（计算机应用技术专业论文）基于虚拟仪器的网络测控系统研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 ：兰兰宝兰兰兰兰兰宴呈呈= 萎詈= = ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! 苎! ! ! ! 竺i i ! i 。 摘要 随着人们认识水平的提高和科学技术的迅速发展，作为工业、农业、国防、医学和 气象等许多领域的一项非常重要的技术即测控技术，正在逐渐被人们所认识和重视。 在测控领域，监测技术、计算机技术与通信技术的紧密结合使计算机网络得以迅速普 及和发展。在现场设备分布广泛或数据不易采集的场合，要能够及时地监视设备的运 行状态并进行有效控制，这就是网络测控技术在工农业生产上的要求。论文在对网络 测控理论研究的基础上，利用虚拟仪器技术、网络技术及通信技术制定了网络测控系 统的技术方案。论文主要完成了基于虚拟仪器的网络测控系统的构架和技术方案设计， 给出了网络测控系统中数据采集与网络通信处理的测控软件设计，利用本地计算机通 过网络系统，对远端现场系统进行监视与控制，围绕此内容主要完成了以下工作： 1 研究了系统网络结构的选型，对b s 和c s 两种模式进行了比较分析，提出了 一套基于c s 模式的系统方案设计。论文给出了系统构建的原理，它由现场测控系统， 数据存储与转发子系统和客户端数据接收与命令发送子系统三大部分组成。 2 对远程数据采集进行了方案设计与实现，分析、设计并以实例实现了网络测控 的几种关键技术，其中所有实例均已通过本文作者在本文采用的平台上进行调试并能 正常运行。 3 在结合网络通信理论与虚拟仪器理论分析的基础上，对系统的网络传输流程进 行了设计，并在实际例子应用中采用l a b v i e w 进行了软件编程实现。 4 对网络测控系统的实时性、可靠性及故障诊断进行了研究，分别提出了几种提 高实时性与可靠性的措施：采用p d d a 算法来对网络测控系统中的故障诊断进行分析， 并通过仿真实验证明了采用此算法能很好的提高系统中故障诊断的效率。 5 用温室远程监测的实例来验证系统构架的可行性、实用性和可靠性。 基于虚拟仪器技术设计的系统与传统仪器相比，功能更强、系统的集成度更高、测 控更加灵活，操作更加简单，技术更新周期短，其健壮性、可移植性更好。系统可以 充分利用计算机的运算、存储和显示功能，方便地组建测控系统以将其应用到所需领 域，推动社会迅速向前发展。 关键词：网络测控，c s ，虚拟仪器，l a b v i e w , d a t a s o c k e t 桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s e dl e v e lo fa w a r e n e s sa n do fr a p i ds c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n t ，av e r yi m p o r t a n tt e c h n o l o g ya si n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，n a t i o n a ld e f e n s e ，m e d i c a l a n dw e a t h e rf i e l d sa n ds oo ni sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , h a sg r a d u a l l yb e i n g r e c o g n i z e da n dv a l u e d i nt h ea r e ao fc o n t r o l ，m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e st ot h ec l o s ei n t e g r a t i o nm a k et h ec o m p u t e rn e t w o r k si s s p r e a d i n ga n dd e v e l o p i n gq u i c k l y i nt h es i t u a t i o no fe q u i p m e n t sd i s t r i b u t e dw i d e l ya n dd a t a a c q u i s i t i o nd i f h c u l tt h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi sn e e d e dt om o n i t o ra n d c o n t r o l l eo p e r a t i n gs t a t eo fe q u i p m e n ti nt i m e b a s e do nt h es t u d yo ft h et h e o r yo ft h e n e t w o r km o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，t h ep a p e ru