（控制理论与控制工程专业论文）基于虚拟仪器的网络测控技术研究.pdf

硕士论文 基于虚拟仪器的网络测控技术研究 摘要 当今测控技术的发展趋势为虚拟仪器网络化测控。本文给出了用美国国家仪器 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 的产品构建虚拟仪器网络化测控系统平台 的方法。 本文第一章说明了测控技术的发展趋势及文章的主要内容；第二章介绍了虚拟仪 器的概念、特点、发展趋势、分类及软件开发环境：第三章介绍了p x i 总线和s c x i 总线，介绍了种优秀的虚拟仪器软件开发平台l a b v i e w 的特点，给出了构建虚拟仪 器网络测控系统硬件平台以及软件的方法；第四章总结并以实例详细说明了l a b v i e w 实现网络通信的几种方法：t c p 或u d p 通信、d a t a s o c k e t 、v is e r v e r 、w e bs e r v e r 及远程面板技术其中所有实例均已通过本文作者在本文提到的网络平台中调试并正 常运行，文中还介绍了本文作者在调试过程中的一些经验和体会；第五章总结并比较 了用l a b v i e w 访问数据库的五种方法，并以实例详细说明了本文作者提出的对免费的 l a b s q l 工具包中的v i 进行改进从而实现对局域网上的数据库服务器s q l s e r v e r2 0 0 0 的访问的方法；第六章为工作总结及本文作者对本文课题研究改进和发展的建议。 关键词：l a b v i e w ，p x i ，测控，虚拟仪器，网络，通信，数据库 里兰塑一 薹王室垫堡墨塑旦丝型笙堇查堕塞 b s t f t c t t h ec u r r e n tt r e n do ft h e m e a s u r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g yi st ou s ev i r t u a l i n s t r u m e n tm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h r o u g hn e t w o r k t h i sp a p e re l a b o r a t e s h o wt ob u i i dt h en e t w o r k e dm e a s u r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mp l a t f o r mb a s e do nt h e p r o d u c t so fn a t i o n a l i n s t r u m e n t s t h ef i r s tc h a p t e ro ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h e m e a s u r i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h em a i np a r a d i g mo ft h i sp a p e r t h e s e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h e c o n c e p t ，c h a r a c t e r i s t i c s ，t r e n d ，s o r t so f v i r t u a li n s t r u m e n ta n di t ss o f t w a r ed e v e l o p i n gp l a t f o r m s i nt h et h i r d c h a p t e r t h ep x ib u s ，s c x ib u sa n dt h es p e c i a l t i e so fl a b v i e w ，a ne x c e l l e n tv i r t u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r ed e v e l o p i n gp l a t f o r ma r ei n t r o d u c e da n dt h em e t h o d st o b u il dt h eh a r w a r ep l a t f o r ma n dt h es o t w a r eo fan e t w o r k e d m e a s u r i n ga n dc o n t r o l s y s t e m a r ed e s c r i b e d c h a p t e r4s u m su pt h es e v e r a lm e a n so fl a b v l e wt or e a l i z e c o m m u n i c a t i o nt h r o u g hn e t w o r kw h i c ha r et c po ru d pc o m m u n i c a t i o n 。