络应用的一种常见模型。在c l i e n t 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。对于远程测控系统的实现，c l i e n t s e r v e r 模式是一种比较成熟的解决方案【1 5 1 。基于c l i e n t s e r v e r 模式的分布式的远程虚拟仪器测控系统将系统的不同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 技术将各模块联结起来，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相应服务器或客户机功能即可。采用这种方法具有地理分散性、数据完整性、安全性高、系统处理速度更快等优点，但同时c l i e n t s e r v e r 结构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。西华大学硕士学位论文( 2 )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 m e 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3 1 4 1 。2 2 2 网络化测控发展方向对大型数据采集系统而言( 特别是工厂级的数据采集系统) ，由于其中的传感器、执行器数以万计，特别需要减少其中的总线数量，最好能够统一为一种总线或网络。这样有利于简化布线，既节省空间又降低了成本，而且在系统维护方面也大为方便。另一方面，现有工厂和企业大都建有企业内部网( i n t r a n e t )基于i n t r a n e t 的信息管理系统( m i s ) 成为企业运作的公共信息平台，为工厂现代化提供了有力的保障。i n t r a n e t 和因特网( i n t e m e t ) 具有相同的技术原理，都基于全球通用的t c p i p 网络通信协议。如果现场级的传感器执行器实现t c pp 协议，使数据采集、信息传输等功能都能在i n t r a n e t i n t e m e t 上进行，既统一了标准，又使工业测控数据直接在i n t r a n e t i n t e m e t 上动态发布和共享，供相关技术人员、管理人员参考，这样就把测控网( i n t r a n e t ) 和信息网( i n t e m e t )有机地结合起来，使得工厂或企业拥有一个一体的网络平台，无论从成本、管理、维护等方面考虑，都是一个最佳的选择。网络化测控技术虽然得到相当程度的发展，但是还不十分成熟，仍然存在着很多需要解决的难点问题，需要在实践中逐步完善，主要有以下几点【8 】：( 1 ) 网络化监控过程的实时性问题与时间的确定性问题。对某些测量过程，往往要根据测量结果对被测对象、测量条件、测量状态进行控制，这就需要对被测信号边测量边处理，根据处理结果对后序测量过程进行选择与控制，然而目前所广泛采用的网络技术难以实现数据的同步传输，使测试受到延误，从而造成不必要的损失。因此，网络化监控过程的实时性问题与时间的确定性问题的解决至关重要。( 2 ) 网络化监控系统的成本与通用性协调问题。在网络化监控系统的建造过程中，既要考虑成本，又要考虑系统的通用性，成本尽可能低而通用性尽可能强1 2西华大学硕士学位论文大是我们追求的最理想的状态，但是在实际中两者往往只能兼顾其一，如果为了节约成本而牺牲监控系统的通用性，则减小了系统的使用范围，就使得建造的测试系统发挥不了应有的作用；相反一味追求通用性而不顾成本，又不实际。所以，在组建网络化监控系统的过程中，成本与通用性的协凋问题应予以高度重视。( 3 ) 网络化监控系统的安全性与稳定性问题。这是每个测试工作者都比较关心的问题，它是监控能否顺利进行的保障。现代网络技术虽已相当成熟，但由于网络自身的局限性，一旦网络运行中出现故障，将会使整个监控陷入瘫痪状态。因此，网络的安全与稳定在网络化测试中显得异常重要。( 4 ) 网络化测试系统中的总线技术和标准问题。网络监控要求现场总线具有实时性，并实现可互操作性与信息处理的现场化，这就要求在实际监控中要慎重选择现场总线。目前由于现场总线没有一个统一的标准，而现存现场总线控制系统又各具优点，它们都在各自的领域形成了独特的优势，因此，必须根据实际需要，选择具有开放性、可扩展性、兼容性强的现场总线控制系统。