（精密仪器及机械专业论文）基于虚拟仪器和嵌入式控制技术的网络测控平台设计与实现(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 网络测控 第一章绪论 信息网络、通讯技术和测控技术各自的发展与融合，尤其是k t e m e t 技术的 飞速发展，使测控不在是针对于单独的测控对象，而是基于某种协议的网络测控 系统，工作人员就不再需要亲临现场，而是直接通过网络获取数据信息，并对测 控对象进行远程控制。这样就给工作带来了方便，提高了工作效率，增加了安全 性，节约了成本等等。测控技术由此从单机测控阶段发展到当前的网络测控阶段。 网络测控是以信息处理为核心，以智能节点为基础，以信息网络为框架，将 系统中所有的测控设备，计算机，数据库通过网络连接在一起，组成一个测控网 络，形成一个数据共享的有机整体。网络测控主要有以下几种类型l 川： 1 利用专线的远程测控系统 一般采用自行架设专线( 如电缆) 作为数据传输的通道，系统主站( 测控中 心p c 机) 通过扩展的多个串行口及m o d e m ，与各地的多个子站相连。这种网 络技术的关键是如何建立主站和各个子站之间的通信协议，以保证整个系统的实 时性和避免冲突的产生。这种远程测控系统在水利、电力、交通、工业等领域的 应用十分广泛但是此测控系统成本过高。 2 利用公用电话网的远程测控系统 与利用专线的远程测控系统相似，只是租用公用电话网，采用拨号方式建立 临时连接的方式来实现远程测控。采用这种测控系统可以降低系统的硬件成本、 缩短建网周期，实现高速高效的目的。但是这种测控系统的实时性和保密性都比 较差，因此只用在一些了解远方测控对象的运行状态和提前预防事故的场合。 3 基于r s 4 8 5 总线的分布式测控系统 r s 4 8 5 只是一种串行通信的电气接口标准，工作人员可以在此基础上，自行 定义上层的通信协议，利用此电气接口标准，建立分布式测控系统。但是此系统 适合于规模不大，对实时性和速率要求不高的场合。 4 工业现场总线测控系统 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支的 1 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 通信网络。它是用于过程自动化最底层的现场设备以及现场仪表的互连网络，是 现场通信网络和控制系统的集成。典型的有：c a n 总线、m o d b u s 总线、l 彻w o r l 【s 总线、h a r t 总线等等。但多种不同总线标准的同时存在，给各企业基于不同现 场总线形成的测控网络之间的互联又设置了不少障碍。 5 基于m t 锄c t 的网络测控系统 随着m t c m e t 的高速发展，其带宽日益增大，其所承载的容量急速增张。同 时在测控领域中，网络测控所涉及的空间度越来越大，这样i n t e m c t 就天然的成 为了网络测控的最优秀的载体。通过i n t e m c t 就可以把世界各个角落的每个测控 对象都接入到一个网络测控系统中，这种规模是其它网络测控系统无法比拟的。 随着m t e m c t 的实时性、容错性和安全性的提高，基于h t c m c t 的网络测控系统 将更加具备优势。 而虚拟仪器技术和嵌入式技术的成熟和广泛应用，则给基于h i t 锄e t 的网络 测控系统带来新的机遇和新的技术突破点。 1 1 2 虚拟仪器技术与嵌入式技术运用于网络测控 1 虚拟仪器技术 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各 种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件帮助用户创建完全自定义的用户 界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足 对同步和定时应用的需求。同时拥有高效的软件、模块化王，o 硬件和用于集成的 软硬件平台这三大组成部分，就能充分发挥虚拟仪器技术性能高、扩展性强、开 发时间少，以及出色的集成这四大优势。 2 嵌入式技术 嵌入式技术是指针对于开发嵌入式系统的技术，嵌入式系统就是”嵌入式计 算机系统”，它包括硬件和软件两部分， 外设器件和i 0 端口、图形控制器等。 硬件包括处理器微处理器、存储器及 软件部分包括操作系统软件和应用程序 编程，有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行 为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用旧。