第九章：智能仪器的新发展虚拟仪器网络化仪器

1、网 络 化 仪 器,主讲： 林君 教授 2004.6.28,主要内容：,概述 基于Web的虚拟仪器 嵌入式Internet的网络化智能传感器 IEEE1451网络化智能传感器标准,一、概 述,网络技术和计算机总线技术的发展，再加上测控任务的复杂化以及远程监测任务等迫切需求，促进了测控仪器向网络化的方向快速发展。 网络化仪器包括基于计算机总线技术的分布式测控仪器、基于Internet/Intranet的虚拟仪器、嵌入式Internet的网络化仪器、基于IEEE1451标准的智能传感系统以及基于无线通讯网络的网络化仪器系统等。 它们在智能交通，信息家电、家庭自动化、工业自动化、环境监测及远程医疗等

2、众多领域得到越来越广泛的应用。,二、 基于Web的虚拟仪器,概述 基于Web的虚拟仪器概念 基于Web的虚拟仪器软件技术 基于Web的虚拟仪器发展,1.概述,网络技术是推动信息产业及相关产业，乃至整个社会发展的一种核心技术，它的出现使得整个社会的工作和生活方式都发生了极大的变化。,Web技术在Internet上的快速发展，导致Web/Browser（以下简写为W/B）这一软件应用模型的流行。 W/B模型是C/S模型的衍生，这一模型奉行“瘦客户/胖服务器”的理念，把主要的应用程序放在服务器上，客户端只需要浏览器环境，就可根据需要从服务器下载应用程序来完成所需要的任务。 这使应用程序的维护更方便，

3、工作量主要集中在服务器端，开发工作量较小，成本较低。而且Web具有界面友好，操作方便等特点，因此深受广大用户的欢迎。,Web的简要介绍,目前除了作为Internet上组织和发布信息的有力工具之外，还广泛应用在包括MIS、GIS、电子商务和分布式计算等诸多应用领域中，并导致Intranet和Extranet的产生和发展。 未来的Internet将不仅仅只连接计算机和终端，仪器设备、消费电子产品汇接于Internet平台时使得人们可以实现“任何人在任何地方跟任何对象进行任何方式的信息交流”，Web TV、Web Tel由此产生并得到了应用。 Web渗透到仪器领域，是仪器领域内的一次重要革新，这正是

4、Internet非凡影响力的表现。,智能仪器在模拟仪器的基础上有了较大的发展，应用了许多计算机方面的技术，可以通过标准的IEEE488接口连接到普通计算机，仪器内部一般内置有处理器和存储器。 但是由于IEEE488接口传输速度有限，智能仪器存在着实时性差、价格昂贵、扩展能力低以及开放性差的缺点，而且智能仪器也是由厂商定义的，用户通常是无法改变的。 虚拟仪器（VI）克服了上述缺点，而将Web和虚拟仪器结合起来，使 VI拓展到真正的分布式网络测试应用环境中去，可以丰富测试手段，提高测试效率，充分合理地利用有效的资源。,虚拟仪器与智能仪器的简要对比：,2基于Web的虚拟仪器概念,基于Web的虚拟仪器

5、（ VI），简单说就是把VI技术和面向Internet的Web技术二者有机结合所产生的新的VI技术。 形象地说，VI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Web的VI则更进一步，它是把仪器的前面板移植到Web页面上，通过Web服务器处理相关的测试需求。,VI的两大技术基础是计算机硬件技术和软件技术，而正是计算机硬件和软件的网络化带来了整个社会的网络化，所以从发展的角度来说，这一技术不可避免地要渗透到VI技术领域里来。 VI依靠计算机强大的处理能力，高性能的显示技术，高速的存储系统，丰富的外部设备；同时VI还有计算机丰富的软件系统，包括网络化的

6、操作系统(如Windows NT)、应用软件(如Internet Explorer)和网络性能非常强的VI软件(如National Instrument公司的ComponentWorks,G Web Server等)。所有这些使VI系统本身具备了强大的网络能力。,VI技术：,就Internet的发展来说，从最初用于美国军方的ARPANET，到今天的Internet，Internet技术的发展日新月异，内容也由最初纯文本的信息交流，到WWW多媒体技术，再到信息家电等，越来越丰富。可以说Internet技术已经是无所不在，无所不容。 随着网络硬件设备的不断发展，基础设施的不断完善，网络软件的不断丰

7、富以及网络成本的不断降低，把网络作为VI的测试平台无论从技术上还是成本上都是可行的。,面向Internet的Web技术,Web技术是Internet的一个组成部分，如果说Internet是世界范围内计算机网络相互间连接的集合，那么Web可以说是在Internet顶部运行的一个协议。 WWW具有相互通信的能力，具有友好的图形用户接口，还具有良好的平台独立性，所有这些都为VI和Web结合奠定了基础。,VI和Web结合的基本模型 ：,图1 虚拟仪器与WWW结合模型 可以看出，在虚拟仪器的基础上，增加其登陆因特网及网络浏览的功能，就可以实现基于Web的网络化仪器了。从这一角度讲，基于Web的网络化仪器

8、是虚拟仪器技术的延伸与扩展。,3基于Web的虚拟仪器软件技术,ActiveX技术 DataSocket服务器 Web服务器,ActiveX技术,ActiveX是由Microsoft公司定义并发布的一种开放性标准。它能够让软件开发者很方便、快速地在Internet、Intranet网络环境里，制作或提供生动活泼的内容与服务、编写功能强大的应用程序。,ActiveX优点主要有以下几个方面：,利用现成的1000多个ActiveX Controls，可以很容易开发出基于网络的应用程序。 可以开发出能够充分发挥硬件与操作系统功能的应用程序与服务。这是由于所调用的ActiveX Controls与硬件及操