s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , n e t w o r k t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g i e sd e v e l o pan e t w o r km o n i t o t i n ga n dc o n t r o l s y s t e mt e c h n o l o g yp r o g r a m s 们1 ep a p e rh a sm a i n l yc o m p l e t e d an e t w o r k - b a s e dv i r t u a l i n s t r u m e n tm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r ed e s i g na n dt e c h n o l o g yp r o g r a m s a n dg i v e nt h en e t w o r km o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e md a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g n ，t h r o u g ht h eu s eo ft h e l o c a lc o m p u t e rn e t w o r ks y s t e m s r e m o t es i t es y s t e mi sm o n i t o r e da n dc o n t r o l l e d t l i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gi s s u e s ： 、t h en e t w o r ks t r u c t u r eo ft h es e l e c t i o no fb | sa n dc st w om o d e l sw e r ec o m p a r e d d e v e l o p i n gas e to fc ss y s t e md e s i g n mp a p e rp r e s e n t st h ep r i n c i p l eo ft h es y s t e m ， w h i c hi sc o m p o s e do ft h r e em a j o rc o m p o n e n t sl i k et h es c e n em o n i t o r i n gs y s t e m s a n dd a t a s t o r a g es u b s y s t e m sa n dt r a n s m i t ，a n dc l i e n td a t ar e c e i v i n ga n ds e n d i n go r d e r ss u b s y s t e m s 2 刖p a p e rs t u d i e sl a b v i e wg r a p h i c a lp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n ta n dt h e d e v e l o p m e n to fv i r t u a l i n s t r u m e n t t h er e l e v a n tl a b v i e w s o r w a r cd e s i g n si nt h es y s t e ma r e g i v e n d e v e l o p i n gp r o g r a md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o rt h er e m o t ed a t aa c q u i s i t i o n ；t h e p a p e rg i v e st h ea n a l y s i sa n ds u m m a r yo fs e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e sa b o u tt h en e t w o r k m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lb ys e t t i n ge x a m p l e s ，w h i c hh a v eb e e nd e b u g g e da n dr u nb ya d o p t i n g t h ep l a f f o n nu s e di nt h i sp a p e rb yt h ea u t h o ro ft h i sa r t i c l e 3 o nt h eb a s i so fc o n j u n c t i o nw i t hn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt h e o r ya n dv i r t u a l i n s t r u m e n t st h e o r e t i c a la n a l y s i s 。