（测试计量技术及仪器专业论文）基于虚拟仪器的网络测控系统的研究与应用.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术、虚拟仪器技术和网络技术的迅速发展，利用i n t e m e t i n t r a n e t 网络，组建基于虚拟仪器的网络测控系统将是今后虚拟仪器技术和测控技术的发 展方向之一。 本文在分析和总结了网络测控系统c s 和b s 模式优缺点的基础上，进行了 网络测控系统结构的研究，提出了c s 和b 届混合模式的虚拟仪器的网络测控系 统组建方案。并依据此方案，开发了多功能转子实验台的网络测试系统。该网络 测试系统由接入以太网的两个不同类型的虚拟仪器测试系统组成：一个是采用n i 公司系列硬件的p x i 系统，用于监测多功能转子实验台电机转速等信号；另一个 是采用研华公司p c i 1 7 1 0 采集卡的p c d a q 系统，监测实验台环境的温湿度。p x i 系统中的控制器同时担任整个网络系统的服务器，负责整合这两个子系统采集的 数据，并为远程 n t e r n c t 用户提供w e b 服务。 本系统采用l a b v i e w 语言分别在p c - d a q 子系统p c 机和服务器p x i 控制器 上进行了模块化的软件开发。子系统实现了温湿度的多通道采集和波形显示，用 d a t a s o c k e t 技术与服务器通信将数据上传。服务器不但能读取子系统上传的温湿 度，而且能实现转子实验台的电机转速、振动速度和噪声的多通道采集，及信号 的分析和处理、实时波形和测量结果的显示、数据存储、自动报警等功能。最终， 系统利用l a b v i e w 的远程面板发布技术，将服务器端的主界面以网页的形式发布， i n t e m e t 用户通过浏览器即可浏览和操作主界面。 多功能转子实验台的网络测试系统是c s 和b s 模式网络测控系统的一个很 好的实例，它克服了单一模式的缺陷，具有扩展性和可复用性，可用于工业现场 的旋转机械的网络化测控，有广阔的应用前景。 关键词：网络测控系统，虚拟仪器，l a b v i e w ，b s ，c s 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w 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 rt e c h n o l o g y , v i r t u a li n s t r u m e n t sa n d ：t o u s et h ei n t e r n e t i n t r a n e tt ob u i l dn e t w o r km e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do n v i r t u a li n s t m m e n t si sb e c o m i n gt h em a i nt r e n di nf u t u r eo fv i r t u a li n s t m m e n t sa n d m e a s u r e m e n t c o n t r o lt e c h n o l o g y a f t e r a n a l y z i n g 也e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o ft w os t r u c t u r e s c l i e n t s e r v e r ( c s ) a n db r u w e r s e r v e r ( b s ) i nn e t w o r k - b a s e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s v s t c m ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e sm i x e dc sa n db sa r eu s e dt ob u i l t n e t w o r km e a s u r e m e n ta n dc 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 m m e n t s a c c o r d i n gt o t i i i sp r o p o s a l , t h eu e t w o r km e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nm u l t i f u n c t i o nr o t o rt c s t e ri s d e v e l o p e d i nt l l i ss y s t e m t w ov i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m sw i t hd i f e e r e n tt y p ea r el i n k e d u