d a t a s o c k e t ， v is e r v e r ，w e bs e r v e ra n dr e m o t ep a n e l st e c h n o l o g y c h a p t e r4a l s oi n t e r p r e t s t h o s em e a n st h r o u g hs o m ee x a m p l ep r o g r a m sp r o v e dt or u ni no r d e ro nt h en e t w o r k p l a t f o r m m e n t i o n e di nt h i s p a p e rw i t ht h ee x p e r i e n c eo ft h ea u t h o r i n p r o g r a m m i n gi n t r o d u c e d c h a p t e r5c o m p a r e st h es e v e r a lw a y sb yw h i c hl a b v i e w c a na c c e s sd a t a b a s ea n di l l u s t r a t e saw a yp r o p o s e db yt h ea u t h o ro ft h i sp a p e r i nm o d i f y i n gt h ev i si nt h ef r e et o o l k i tl a b s q lt or e a l i z ea c c e s s i n gt h es q l 2 0 0 0s e r v e rinl a n c h a p t e r6 i n t e r p r e t st h ei m p r o v e m e n to ft h er e s e a r c h c o n d u c t e db yt h ea u t h o ro ft h is p a p e r k e yw o r d s ：l a b v i e w ，p x i ，m e a s u r i n ga n dc o n t r o l ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，n e t w o r k ， c o m m u n i c a t i o n ，d a t a b a s e y6 2 4 0 3 9 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知。在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或都分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，技保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 年月日 颈士论文 基于虚拟仪器的网络测控技术研究 1 引言 1 1 测控技术的发展趋势及课题的提出 虚拟仪器( v i - v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是8 0 年代末出现的新的仪器概念。虚拟 仪器技术是仪器技术经过模拟仪器、智能仪器后的第三代仪器技术，是当今计算枫辅 助测试领域的一项重要技术”。随着微型计算机的发展和各种有关软件的不断诞生， 虚拟仪器将逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。 计算机及网络技术的发展日新月异，网络及其应用爆炸性的发展正在从各个方面 冲击羞人类社会已有的生活模式。最近几年以及未来，利用网络技术，进行网络化测 控将成为虚拟仪器技术的发展重点。随着计算机和计算机网络的迅速发展，网络速度 不断提高，利用现成的i n t e r n e t 网络组建网络测控系统是今后虚拟仪器技术的发展 方向“1 。 目前，虚拟仪器在那些发达国家中设计、生产、使用已经十分普及，各大虚拟仪 器生产公司也都致力于研究网络化的虚拟仪器开发平台。国内在基于虚拟仪器的网络 测控系统研究方面，与国外还有很大的差距。而测控方式的网络化，是未来测控技术 发展的必然趋势。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。 它能够充分利用现有资源和网络带来的种种好处，实现各种资源最有效合理的配置。 将虚拟仪器和与网络技术结合起来，使虚拟仪器拓展到网络测控应用环境中去， 对于丰富测控手段、提高测控效率、充分合理地利用有效资源都有着很好的作用。网 络测控技术适应于当代科学研究的迅速发展和不断深化所提出的高新测量需求，在工 农业生产、国防军工、教育科研、航天航空、船舶车辆、能源交通、通讯售息、电力 工程、医疗与生物工程等领域都将大显身手。 因此本课题在现有的计算机和网络资源基础上构建虚拟仪器网络测控系统，在虚 拟仪器网络测控技术方面做些研究。 1 2 课题来源及本文的主要内容 本文的研究课题是“基于虚拟仪器的网络测控技术研究”，课题源于南京理工大 学检测技术与自动化装置博士点2 l l 工程建设项目。 