d e s i g np r o c e s so ft h en e t w o r kt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n d d e v e l o pt h ep r a c t i c a le x a m p l e so fa p p l i c a t i o n su s i n gl a b v i e w f o rs o f t w a r ep r o g r a m m i n g 4 t h er e a l - t i m en e t w o r km o n i t o t i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，r e l i a b i l i t ya n df a u l td i a g n o s i s h a v eb e e ns t u d i e d ，m a k es o m em e a s u r e so fr e a l - t i m ea n dr e l i a b i l i t y ；p d d aa l g o r i t h mh a s b e e na d o p t e dt oa n a l y s et h ef a u l td i a g n o s i so ft h es y s t e m ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ea l g o r i t h mc a l lb eu s e dt oi m p r o v et h es y s t e mi ng o o df a u l td i a g n o s i se f f i c i e n c y 5 a tl a s t , t h ep a p e rp r o v e st h es y s t e mf e a s i b i l i t y , p r a c t i c a l i t ya n dr e l i a b i l i t yt h r o u g ha s a m p l e t h es y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l e q u i p m e n t ，c h a r a c t e r i z e s 丽mm o r ef u n c t i o n s ，h i g h e rs y s t e mi n t e g r a t i o n ，m o r ef l e x i b l e t e s t i n g ，f r i e n d l i e ri n t e r f a c e ，s h o r t e rc y c l eo ft e c h n o l o g yu p d a t e ，b e t t e re x p a n d a b i l i t y v ii s b a s e do np cp l a t f o r m ，w h i c hn o to n l ym a k ei tc o n v e n i e n tt ou s et h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e i i 桂林工学院硕士学位论文 r e s o u r c eo fp cb u ta l s og e ta b i l i t yo fd a t ap r o c e s s i n gf l e x i b l e i tc a l lb em o r ec o n v e n i e n tt o e s t a b l i s hat e s t i n gs y s t e mf o rr e q u i r e df i e l d s ，p r o m o t i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to f s o c i e t y k e y w o r d s ：n e t w o r km o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，c s ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w ，d a t a s o c k e i i i 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在陆绮荣副教授指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说 明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：丝篮蕴 签字日期： 趔笠：6 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校 要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存 论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在 解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期： 籀铡兹 桂林工学院硕士学位论文 1 1 网络测控系统概述 第l 章引言 网络测控系统由两大部分组成：一部分是组成系统的各基本单元、测控仪器、测 控模块和计算机；一部分是连接基本单元形成系统的传输介质通信网络。