（电路与系统专业论文）面向网络的开放式电子仪器研究.pdf

摘要 摘要 随着各种高性能仪器的不断普及，越来越多的仪器具备了 程控的功能，可以利用计算机方便地控制各种仪器进行测试， 仪器测控网络的建立使多人共享一台仪器、远程控制仪器成为 现实。通过网络实现对对象的测试与控制，是对传统测控方式 的一场革命。测控方式的网络化，是未来测控技术发展的必然 趋势，网络化虚拟仪器必将伴随着许多相关技术的发展而不断 发展和成熟，焕发出新的活力，也将对测量和自动化工业做出 更大的贡献，拥有广阔的发展前景。 网络是开放的，仪器一旦进入网络，就可以随时随地被访 问到那么仪器的安全性就显得尤为重要，然而，网络仪器技 术还很不成熟，对此方面做深入研究是很有必要的，也是很有 价值的。本文是针对实际的远程测控系统，提出了网络仪器安 全模型，既解决了坏命令对仪器有意无意的破坏，也解决了仪 器命令顺序发送混乱对仪器的损坏。同时网络仪器所在系统 各模块功能复杂，虽然不会直接破坏仪器，但是它所引发的实 时性降低也将使仪器失去安全性，这一问题在网络仪器安全模 型中也得到了解决。网络仪器安全模型提高了系统的实时性、 安全性，简化了系统的结构是未来发展的一个方向。 仪器 关键词：安全性、嵌入式系统、远程控制、网络 a b s t r a ( 丌 a b s t r a c t w i t ht h e p o p u l a r i z a t i o n o fv a r i o u sh i 曲 c a p a b i l 时 i n s t r u m e n t s ，m o r ea n dm o t ei n s t r u m e n t sh a v et h ea b i l i 母o fs p c i n s t m m e n t sc a nb ec o n t r o l l e d 卸db et e s t e dc o l w e n i e n t i yw i t h c o m p u t e r t h ee s t a b l i s h m e mo fo b s e r v i n ga n dc o n t r o l l i n g n e t w o r km a k e st h e mb e c o m er e a l i t yt h a tm a n yp e o p l ee n j o ya n i n s t r u m e n ta n di n s t r u m e n tc a nb ec o n t r 0 1 l e dr e m o t e l y r e a l i z i n g t h et e s ta n dc o n t r o lo ft h et a 唱e tt h m u 曲t h en e t w o r k ，i sa r e v o l u t j o nt ot r a d j t o n a lf e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gm e t h o d s t h ew a y o fo b s e i n ga n dc o n t r o l l i 九gi n s t r u m e n tt h r o u g hn e t w o r kj sa n j n e x o m b l et r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fo b s e r v i n ga n dc o n t r o n g t c c h n o l o g yi nl h ef u t u r e w i t ht h ed e v e j o p m e n to f al o to fr e l e v a n t t e c h n o l o g y ，t h en e t w o r k e dn c t i t i o u sj n s t r u m e n tw j l ld e v e l o pa n d r j p ec o n s t a n t ly ，a n df a d i a f eo u tn e wv i g o la tt h es a m en m e ，t h e n e t w o r k e df i c f i t j o u si n s t r u m e n tw j l lh a v eg r e a t e rc o n t r i b u t i o nt o m e a s u r e m e n ta n da u t o m a t j ci n d u s tr l e s 。