pt oe t h e m c t o n ei sap x ls y s t e mw i t ht h eh a r d w a r eo fn lc o r p o r a t i o n ，w h i c hi su s e d t om o n i t o rt h ew o r k i n gs t a t u so fm u f t i - i l l n c t i o nr o t o rt e s t e r ；a n o t h e ri sap c - d a q s v s t e mw i t hp c i 1 7 1 0d a qc a r do fa d v a n t e c hc o r p o r a t i o n ，w h i c hi su s e dt om o n i t o r t h et c m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi nt h el a b t h ec o n t r o l l e ro fp x ls y s t e ma l s op l a y st h er o l e a st h ew e bs e r v e r , a n di n t e g r a t e st h ec o l l e c t e dd a t af r o mt w os u b s y s t e m sa n dp r o v i d e s t h ew e bs e r v e rf o rt h er e m o t ei n t e m e tu s e r sa tt h es a n l et i m e l a b v i e wl a n g u a g ei su s e dt od e v e l o pt h em o d u l a r i z e ds o f t w a r eo nt h ep c0 f p d d a qs u b s y s t e ma n ds e r v e ro ft h ew h o l en e t w o r ks y s t e m t h ep c d a qs u b s y s t e m c a nr e a l i z em u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya n dt h e w a v e f o r i l ld i s p l a y i ta l s oc a ns e n dt h er e a l t i m ed a t at ot h ew 曲s e r v e ru s i n gt l l e d a t a s o c k e tt e c h n o l o g y t h ew e bs e r v e rc a nn o to n l yr e a dt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y d a t af r o mt h es u b s y s t e m ，b u ta l s or e a l i z e dt h em u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o no fr o t o r t e s t e r ，f o re x a m p l e ，m o t o rs p e e d 。v i b r a t i o na n dn o i s ed a t aa c q u i s i t i o n i t sa l s oh a dl o r s o ff u n c t i o n s ，s u c ha st h ea n a l y s i sa n dp r o c e s so fs i g n a l ，r e a l - t i m ew a v e f o r ma n dr e s u l t o fm e a s u r e m e n td i s p l a y , d a t as t o r a g ea n da n t o - a l a r m f i n a l l y , t h es y s t e mw h i c hm a k e s a s eo fr e m o t ef r o n t - p a n e la n n o u n c e m e n tt e c h n o l o g y , r e l e a s e st h em a i ni n t e f f a c eo n s e r v e rv i a t h ew e bp a g et ot h ei n t e m e tu s e r s ，w h oc a nb r o w s ea n do f i c r a t et h em a i no n i n t e m c t t h en e t w o r km e a s u r e m e n ts y s t e r nb a s e do nm u l t i f u n c t i o nr o t