系统以 网络为基础，将仪器设备挂接在网络上，进行实时数据采集，实时数据传输，实现资 源共享，协调工作，共同完成测控任务。在测控系统中，c p u 除了完成本测试与控制功 能外，还要完成网络通信功能，在一个通信网络中，各单元应配置执行网络协议的相 应软件【1 1 。， 网络测控是建立在现代的计算机技术、通信技术、控制技术以及虚拟仪器技术上 的一个新的应用。网络测控的测试点与控制中心分别位于两地，打破了地域的界限， 需要通过网络来连接传递信息口1 。它采用多元的信息传输、控制、管理和一体化的集成 技术，实现了信息、资源和任务的共享，达到了测控的实时、快速和有效，并能够跟 其它的计算机网络系统互连，向人们提供了一个更高效、更全面、更安全、更快捷的 服务模式，改变了传统的测控模式。 随着测控技术、计算机技术和通信技术的高速发展与广泛应用，网络测控技术受 到广泛关注，这必将使网络时代的测控仪器和测控技术产生革命性变化。“网络就是仪 器 3 1 确切地概括了测控与仪器的网络化发展趋势。目前，遍布全球的i n t e r n e t 网使 信道容量不断扩大，网络速度不再成为网络应用的障碍。充分利用网络设施进行网络 测控，既能降低组建系统的费用，又能实现测控设备与测控信息的共享。在网络上进 行测控与数据采集，可以不必亲自到达现场，就可以远程监测或控制过程和实验数据。 这样，不但节约了人力物力，而且实时性好。网络测控使测控跨越了空间和时间的界 限，与传统仪器和测控系统相比。这是一个质的飞跃。因此，网络测控技术的深入研 究和广泛应用具有重要的理论意义和巨大的实用价值。 1 2 国内外研究现状、水平和发展趋势 当前，n i 与中国西部的两所著名高等学府；中国电子科技大学和重庆大学达成了 长期合作的意向，向两校提供产品和支持，合作建立虚拟仪器实验室，共同推动虚拟 仪器技术在院校的应用。仪器驱动器驻留在计算机中，是连接计算机和仪器的桥梁和 纽带。采用驱动器可以使计算机有能力控制物理仪器设备，随着v x i 、p x i 等标准总线 的出现，开创了测试系统发展的崭新空间虚拟仪器【7 1 。虚拟仪器代表着从传统硬件 为主的测试系统到以软件为中心的测试系统的根本性转变，我国在虚拟仪器驱动器研 l 桂林工学院硕士学位论文 究方面取得了一定的进展【4 j ：成都电子科技大学开发出了具有自主知识产权的v i s a 库； 哈尔滨工业大学电气工程系开发的虚拟仪器软件开发平台a t s 9 5 可以实现对v x i 、 g p i b 等总线接口的控制；成都市在对p a w s 平台研究的同时也对面向信号的驱动器设计 和平台开发做了一定研究等等。我国对分布式网络测控系统的现场应用研究取得了一 些重要成果，如华中科技大学，在网络环境下，以工业测控技术为研究方向，提出了可 重构虚拟仪器，事重构测量装备等理论研究方向，承担了自然科学基金项目“面向制 造业的可重构测试系统设计理论”，“开放式数控装备的远程操作，监控与诊断技术 研究”和教育部新世纪网络课程建设工程项目“工程测试网络课件 等国家级项目。 虚拟仪器己在科研开发、计检、超大规模集成电路测试、电力电子器件测试以及 军事、航天、生物医学、电工技术领域等可移动现场测试工作中得到应用，且应用领 - 域还将不断拓宽。但由于我国介入虚拟仪器研究比较晚，在硬件模拟方面没有自己上 规模、成系列的产品，导致了测试软件没有全面发展，很多关键技术仍处于起步阶段， 在驱动器设计方面没有自己知识产权的技术规范和相关产品，仍需要很长的路要走【5 1 。 国外已有多种嵌入式的t c p i p 芯片( 如美国s e i k oi n s t r u m e n t s 公司生产i c h i p $ 7 6 0 0 a 芯片) ，它们可直接用作网络接口，实现嵌入式i n t e r n e t 的网络化仪器。直接 在智能传感器上实现t c p i p ，其典型代表是h p 公司设计的一个测量流量的信息传感器 模型。通过公共的t c p i p 转接口与i n t e r n e t 相连，其典型代表是美国国家仪器公司 的g p i b - e n e t 控制器模块，它包含一个1 6 位微处理器和一个可以将数据流的g p i b 格 式与e t h e r n e t 格式相互转换的软件，将这个控制器模块安装上传感器或数据采集仪器， 就可以和i n t e r n e t 互通了 1 3 本课题研究的主要内容 网络测控系统要求实时的完成数据的采集、传输、处理、计算，把测控服务器发 出的信号、数据、指令等发送给客户端，客户端接收到测控服务器传来的信息后作出 相应的反映，并且将客户端上要反馈的信息，返回给测控服务器做出相应处理，以达 到对远程测控对像进行智能监控。 本课题研究的主要内容如下： 1 应用虚拟仪器技术、网络技术、数据通信技术构建整个系统，对系统的整体进 行规划，合理划分各部分的功能模块，避免各个模块之间的关联，有利于增强系统整 体的健壮性、扩展性及可维护性。 