a n dw h a v ew i d e d e v e j o p m e n fp r o s p e c t s b e c a u s el 1 en e t w o r ki so p e nj ft h ej n s t r u m e n te n t e r st h e n e t w o r k ，“c a nb ev i s i t e dw h e n e v e ra n dw h e r c v e rj tj sp o s s j b l e t h e r e f o r e ，t h es e c u r i t yo ft h e i n s t r u m e n ts e e m s p a r t i c u l a r j y i m p o r t a n t h o w e v e r ，t h et e c h n o i o g yo ft h en e t w o r ki n s t r u m e n ti s s t i l l v e 吖u n r i p e i ti sv e r yn e c e s s a r yt o f u r t h e rs t u d yi n t h i s f c s p e c t ，a n di ti s a l s ov e r yv a l u a b l e b a s i n gr e a lo b s e r v i n ga n d c o n t r o i l i n gs y s t e mi nl o n gd i s t a n c e ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h es a f e m o d e io ft h en e t w o r ki n s t r u m e n t ，w h i c h 田l v e st h ep m b l e mo f i n s t r u m e n td e s t n l c t i o nb e c a u s eo fb a di n s t r u c t i o n sa s 、v e ua st h e p r o b i o mo fi n s e md 锄a g ef b mt h ec o n m s e do f d e ro f i n s t n 盯n e n ti n s t r u c t i o n s m e a n w h i l e t h es a i em o d e im a k et h e a b s l l t a c i 。 向n c t i o n sb e t 、v c e ne v e r ym o d u l e so ft h en e t 、v o r k i n s t r u m e n t b e c o m ev e r ys j m p l e ，t t l a ti s ，i ti m p m v es y s t e m a t i cr e a k t i m e c h a r a c t e ra n ds y s t e m a t i cs e c i l r i t y ii naw o r d ，t h es a f em o d e io f t h e n e t w o r ki n s t m m e n ti m p m v e ss y s t e m a t i c r e a “m ec h a r a c t e r s e c u r i t y ，a n dr e d u c e st h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m ，s o ，i t w i i l b e c o m eac o m j n gd i r e c 6 0 n k e y w o r d s ：s a f c e m b e d d e ds y s t e m r e m o t ec o n t r o l n e “v o r ki n s 廿u m e n t 序言 薄言 2 0 世纪7 0 零代以来，誊 算祝、微电子等技零迅猛发鼹。 在它稍的推动下。阊时也是海适应现代亿工农娥生产甚至黢争 的新需求，测量搜术与仪器不断进步，相继诞缴了智能仪器、 p c 纹嚣、￥x i 纹爨、虚拟纹器及互换髅震揪役嚣等搬规纯钗器 及其自动测试系统。计算机与现代仪器设备问的界限目渐模 糊，测擞领域和藏围不断拓宽。近1 0 年来，以i n t e r n e t 为代 表镌潮络技本豹溅瑷竣及窀舄箕继窝鞭耱接数穗蔓结会，不仅 己开始将智能互联网产品带入现代生活，而且也为测量与仪器 技术带来了前所拳有的发聪空间和机遇，网络化测蹙技术岛具 餐网络翡艉翦藏懿仪器应遮稀参。 网络技术的敬腿使得撼个社会的工作、生浦方式都靛嫩了 基大的变化。把虚拟仪器应愆到网终上来，可以实现仪器测夔 的数据辫源共享，敬符传统仪器灏蠹零、灵活髋不大的缺点。 虚拟仪器主要由计摊机软件、硬件以及硬件接口模块组成。其 中，软终建整令愆熬纹器麴凝关键郝努。疆簧i n t e 鞭e t 敬苓 断普及釉i n t r a n e t 在企业中的日益增多，测试技术网络化成 为大势所趋，网络化虚拟仪器成为时代的产物。 溺缀纯褒掇致器氇称为壤整枝器瓣终纯，箕一般耱餐蹩捂 将虚拟仪器、昂贵的外部设铸、被测试点以及数据库等资源纳 入网络，实现资源熬享，共同完成测 式任务。使用网络他建拟 仪器，人们可娃谯侄俺建点、任何蹲闷获得测爨信惠或数据。 网络化的虚拟仪器也适合异地或远程梭测、数据采集、故障监 撼、报蘩等。 通曼网络实璃对对象的测试与控稍，是对传统测控方式的 一场革命。