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 的虚拟仪器产品如p x i 硕士论文 基于虚拟仪器的网络测控技术研究 模块、s c x i 模块以及软件开发平台l a b v i e w 等因其可靠性高、使用方便等特点在当 前受到广大虚拟仪器开发者的一致欢迎。因此本课题选用n i 公司的产品实现虚拟仪 器网络化测控系统。网络的结构是错综复杂的，鉴于系统的实用性，本课题选用比较 常见的网络模式作为搭建网络测控系统平台的网络基础。 本文的主要内容是： ( 1 ) 从概念、特点、发展趋势、分类及软件开发环境几方面介绍了虚拟仪器。 ( 2 ) 介绍p x i 总线和s c x i 总线，提出构建虚拟仪器网络测控系统硬件平台的 方法： 利用n i 公司的p x i 模块和s c x i 模块构建虚拟仪器测试系统； 利用现有的计算机和网络资源构建网络测控系统。 ( 3 ) 介绍软件开发平台l a b v i e w 的特点，提出构建虚拟仪器网络测控系统软件 的几种方案，说明各种构成方案的工作原理。 ( 4 ) 总结并以实例说明了l a b v i e w 实现网络通信的几种方法：t c p 或u d p 通信、 d a t a s o c k e t 、v is e r v e r 、w e bs e r v e r 及远程面板技术，在实例说明过程 中介绍了本文作者在编程及调试过程中的一些经验和体会。 ( 5 ) 总结并比较了用l a b v i e w 访问数据库的几种方法，提出了对免费的数据库 工具包l a b s q l 中的v i 进行改进从而实现访问局域网上的数据库服务器 s q ls e r v e r2 0 0 0 的方法，并以一实例详细说明了该方法。 ( 6 )总结课题研究工作并对课题研究的改进和发展提出建议。 硕士论文基于虚拟仪器的网络测控技术研究 2 虚拟仪器 2 1 虚拟仪器概念 虚拟仪器由个人计算机、模块化的功能硬件和用于数据分析、过程通信及图形用 户界面的应用软件有机结合构成，使计算机成为一个具有各种测量功能的数字化测量 平台。它利用软件在屏幕上生成各种仪器面板，完成对数据的采集、处理、传送、存 储、显示和打印等功能。3 3 与传统仪器一样，虚拟仪器可划分为数据采集、数据分 析处理、结果显示三大功能模块，如图2 1 “”1 。 图2 1 虚拟仪器的内部功能划分 从构成要素讲，虚拟仪器系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。虚拟仪 器系统构成如图2 2 “驯所示。 嘲寓宙 j _ 图 象 采 集 卡 d s p 。- 。- il 工业自动化软件测量与分析较件传统编程语言 b r i d g ev i e l a bv 潸( 目v i s u a lc + + l o c k o u tl a bw i n d 。w s c 7 1v i s u a lb a s i c c a n m p o n e n tc o n i p o n e n tw o r k sh i q c * b u i l d e r w o r kv 1 r t u a lb e n c hi n d e l p h i 等等 j 广百同百于 蒋亳f f 图2 2 虚拟仪器体系结构 堡主笙兰 薹王生塑堡墨塑旦堑型塑垫查堕壅 2 2 虚拟仪器的特点及发展趋势 虚拟仪器的特点如下“”： ( 1 ) 虚拟仪器的功能及分析方法完全由用户自己定义，用户自己通过编程控制 相应硬件t 它操作十分灵活，完全图形化的界面符合传统设备的使用习惯，使得用户 可轻松掌握操作规程。 ( 2 ) 虚拟仪器可方便地与网络进行连接，与其它设备集成方便灵活，如可以和高 速数据采集设备构成自动测量系统，和控制设备构成自动控制系统等。 ( 3 ) 虚拟仪器具有编辑、打印功能和无限的数据存储能力。 ( 4 ) 虚拟仪器系统与数据库间可通讯，可自动生成测试报告。 ( 5 ) 价格低廉：在同等的性能条件下，虚拟仪器价格是传统仪器价格的五分之 - - n 十分之一，虚拟仪器系统基于软件体系结构，可大大节省开发维护费用。 虚拟仪器和传统仪器比较如表2 1 “”所示。 表2 1v l 与传统仪器的比较 v l 传统仪器 核心是软件核心是硬件 软件使得开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 i 0 年) 价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵 用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭、固定 与网络及其它周边设备方便互联的仪器系统功能单一、互联有限的独立设备 由于虚拟仪器技术以p c 为平台，具有方便灵活的互联能力，因而广泛支持诸如 h a r t 、p r o f i b u s 、c a n 、d e v i c e n e t 、f i e l d b u s 等各种工业总线标准。计算机总线标 准的发展直接导致了虚拟仪器在p x i 领域中褥到了快速发展，它将成为未来仪器行业 的主流产品。 4 硕士论文 基于虚拟仪器的网络测控技术研究 现在，虚拟仪器技术正沿着总线与驱动程序标准化、软硬件模块化，以及编程 平台图形化和硬件模块即插即用( p l u g g p l a y ) 化等方向发展。