2 对计算机网络的发展模式进行分析，对比c s 和b i s 两种结构的异同，采用c s 模式来构造网络测控系统。 3 对基于虚拟仪器的网络测控方案中所涉及到的关键技术进行研究。 4 对系统的安全性与远程虚拟仪器控制进行研究。 2 桂林工学院硕士学位论文 5 网络测控系统的具体应用设计与实现。 1 4 本课题研究的目的和意义 2 0 世纪8 0 年代中期，虚拟仪器概念的出现掀起了测控领域的浪潮。虚拟仪器由于 性价比、开放性等优势迅速成为了测控仪器新的经济增长点，从而利用成熟的软件技 术推动了虚拟仪器的快速发展。随着网络技术猛进式的发展，其已经应用到各行各业 中，但在测控领域，随着测控对像越来越复杂，测控范围越来越广，这就需要用虚拟仪器 网络测控来解决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 设置故障诊断、远程监控等具体问题。基于虚拟仪器的网络测控系统的开发是测控领 域发展的重要方向，具有极大的市场潜力和应用前景，将给社会带来极大的效益。， 1 5 虚拟仪器 1 5 1 虚拟仪器的概念和特点 虚拟仪器【8 l ( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 概念是由美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n tc o r p 简称n i ) 于1 9 8 6 年提出的，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 种由计算机操纵的模块化仪器系统。这种系统不但让您感受到普通p c 机不断发展的性 能，还可体会到完全自定义的测量和自动化系统功能的灵活性，最终构建起满足特定 需要的系统。 虚拟仪器将传统仪器由硬件实现数据分析处理与显示功能，改变为由功能强大的 p c 计算机及其显示器来完成，配置各种i p o 接口设备，再编制具有不同功能的软件对 采集来的信号数据进行分析处理及显示，从而实质上是构成了一个计算机仪器系统。其 特点如下： 1 ) 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。 2 ) 虚拟仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义的，而不是由厂家来定义好 的。 3 ) 仪器性能改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不再需要购买新仪 器。 4 ) 与传统仪器相比较，研制周期可以大大缩短。 5 ) 虚拟仪器开放、灵活，可以与网络及外围设备互连。 3 桂林工学院硕士学位论文 1 5 2 虚拟仪器系统构成 虚拟仪器系统由硬件与软件两大部分构成【4 】【9 】。虚拟仪器体系结构如图1 1 所示。 珊博辫 1 5 3 虚拟仪器硬件系统介绍 图1 1 虚拟仪器体系结构 虚拟仪器硬件通常包括通用计算机和外围硬件设备。通用计算机可以是笔记本电 脑、台式计算机或工作站等。外围硬件设备可以选择g p i b 系统、v x i 系统、p x i 系统、 数据采集系统或其他系统，也可以选择由两种或两种以上的系统构成的混合系统。其 中，最简单、最廉价的形式是采用基于i s a 或p c i 总线的数据采集卡，或基于r s - 2 3 2 或u s b 总线的便携式数据采集模块 3 1 。虚拟仪器系统的构成通常有五种方式，如图1 - 2 所示。 图1 2 虚拟仪器的构成 1 p c d a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) 数据采集，指的是基于计算机标准总线( 如i s a 、 p c i 、p c 1 0 4 等) 的内置功能插卡。它更加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。利用d a q 可方便快速地组建基于计算机的仪器 ( c o m p u t e r b a s e di n s t r u m e n t s ) ，实现“一机多型”和“一机多用。在性能上，随 着a d 转换技术、仪器放大技术、抗混叠滤波技术与信号调理技术的迅速发展，d a q 的 采样速率已达到i g s a s ，精度高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结合数字i o ， 4 桂林工学院硕士学位论文 模拟i o 、计数器定时器等通道。在计算机上挂接若干d a q 功能模块，配合相应的软 件，就可以构成一台具有若干功能的p c 仪器。 虚拟仪器系统由被测对象、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。 2 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 ) 通用接口总线，是计算机和仪器间的 标准通讯协议，是目前使用最为广泛的仪器接口，i e e e4 8 8 2 标准使基于g p i b 的计算 机测试系统进入了一个新的发展阶段。g p i b 总线的出现，提高了仪器设备的性能指标。 