嵌入式技术是当前 这个后p c 时代最流行的计算机技术，在各个领域都可以看到它的身影。嵌入式 系统的软硬可裁减性、良好的实时性、低功耗等方面的优点，给开发者带来各个 方面的好处。尤其是基于“n u x 操作系统的嵌入式技术，由于其相对于其它商业 操作系统的歼源性，更是受到开发者的青睐。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 把虚拟仪器技术和嵌入式技术同时运用到网络测控中去，是当前一个非常好 的技术结合点。事实上，目前把网络测控技术和这两种技术分别进行了结合的研 究已经比较成熟和完善，相关的产品已经上市，但是同时对三种技术进行融合， 三者合一，目前并不多见，这也是本文的意义所在。 2 网络测控平台的发展现状 目前，虚拟仪器技术、嵌入式技术和网络测控技术这三种技术的结合，国内 还处于起步研究阶段。而网络测控技术与虚拟仪器技术的结合，当前是发展的最 为成熟的，但是其基于h t 啪e t 网络的应用并不多，大多数还是基于一些现场总 线、p 或v 总线等的应用。而网络测控技术与嵌入式技术的结合，也比较 成熟，但是还是处于一种对于网络测控系统中的节点采用个别对待，用不运行操 作系统的8 位或1 6 位m c u 实现简单控制的状态。 一直以来，虚拟仪器技术的领导者n i 公司在虚拟仪器和测控领域处于领先 地位，目前大多数有关于虚拟仪器的产品都是采用n l 公司的虚拟仪器开发工具 来完成的。n i 在提出虚拟仪器概念后，引起了仪器界的一场革命，传统仪器虽 然在精确度等方面占有优势，但是虚拟仪器在应用的灵活性和人性化方面占尽优 势。在测控技术进入网络测控阶段后，n i 公司在其开发工具和产品中也加入的 相关的各种总线技术和网络测控功能，这其中就有针对于h t c m c t 网络的 d a t a s o c k e t 技术( 此技术属于n i 专有，只能应用于n i 的产品中) ，此同时也提供 了没有针对s o c k c t 进行封装的a p i 函数。目前，n i 公司在全系列的产品和开发 工具中提供了网络测控的相关模块，可以运用其产品组建一个完善的基于虚拟仪 器技术的网络测控平台，但是此平台不具备好的兼容性。不过其提供的没有封装 的s o c k e t 函数给其它b t e m c t 网络上的设备提供了一个可能的接口。 另一方面，工业现场总线应用于一些相对规模不大的测控现场，而在这个基 于现场总线的网络测控系统中，用8 位或1 6 位的m c u 就可以满足要求。但是 随着测控范围的越来越广，基于h t 锄c t 的网络测控系统在工业场合得到应用， 对于功能较少的系统而言，8 位或者1 6 位的m c u 即可实现包括t 卫，口协议在 内的一些应用，但是对于要求高的系统，则只能采用高性能的基于3 2 位m c u 的运行操作系统的嵌入式系统来完成。对于网络测控系统，另一种方式就是把单 个传感器网络化，这样对于单个的网络传感器作为一个节点接入测控网络中，以 后此类网络传感器可以采用s o c 技术来实现。 目前建立基于虚拟仪器和嵌入式技术的网络测控平台有如下的实现方法是 3 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 利用n i 公司强大的虚拟仪器开发工具l a b w 抽d o w s 心h j 或者l a b v w 来实现虚 拟仪器部分的开发，也就是作为网络c s 模式中的客户端，而采用基于高性能 m c u 的嵌入式系统模块来完成客户端对测控对象的操作，在此嵌入式模块中包 括控制单元和数据采集单元，利用此来对多个测控对象进行控制和测量。 1 3 网络测控平台的设计方案 网络测控平台的设计方案可以有很多种，根据不同需求可以设计出最符合自 身设计要求的方案，以达到设计所涉及各个方面的最优配置。设计一个网络测控 平台主要从以下一些方面进行考虑：网络方面，可以自己建立专门用于测控的网 络平台或者直接利用现有的h t e m c t ，而目前的设计偏向于h l t e m c t 为基础，在此 之上，网络架构可以采用c 格模式或者丑临模式，而传输层的协议采用t c p 或 者u d p 。测控仪器方面，可以采用传统仪器来实现或者利用虚拟仪器技术结合 计算机通过相关的软件来实现。测控平台接入端方面：考虑测控平台的每个接入 端点的功能是否需要采用复合式还是单一式，即其不仅具备测控服务器端被访问 功能而且还具备作为客户端访问其它端点功能，或者使这两种功能独立分开，一 部分端点作为客户端而另一部分作为服务器端。端点或者采用p c 机、工控机或 者采用嵌入式系统。