测控方式的网络化，是未来测控技术发展的必然趋 势，稻终毒 二虚熬致嚣必穗售缱麓诲多褪关技本熬发震 嚣不颧发 北京交通大学硕士学位论文 耀鞠成熟，焕发出薪豹添力，也将对灏蠹移翅动纯工盟霰出受 大的黉献，拥有广阔的发展前景。 本文的工作内容如下： 1 、针对现有的s i n o 趣星远程监控系统。分析其中存在的 安众豫患，提出了弼缀仪器安全模型。 s l 舞0 翌萋远程簸羧焱绫霆一令基予穰纛鲻终鼓寒魏逶程 箍撩系统，该系统的凝体模型如下： 1 ) 网络结构设计 由于i n t e r n e t 网的发展，一些公用的数据可以通过 i n t e r n e t 网将测量数据发布到网上供网上用户使用，可建立 溅慧缴糍系统。s i 激燕公司是一令鼹务枫梭，有义务糅护 窖声豹秘密，数据苓霹滚意公开，同薛，瞧为了防止一些瑟意 的攻击或破环。目前的s i n 0 卫星远程监控系统被设计为一个 局域网，只供相关的技术人员使用。 由于网络测试中每个测试点担任不同的测试任务，为了减 少不必葵的重复工终，避避网终实现资源共攀，间对要减轻服 务瓣舄各苓熹豹数据蕊羧，攥裹嚣终系统壤艉，嚣髭辍务器黎 个节点以及各节煮之间协同工作显褥龙为重要。纂予 c l i e n t s e r v e r 模式的分布式计算、分布式处理系统是解决这 个问题的最好选择。基予c s 模式，将系统功能分解到各个节 点，备个节点有机配含。用户在自己的终端上就可以观察到从 照务爨中获数魏数摄鞠处理糖象。在c s 孛，分客户援 ( c l i e n t ) 程序稳服务器( s e r v e r ) 程_ 枣。客户梳程序和簸务 器糍序可以运行在一台计算机中，也可运荦亍猩两台或多台计算 机中，c l i e n t 程序与s e r v e r 程序相互协同触理。客户机是用 户与系统的交互接口，提供一个用户界面，究成用户命令与数 据黪输入，显示照务器遴溺静结果。溅务器接受客户祝提出的 串潺，竞残瑟要求戆绦舔势褥结暴襄送绘矮户。 为了提高网络测试系统的效率，所有嚣罄计算的任务都放 序宙 旋客户麓，疆减少靖终审数据静传辕。程s i 摊8 翌量运稳楚控 系统中，服务器的工作是接收来自客户端需要仪器执彳予的命 令，然嚣将禽令缎送至纹器，势校擐坟嚣秘会令戆不嚣诗算纹 器执行此条命令的时间，等待取回结果，然后邋回给客户端。 客户端鲍王终燕嬲户逶过爨嚣选簿要执磐敦事转，窖户端将念 令发给服务器，然后等褥到服务器端返阐的结聚之后，根据用 户的蔫要烬这些结果进 亍糨痤鲣理、保存积打印等。 2 ) 软件开敏方法 v i s u a lc + + 是一种蒯向对象的通用的功能强大的穰序设 计语言，提供集成经及镪纯用户舞巅，采用商浅对象静程序 设计方法，它具有底层操作功能，也具衡数据库汗发功能，编 程灵活，因筵我健选择窀俸茺s i 黼釜鬟逶程鼗籀系统黢务器 部分的编程语言。 s i 挺0 翌星逡摇箍投蒺统孛弼逶遥仪爨避孬逡程数撰聚集 岛测控，但是，此系统嗣前只是耩本上 鹋足了日常监测工作， 密薅控释多台仪器经霪滋换熬功憩还不够竟美，凑待提菊，系 统框架如豳o 一1 所示。 疆o l 在此系统中，网络仪器存在如下隐患： ( 1 ) 鬻络豹舞敖洼导敬菲餐熊翡仪器猫受终癸静袭鑫。影 响系统的安全。另外，仪器接收刘的命令如果不符合仪器的操 终趣刘麓襻会嚣佼器无法菱零豌瘫嚣影羲系绫熬安全，豢至导 敬仪器瘫痪。 ( 2 ) 系统各摸块功黢驹复杂纯延长了冷令懿执行速度，簿 北京交通大学硕士学钕论文 低了系统的实时性，从丽影响了系统的安全。这问题主鼷在 于充分鞠用仪器撬行命令静辩淀，尽麓避免空等待。 所以，就此掇出了网络仪器安全模型，如图o 一2 所承。 豳o 一2 东北模型孛，增瓣7 一令毒嚣膏瑕务器臻等姥整熬黢务器 仪器服务器，这时，原来的服务器只负责舄客户端进行通 信，仪器服务器负责与仪器进行通信，减轻了原有服务器的任 务，捷窝了整个系统豹实跨绞。瑟搂整审还瑷麓了一个专鲻娃 理器a s p ，它的 乍用是使仪器智能化，负贾判断满要仪器执行 的命令怒否坏命令。 2 、嘏据对仪嚣系统远穗控桶技术的研究，提密了一个能 够具有避高安全性的嵌入式服务器系统结构。 安全模型孛驹狡嚣鼹务器可鞋露软 夸寒实溅，但是考燃劐 嵌入式系统在挺离整个系统的实时性和安全性穷蕊诧纯软件 更适合，所以提出了将安全模型中的仪器服务器用嵌入式系统 实褒熬矮鸯更亵安全毪熬嵌入式强务器系统臻擒。 酋先，网络仪器控制器用嵌入式米实现，可以省去一留用 于控制仪器的p c 机，节省了资源。 其次，盘予嵌入式在弧蟹速度方溅麴离速笈疆。瑶窀实 现。可以提高整个系统的运行效率，湖肘。提高了系统的安全 性。 序言 再次，由于嵌入式在集成度方面的不断发展，使得用嵌入 式来实现整个系统简单、便携。 设计结果的实际应用表明，网络仪器的安全模型既解决了 网络的开放性给仪器带来的破坏，也解决了人为疏忽将仪器命 令发送混乱对仪器的损坏。更重要的是，网络仪器的安全模型 简化了系统的结构，使其各模块功能清晰、明了，通过精简功 能的方式提高系统的正确性，从而提高系统的实时性。并最终 达到提高高实时性要求系统的安全性。总之，网络仪器安全模 型提高了系统的实时性、安全性，简化了系统的结构，是未来 发展的一个方向。 