莉用计算机对带有g p i b 接口的仪器实现操作和控制，可实现系统的自动校准、自诊断 等要求，从而提高了测量精度，便于将多台带有g p i b 接口的仪器组合起来，形成较大 的自动测试系统，高效地完成各种不同的测试任务，而且组建和拆散灵活，使用方便。 3 v x i ( 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 ) 是v m e 总线在仪器领域的扩 展，由主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总线标准。它集成度高、数据传输快、 便携性好，使备受关注的体系结构，但v x i 的价格相对较高，适合于尖端的测试领域。 4 p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u i i l e n t a t i o n ) 是p c i 在仪器领域的扩展，是n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。p x i 增加了用于多板同 步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速 通信的局部总线等，来满足试验和测量用户的要求。 1 5 4 虚拟仪器软件系统介绍 虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬软件资源，使本来需要硬件实 现的技术软件化( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性。 虚拟仪器的软件框架从低层到顶层，包括四部分：i o 接口软件、仪器驱动程序、仪 器开发软件、系统管理软件【7 l 。虚拟仪器软件结构如图1 3 所示。 i o 接口软件：i o 接口是系统正常工作不可或缺的重要一环，主要实现以下三方 面的功能：( 1 ) 速度的匹配；( 2 ) 信息格式的变换，包括串并转换，a d 、d a 转换，电 平转换等；( 3 ) 提供主机和外设间数据所必须的状态和控制信息。在虚拟仪器系统中， 硬件接口软件驱动化，已经经历了v i s a 和i v i 两种规范。 仪器驱动程序：驱动程序( d r i v e r ) 是一种将硬件与操作系统相互连接的软件。现 在常用的操作系统，如w i n d o w s2 0 0 0 都带有庞大的整套驱动程序，以支持常见的硬 件，如主板、控制芯片、网卡、声卡、显示芯片、u s b 或火线控制器等。硬件驱动程 序随着硬件不同，功能也有差别。有些部件需要驱动程序才能正常运作，而另一些部 5 桂林工学院硕士学位论文 件需要依靠驱动程序来完全实现它们的性能和技术指标。通常仪器厂商会以源码的形 式提供给用户。 系统管理软件 仪器开发软件 l 虚拟仪器驱动程序 l 仪器驱动程序 图1 3 虚拟仪器的软件结构 仪器开发软件：仪器开发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。 仪器管理软件：仪器管理软件负责提供直观友好的管理菜单、丰富的管理功能， 完成系统管理、文件管理、数据管理和虚拟仪器库的管理等任务。 虚拟仪器软件的编写，大致可分为两种方式： 1 用通用编程软件进行编写。主要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 与v i s u a l c + + 、b o r l a n d 公司的d e l p h i 、s y b a s e 公司的p o w e r b u i l d e r ； 2 用专业图形化编程软件进行开发。如h p 公司的v e e 、n i 公司的l a b v i e w 和 l a bw i n d o w s c v l 等。 1 5 5 虚拟仪器与传统仪器的比较 基于软件的虚拟仪器和传统仪器具有许多相同的结构组件，但是在体系结构原理上 完全不同，如图1 4 所示。 6 桂林工学院硕士学位论文 图i 4 传统仪器( 左图) ，虚拟仪器( 右图) 虚拟仪器和传统仪器相比有很多优势，参见表1 1 ，由表中可见，虚拟仪器具有传统仪 器无法比拟的优点，从而成为仪器未来发展的趋势。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 用户定义仪器功能功能由仪器厂商定义 全汉化图形界面，计算机读数、信息处理 图形界面小，人工读数、信息量小 面向应用的系统结构，可方便与网络外设等连接与其它仪器设备连接十分有限 技术更新周期短技术更新周期长( 5 1 0 年) 软件是关键部分硬件是关键部分 价格低廉，资源可重复利用价格昂贵，系统封闭，功能固定，扩展性差 1 5 6 虚拟仪器发展趋势 虚拟仪器技术日趋成熟，随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测 控仪器已经在各行各业得到广泛的应用。虚拟仪器技术不断得到发展，软件编程上实 现了面向工程的图形化而非程序代码的编程方式，即图形化编程。软件领域技术把任 何用户构建虚拟仪器需要知道的知识封装起来，使人们认识到虚拟仪器软件框架是数 据采集和仪器控制实现自动测试与网络测控的关键。 