随着计算机和计算机 网络的迅速发展，网络速度不断提高，利用现成的i n t e r n e t 网络组建网络测控系统 是今后虚拟仪器技术的发展方向。 2 3 虚拟仪器的分类 虚拟仪器依总线方式的不同可分为五类“。12 “： ( 1 ) g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b ( 通用接口总线) 总线方式的虚拟仪器最早出现于1 9 7 8 年。典型的g p i b 系统由一台p c 机、一块g p i b 接口和若干台g p i b 形式的仪器通过g p i b 电缆连接而成。 ( 2 ) p c 总线插卡型虚拟仪器 基于p c 的仪器在2 0 世纪8 0 年代后期开始流行，那时有几百家小公司为i b mp c 生产各式各样的时域采集插卡，起始是为i s a 总线，然后是为e i s a 。1 9 9 2 年引入的 p c i ( 外围设备互连) 总线达到了1 3 2 m b s 的速度，这就使基于p c 的仪器也都为适应新 主板而进行了重新设计。 ( 3 ) v x i 总线方式虚拟仪器 v x i ( v m eb u se 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 ) 总线方式的虚拟仪器问世于 1 9 8 7 年。v x i 总线是一种高速计算机总线v m e ( v e r s a lm o d u l ee u r o p e a n ) 总线在 v i 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，数据 传输率达到l o o m b s ，一个v x i 机架上可插入1 3 块插卡。 ( 4 ) 并行口式虚拟仪器 并行口式虚拟仪器1 9 9 5 年问世。这种方式是把硬件集成在个采集盒内或一个 探头上，软件装在计算机上。可与笔记本电脑相连，便于野外作业。 ( 5 ) p x i 总线方式的虚拟仪器 p x i ( 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 ) 总线方式的虚拟仪器于1 9 9 7 年被 推出，它是从p c i ( 外围部件互连接口) 总线发展而来的，具有可扩展性。其扩展槽 5 堡三逆苎 苎王里塑丛塑箜旦堑型塑垫查堑窒 有8 个，当使用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽。 2 4 虚拟仪器软件开发环境 目前，较流行的虚拟仪器软件开发环境可分为两类：一类是文本式的编程语言， 如c 、v i s u a lc 千+ 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等；另一类是图形化的编程语 言，代表性的是n i 公司的l a b v i e w 和h p 公司的h p v e e 。 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。如n i 公 司的l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i ，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 c s 公司的e z - - t e s t 和t e k - - t n s ，以及美国h e md a t a 公司的s n a p - - m a r t e r 都是公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。相对于传统的编程语言如c 、v i s u a lc + + 、 v i s u a lb a s i c 等，这些优秀的虚拟仪器开发平台软件将计算机的数据分析、处理、 显示能力与仪器驱动融合在起，集成了许多测量专业功能，为用户开发虚拟仪器提 供了必要的软件工具和环境，编写测量应用程序极为方便，大大缩短了虚拟仪器软件 开发周期。 硕士论文 基于虚拟仪器的网络测控技术研究 3 虚拟仪器网络测控系统构成 3 1 虚拟仪器网络测控系统硬件平台构成 3 1 1 网络测控系统结构及功能 网络测控系统硬件平台的构建基于教研室现有的网络结构，为当前最为常见的网 络结构，如图3 1 。 图3 1 网络测控系统的结构 教研室内部网是由h u b 连接的，通过网关与外部网相连。图3 1 中，一台计算机 连接了打印机，并设置为网络共享打印机；一台计算机作为数据库服务器；虚拟仪器 测试系统除完成数据采集、信号调理等功能外，还作w e b 服务器；被测控对象可以是 单个对象的多路信号通过多路选择开关与虚拟仪器测控系统直接连接，也可以是多个 硕士论文基于虚拟仪器的网络测控技术研究 被测控对象通过分布式测控网络与虚拟仪器测控系统连接。网中的任意一台计算机都 可以作为客户机使用。 网络测控系统可完成数据采集、信号调理、数据的显示( 本地显示及远程显示) 、 数据的保存( 以文件形式保存或保存在数据库中) 、数据打印( 通过网络中的共享打 印机) 、远程控制等功能。 