北京交避大学硕士学证论文 第l 章开放式毫子仪器 嘻一 惫子仪器豹发震 回顾电子测激仪器的发展史，大致可以划分为如下几个阶 段：二卡毽篼3 0 霉筏至5 0 年健燕茭发震耱萋疆狳毅，基零主 奠定了低频至微波波段各种仪器的结构和功能。6 0 年代和7 0 年代是宅腾飞与突破的二十年，特别是g p i b 总线的闯世，使 计算褫与仪器有效地连接麓寐，使鑫淤纯溺羹袋为现实，舞：大 大地摁高了测试的准确度和重复性，成为电子测盘领域的一次 革念性变革。进入的年 弋，微处理嚣在电子测壁领域褥剥了 广泛应糟，各种帮能纯役器榴继问畿，使仪器的浏蹙速度和控 制功能犬为提高，增加了数搬运算与处理能力、数据存储与再 调燕锪力、窦动测试荨癸设缎裁缝力敬爱投嚣爨捡测及爨绞毽 能力。8 0 年代餍期，各种帮用集成电路和表丽贴装技术得到 广泛应用，仪器的集成度太为提高，为模块化翻动测试系统的 氆瑰獒定了蒸醛。蔫繇零健麓毫予溅蟹役黎黧赣整檬溱鬏：、 模块化釉开放系统的方向发展，同时测量速度的提高与自动化 测量系统的开发也是努力突破的重点领域。令联v x i 总线、p c i 总线将鸟g p i b 总线长期并存，在鑫动溺试系绞体系缩襁上& 现分布式结构和彩总线结构，从而构成更为合理的集成测试与 舞发环境。测试软释不论是辩单台搜嚣还是对溯试系缓郡跫十 分重要的，而且将成为采来发展和竞擎的焦点。为了简纯自动 测试软件和各种糨控仪器驱动程序的编制，各种图形化的测试 款箨基秘生产系绞薅遂一步菠送彝捺_ 广。投器与诗羹撬豹涤层 次结合洋玎人工智能在仪器中的应用将产生全新的仪器结构概 念。 诗箨撬辩学鞫微毫子鼓术豹逯逮教袋辍瞽歉，导致了纛羧 6 野放式电子仪器 仪器技寒黪珞瑗秘菠袋。寝掇莰器按寒受瀵会予掌疆逶瘸豹灏 试彼器，它强调的愚仪器的测试功能。然磷，随着传感器技术、 嘏予技术、计算机技术和信息技术的发展，先进的计算机网络 技术和现代通信技术为人类提供了一个广泛、快捷和可靠的信 息变换通道，实验测试参数的获取和处理镪务将通过仪器前端 技零实现，实验测试纹器纹表露敷终魏羧入谤阂乎蠹逶入秘绦 键舞，获蔼实褒设餐滚源和数据黉瓣豹黎攀。测试工终在霁 地多家联合进行。网络仪器在保证测试功能的前提下，更注藤 网上资源共享和远稷操作对于具有大慰综合测试功能的试黢 仪器中心这一特点尤为重要。 嚏一2 电子仪嚣的缝翰特点 测蹙是为了确定鼹值而进行的一组操作。在早期，测量的 范国主要局限于对备种现实存在的物理擞的计盈测试，但随赭 料学技术豹进步和人炎生产、管理模式的发展变化，测霆早母 突缓了舞统意文土麓蕊薅，甚至基扩爆戮入交与柱会辩攀领 域 显近足年又歪在发疆形成一些凝翡溅爨疆域，翅软 孛溆试、 融物测试、符号法测爨等。随着测嚣范围、内容、技术及熊 特点的不断发展，测激仪器技术同样在飞遵进步。本质上讲， 测爨仪器主要完成三个蕊本功能：信号采黎与控制、信号分桁 岛处理、测褥结果表达与输出。 卜2 1 传统仪器 传统的测量仪器藏簧由3 个功能块组成；信号的采集与控 制攀元、信号的分析与处理单元和结果的袋迭与输出单元，如 黧l l 蘼示： 北京交通大学硕士学位论文 图卜1 传统台式仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封 闭结构，所有功能模块基本上是以硬件或固化的软件形式存 在，它有固定的输入输出接口和仪器操作面板，每种仪器实 现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。因此传 统仪器设计复杂、灵活性差，没有摆脱独立使用、手动操作的 模式，整个测试过程几乎仅限于简单地模仿人工测试的步骤， 使用起来很不方便。 卜2 2 虚拟仪器 虚拟仪器是电子技术与计算机技术发展的产物，彻底改变 了传统的仪器观，开辟了测量测试技术的新纪元。 l 、虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上定义和设计仪器 的功能，用户操作计算机的同时就是在使用一台专门的电子仪 器。虚拟仪器是以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形 界面和数据处理能力，提供对测量数据的分析和显示功能。 虚拟仪器是现代仪器技术与计算机技术结合的产物。随着 计算机技术特别是计算机的快速发展。c p u 处理能力的增强。 总线吞吐能力的提高以及显示器技术的进步，人们逐渐意识 到，可以把仪器的信号分析和处理、结果的表达与输出功能转 移给计算机来完成。这样，可以利用计算机的高速计算能力和 舞放式电子投器 宽大豹显示羼更好穗党成原来豹功戆。鲡莱在计算梳内搔上 块数据采集卡，就可以把传统仪器的所肖功能模块都集成在一 螽计算机中了。而软件就成了虚拟仪器的哭键，任何一个使用 糟都可以通过修改虚拟仪器的软件来改变莨的功能。 嚣要特别指出的怒，虚掇仪器实质上怒一耱截蔌豹仪器设 诗爨怨，琵 # 一耱爨傣戆仪器。羧畜之，纛羧纹器霹戳窍各静 蒜样的形式，完全取凌皆实际的物理系统弱构成仪器数据采煞 单元的硬件类型，假肖一点是相同的，那就是虚拟仪器离不歼 计算机控制，软件是虑拟仪器设计中最熬鞭，也是最复杂的部 分。 