通过以上的分析，在具体要建立一个网络测控平台的时，通 过以上各个方面的综合就可以很好的完成一个优秀的设计方案。本文中所要建立 的网络测控平台的设计方案如下： 建立一个基于h l t 咖e t 网络的测控平台，并采用g ，s 体系结构模式，在整个 网络测控平台中，以嵌入式系统模块来实现网络中的服务器( s e e r ) 的角色，而 以实现虚拟仪器的p c 主机在充当网络中的客户( c l i e n t ) 的角色。在平台的软件结 构框架中，此角色划分也符合网络访问程序中的服务器端和客户端的区别。此网 络测控平台的结构如图1 1 ： 从软件方面来说，嵌入式系统模块采用开源的i j n 驱操作系统为平台，在 l i n u x 系统优秀的网络功能的基础上开发网络服务器程序，并同时开发数据采集 程序和控制系统程序。虚拟仪器端，利用n i 公司强大的虚拟仪器开发工具 l a b w i n d o w s c v i 来开发灵活互动的人性化的虚拟仪器终端。 本文的重点在于实现以w i n d o w s 系统为开发平台的虚拟仪器和嵌入式l i n 呱 系统之间的网络通信，建立一个可靠的基于h l t c m e t 的网络测控平台，以此来实 现对嵌入式系统端的测控对象进行远程控制或数据采集。本文还为后续的多台虚 拟仪器主机通过d a t a s o c k e t 技术来实现它们之间的网络互联打好基础。 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 研究意义 图1 1 网络测控平台结构模型 当前，科学技术飞速发展，在各个领域都有突破性的进步，相关技术的融合 进一步促进了新概念、新技术的产生。虚拟仪器技术在n i 的带领下发展了近3 0 年，已经非常成熟，而n i 早在9 0 年代就把虚拟仪器技术和网络测控技术进行了 有效的结合，并取得了很好的市场效益。而嵌入式技术在进入2 1 世纪后，其成 为了后p c 时代最热门的技术之一，发展规模空前，尤其是在消费类电子终端中 的应用以几何级速度在增张，并不断的向其它领域进军。虚拟仪器技术、嵌入式 技术和网络测控技术三者结合，建立基于虚拟仪器和嵌入式技术的网络测控平台 有如下的意义： 1 应用方面：利用嵌入式系统的便携性、可裁减性和稳定性，使测控的范 围得到迸一步的扩大，例如对体积要求严格的场合或者环境比较恶劣的场合。同 时网络化使各个测控对象不在孤立，而是成为一个整体，他们可以实现信息共享。 2 成本方面j 充分利用【j n 呱作为免费开源操作系统的诸多优点，开发基 于“邛x 的嵌入式系统，这样不仅节约软件投入而且缩短开发周期。 3 技术方面：因为网络测控技术与虚拟仪器技术和嵌入式技术分别结合比 较成熟，所以虚拟仪器技术和嵌入式技术的融合是较新的焦点，在此是利用网络 作为它们的联系纽带。同时把以往网络测控中功能比较单一的节点由功能强大的 嵌入式系统模块来取代。 随着三种技术的继续发展，会有更多有意义的闪光点产生。比如n i 已经开 堕! ! 三些奎堂堡主堂垡丝壅笙二皇堡笙 发出了璇l 假下的虚拟仪器开发工具，所以在嵌入式系统中建立虚拟仪器也是一 种可能。另外虚拟仪器可利用各种总线接口和嵌入式系统直接相连等等。 1 5 主要工作与章节安排 本论文对基于虚拟仪器和嵌入式技术的网络测控平台的实现进行了论述和 研究，对其中的一些关键技术进行了详细分析，并且提出了具体的实施方案。本 论文由七章组成，内容如下： 第一章概述部分，由网络测控技术的发展，引入虚拟仪器技术和嵌入式技 术，并论述了三种技术当前的发展情况以及三者相结合的意义，给出了具体的网 络测控平台的实现方案。 第二章系统地介绍了虚拟仪器技术，同时结合网络架构模型对虚拟仪器技 术在网络测控中的应用进行了分析，并解释了d a t a s 0 c k c t 技术，分析了嵌入式 系统加入网络测控平台的方式。 第三章介绍了l a b w i n d o 、 ，s 仍，i 虚拟仪器开发工具，详细地阐述了利用其开 发网络测控平台虚拟仪器客户端的过程。 第四章系统的介绍了嵌入式技术知识和目前的发展情况，具体的介绍了几 种流行的嵌入式操作系统，并对嵌入式l i n u x 系统进行了详细的分析。 第五章完整的介绍了一个嵌入式i j n 呱系统的构建过程，分析了构建过程 中所涉及到的一些关键技术问题。 第六章介绍了嵌入式l j n 呱系统端程序的开发，包括相关的开发驱动程序 的知识，并给出了具体的实现方法，应用程序的开发以及网络服务器端程序的开 发，最终实现了一个完整的网络测控平台。 