至今，随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将朝着以 下两个方向发展l o j 。 一是p x i 型高精度集成虚拟仪器测试系统。p x i 系统高度的可扩展性和良好的兼容 性，比v x i 系统具有更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚 拟仪器平台。 二网络化虚拟仪器。n i 等公司已经开发了通过w e b 浏览器观测嵌入式仪器设备的 产品，使人们可以通过i n t e r n e t 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便地 将虚拟仪器组成计算机网络。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、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。因此， 网络化虚拟仪器将倍受测控领域欢迎，具有广泛的应用前景。 7 桂林工学院硕士学位论文 1 6 系统涉及的相关体系结构与工作原理 1 6 1 网络体系结构 按照层次结构思想，对计算机网络模块化研究形成的一组从上到下单向的依赖关 系称为协议栈，也叫协议族。t c p i p ( 传输控制协议网际协议，t r a n s f e rc o n t r o l p r o t o c 0 1 i n 乞e r n e tp r o t o c 0 1 ) 实际上是进行网络传输的一组协议( 协议族) t t t l 。它 是至今为止最广泛使用的网络通信协议，被用于当今最大的开放式网络系统i n t e r n e t 上。它最初是为满足军事需要而设计的。直到今天其原有标准，如：开放性、抗毁性 和可靠性等依然是我们进行网络设计与开发所强调的。这些特性包括可靠传输数据、 自动检测和避免网络发生错误的能力，更重要的是t c p i p 是一个开放式通信协议，开 放性意味着在任何空间，不管这些设备的物理特性有多大差异，都可以进行通讯。开 放式通讯的关键在于理解所有两端系统相互之间通信和共享数据所必需的功能，这些 必需的功能以及建立它们时必须发生的先后顺序是开放式通信的基础，只有两端系统 对如何通信达成一致，它们才能通信。 1 6 2o s i 体系结构及协议 o s i 参考模型包括七层功能及其对应的协议，每层完成一个明确定义的功能集合， 并按协议相互通信【1 2 1 ，每层向上层提供所需的服务，在完成本层协议时使用下层提供 的服务。各层功能是相互独立的，层间的相互作用通过层接口实现。只要保证层接口 不变，任何一层实现技术的变更均不影响其余各层。其层次模型如表1 2 所示。 表1 2o s i 层次模型 该模型各层次描述如下： 8 桂林工学院硕士学位论文 ( 1 ) 物理层 该层处于o s i 模型的最底层，是整个开放系统模型的基础。其任务是实现网内两 实体间物理连接，按位串行传输比特流，将数据信息从一个实体经物理信道送到另一 个实体，向数据链路层提供一个透明的比特流传输服务。 ( 2 ) 数据链路层 该层的主要功能是提供对物理层的控制，检测并纠正传输过程中出现的传输错误。 通过检验、确认和反馈重发等手段对高层屏蔽传输介质的物理特征进行检测，保证两 个相邻节点间的无错数据传输，给上层提供无错的信道服务。 ( 3 ) 网络层 该层的基本任务是接收来自源机的报文，把它转换成报文分组，然后送到指定的 。目标机。报文分组在源机与目标机之间建立起的网络连接上传输，当它到达目标机后 再还原为报文。这种网络连接是通过通信子网建立的。 ( 4 ) 传输层 该层是端对端的，也就是主机到主机的层次。它的目的是提供一种独立于通信子 网的数据传输服务，使源主机与目标主机好像是点对点简单连接起来的一样。 ( 5 ) 会话层 - 该层允许不同主机上各种进程问进行会话。传输层是主机到主机的层次，丽会话 层是进程到进程之间的层次。会话层组织和同步进程间的对话，它可管理对话，允许 双向同时进行，或任何时刻只能一个方向进行。在后一种情况下，会话层提供一种数 据权标来控制哪一方有权发送数据。会话层还提供同步服务。若两台设备及其进程间 要进行较长时间的大文件传输，而通信子网故障率又较高，对传输层来说，每次传输 中途失败后，都不得不重新传输这个文件，会话层提供了在数据流中插入同步点控制， 在每次网络出现故障后可以仅重发最近一个同步点以后的数据，而不必从头开始。 ( 6 ) 表示层 该层为上层用户提供共同需要的数据或信息的语法表示方法。大多数用户间并非 仅交换随机的比特数据，而且还要交换诸如人名、日期、货币数量和商业凭证之类的 信息。它们是通过字符串、整型数、浮点数以及由简单类型组合的各种数据结构来表 示的。不同机器采用不同编码方法来表示这些数据类型和数据结构。为了让采用不同 编码方法的计算机在通信后相互理解数据的值，可以采用抽象的标准方法来定义数据 结构，并采用标准的编码表示形式来管理这些抽象的数据结构，把计算机内部的表示 形式转换成网络通信中采用的标准形式，都是由表示层来完成的。 ( 7 ) 应用层 该层是开放系统互联环境中最高层，并且是o s i 系统的终端用户界面，其任务是 显示接收到的信息，把用户的新数据发送至较低层。不同的应用层为特定类型的网络 应用提供访问o s i 环境手段。