o rt e s t e ri st h eg o o d i n s t a n c ei nn e t w o r km e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mw i t hc sa n db ss t r u c t u r e s i t c o u l dn o to n l yo v e r c o m ed i s a d v a n t a g e so ft h es i n g l ec so rb ss t r u c t u r ea n dh a v et h e a b i l i t yo fr e u s ea n de x p a n s i b i l i t y , b u ta l s oh a v et h ev a s t 曲tp r o s p e c ti nm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o lr o t a t i n gm e c h a n i c si n d u s t r yf i e l d s k e y w o r d s ：n e t w o r km e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w ， b s ，c s 诹1 l 童工案失秀 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：农，舸高日期：? 叫年j 月硝日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：灰旅告 日期：净，月巧日 指删群：彳可即 日期：知私r 月如日 湖北5 - 业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、目的及意义 本课题来源于湖北省自然科学基金项目嵌入式远程监测与基于虚拟仪器 的诊断系统研究( 项目编号：2 0 0 4 a b a 0 6 4 ) 。 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 控技术的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志，对社 会和经济的发展起着极其重要的作用。 2 0 世纪7 0 年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，测控仪 器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、p c 仪器、v x i 仪器、虚拟仪器等微机 化仪器及其自动测控系统，计算机与现代仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域 和范围不断拓宽。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 已逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流“1 。 近些年来，以i n t e r n e t 为代表的网络技术的出现以及它与其他高新技术的结 合，更是为测控与仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇。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是现代测控技术的主要特点之 一。同时利用网络技术，将虚拟仪器网络化则成为虚拟仪器技术的发展重点。 基于虚拟仪器的网络测控系统将有以下显著的优点。1 ： ( 1 ) 有利于降低测控系统成本和缩短开发周期； ( 2 ) 有利于实现远距离测控和资源共享； ( 3 ) 有利于实现测试设备的远距离诊断与维护。 因此，随着计算机和计算机网络的迅速发展，网络速度不断提高，利用虚拟 仪器在i n t e r n e t 网上组建网络测控系统将是虚拟仪器技术和测控技术的发展方向 之一。 本课题研究在i n t v m c t 网上组建基于虚拟仪器的网络测控系统，并开发了c 幅 和b 届混合模式的多功能转子实验台网络测试系统，该系统能克服了单一模式的 缺陷，具有扩展性和可复用性，可用于工业现场的旋转机械的网络化测控，有广 阔的应用前景。 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 虚拟仪器和网络测控系统的研究现状及发展趋势 随着世界测控技术不断发展，基于虚拟仪器的测控技术也已应用于各个领域， 如电力系统、工业自动化、航空航天、军事、智能交通系统等各个行业，相关研 究正方兴未艾，各类方法和实现方案不断涌现，各有特点和优势。 作为基于虚拟仪器的测控技术的重要组成部分的虚拟仪器，是目前发达国家 研究和应用的热点。1 9 8 6 年，美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司( 以下简称n i 公 司) 提出了“软件即仪器”的口号，推出了直观的流程图编程风格的开发和运行 程序平台l a b v i e w ，开启了虚拟仪器的先河。