第七章总结及展望 6 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器技术及其在网络测控中的应用 第二章虚拟仪器技术及其在网络测控中的应用 2 1 虚拟仪器概述 虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是当今计算机辅 助测试领域的一项重要技术。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件 资源和虚拟仪器软件资源三者的有机结合。 2 1 1 虚拟仪器的基本概念 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的平台上，由用户设计定义具有虚拟 面板，其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利 用计算机显示器模拟传统仪器的控制面板，以多种形式输出检测结果；利用计算 机软件实现信号数据的运算、分析和处理；利用i ，o 接口设备完成信号的采集、 测量与调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或者 键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专有测量仪器【阍。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包括一下两个方面的含义。 1 虚拟仪器的面板是虚拟的 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上面的各种器件所完成的功 能是相同的，并由各种开关、按钮、显示器等实现仪器的“通”或“断”，被测 信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置，测量结果的“数值显示”或者“波 形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且都是由“手动”和“触摸”进行操 作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相似的“图标”，每个控件的“通”、“断” 、“放大”等动作是通过用户对计算机鼠标或者键盘的操作完成的。因此，设计 虚拟仪器的过程就是在面板设计窗口中摆放所需的控件，然后对控件进行合理的 属性设置。 2 虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的 在以计算机为核心组成的硬件平台下，通过软件编程设计来实现仪器的功能， 可以通过组合不同的测试功能软件模块来实现多种测试功能。因此，在硬件平台 确定后，有“软件就是仪器”的说法，这也体现了测试技术与计算机的深层次结 7 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器技术及其在网络测控中的应用 2 1 2 虚拟仪器的硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台主要由两部分组成。 1 计算机系统 一般为一台普通的p c 或工控机或工作站，是硬件平台的核心。 2 加接口设备 i o 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。不同的总线 有其相应的加接口硬件设备，主要有：利用p c 总线的数据采集卡，板( d a q ) 、 g p m 总线仪器、v 总线仪器模块、p 总线仪器模块、串口总线仪器等。以 h t e m c t 为基础的网络测控设备的应用也日渐广泛。虚拟仪器的构成框图如图 2 1 ： h l 信号调理 争i 数据采集卡l 七 厂 、 7 l ! ! 竺竺竺i 、 7 嬲 叫串行接口仪器f 一 计 控 ll 算 对 、 7 l 嗍仪器| 、 7 机 象 i现场总线设备 i m e 暇各p 叫其它硬件模块卜 图2 1 虚拟仪器的构成框图 2 1 3 虚拟仪器的软件 虚拟仪器技术的核心是软件，用户可以采用各种编程软件工具来开发自己的 8 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器技术及其在网络测控中的应用 虚拟仪器应用软件。虚拟仪器软件开发工具主要有两类： 1 文本式编程语言，如s u a lc + + ，鲫a lb 勰i c ，l a b w i n d o w s ，c 、l ，i 等等。 2 图形化编程语言，如l a b w ，h p v l e 等等。 