2 3l a b v i e w 简介l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是目前国际上应用最广，主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等领域的虚拟仪器开发环境。它是一种基于图形编程语言( g 语言) 的开发环境，与c ，p a s c a l b a s i c等传统编程语言有着诸多相似之处，如相似的数据类型、数据流控制结构、程序调试工具，以及层次化、模块化的编程特点等。但二者最大的区别在于：传统编程语言用文本语言编程：而l a b v i e w 使用图形语言( 即各种图标、图形符号、连线等) 以框图的形式编写程序。l a b v i e w 开发环境由前面板和流程图组成，前面板是用于人机交互的图形用户接口，集成了多种常用的控制对象，它相当于实际仪器的操作面板。用l a b v i e w 编程无需具备太多编程经验，因为l a b v i e w 使用的都是测试工程师们熟悉的术语和图标，如各种旋钮、开关、波形图等，界面非常直观形象，因此l a b v i e w 对于没有丰富编程经验的测试工程师们来说无疑是个极好的选择。l a b v i e w 包含丰富的函数库和完备的总线设备驱动程序，适用于w i n d o w s 9 8 ，w i n d o w s 2 0 0 0 ，w i n d o w sx p ，1 3西华大学硕士学位论文m a c i n t o s h ，u n i x 等多种不同的操作系统平台。l a b v i e w 也拥有大量由n 工公司或第三方公司提供的、非常实用的支持软件。这些特性为l a b v i e w 环境下应用程序的开发提供了方便。2 3 1l a b v i e w 特点( 1 ) l a b v i e w 采用了“所见即所得”的可视化编程技术，在前面板上提供了工业领域多种显示和控制对象，如开关、旋钮、l e d 指示灯、仪表、图形等。同时，用户还可以对这些对象进行修改以适合不同需要。l a b v i e w 平台内部集成了大量功能强大的函数库供用户直接调用，从底层v x i ，g p i b 、串口及数据采集板的控制子程序到大量的仪器驱动程序，从基本的功能函数到高级分析库、涵盖了仪器设计中所需要的几乎所有函数。( 2 ) l a b v i e w 内置的程序编译器采用编译方式运行3 2 位应用程序，解决了其它按解释方式工作的图形编程平台速度慢的问题，其速度大体相当于编译c 的速度，因此编制出的虚拟仪器程序执行效率高。( 3 ) l a b v i e w 支持的数据类型与其他高级语言( 如c 语言) 相同，包括：数值型，文本型，布尔型，串和簇( 相当于c 语言中的结构) ，同时它和c 语言一样支持顺序、循环、选择等结构，具有自动报错和处理功能。( 4 ) 在l a b v i e w 环境下也可以设定程序断点，进行带数据探针的单步运行，加亮执行程序进行数据流追踪。这些功能使程序的开发调试变得更为容易。( 5 ) l a b v i e w 是开放式的开发平台，可以通过d l l ( 动态链接库) 接口和c i n代码接口节点) ，调用其它编程软件( 如v c + + ，c ) 平台编译的模块。( 6 ) l a b v i e w 提供对t c p i p , u d p 等网络协议的支持，可以实现仪器测量网络化。2 3 2l a b v i e w 中的网络化技术功能强大的l a b v i e w 提供了方便的网络化设计，在l a b v i e w 环境中可以使用多种网络化编程技术，这些技术包括通信功能模块、d a t a s o c k e t 技术、v i s e r v e r 技术、w 曲服务器技术和i n t e m e td e v e l o p e r st o o l k i t ( 因特网开发工具包) 。1 4西华大学硕士学位论文在f u n c t i o n s 的c o m m u n i c a t i o n 子模板中提供了多种通信功能模块，包括a c t i v e x ，d a t a s o c k e t ，h i q ，d d e ，t c p , u d p 和e x d e 七类功能模块，使用这些功能模块可以轻松地完成网络编程工作。其中，a c t i v e x 用于创建网络程序；d a t a s o c k e t 用于远程通信；h i q 用于调用h i q 数据处理软件；d d e 用于和w i n d o w s