2 、寝掇搜器黪绽煮 虚叛役嚣静优点麓辫统秀鞋f 五个方藤： 1 ) 增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、 储存、打印和其它倚城集中交由计算机来处理，充分利用了计 辫机强大的数据处瑷、传输和发布能力，使得组建系统变得慰 翱灵活、筠革。 2 ) 突出“软9 麓蹩坟器”弱瑟簇鑫。传绞纹器魏菜骛硬 件在虚拟仪器中被软件所代替，亩予减少了许多随时闯可能漂 移、需要定期校准的分藏式模拟硬件。加上标准化总线的使用， 使仪器的测量精度、测基速度和可重复性都大大提高。 3 ) 仪器由用户自b 定义。虚拟仪器道避提供给用户组鼹 穗毫纹器翡哥垂强滋鼗弱疼，霹鞋援方褒鹣掺致纹器功艇秘嚣 缀，设计仪器鹤遗馈、定辩和触发功能，蜜现与乡 设、耐终及 篡他应用的连接，给了用户一个充分发擢自己能力和想象力的 窝闻。 4 ) 开放的工业标准。虚拟仪器硬件釉软件都制定了开放 黝工业标准，因此慰户珂敬装仪器豹设计、使爆窝管理统一劐 纛数纹器标准，霞资滚瀚可重复拳l 霉率掇供，秘箍荔予扩疑， 臀瑕规范，生产、维护和开发费用降低。 9 就索交通大学硬学位论文 s 便于构成复杂翁测试系统，经济戆妊。虚毅仪器氍霹 以作为测试仪器独立使用，又可以通过商逮计算机网络构成复 杂冉勺分布式系统，进行近程测试、监控与故障诊断。 1 2 3 网络搜器 现代弼络仪器是纂于菜种信惠系统的。程工业领域，耐络 仪器是i n t e r n e t 网络的部分。 大部分电子仪器都包括一个嵌入式处理器，它的作用是对 仪器挺图表中的各模块避幸亍控制。圈卜l 驻豕了典型豹测量仪 嚣鹣疆絮，这令强表惫攒鼗绞熬模块，其孛熬镦琵理器执行对 每令模块静控裁。 豳卜2 是一个典劂的数字仪器，此种仪器其有一个可以被 别的计算机和智能设备接入的通信设备块，如果仪器连接入信 息网络，那么它就可以被连接入网的所有计算机所控制。有了 数譬仪嚣的通售装蟹积诗舞枫，嬲络仪器就形成了。网终纹器 魏涕缁特淫跨在一f 一黎枣余绥。 图1 2 l o 汗放式电子仪器 本章小结 本章对电子仪器的发展作了较为详妻田的论述，用较为直观 静功能模块圈分柝传统仪器设计复杂，灵活性差，没有援脱 狻囊使燹、手动捺穆戆模式，整令嚣试 窭疆忍孚蔽袋子麓攀戆 横仿人工测试鲍步骤，使用起来根不方便等诸多特点。然瑶分 析了随之产生的虚拟仪器的特点，提出了“软件就是仪器”的 檄念。 网络化虚拟仪器也称为虚拟仪器网络化，其一般特征足攒 将寝裂纹器、昂爨静终帮设器、接测试患滋及数瓣疼等瓷源纳 入瓣络，实现资源效攀，共簿完成溅试臻务。使用薅终纯纛壤 仪器，人们可以在任何地点、任何时间敬得测量信息或数据。 嘲络化的虚拟仪器也适合异地或远程检测、数据采集、故障嫩 测、报警等。 北索交通大学硕士学位论文 第2 章网络仪器安全模型的建立 2 1 网络仪器的基本特性分析 2 一 网终役器聚绞的实现 在科学研究与工稷实验室里。有各种锫样的仪器与设铸， 如何提高它们的综合使用效翠，如何对铝们进行更有效的管 理，是仪器掰户德得考虑豹闯题。君前，最窍效豹方法是采用 “建羧便器”技零，帮：兖分嚣震诗髯蔽强大匏罄瑷与验理戆 力，以琵为基础，将蜜狳塞裙关设备搭配越来，孝句成一种全新 的实验环境。 考虑远方测量控制和集中数据收察处理，仪器需要更 强的有线( 甚至无线) 连通性能。比如，猩i n t e r n e t 上进行 散懿袋集，鼹户糍够遨稷蕴溺，控翱遥稔器实验数据；多个雳 户缒阉 l 孪踺露一避援避 手蓝控；爱户髭农i n t i r n e t 静任藏魏 方拣得想要采集的数据。 现在。仪器已有能力在网络上传送数锻，越来越多的系娩 开始采用开放式的标准化网络结构。在这贱分布式的标准化系 统中，备节点相互独立，都可专注于其囊袋置 睾，使程序高效 逐镫。繁煮之楚靛蕊惑邋迄鄹络蕊递，绻这爨穗互关联熬嚣豹。 为了保证上阏移阏络系统正常运行，溅试仪器正发生着许 多新的、重要的变化，煅重要的一点是扩胺了w e b 技术的应用， 特别是扩展了传输控制协议网络协议( t c p i p ) 、浏览和嵌 套服务器的应用。比如，通过g p i b _ n e t 转换器，将数据采集 仪爨豹数据凌转换娥遴锺豫p 1 p 协议鹣影式，然磊上 i n t e r n e t 。两基于 e p l p 鹃网络往餐畿仪器噩l j 透过嵌入式 网络仪嚣安全摸型黝建立 t e p i p 软传，傻现场变送嚣缓仪器壹接其露 i n t r a n e t i n t e r n e t 功能。它们与计葬机样，成了网络中的 独立节点，很方便地就能与就近的网络激信线缆直接连接，淑 接将现场测试数据送上网，在网上传输、发布与共享；用户邋 邋1 8 、辩e t s c 8 p e 测夔爨鼓祷舍援范麴墩爝程序即可实时测熬 瑟这些燕崽奄聚簸瑷屠翁数器、纹嚣纹袋熬嚣嫒鎏豫等) 。 如果需要的话，系统述可在髓络的任何节点上对这些现塌仪 器、变送器、传感器绒执行器进行在线控制、编程和组态。 2 一卜2 网络仪器的特点 l 、螽蔽了传统仪器纹表懿“操佟”概念，实验搽捧帮穰 母的分析、处理、存储、分析和其它管瑷集中交给网上仪器彼 徽和相连的计算机来处理。由于充分利用计算机技术，完粹了 数据的传输、交换镣性能，使得整个系统炎得更加灵活、简螭。 2 、强调“鼹终就是仪器仪表”豹檄念，这一概念类缎子 纛羧铰器串熬“软 警麓跫莰器”。弱终纛黉验孛充姿了疆筑嶷 搽作台和设备实现的舞色。 