这些软件开发工具为用户设计虚拟仪器应用软件提供了最大限度的方便条 件与良好的开发环境。 虚拟仪器软件也由两大部分构成。 1 应用程序：实现虚拟仪器面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图软 程序。 2 i o 接口仪器驱动程序：完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通讯。 2 1 4 虚拟仪器的设计方法 虚拟仪器的设计方法与实现步骤和一般的设计方法和实现步骤基本相同，只 不过虚拟仪器在设计时要考虑硬件部分。虚拟仪器的设计方法包括o 接口仪器 驱动程序的设计、仪器面板的设计与仪器功能算法的设计三部分 1 接口仪器驱动程序的设计 根据仪器功能要求，确定仪器接口标准，针对相关接口标准的硬件进行驱动 程序的开发。 2 仪器面板的设计 在虚拟仪器的开发中，利用各类仪器控件创建用户界面，即虚拟仪器的面板。 3 仪器功能算法的设计 根据仪器功能要求，利用虚拟仪器开发平台所提供的函数库，确定程序的基 本框架、主要处理算法和所实现的技术方法。 从上面三方面可以体现出，在计算机和仪器等资源确定的情况下，有不同的 处理算法，就有不同的虚拟仪器，由此可见软件在虚拟仪器中的重要作用。 2 2 虚拟仪器的发展与特点 2 2 1 仪器的发展过程 电子测量仪器发展到当前，可以分为五个阶段：模拟仪器、分立元件仪器、 数字化仪器、智能仪器和虚拟仪器。 第一代模拟仪器：以电磁感应基本定律为基础的指针式仪器。 9 西北工业大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术及其在网络测控中的应用 第二代分立元件式仪器：以电子管或晶体管电子电路为基础。 第三代数字仪器：以集成电路芯片为基础，将模拟信号的测量转化为数字信 号的测量，并以数字方式输出最终结果。 第四代智能仪器：以微处理器为核心，此类仪器既能进行自动测试，又具备 一定的数据处理功能，可取代部分脑力劳动。 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机的深层次结合 引起了测试仪器领域的一场革命一一虚拟仪器的出现。 2 2 2 虚拟仪器的发展方向 随着计算机，通信和微电子技术的不断提高，以及网络时代的到来和信息化 要求的不断提高，网络技术应用到虚拟仪器领域是虚拟仪器发展的大趋势。使用 网络化虚拟仪器，可以在任何地点，任意时刻都能够获得测量数据信息。其也适 合于异地或远程控制、数据采集、故障检测等。 与计算机为核心的虚拟仪器相比，网络虚拟仪器将会是仪器发展史上的又一 次革命。网络化虚拟仪器将由单台虚拟仪器实现的数据获取、数据分析以及图形 化显示三大功能分开处理，分别使用独立的基本硬件模块来实现传统仪器的三大 功能，进而实现信息资源的共享【1 6 1 。 2 2 3 虚拟仪器的特点 相对于传统仪器，虚拟仪器有以下六个特点： 1 传统仪器的面板只要一个，上面布置着种类繁多的显示与操作元件。虚 拟仪器则通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样每个分面板上 就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简结化，从而提高操作的正确性和便 捷性。 2 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。 3 仪器的功能可以使用户根据需要由软件自行定义，而不是由厂商来事先 定义好的。 4 仪器性能的改进和功能扩展只需要更新相关的软件设计，而不需要重新 购买。 5 研制周期比传统仪器短。 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器技术及其在网络测控中的应用 6 虚拟仪器开放而灵活，可与计算机同步发展，与网络及其它周边设备互 联。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的 关键是软件”。 2 3 虚拟仪器与网络测控 在虚拟仪器中，计算机就是仪器的一部分，计算机性能的高低以及是否能够 得到的充分发挥，这决定了此虚拟仪器的优劣。在应用过程中，除了仪器的输入、 输出、数据处理分析、结果显示由计算机完成外，还可把各个孤立的虚拟仪器单 元通过h i t 嘲c t 组成虚拟仪器计算机网络系统。在一个大的复杂的测控系统中， 往往系统的测量、输入、输出以及结果分析此分布在不同的地理位置，仅利用一 台或几台计算机并不能担当此测控任务，需要由分布在不同地理位置的若干计算 机共同完成整个测试任务。