2 0 世纪9 0 年代，计算机总线速度进 一步加快，p c i 总线的数据传输速度达到了1 3 2 m b y t e s s 。1 9 9 6 年底，美国n i 公 司在p e i 数据总线的基础上提出了第一代p x i 系统的技术规范。现在，p x i 技术联 盟已经有接近6 0 家成员公司为这一平台开发产品。另外，惠普( h p ) 公司，t e k t r o n i x 公司、r a c a l 公司也相继推出自己的虚拟仪器嘲。 在国内，虚拟仪器的研究和开发还在初级阶段。1 9 8 5 年，我国东方振动和噪 声技术研究所( 以下简称c o i n v ) 开始提出p c 卡泰( p c c a t a i ) 一微机卡式采集测 试分析仪的概念，并推出了数据采集和信号处理软件( d a s pd a t aa c q u i s i t i o n s i g n a lp r o c e s s i n g ) ，随后又提出了“把实验室拎着走”的口号，进而进行了虚 拟仪器库平台的研发，实现了i n v 虚拟仪器库。后来，c o i n v 研制成了国内第一台 虚拟仪器p c 卡泰i n v l o i ，接着又推出了台式机用的i n v 3 0 3 和便携式笔机本式 的i n v 3 0 6 系统，并于1 9 9 3 年到加拿大多伦多展出，实现了v i 的飞跃。到2 0 0 2 年底，已有8 0 0 余家用户使用c o i n v 生产的2 6 种i n v 3 0 3 3 0 6 系列产品。但是国 内自主研发的虚拟仪器产品与国际先进水平之间还存在很大的差距。所以目前国 内主要是在引进和吸收国外虚拟仪器技术。国内的重庆大学、哈工大、西安交通 大学、电子科技大学、中科泛华等高校和高科技企业在研究和开发虚拟仪器产品 和设计平台方面以及引进消化n i 公司的产品方面都取得了一些成果。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 很大成绩。 自虚拟仪器概念提出以来，以软件代替硬件、以图形代替代码、以组态代替 编程、以虚拟仪器代替传统仪器组建自动测试系统发展迅速。同时，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。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。例如，意大利e l e t t i a 大学构造的虚拟实验室由计算机网 2 湖北工业大学硕士学位论文 络技术提供支持环境，它由w ws e r v e r 、元件库、客户机三个主要部分组成，分 布式结构主要由w ws e r v e r 和l a b v l e w 软件功能实现。国内西安交通大学利用虚 拟仪器也构造了自己用于彩管测试和图像监控的虚拟测控系统。 但是，目前国内在基于虚拟仪器测控系统研究方面，使用g p i b ( g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 总线台式仪器的居多，采用单台仪器设备与计算机连接 的居多，在局域网上组建测试系统的居多，构成专用测试系统的居多。很少采用 多总线多种仪器在i n t e r n e t 上进行分布式的网络测控系统的研究。 网络涮控系统是在计算机网络技术、通信技术高速发展，以及对大容量分布 式测控的大量需求背景下，由单机仪器、局部的自动测控系统到全分布式的网络 化测控系统而逐步发展起来的。网络测控系统的发展可概括为以下几个阶段【4 1 。 ( 1 ) 第一阶段 起始于2 0 世纪7 0 年代通用仪器总线( g p i b ) 的出现，g p i b 实现了计算机与 测量系统的首次结合，使得测量仪器从独立的手工操作单台仪器开始走向计算机 控制的多台仪器的测控系统，实现了将多台仪器由g p i b 连接成一个系统，此阶段 是网络化测控系统的雏形与起始阶段。 ( 2 ) 第二阶段 起始于2 0 世纪8 0 年代v x i 标准化仪器总线的出现，v x i 总线实现了把最大 2 5 6 个v x i 总线仪器联系起来，组成一个更大的系统。( 1 系统可以将大型计算 机昂贵的外设、v x i 设备、通信线路等硬件资源以及大型数据库程序等软件资源 纳入网络，使得这些宝贵的资源得以共享，缓解了经济和技术等各方面因素的制 约，此阶段是网络化测控系统的初步发展阶段。 ( 3 ) 第三阶段 虽然由【i 总线所组成的测控系统己经比较庞大，但它仍然属于一个更大规 模的测控系统的范畴，还不是真正意义上的网络化测控系统。随着技术的发展， 现场总线技术的出现带动了现场总线控制系统( f c s ) 的迅速发展，现场总线控制 系统中大量采用具有由微处理器与传统传感器结合的智能传感器的现场总线仪 表，而且总线仪器仪表也大量使用智能传感器，使得可以在一个工厂范围内通过 总线将成千上万个智能传感器变送器等智能化的仪表组成一个网络化测控仪器 系统，此阶段是网络化测控系统的快速发展阶段。 ( 4 ) 第四阶段 采用上述的各种仪器接口总线或者现场总线，可以方便地组建一个局部测控 网络系统，但是在对现代化要求极高的领域，如国防、气象、航空、航天等行业 或领域，传统的局部范围的测控系统已经逐渐无法满足用户的需求了。许多部门 湖北工业大学硕士学位论文 或大型企业迫切要求构建较大范围内甚至全国性的测控系统或测控网络，建立基 于i n t e r a c t 的网络化测控系统，即通常所说的分布式测控网络，这是真正意义上的 网络化测控系统，此阶段是网络化测控系统的成熟阶段。 随着微电子技术、计算机技术、网络通信技术的进步和不断拓展，2 1 世纪的 仪器概念将是一个开放的系统概念。以p c 和工作站为基础，通过组建网络来形成 实用的测控系统，提高生产效率和共享信息资源已成为现代测控系统发展的方向。 从某种意义上说，计算机和现代仪器仪表已相互包容，计算机网络也是通用 的仪器网络。如果在测控系统中有更多不同类型的智能仪表及设备也像计算机和 工作站一样成为网络的结点，比如各种智能仪器、虚拟仪器及传感器等，它们充 分利用目前已比较成熟而且还在不断发展的i n t e r n c 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，还可提高测控系统的功能并拓宽其应用 的范卧5 1 。 目前，以i n t c m c t 为代表的计算机网络正迅猛地发展，随着网络信道容量的扩 大，网络速度将不再成为网络应用的障碍。利用现有的i n t e r n c t 网络设施，网络化 传感器已应用到分布式测控系统中，简化了系统建设和设备维护，随着测控网络 的发展，降低了费用并提高了系统的性能。测控网络和信息网络的互连技术也将 日臻完善，最终实现大规模的网络互连是一种必然的趋势，利用网络实现数据采 集、测量、监控、故障诊断、医疗等的范围和广度，一定将以更快的速度发展。 计算机技术、传感器技术、网络技术与测量技术、控制技术的结合，使得网络化、 分布式测控系统的组建更为方便。以i n t e r n e t 技术的不断完善，气象、制造等领域 为代表的计算机网络技术的迅猛发展及相关技术的不断完善，使得计算机网络的 规模更大、应用更广。在国防、通信、航空、航天、气象、制造等领域，对大范 围的网络化测控将提出更迫切的需求，网络技术也必将在测控领域得到广泛的应 用，网络化仪器很快会发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代测控技术， 即网络化测控技术的进步。与各行各业样，测控技术与仪器也必将在网络时代 发生革命性交化。 1 3 本论文的主要研究内容 由于国内很少采用不同类型的虚拟仪器在i n t e r n e t 上进行分布式的网络测控 系统的研究。针对这种情况，本文的主要工作如下： 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 、分析了网络化测控系统模式中b s 模式和c s 模式，总结了这两种模式的 优缺点，为克服单一模式的缺陷，提出了采用b s 和c s 混合模式来组建基于虚 4 湖北工业大学硕士学位论文 拟仪器的网络测控系统，并研究了这种系统整体的硬件和软件的架构。 3 、依据基于虚拟仪器的混合模式的网络测控系统的组成原理，开发了多功能 转子实验台的网络测试系统。详细介绍了其硬件设计，主要由接入以太网的两个 不同类型的虚拟仪器系统组成：一个是测量多功能转子实验台的电机转速等参数 的p x i 系统；另一个是测量实验台环境温湿度的p c - d a q 系统。 4 、采用l a b v i e w 平台，分别从p c d a q 子系统和系统服务器这两部分对系统 进行了模块化的设计。给出并介绍了子系统界面和整个系统的主界面，详细介绍 了数据采集模块、信号分析和处理等模块。 5 、讨论了l a b v i e 中实现网络通信的d a t a s o c k e t 技术和远程面板发布w e b 技术；利用 d a t a s o c k e t 方式实现了p c d a q 系统主机与服务器的c s 模式的通讯，然后利用服务器端的 w e b 发布方式实现了系统的b s 模式。使i n t e r n e t 上的用户通过浏览器即可控制远程的虚拟 仪器面板。 5 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章虚拟仪器技术 2 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器( v i ) 的概念是随着计算机测试仪器的发展而提出的。 传统仪器主要包括：数据采集与控制，数据显示，数据分析。而p c 卡式仪器 由于自身不带仪器面板，因此必须借助于p c 作为其数据分析与显示的工具。 虚拟仪器借助于p c 的强大图形编程能力，建立图形化的虚拟仪器面板，完成 对仪器的控制、数据分析和显示。这种以p c 为核心，由测量功能软件支持，具有 虚拟仪器控制面板、必要的仪器硬件和通信能力的仪器被称为虚拟仪器【6 l 。 2 0 世纪8 0 年代，美国国家仪器公司首先提出了虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ，v i ) 的概念1 7 。