图3 1 中的虚拟仪器铡控系统由p x i 测控系统及s c x i 信号调理系统共同组成。 p x i 测控系统及s c x i 信号调理系统分别由n i 公司的系列p x i 产品和s c x i 产品组成。 p x i 测控系统将所有的p x i 模块集中装入一个在设计上满足系统在噪声、潮湿、震动 或冲击环境中可靠工作要求的标准机箱中。s c x i 信号调理系统将所有的信号调理模 块集中装入s c x i 机箱中，用于将原始信号进行放大、隔离、滤波、多路转换以及直 接变送调理等，使数据采集系统的可靠性及性能得到极大改善。 p x i 机箱中安装的模块如下： ( 1 ) 系统控制器模块( 嵌入式奔腾计算机) ：仅需一个p x i 槽，包括奔腾处理 器、内存、带有显存的s v g a 、硬盘、软驱、以太网接口、g p i b 接口、并口、串口、 鼠标和键盘连接器、u s b 口： ( 2 ) 仪器模块：数字万用表、示波器等仪器等模块： ( 3 ) 数据采集模块； ( 4 ) 图象采集模块； ( 5 ) 运动控制模块。 此外，可根据需要添加相应的p x i 模块或自行开发的p x i 标准模块，对测试系统 进行扩展。 3 1 2p x i 总线 1 9 9 7 年1 0 月，美国n i 公司率先推出了p x i ( p c ie x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 总线仪器系统的技术规范，作为一个开放的工业标准，它得到测 试仪器领域内广泛的支持，并有p x i 系统联盟( p x is y s t e ma 1 1 i a n c e ) 成立。 p x i 是将p c i 总线扩展到仪器方面而推出的以p c 机为基础的高性能低价位的模 块仪器系统，直接利用了目前已成为台式机事实工业标准的p c i 总线，而且系统中面 向仪器的电气扩展( 包括内置的触发和局部总线) 是由高性能的v x i 模块仪器系统发 堡主堕兰 苎王塞塑堡墨塑塑丝型笙楚查堡塞 展而来np x i 利用了p c i 、i e c 连接器和欧式插卡的成熟技术：p c i 采用3 2 位数据总 线传输方式，有上千种软件的支持，在实际应用中已经成为事实上的工业标准；i e c 连接器的高密度多管脚连接性能适合在工业环境中使用，已广泛应用在电子与通信领 域；欧式插卡的机械性能优异，模块化结构紧凑，通风良好，有利于系统集成。p x i 的核心是c o m p a c tp c i 结构和m i c r o s o f tw i n d o w s 软件，也就是说p x i 保持了与 c o m p a c tp c i 在机械、电气和软件三个方面的完全兼容，可以将m i c r o s o f tw i n d o w s 软件直接应用于测试、测量、数据采集和工业控制中去。p x i 还可将g p i b 、v x i 和串 行仪器集成于同一系统，它的四层软件结构：系统管理软件、应用程序、仪器驱动程 序和i o 接口使得测试管理与程序开发简单化，加快了系统集成速度。上面这些特点 都将使p x i 模块仪器系统远人虚拟仪器技术的主流成为必然趋势。“” p x i 规范体系结构如图3 2 0 “2 ”“1 。 图3 2p x i 规范体系结构 p x i 规范的主要特性如下。“1 “”3 ： ( 1 ) p x i 规范的机械特性 由c o m p a c t p c i 规范引入的欧式板卡坚固封装形式和高性能的i e c 连接器被应用 于p x i 所定义的机械规范，使p x i 系统更适于在工业环境下使用，也更易于进行系统 集成。 ( 2 ) p x i 规范的电气性能 许多仪器应用场合需要i s a 总线、p c i 总线或c o m p a c t p c i 背板总线所没有的系统 定时能力，p x i 总线通过增加专门的系统参考时钟、触发总线、星形触发线和模块间 的局部总线来满足高精度定时、同步与数据通信要求。p x i 不仅在保持p c i 总线所有 优点的前提下增加了这些仪器特性，而且可以比台式p c i 计算机多提供三个仪器插 亟士论寥基于虚拟仪器的网络测控技术研究 槽，使单个p x i 总线机箱的仪器模块插槽总数达到7 个。 ( 3 ) 软件性能 像其它的总线标准体系一样，p x i 定义了保证多厂商产品互操作性的仪器级( 即 硬件) 接口标准。与其它规范所不同的是，p x i 在电气要求的基础上还增加了相应的 软件要求，以进一步简化系统集成。这些软件要求就形成了p x i 的系统级( 即软件) 接口标准。 p x i 的软件要求包括支持m i c r o s o f tw i n d o w sn t 和9 5 ( w i n 3 2 ) 这样的标准 操作系统框架，要求所有仪器模块带有配置信息和支持标准的工业开发环境( 如n i 的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 和m i c r o s o f t 的v c c + + 、v b 和b o r l a n d 的c + + 等) 、而 且符合v i s a 规范的设备驱动程序( w i n 3 2d e v i c ed r i v e r s ) 。 