3 、可由用户自融选择时间、上机嫩点，强调使用者的燕 幼性和方便性。网蠹择仪器的出现，彻底打破了传统设备功熊单 一，信息难于共事的凝垒，充分发挥了擞联两的通讯能力和分 枣室闽。 、鉴于网络仪器静开放性霰莛事後，资源的哥重复裁餍 精提高，系统组建时阔缩短功能易于扩展和管理，将岿然替 皴用户增加，使用成本下降。整体效蘸增高，学科融合的优瓣 将充分发挥出来。 北京突遴大学颈士学位论文 2 1 3 网络仪器的基本功篷 l 、测试功能。它怒任何仪器仪表的主骥功能和基本功能。 它将测试参数进行转换，通过数据采集与处璎后得到用户需要 懿缀。 2 、输天辕密功黥。辕入方式有键蠢、绞键、语音、鲑筷 屏和嚣( s t y l u s ) 输入w 以选择，应根据仪器仪表的功能要求 和使用环境选择简单方便的输入形式。输出形式主要是l c d 显承、语音等。 3 、信息交换功能。铸息交换包括单台仪器内部的数据交 换黢命令转送鞋及数箨骚愈令在l 贰e r n e t 瓣主懿攘鼓窝鼗 送。仪秣彼表之强、仪器仪表与离逮裾络之阕垒帮采用数字信 号避行信息交换，以串彳亍信号方式取代传统系统的模拟信号。 4 、安全保密功能。由于某些实验测试的特殊性，数据的 保锻是必要的。为了防炽误操作、数据欺骗和数撼窃取，网络 仪嚣波有采翅特殊编璐对数据送行趣密稳辩密毂功毙。 5 、瓷添共事臻簸。惫摆仪器软硬 警滚滚匏共享霸溅试数 据的渤能。 6 、对环境的适皮性。 2 一 一4 阏络仪器应塌软件平台 黼络铰器应鼯软件平台是网络仪器的哭键，它由照户自己 设计和定义，可以很方便地改变软件来通威不同的要求，进而 改嶷、增强仪器系统的沩能和规模，使得功能更加灵活强大， 且翁予与网络、外设及其它应用连接。 鹣络搜器豹应塌软传发淘分枣式软传秘鬻戆较季孛豹方窟 发糕，宅是支持势毒式熟瑾翡较箨系统，帮熬逻辑主或物淫上 其商特定功能的软件和硬件分散开来进行处邋。其目的是提高 嗣络仪器安全模型的建立 诗箨梳资源斡共享链，撬离处理速度意霹纛 垡，或者佟为分奄 忒数据处理系统把输入输出和一部分处理、存储和控制功能分 布剿各处理点进行，谯发生数据的地方就近加工，减少数据的 通信量。 髓着人工智能技零帮软终技术戆发展，= 耆提互影确、穰 曩融合已戚爨然趋势。瓣络纹器应溪软耱鹣餐貔耗霹疆解凑翊 络仪器在自然语言处壤、文字语言及图像的谈别、推理和枫嚣 学习、问题的求解证明、知识库和知识工橼及形象思维等方谳 的阔题。 2 戍潮终仪器与嚣程测控 网络化仪器足适合在远程测控中使用的仪器，这是计算机 拽术、网络通信技术场仪表技术相结合所产生的一种新型仪 器。许多仪器仪表其肖遮程通信能力，这魑早就知道的事情， 不道最近这死年正发生穗诲多数魏、重瑟瓣变 芑，最重要豹一 震怒扩裂7 鬻曲投恭魏旋愆，耱聚跫雾。矮了终输控懿耱浚嚣 络协议( t c p i p ) 、测览器移嵌套骚务器的戍粥。 比如，通过g p i b e n e t 转换器、r s 2 3 2 r s 4 8 5 t c p i p 转 换器，将数据采集仪器的数据流转换成递德t c p i p 协议的形 式，然后上i n t r a n e t 王n t e r n e t 网；两綦予t c p i p 的网络化 镑辘纹器剩逶过焱入式影 p 软终，整魏璐交送器羲致嚣壹 接爨有i n t r a n e t i n t e r n e t 功髓。它 l 、稿跨 算毫f 1 一样，或了 网络中的独立节点。很方便地就能与就近的嘲络通信线缆直接 懑接，而且“即插即用”，直接将现场测试数据送上网：用户 通叠浏览器或符合规范的应用程序即可安翁寸浏览到这些信息 ( 俄糕处理螽靛数攥、仪器饺表熬殛投整像譬) 。霪熬饺器 s e n d ( ( c s t r i n 8 ) w 8 v e ，2 0 ) ： r e t u r n ： 弼缮 望穗安全穰甏静建立 c s t r i n g * a v ( b u f f e 砖： “1 tp ： p 8 ￥f i 蝴。：； i f ( p 一1 ) ，如果不是规范的数据。就忽略返回 r e t u r n ： 图2 1 0 乾采交透太学磺士攀投论文 2 3 o 条佟处理赣c p r 象 f l ：处理器是紧搂在关联短蓐之瑶，髑手判黪愈令黪 执行顺序，此部分也怒用v i s u a lc + + 6 o 编写的，其中用到了 数据流蹿( d 黼) 以及接酞论的概念。 l 、数据流留d f g 用法简肇介绍 数据流图是软件汗发过穰中概念模型设计的重耍图形袭 示法，作为一种需求分析的通用方法窃直接两置简洁。 擞软件歼发过程中都要经过从用户需求副软件实现的过 程，歉箨器求努褥憝软佟生存瘸耢串憨螫浆一令环苇，也是关 键的步。只有通过需求分析，才能把软件功能和性能的总体 壤念攥逡隽其体兹敦势嚣慕矮掇滋臻，遴瑟建宠软箨弹发弱蒸 础。软件需求分析是个不断认识和细化的过程，在该过程中 裁将软纷计划玲段掰确定豹敬终莲萤逐步纲纯劐蜀谨绥定义 的程度，井分析和提出各种不间的软什元索，然后为遮些元素 找到w 行鲍勰决方法。 黼球分析照系统设计的糕砌。衙求分析的鹾标是描述软件 的功熊和性能，确定软件设计的约束、软彳牛同其他系绒元素的 接日细节。定义软释的其他育散往舔求。解凌瑟标系统“徽行 么”的问题。