“软件就是仪器”口号的提出，彻底打破了传统仪器只 能由生产厂家定义、用户无法改变的局面。 虚拟仪器实质上是“软硬结合”、“虚实结合”的产物，它充分利用最新的计 算机技术来实现和扩展传统仪器的功能。它强调软件的作用，提出“软件就是仪 器”的概念，在虚拟仪器中，硬件仅仅解决信号的输入、输出，软件才是整个仪 器系统的关键嗍。用户可根据自己的需要通过编制不同的测试软件来构成各种功能 的测试系统，其中许多硬件功能可直接由软件实现，系统具有极强的通用性和多 功能性。 2 2 虚拟仪器的特点及发展趋势 虚拟仪器的优越性主要表现在如下几个方面唧； 1 人机界面友好，操作简单易行 虚拟仪器软件界面一般为w i n d o w s 标准下的应用程序，其界面与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。 另外，某一虚拟仪器一般是为完成特定的测控任务而设计的，具有很强的针 对性。其中不相关的或不重要的功能在软面板上可以不表达或实行隐式表达，各 控件的布局安排也充分考虑了系统的测控要求。软件的设计过程是对特定的测控 过程及系统测控资源的重新组织和优化的过程。 2 测控效率及测控精度商，测控过程统一、标准 6 湖北5 - 业大学硕士学位论文 采用虚拟仪器软件技术的测控系统，其各个；贝| l 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 在开发仪器系统时，对仪器的软件整体结构进行科学合理的规划，使其软件 主体独立于硬件的驱动程序。所以，虚拟仪器就不再依赖于特定的硬件功能单元， 当需要更新不同公司或不同型号的硬件功能单元时，只要按系统规定的格式重新 开发该硬件功能单元的驱动程序即可。 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，各硬件功能单元之间是通过标准接口实 现连接的。只要把新功能单元通过标准总线连接进系统，并把其功能融合到系统 中去，即完成了仪器的功能扩展。 表2 1 为传统仪器与虚拟仪器的性能比较 传统仪器虚拟仪器 制造厂商定义 硬件是关键 设备的功能、规模固定 封闭的系统，与其他设备连接受限 价格昂贵 技术更新缓慢( 周期为5 1 0 年) 开发和维护费用高 用户自己定义 软件是关键 系统功能、规模可通过软件进行修改、增 删 基于计算机的开放系统，可方便地同外 设、网络及其他应用设备连接 价格低廉，可重复利用 技术更新快( 周期为1 2 年) 采用软件结构，大大节省开支和维护费用 近十年来，以i n t e r n e t 为代表的网络技术的出现以及它与其他高新技术的褶 互结合，使得仪器和硬件的发展向计算机标准、网络标准靠拢。 由于虚拟仪器技术以软件为主体，以p c 为平台，具有方便灵活的互联能力， 计算机总线标准的发展直接导致了虚拟仪器在p x i 领域中得到了快速发展，它将 成为未来仪器行业的主流产品。 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 7 湖北工业大学硕士学位论文 程平台图形化和硬件模块即插即用( p l u 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 1 0 1 ： ( 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 总线一插卡型虚拟仪器 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1 1 1 】。 ( 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 w e ( v e r s am o d u l ee u r o c a r d ) 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 雕i 屏蔽， 数据传输率达到1 0 0 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一个采集盒内或一 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。 本课题主要用到了p c 总线一插卡型虚拟仪器和p x i 总线方式的虚拟仪器，在 后面系统的硬件设计章节将详细介绍。 8 湖北工业大学硕士学位论文 2 4 虚拟仪器的软件开发平台 虚拟仪器是现代计算机技术与仪器技术完美结合的产物，是当今计算机辅助 测试领域的重要技术。虚拟仪器利用计算机强大的图形环境和接口通信功能，借 助开发软件平台编制虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析和显示，改变 了传统仪器的使用方法。因此，软件在仪器的开发和使用的全过程中都起着至关 重要的作用。可以说没有了软件就没有虚拟仪器。也正是软件开发的灵活性和可 移植性决定了虚拟仪器的灵活、开放和使用的便捷。 