3 1 3s c x i 的优点2 5 3 通过采用带计算机控制的s c x i ( s i g n a lc o n d i t i o n i n ge x t e n t i o n s f o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 总线的专用机箱的前端信号调理，可以将许多技术集成在一个平 台下，并能在系统中同时使用多种测量板卡。s c x i 的优点如下： ( 1 ) 以模块为基本单位，可根据需要选择模拟、数字和开关调理模块。 ( 2 ) 广泛的调理功能用s c x i 可对大量传感器、高低电压电流、频率信号、 数字i o 、开关、滤波或同步采样的信号进行调理。 ( 3 ) 可对每个通道进行增益、滤波和激励电平的配置。 ( 4 ) 部分s c x i 模块有校准证书，保证模块的工作精度有据可寻，确保在长期多 变的环境下维持精确的测量。 ( 5 ) s c x i 模块可以和b n c ( 同轴电缆接插件) 、热电偶、s m a 或s m b ( 服务器信 息块) 接口直接相连，可选用多种接线端子简化模块的拆装，无须繁杂的信号重接工 作。 ( 6 ) 可保护系统避免因不当接线、接地回路、突发错误和较大的瞬时信号造成 损坏。 ( 7 ) 优秀的软件特性简化系统的安装和配置，如模块自动探测、内簧指定通道 的测量、可编程通道设置和信号检测通道等。 ( 8 ) s c x i 总线速度高。 ( 9 ) 每个s c x i 模块均独立绝缘。被安装在坚固的s c x i 机箱中。 ( 1 0 ) 支持第三方厂商供应的s c x i 模块或自行开发的s c x i 模块。 硕士论文 基于虚拟仪器的网络测控技术研究 3 2 虚拟仪器网络测控系统软件 3 2 1 虚拟仪器网络测控系统软件的开发平台 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n i 公 司开发的、目前国际上应用最广的虚拟仪器开发环境之一，功能强大，灵活方便。因 此，本课题选用l a b v l e w 7 0 结合微软的v i s u mb a s i c6 o 、s q ls e r v e r2 0 0 0 和i i s 5 0 来开发虚拟仪器网络测控系统软件，操作系统为w i n d o w s2 0 0 0 ( 或w i n d o w sx p ) 。图 3 1 中，“虚拟仪器测控系统”安装了w i n d o w s2 0 0 0 ( 或w i n d o w sx p ) 、l a b v i e w 7 0 和i i s 5 0 ，而“数据库服务器”安装了w i n d o w s2 0 0 0 ( 或w i n d o w sx p ) 和s o ls e r v e r 2 0 0 0 。v i s u a lb a s i c6 0 仅为软件开发工具，系统运行过程中并不需要。 l a b v i e w 的主要特点如下“： ( 1 ) 图形化编程语言( g 语言) 的开发环境 图形化编程开发环境可大大缩短用户的整个学习过程，且符合工程师和科学家们 的原始设计理念，加快开发速度。 ( 2 ) 连接功能和仪器控制 l a b v i e w 带有现成即用的函数库，用户可以用它集成各种独立台式仪器、数据采 集设备、运动控制和机器视觉产品、g p i b i e e e4 8 8 和串f j r s - 2 3 2 设备、p l c s 等。 l a b v i e w 还包含了主要的仪器标准如v i s a g p i b 、串口和v x i 仪器可共用标准： p x i 和基于p x i 系统联盟c o m p a c t p c i 标准的软硬件；i v i 可互换虚拟仪器驱动程 序；v x ip l u g & p l a y ：v x i 仪器标准驱动程序。 ( 3 ) 开放式环境 l a b v l e w 是一个开放式的开发环境。目前，有许多第三方软硬件生产厂+ 家在开发 并维护成百上千个l a b v i e w 函数库及仪器驱动程序以帮助用户能借助l a b v i e w 轻松 使用他们的产品。l a b v i e w 还提供与a c t i v e x 软件、动态链接库( d l l s ) 及其它开 发工具的共享库之间的开放式连接。此外，还可以用d l l 、可执行文件或a c t i v e x 控 件调用l a b v i e w 代码。l a b v l e w 同样提供了广泛的通讯及数据存储方式，如t c p i p ， 硕士论文基于虚拟仪器的网络测控技术研究 o p c ，s q l 数据库连接，和x m l 数据存储格式。 ( 4 ) 支持多平台 l a b v i e w 可运行在w i n d o w s2 0 0 0 ，n t ，x p ，m e ，9 8 ，9 5 和嵌入式n t 环境下，同 时还支持m a co s ，s u ns o l a r i s 与l i n u x 。通过l a b v l e w 实时( l a b v i e wr e a l - t i m e ) 模块，l a b v i e w 还能够编译代码，让程序在v e n t u r c o me t s 实时操作系统中运行。