网络环境下不同主机间的文件传输、访问和管理，网络 q 桂林工学院硕士学位论文 环境下传输标准电子邮件的报文处理系统，方便不同类型终端和不同类型主机间通过 网络交互访问的虚拟终端协议等，都属于应用层的范畴。 1 6 3t c p i p 体系结构与协议 t c p i p 模型侧重于互联设备间的数据传送【1 5 1 ，而不是严格的功能层次划分。它在 计算机网络体系结构中占有非常重要的地位，几乎所有的工作站都配有t c p i p 协议， 这就使得t c p i p 成为计算机网络事实上的国际标准，即工业标准。它的设计基于美国 国防部( d e p a r t m e n to fd e f e n s e ，d o d ) 的通信协议模型，由于它更强调功能分布而 不是严格的功能层次的划分，因此，t c p i p 模型具有很大的灵活性。t c p i p 参考模型 共有四层【1 4 】：应用层、传输层、互联网层和网络接口层。t c p i p 参考模型如表1 3 所 示。 表1 3t c p f i p 参考模型 t c p i p 参考模型 应用层( d n s ，s m t p ，t e l n e t 等) 传输层( t c p ，u d p ) 互联网层( i p ) 网络接口层 t c p i p 参考模型各层的介绍如下： ( 1 ) 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ：应用层提供计算机之间的高层网络通信，相 当于o s i 模型中的应用层、表示层和会话层。应用层协议指定在客户端和测控服务器 之间传输命令，提供标准的访问方法。应用层的协议主要有： 虚拟终端协议t e l n e t ：允许一台机器上的用户登录到远程机器上并且进行工作。 文件传输协议f t p ( f il et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ：提供有效地将数据从一台机器 上移动到另一台机器上的方法。 电子邮件协议s m t p ( s i m p l em e s s a g et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ：最初仅是一种文件 传输协议，但是后来为它提供了专门的电子邮件传输协议。 域名系统服务d n s ( d o m a i nn a m es e r v i c e ) ：用于把主机名映射到网络地址上。 超文本传输协议h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ：用于提交申请并在万 维网( w w w ) 上获取主页等。 ( 2 ) 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ：它的功能是使源端和目标主机上的对等实体可 以进行会话。该层与o s i 的传输层相似，为网络中的主机提供了面向连接或无连接通 信。它允许从一台机器发出的字节流无差错地发往另一台机器。它将输入的字节流分 成报文段并传给互联网层。传输层还要处理流量控制，以避免快速发送方向低速接收 方发送过多的报文而使接收方无法处理。主要包括： 1 0 桂林工学院硕士学位论文 传输控制协议t c p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，它是一个面向连结，可以在 两个对等实体间进行可靠传送的协议，它保证源端发送的字节流毫无差错地顺序到达 目的终端。 用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) ，它是一个无连结的、无差错 控制的协议，用于不需要t c p 排序和流量控制能力而是独立完成这些功能的应用程序。 ( 3 ) 互联网层( i n t e r n e tl a y e r ) ：它是整个体系结构的关键部分。该层定义了互 联网络协议( i p ) 的报文格式和传送过程，它的功能是使主机可以把分组报文发往任 何网络并使分组独立地传向目标( 可能经由不同的网络) ，对应于o s i 参考模型的网络 层。这些分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，因此如果需要按顺序发送和接收时， 高层必须对分组进行排序。所有上述的需求导致了基于互联网层无连结的分组交换网 络。网络层定义了正式的分组格式和协议。即i p 协议( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 。它负责 把i p 分组发送到目标终端。分组路由和避免阻塞是这里主要的设计问题。 ( 4 ) 网络接口层( i n t e r f a c el a y e r ) ：t c p i p 参考模型没有真正描述这一部分， 只是指出主机必须使用某种协议与网络相连。实际上，网络接口层对应于0 5 1 模型的 底端两层，即数据链路层和物理层，该层的主要功能是从网卡中接受或发送数据。该 层的标准包括e t h e r n e t 、令牌环、光纤分布数据接口( f i b e rd i s t r i b u t e dd a t a i n t e r f a c e ，f d d i ) 和帖中继等。 t c p i