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 + + 、v i s u a lb a s i c 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 l e w 和h p 公司的h p v e e 4 i i t 2 。 与传统的编程语言如c 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等相比较，l a b v i e w 虚拟 仪器开发平台软件能将计算机的数据分析、处理、显示能力与仪器驱动融合在一 起1 1 3 】，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，能大大缩短了虚拟仪器软件开发周期，降低 开发费用，为智能仪器、虚拟仪器、数字化测控系统的迅猛发展提供了有利条件。 作者在研究本课题之初，尝试过用v c + + 进行虚拟仪器的软件开发，结合研华公 司的p c i 一1 7 1 0 采集卡，实现了数据采集和显示，程序运行晃面见附录中的图4 。由 于用v c + + 开发难度很大，效率低下，而且人机界面不是很友好，经过与在测控领 域极具优势且网络功能强大的l a b v i e w 相比较，最终选择了用l a b v i e w 进行基于 虚拟仪器的网络测控系统的开发。 2 5 本章小结 本章主要从概念、特点及发展趋势、系统分类、软件开发平台几个方面对虚 拟仪器做了介绍。 9 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章基于虚拟仪器的网络测控系统的组成 网络化测控系统是基于网络的分布式测控系统，它由分散挂在网络上的各种 不同测控设备组成，通过网络进行数据传输，实现资源、信息共享，协调工作， 共同完成大型复杂的测控任务。目前，在实际应用中较为常见的网络化测控模式 主要是基于c l i e n t s e r v e r ( c s ) 的网络化测控模式。近几年来，随着w e b 技术 的发展，基于b r o w s e r s e r v e r ( b s ) 的网络化测控模式已成为了目前研究和应用 的热点。本章在分析和比较了c l s 和b s 这模式的优缺点之后，给出了基于c i s 和b i s 混合模式的虚拟仪器网络化测控系统的软硬件架构。 3 1 网络化测控系统的结构 3 1 1c s 模式 c l i e n t s e r v e r ( 简写为c s ) 模式也称客户机服务器模式，它是2 0 世纪 8 0 年代由美国s y b a s e 公司为首的几家计算机公司提出并实现的，后来得到了异 乎寻常的迅猛发展并逐步渗透到计算机应用的各个领域，这一计算机体系结构及 网络模式在设备远程状态监测与故障诊断系统的设计方面一度被认为是较为理想 的模式1 1 4 j 。 通常，集散控制系统与多点监控系统多采用这种结构。一般有多个客户端来 采集数据，通常有一个服务器，它既可以向底层的测控机发送指令，也可以监视 底层的测控设备，还可以充当数据库；而客户端不仅需要对底层测控设备进行控 制，还可以通过网络把测试数据写入远程服务器数据库。对于这种模型，设计人 员要做两方面的开发，一个是采集程序和数据远程发布程序的设计，另一个是客 户端数据的接收程序的设计f l ”。采用c s 模式组建的网络测控系统的结构如图 3 1 所示。 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 2b i s 模式 图3 1c s 模式的网络测控系统 b s 模式即浏览器服务器模式，该模式方便用户用w e b 发布数据。通常，用 户端只需要安装一个浏览器来直接访问该测控网站的地址，就可以监视远程测控 点的数据变化情况。它的主要工作在服务器端程序的开发，不存在客户端程序的 开发和维护l 。 w e b 技术吸引人的地方是采用超链接和多媒体信息。w e b 服务器使用超文本标 记语言( m m l ) 描述网络的资源，创建网页，并以h t m l 数据文件的形式保存其 中，以供w e b 浏览器阅读。h t m l 文档的特点是交互性，超链接是文挡中的链接， 不管是一般文本还是图形，都能连接到服务器上的其他文档，从而使客户快速地 搜寻他们想要的资料。h t m l 网页还可包括表单供用户填写并通过服务器应用程序 提交给数据库【1 。1 。这种数据库一般是支持多媒体数据类型的。w e b 浏览器是一个用 于文档检索和显示的客户应用程序，并通过超文本传输协议h t t p 协议与w e b 服务 器相连。目前，流行的i n t e r n e te x p l o r e r 和n e t s c a p en a v i g a t o r 除提供基本 的文档检索、显示和导航特性，还支持h t m l 的高级显示( 如表和帧) 以及a c r i v e x 、 j a v a 、j a v a s c r i p t 等特性。 b i s 模式的系统以服务器为核心，程序处理和数据存储基本上都在服务器端完 湖北工业大学硕士学位论文 成，用户无须安装专门的客户端软件，只要通过网络中的计算机连接服务器，使 用浏览器就可以进行事务处理。