考 虑到程序兼容性的重要意义，n i 公司的l a b v i e w 继续支持较早版本的w i n d o w s ，m a c0 8 和s u n 操作系统。 ( 5 ) 分布式开发环境 利用l a b v i e w 可轻松开发分布式应用程序，还可进行跨平台开发。利用简单易用 的服务器工具，可咀创建远程监控应用系统。强大的服务器技术简化了大型、多主机 系统的开发过程。另外，l a b v i e w 本身也包含了标准网络技术，如t c p i p 以及企业 内部的发布与订阅协议等。 ( 6 ) 信号分析功能 l a b v i e w 可完成复杂的分析和信号处理工作。l a b v l e w 中已安装高级分析功能库， 还为不同要求的测量提供了相应附加工具包，如：l a b v i e w 信号处理工具套件， l a b v i e w 声音与振动工具包，和l a b v i e w 阶次分析工具包等。 3 2 2虚拟仪器网络测控系统软件的构成方案及工作原理 构成网络软件系统有两种模式。1 ：( 1 ) c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式：由服务器端应 用程序和客户端应用程序共同组成，其缺点是客户端的应用程序一旦需要更新和维 护，需要对每个客户端进行操作，工作量大；( 2 ) w b ( w e b b r o w s e r ) 模式：近年来， 随着w e b 技术的快速发展，这一新的软件应用模型非常受欢迎，它将大量应用程序放 在服务器端，客户端只需要浏览器就可以了，大量的工作集中在服务器端，维护起来 更加方便。 本课题研究的虚拟仪器网络测控系统的软件就是基于以上两种模式构成的，构成 方案有以下几种： ( 1 ) 用l a b v i e w 编写t c p 或u d p 通信的服务器端和客户端应用程序，如图3 3 ， 里垡堕鎏三一 薹量壅塑堡堂盟堕竺型堡垫查堑壅。 显然这种方式是基于c s 模式的。 图3 3t c p 或u d p 通信的c i s 模式构成 ( 2 ) 用l a b v i e w 编写d a t a s o c k e t 通信的服务器端和客户端应用程序，二者通过 d a t a s o c k e t 服务器传递数据，如图3 4 。这种方式也是基于c s 模式的。 图3 4d a t a s o c k e t 通信的c s 模式构成 ( 3 ) l a b v i e w 编写服务器端v i 应用程序( 扩展名为v i ) ，并通过l a b v i e w 的v i s e r v e r 发布，客户端应用程序可以调用服务器端的v i 程序，并且可以控制服务器端 v i 控件的值，从而实现远程控制，如图3 5 。其缺点是不能在客户端打开服务器端程 序的面板。这种方式同样是基于c s 模式的。 图3 5 利用l a b v i e wv is e r v e r 的c s 模式构成 硕圭论文基于虚拟仪器的网络测控技术研兔 ( 4 ) 由l a b v i e w 的w e bs e r v e r 提供w e b 服务，有两种构建w b 模式的方法：一 种方法是将已被载入服务器内存中的v i 前面板图像嵌入网页，客户端在浏览器输入 相应地址就可以观察远端面板的显示情况，如图3 6 ：另一种方法是利用l a b v i e w 的 远程面板技术，详细介绍见本文4 4 3 小节。 图3 6 利用l a b v i e ww e bs e r v e r 构建w b 模式 ( 5 ) 开发能够与服务器端的数据采集应用程序进行t c p u d p d s t p 通信的 a c t i v e x 控件，并将其嵌入网页，用w e b 服务器( 可以是l a b v i e w 的w e bs e r v e r 、i i s 5 0 或其它w e b 服务器) 提供w e b 服务，客户端通过下载的a c t i v e x 控件与服务器端的数 据采集程序通信，如图3 7 。这种方式是基于w b 模式的。 图3 7 用a c t i v e x 技术构建的w b 模式 a c t i v e x 控件是基于o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ) 技术并加以扩充， 符合c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 格式的交互式软件元件。许多原本使用于v i s u a l 硕士论文基于虚拟仪器的网络测控技术研究 b a s i c 、d e l p h i 等的o c x ( o l ec o n t r 0 1 ) ，都可以成为a c t i v e x 控件。a c t i v e x 控件 特点如下：4 ” 容量小并可以自动下载及注册； 可以在m i c r o s o f t 的i n t e r n e te x p l o r e r 中直接执行， n a v i g a t o r 、m o s a i c 等可以外挂a c t i v e xp u g i n 程序执行； 目前支持a c t i v e x 的开发工具有v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc 十+ 、v i s u a lj + + 及d e l p h i 等多种编程语言。 