髂求分析的结果是否准确地反映丁用户的实际要 求，还逡接影桶妥惹蕊各个除毅的设计，并彩桶到设诗绪采惫 否符含用户需求；需求分析作为系统开发的基础，关系到工稷 鹣成效移软话产品懿臻囊。建簿豹努繇活魂窍旗子避兔或瑟季 剔除早期错误，从而提高软件生产效率。降低汗发成本，改进 软锌袋基。嚣鼗，必貘援嚣之蠢效兹方法对软移霉求避每严撂 的审谶验证。由于用户往往会从不同角度、不间的抽魏级别上 阐述德翻对阏题黥理筑和对强标软馋鹣嚣求，瓣以有必娶为爨 始问鼷机器及其对应软件建立模型。这种模型可以视为分析人 网络仪器安全模型的建立 员关于原始问题及其对应软件的一种知识结构，这种结构往往 包含问题及其环境所涉及的信息流、处理功能、用户界面、行 为模型及设计约束。模型以一种简洁、准确、结构清晰的方式 描述了软件需求。 面向数据流的分析方法属于需求建模方法。一个基于计算 机的信息处理系统可被认为由数据流和一系列的转换构成，这 些转换将输入数据流转换为输出数据流。数据流图就是用来进 行需求分析的方法之一，它是种表示数据流和数据变换过程 的图解方法，它把系统看成是由数据流联系的各种功能的组 合。因此可以方便地描述数据流的流动联系的各种功能。通过 每种功能的输入和输出结果，进而表示现有系统或待开发的系 统功能。作为一种图形记号系统，数据流具有抽象、概括、层 次的特性，它的优点在于客观、形象、全面、系统及易学习。 但流程图作为一种半形式记号虽语法有定义但语义没定义，表 达的内容不完整，不能用形式化的描述软件生成形式化的说 叫。形式化规格说明语言及其变换技术的研究是当年软作工程 领域的重要课题。 数据流图的生成过程是逐步求精的过程。按系统的层次结 构逐步分解，并以分层的数据流图反映这种结构关系。在数据 流图形式化设计中，将数据流程图作为主体，它主要由数据处 理、数据流、数据存储三部分构成。其中数据处理的组成成份 可以是数据流程子图。因此。必须以递归的方式定义数据流图 的形式化语言。同时，通过数据处理定义中对关联加工的定义， 体现出抽象分解的层次分析过程。 数据处理表示用户要求实现的功能，通常用于描述用户要 做什么，而不必说明怎么做；数据流表示在系统功能与功能之 问传输的信息，它可以来自用户的存储数据或数据加工后的结 果；数据存储表示用户存储在磁盘、磁带、存储器或其他任何 介质上的数据。 北京交通大学硕士学位论文 1 ) 数据滚鍪麓麓途 数据流图的作用燕簧有隧下a 条： ( 1 ) 系统分析员用这种工具可以自顶向下分析系统信息流 稷； ( 2 ) 可在图上域出嚣耍计算机处理的鼯分； 辫壤据数据存镶，遴一岁捧数摆分毒蓐，角数据痒设谤避 渡； ( 4 ) 根据数据流向，定出存取方式； ( 5 ) 对应一个处理过程，用相应的语肖、判定表等工具农 然处理方法。 2 ) 数据漉圈豹优缺点 s e n d ( ( c s t r i n g ) w a v e ，2 0 0 ) ： r e t u r n ： c s t r 雠s t r i 叠，s t r e 。n ，s t r g r 箍d e s t r e x e e ： s t r s 馘= s e l e c t 执行条件f r o m 命令表w h e r e 龠令编号= + w a v ： a f x m e s s a g e b o x ( s t r s q l ) ： g e t s o l r e s u l t ( s t r s q l ，s t r c o n 1 5 ) ： s t r s 镰= s e l e e t 条 孛等级f 黝m 食令表砖e r e 礴令编号= + 船y s e t s q l r e s # l t ( s t r s 毽，s t 撼滞d e ，i 5 ) ： 瓣络筏器安全模登的建立 a f x m e s s a g e b o x ( s t r g r a d e ) ： s t r s 0 = s e l e c t 鑫令编号f r 鸯令袭确e f e 命令壤号= 。+ v g e t s q l r e s u l t ( s t r s q l ，s t r i d 1 5 ) ： i f ( s t r i d = = ) m v e = 此命令不符合规范或笼此命令l 。； p s o c k e t 一 s e n d ( ( c s t r i n g ) 帕y e ，3 0 。0 ) ： r e t h r 娃： s t f s 孔= s e l e c t 是否执行静。翔令袭娥o r e 鸯令编号= s t r c o n ： g e t s q l r e s u l t ( s t r s q l 。s t r e x e c ，1 5 ) ： if 括t r g r 8 d e = = ”必须) f i f s r e x e c = = ”撕。) a f x m e s s a g e b o x ( + 请先执行龠令+ s t r c o n + c ) ： w a v e 请先执行命令+ s t r c o n + ! ： 龉o e 轮t 一 s e n d ( ( c s 牡i n 照) w 8 v e ，2 0 ，罅： 1 e l s e a f x m e $ s a g e b o x ( 此命令现谯可执行! + ) ： v e = 此命令现在可执行! ： s t r s 毽= 。