b s 模式具有易于升级，便于维护，客户端使用 难度低、可移植性强等特点，同时也受到灵活性差、应用模式简单等问题的制约f “。 b i s 模式下一般采用h t t p 协议，采用b s 模式组建的网络测控系统的结构如 图3 2 所示。 客户机浏览嚣客户桃测施嚣客芦机浏览器客p o t 涮览器 图3 2b i s 模式的网络测控系统 3 1 3o i s 模式与b s 模式的特点分析 两种模式的优点和缺点比较如表3 。l 所示。 ( 1 ) 系统的性能 在系统的性能方面，b i s 占有优势的是其异地浏览和信息采集的灵活性。任何 时间、任何地点、任何系统，只要可以使用浏览器上网，就可以使用b i s 系统的 终端i 。 不过，采用b s 结构，客户端只能完成浏览、查询、数据输入等简单功能， 绝大部分工作由服务器承担，这使得服务器的负担很重。采用c l s 结构时，客户 端和服务器端都能够处理任务，这虽然对客户机的要求较高，但因此可以减轻服 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 务器的压力。 表3 1c s 、b s 模式的优点和缺点 ( 2 ) 系统的开发 c l s 结构是建立在中间件产品基础之上的，要求应用开发者自己去处理事务 管理、消息队列、数据的复制和同步、通信安全等系统级的问题。这对应用开发 者提出了较高的要求，而且迫使应用开发者投入很多精力来解决应用程序以外的 问题。这使得应用程序的维护、移植和互操作变得复杂。如果客户端是在不同的 操作系统上，c l s 结构的软件需要开发不同版本的客户端软件。但是，与b i $ 结 构相比，c l s 技术发展历史更为“悠久”。从技术成熟度及软件设计、开发人员的 掌握水平来看，c l s 技术应是更成熟、更可靠的。 ( 3 ) 系统的升级维护 c l s 系统的各部分模块中有一部分改变，就要关联到其它模块的变动，使系 统升级成本比较大。b i s 与c l s 处理模式相比，则大大简化了客户端，只要客户 端机器能上网就可以。对于b i s 而言，开发、维护等几乎所有工作也都集中在服 务器端，当企业对网络应用进行升级时，只需更新服务器端的软件就可以，这减 轻了异地用户系统维护与升级的成本【2 0 】。如果客户端的软件系统升级比较频繁， 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 那么b i s 架构的产品优势明显所有的升级操作只需要针对服务器进行，这对 那些点多面广的应用是很有价值的，例如一些招聘网站就需要采用b i s 模式，客 户端分散，且应用简单，只需要进行简单的浏览和少量信息的录入。 3 2 基于虚拟仪器的o l s 与b i s 混合模式的网络测控系统 测控系统的发展趋势是地域分散化、数据海量化、采集环境复杂化。在越来 越多的场合下，单一的c l s 或b s 模式结构己不能满足需求。 c l s 模式多用于局域网，交互性强，安全性好，但开发成本高，升级也不容易； 而b s 可用于广域网，客户端与平台无关，升级维护方便，但安全性较差，须采 取专门措施保证通信的安全，而且交互性差，多用于信息发布【2 1 1 。 本系统采用c l s 和b i s 混合模式，来设计基于虚拟仪器的网络测控系统。这 种设计将c l s 与b i s 的优点结合起来，既有c l s 高度的交互性和安全性，又有b i s 的客户端平台无关性等。可以把那些模块性、事务性强，应用逻辑复杂，交互少， 数据传输量小的程序采用b s 结构，在系统中主要是数据发布、历史数据查询、 系统控制现状查看等模块。丽那些b s 结构难以解决的问题，如交互性强、数据 传输量大的程序，则采用c l s 结构，因为这一部分与数据采集密切相关，系统的 实时性就在这部分体现，所以这部分数据量特别大，系统与底层的交互也非常强， b i s 结构无法解决这种现状，只有c s 结构才可以解决。 基于虚拟仪器的网络测控系统由多个自主运作的测控单元构成，各测控单元 通过系统基于的通信网络交互数据完成协作，从两组成一个集成式的测控体系。 下面从硬件构架和软件构架两个方面来介绍c l s 和b i s 混合模式的虚拟仪器测控 系统的组成原理。 3 2 1 整体硬件结构 采用c s 和b s 混合模式的虚拟仪器网络测控系统硬件结构如图3 3 所示。 这种虚拟仪器网络测控系统采用了c l s 和b i s 混合结构，其基本功能单元主 要由测控对象、测控客户机、网络服务器和用户四类组成，测控客户机和网络服 务器之间是c s 模式，网络服务器和用户则是b i s 模式【2 2 j 。各类设备功能描述如 下； 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 3 3 虚拟仪器网络测控系统硬件结构 ( 1 ) 测控对象 测控对象是测控系统的目标，通常由一系列传感和变送设备组成。 ( 2 ) 测控客户机 测控客户机是测控系统的核心。网络测控系统中可以有多个客户机，即有多 个分布在网络上的测控节点，每个客户机都是一个虚拟仪器测控系统，可以是由 普通p c 机或高性能工业计算机配数据采集设备组成的p c d a q 系统，也可以是p x i 系