硕士论文 基于虚拟仪器的网络测控技术研究 4l a b v i e l 网络通信技术 4 1 t c p 与u d p 通信 图4 1 为国际标准化组织( i s o ) 提出的o s l 参考模型( 开放式系统互联参考模 型) 与t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 i n t e r n e tp r o t o c o l ，传输控制协 议互联网协议) 协议族分层模型的对照图。 0 s i 参考模型t c p i p i 办议分层模型 应用层 表示层 会话层 侍输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 传输层 网际层 网络接口层 图4 1 o s i 与t c p i p 分层对照图 t c p 与u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 为传输层协议。二者 最大的区别是t c p 在建立连接的基础上进行数据传输，而u d p 为无连接模式协议。因 此当需要保证数据传输的完整性与可靠性时，t c p 为当然的选择 u d p 则适合于大量 连接和高速度传输。 l a b v i e w 引入了t c p i p ，在l a b v i e w 中可以利用t c p 和u d p 进行网络通信，且 l a b v l e w 对这两种通信协议的编程进行了高度的集成，将w i n s o c kd l l 封起来，形成 t c p 与u d p 图形化编程节点与v i 。t c p 节点在p u c t i o n 模板 c o m m u n i c a t i o n 子模板 t c p 子模板中，u d p 节点在f u c t i o n 模板 c o m m u n i c a t i o n 子模板 u d p 子模板中。 双机进行u d p 通信的发送数据程序和接收数据程序分别如图4 2 和图4 3 所示。 硕士论文 基于虚拟仪器的网络测控技术研究 图4 2 双机u d p 通信发送数据程序 图4 3 双机u d p 通信接收数据程序 图4 4 和图4 5 分别为双机进行t c p 通信的服务器程序和客户机程序，在此基础 上，可以进步开发允许多客户连接的服务器程序与客户机程序，流程图见图4 6 。 琶 蹩 图4 4 双机t c p 通信服务器程序 图4 5 双机t c p 通信客户机程序 硕士论文 基于虚拟仪器的网络测控技术研究 图4 6 多客户t c p 连接的程序流程图 1 8 硕士论文 基于虚拟仪器的网络测控技术研究 4 2d a t a s o c k e t 4 2 1d a t a s o c k e t 简介曲 刚 d a t a s o c k e t 是n i 提供的一种编程工具，借助它可以在不同的应用程序和数据源 之间传递数据。d a t a s o c k e t 可以访问本地文件以及h t t p 和f t p 服务器上的数据， d a t a s o c k e t 为低层通讯协议提供了一致的a p i ( 应用编程接口) ，编程者无需为不同 的数据格式和通讯协议编写具体的程序代码，而且这些数据源可以分布在不同的计算 机上。 d a t a s o c k e t 使用一种增强数据类型来交换仪器类型的数据，这种数据类型包括 数据特性( 如采样率、操作者姓名、时间及采样精度等) 和实际测试数据。 d a t a s o c k e t 用类似于w e b 中的统一资源定位器( u r l ) 定位数据源，u r l 不同的 前缀表示了不同的数据类型，f i l e 表示本地文件，h t t p 为超文本传输资源，f t p 为 文件传输协议，o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 表示访问的资源是o p c 服务器，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 ) 则说明数据来自d a t a s o c k e t 服务器的实时数据。 n i 公司的m e a s u r e m e n ts t u d i od a t a s o c k e t 软件包中提供以下三个工具： ( 1 ) d a t a s o c k e ta c t i v e x 控件，开发者可以利用它提供的控件在诸如v b 、v c 和b o r l a n dd e l p h i 等a c t i v e x 容器中开发共享数据应用程序。 ( 2 ) d a t a s o c k e t 服务器，如图4 7 。它利用d s t p 协议在应用程序间交换数据。 图4 7d a t a s o c k e t 服务器 ( 3 ) d a t a s o c k e t 服务器管理程序，如图4 8 。它是一个配置和管理工具，负责 确定d a t a s o c k e t 服务的最大连接数、设鼍访问控制等网络管理功能。 1 9 图4 8d a t a s o c k e t 服务器管理程序 4 2 2 d a t a s o c k e t 通信编程 d