9、作系统功能能够较紧密地结合的缘故。 跨操作系统平台，支持Windows、Macintosh、UNIX版本。,ActiveX最吸引人的地方之一，就是ActiveX Controls。 ActiveX Controls 就是基于OLE(Object Linking 1994年3月，美国国家标准技术协会NIST(The National Institute f Standard and Technology)和IEEE共同组织一次关于制定智能传感器接口和制定智能传感器连接网络通用标准的研讨会，从这以后连续主办了四次关于这方面问题讨论的一系列研讨会场; 直到1995年4月,成立了两个专门的技术委员会：

10、P1451.1工作组和P1451.2工作组。,P1451.1工作组主要负责智能变送器的公共目标模型进行定义和对相应模型的接口进行定义； P1451.2工作组主要定义TEDS 和数字接口标准，包括STIM和NACP之间的通讯接口协议和管脚定义分配。 1998底，技术委员会针对大量的模拟量传输方式的测量控制网络及小空间数据交换问题，成立了另外两个工作组P1451.3、P1451.4。 P1451.3负责制定与模拟量传输网络与智能网络化传感器的接口标准； P1451.4负责制定小空间范围内智能网络化传感器相互之间的互联标准。,采用IEEE1451.4标准的主要目的如下：,通过提供一个与传统传感器兼容

11、的通用IEEE1451.4传感器通信接口使得传感器具有即插即用功能。 简化了智能传感器的开发。 简化了仪器系统的设置与维护。 在传统仪器与智能混合型（smart mixed-mode）传感器之间提供了一个桥梁。 使得内存容量小的智能传感器的应用成为可能。,虽然许多混合型 （即能非同时地以模拟和数字的方式进行通信）智能传感器的应用已经得到发展，但是由于没有统一的标准，市场接受起来比较缓慢。 一般来说，市场可接受的智能传感器接口标准不但要适应智能传感器与执行器的发展，而且还要使开发成本低。 因此，IEEE1451.4就是一个混合型的智能传感器接口的标准，它使得工程师们在选择传感器时不用考虑网络结构

12、，这就减轻了制造商要生产支持多网络的传感器的负担，也使得用户在需要把传感器移到另一个不同的网络标准时可减少开销。 IEEE1451.4标准通过定义不依赖于特定控制网络的硬件和软件模块来简化网络化传感器的设计，这也推动了含有传感器的即插即用系统的开发。,传统传感器检测系统设计,Sensor,工程师,开发系统,传感器检测系统,1451网络传感器检测系统设计,对传感器进行自动识别、 学习，完成信息获取。,信息网,NCAP,1451智能传感器,IEEE1451标准接口的结构如下图所示：,图3.不同网络总线IEEE1451转换方案,针对上图的几点说明：,第一层模块结构用来运行网络协议栈（Network

13、Protocol Stack）和应用硬件（Application Firmware）,即网络匹配处理器NCAP(Network Capable Application Processor); 第二层模块为智能变送器接口模块STIM（Smart Transducer interface Module）,其中包括变送器和变送器电子数据单TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）。 这样在基于各种现场总线的分布测量控制系统中，各种变送器的设计制造无须考虑系统的网络结构。 IEEE1451是为变送器制造商和应用开发商提供的一种有效而经济的方式以支持各种控制网络。,IE

14、EE1451.2的一种系统结构框图,传感器,处理器,TEDS,STIM,应用处理软件,识别 校正 引擎,WEB 服务器,NCAP,Internet,客户端,TII,两种智能变送器结构比较,图4 两种智能变送器结构比较,图4（a）为从图1变换而来的智能变送器接点总体硬件原理框图，其中标出了数字接口的位置，TEDS在物理结构上是与传感器/执行器信号连接在一起，传感器信号调理模块和变送模块在最前面； 图4（b）为STIM的结构所示。这里的IEEE1451主要是对读取传感器信号、设置执行器和访问TEDS定义数字接口。,STIM硬件的一种设计方案,串行下载口,ADUC812 (片上采集系 统芯片SOC)

15、,存储器,变送器 阵列,扩展 TII 接口,IEEE1451系列标准 的发展动向,IEEE和NIST还在着手制定无线连接各种传感设备的接口标准。该标准的名称为“IEEE P1451.5”。主要用于利用电脑等主机设备综合管理建筑物内各传感设备获得的数据。如果这一过程中的传送方式能得到统一，则有望降低无线传送部分的成本。 该规格中还将包括把传感器获得的信息用于WWW等外部网络的表述方式。,IEEE1451中将包括自动进行传感器微调的结构及实现通用即插即用（UPnP）的方法等，也就是所谓的“智能传感器”的标准。此前制订的标准主要是面向有线接入用途，但随着无线通信的硬件及软件价格的降低，无线支持功能便被提上了议事日程。 IEEE P1451.5将对物理层的传送方式等问题做出规定。正在探讨IEEE802.15.1（蓝牙协议）、IEEE802.15.4（介于无线识别技术和蓝牙之间的技术提案）以及IEEE802.11b等无线通讯协议的使用问题。还将着手制定耗电量、传送距离以及接收/发送部件的成本等方面的标准，推动无线通讯网络化仪器的进步。