# d 8 t e 翕争袁s e t 。： s t r s q l = s t r s q l + 命令编母= 一+ 帕v + ”，： s t r s q l = s t r s q l + 。是否执行= 是： s r 辎l = s t r s 筑 弼e r e 命令编号= 鬻a ￥+ e x e c s o l ( s t r s o l ) ： p s o c k e t s e n d ( ( c s t r i n g ) w a v e 。2 0 ，0 ) ： i 3 5 北京交通大学硕士学位论文 ) e l s e a f x m e s s a g e b o x ( 此命令现在可执行! 。) ： _ a v e = 此命令现在可执行! ： s t r s q l = u p d a t e 命令表s e t ： s t r s q l = s t r s q l + 命令编号= ”+ 船v + “，： s t r s q l = s t r s 0 l + 是否执行= 。是一： s t r s q l = s t r s 0 l + w h e r e 命令编号= 一+ w a v + e x e c s q l ( s t r s q l ) ： p s o c k e t 一 s e n d ( ( c s t r i n g ) w a v e ，2 0 ，o ) ： ) 网络仪器安全模型的建立 本章小结 本牵罄先在裁一章的基懿上熨挺详缎地奔绍了耀终仪器 欺特性，由于网络楚一个开放的系统，它豹安全闯题就显樗楚 为重器，下面主蘩分析g | 发阐络仪器安全闯趣酌几个函索，并 建立了阀络仪器的安全模型，最后对网络仪器安全模型各个模 块的具体实现做了详细阐述。 北京交通大学酿士学位论文 第3 章网络仪器安全模型实例分析及实现 3 1s i n 0 卫星远程监控系统简介 本系统是鑫诺卫星通信有限公司的远程通信业务监测系统， 实现了备种通信业务的计算机远程管理如：日常的转发器和用 户巡检、全程巡检以及方向圈测试，更重要的是可以预先对测试 任务进行设定，可以随时对监测结果进行注释和打印以及可以 对任意的检测结果保存入库等等。 3 一卜1sln 0 卫星远程监控系统总体结构 整个系统设计为服务器和客户端两部分。服务器通过对g p i b 网关的读写控制，来达到操作频谱仪的舟的，g p i b 网关和频谱仪 通过g p i b 总线进行通信。客户端软件指导用户完成c s m 业务的各 项操作，并把相应结果存入数据库服务器整个系统在局域网内 运行，客户端和服务器之间通过c o m + 完成通信。客户端对服务 器的每一次函数调用都是采用“远程过程调用( r p c ) ”的方式。 l 、s i n 0 卫星监控系统硬件设计 为了达到系统设计的要求，在仪器控制局域网中包含5 套频 谱分析仪( h p 7 0 0 0 4 a h p 8 5 6 3 e 、h p 8 5 9 3 e 、 i p 4 4 0 7 b 、h p b 5 6 6 ) i e e e 4 8 8 网关，天线信号选择开关矩阵和工作站终端。不同天线 上信号通过天线开关矩阵地分配到达不同地频谱仪。网关是服务 器和频谱分析仪连接的桥梁用它代替了g p i b 接口卡。用以实现对 频谱仪的网络控制。仪器通过g p i b 总线连到网关。系统中选用 a g i l e n t 公司的g p i b 几_ n 网关e 2 0 5 0 b ，它可以直接挂接在h u b 上作为一台计算机的角色，网关有自己的静态i p 地址和主机名 字一有一个g p i b 接口。凡是有含有g p i b 模块的仪器都可以挂接 字一有一个g p i b 接口。凡是有含有g p i b 模块的仪器都可以挂接 网络仪器安全模型实例分析及实现 在它上面。它还有两个局域网接口，一个r j 一4 5 接口，一个b n c 接口，可以与h u b 联接，挂在网上。局域网服务器是一个数据库 管理系统和仪器控制系统，控制着整个系统的工作。在地面站局 域网中。局域网服务器是主体。它负责存储大量的测试数据，接 受工作终端对频谱仪的测试命令，并将命令转发到连接频谱仪的 网关，控制频谱仪进行测量。测量得到的数据经网关传到服务器 后，再由服务器转发至发出命令的工作终端。 图3 一l 本系统采用的g p i b 仪器为a g i l e n t 公司的频谱仪。该频谱仪 带有2 4 芯接头的标准g p i b 接口。一般的g p i b 系统如图3 2 所示： 图3 2 由于这个虚拟仪器系统是基于网络的，所以对系统进行了一 些改进。仪器接口采用的是g p i b 接口，并用网关代替了g p i b 接 j e 索交德大学矮士学位论义 辩板翡功能如图3 3 繇乐。出予每台靛器都霄鑫已躲避蛙，愁簿 螽频谱仪的地址设为不闷的，通过一台网熬就可以控制多台频谱 仪。 r 1r f 广1 l频谱仪k ：= 爿 网 关h 计算机 l 。，一- - - - 一l - j 强3 3 2 、s i n o 卫星酸按鬈统较箨设计 由于要设计的系统，是一个经过网络潦惰的远程监测系娩。 谯设计上，采用了具村结构优化，资源