计算机网络技术、总线技术与数据库技术的发展，乃 至h t 涨t 网络的发展拓展了虚拟仪器的应用范围。利用网络技术将分散在不同 地理位置不同功能的测控设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在整个测控 网络内得以共享，减少了设备重复投资。一台计算机采集的数据可以立即传输到 另一台处理分析机上进行处理分析，分析后的结果可被执行机构、工程师查询使 用，使数据采集、传输、处理分析成为一体，容易实现实时采集、实时监测。重 要的数据实行多机备份，提高了系统的可靠性。对于有些危险的、环境恶劣的不 适合人员操作的数据采集工作可实行远程采集，将采集的数据放在服务器中供用 户使用。虚拟仪器计算机在网络测控系统中具有广泛的应用前景【3 】。 2 3 1 网络测控的网络模型 网络软件系统体系结构的架构分为两种模式c 俗和b 届，那些用于网络测控 的网络架构模型也同样是这两种模式。 1 c 幅模式：此模式把数据库内容放在远程的服务器上，而在客户端上运行 相应软件。( ”s 软件一般采用两层结构：前端是客户端，即用户界面结合了表示 与业务逻辑，接受用户的请求，并向数据库服务提出请求，通常是一个p c 机； 后端是服务器，即数据管理将数据提交给客户端，客户端将数据进行计算并将结 果呈现给用户，并且提供完善的安全保护及对数据的完整性处理等操作，并允许 多个客户同时访问同一个数据库。服务器的硬件必须具有足够的处理能力，这样 才能满足各客户的要求。c ，s 模式的主要特点是交互性强、具有安全的存取模式、 】1 西北工业大学硕士学位论文第二章虚拟仪器技术及其在网络测控中的应用 网络通信量低、响应速度快、利于处理大量数据。 2 b s 模式：此模式只安装维护一个服务器，而客户端采用浏览器运行软件。 它是随着h t 锄e t 技术的兴起，对c 俗结构的一种变化和改进。它采用三层体系 结构，在数据管理层( s e r v c r ) 和用户界面层( a i e m ) 增加了中间件( m i d d l e w 盯e ) ，使 整个体系结构成为三层。在b s 体系结构系统中，用户通过浏览器向分布在网络 上的许多服务器发出请求，服务器对浏览器的请求进行处理，将用户所需信息返 回到浏览器。而其余如数据请求、加工、结果返回以及动态网页生成、对数据库 的访问和应用程序的执行等工作全部由w 曲s e r v e f 完成。b s 模式的主要特点是 分布性强、维护方便、开发简单且共享性强、总体拥有成本低1 4 j 。 2 3 2 虚拟仪器网络测控实现方式 在基于虚拟仪器的网络测控系统中，其软件系统都是以c s 和b s 架构模式 为基础，通过相关的网络通信协议和技术来实现的。而其中最为基础的就是t c p 协议和u d p 协议，其它的技术都是以t c p 或u d p 为基础而开发出来的。这其 中就包括与虚拟仪器技术息息相关的d a t a s o c k c t 技术，s c v e r 技术和w 曲服 务器技术，这些技术都是由虚拟仪器开发商n i 公司所提出。 1 直接利用t c p 协议或u d p 协议来实现。在网络的o s i 模型中，i p 协议 处于网络层，其是不可靠连接传输，而在网络层之上是传输层，传输层的协议就 是t c p 协议和u d p 协议。t c p 协议是可靠传输，其在传输过程中，要进行三次 握手，而且t = p 传输模式在软件层有服务器( s e 九，e r ) 和客户端( c 1 i e n t ) 之分。u d p 协议是一种不可靠连接传输，其实现相对简单，但是不适合大数据量的传输。在 网络世界中，对于网络通信有通用的网络编程接口，最主要的就是b s d 的s o c k e t 网络编程a p i ，在网络中的各个终端运行的不同操作系统r w i n d o w s 、i j 叫x 、u n i 】【 等) 中都有以此s o c k e t 技术为基础而建立的网络编程a _ p i ，这样就可以实现各种 操作系统之间在网络中的相互访问。本文就是利用此技术来实现w 抽d o w s 下虚 拟仪器客户与嵌入式u 肌x 系统下的服务器之间的通信。 2 利用虚拟仪器开发工具l a b v m w 中的v is e c r 来实现，在虚拟仪器网络 测控系统中，在服务器端利用l 丑b v i e w 来编写服务器程序，并通过s e r v c r 来发布，这样其它客户端就可以直接通过v is e n ，c r 来访问服务器端。v is e r v c r 适合于远程控制。 3 利用虚拟仪器开发工具l a b v i e w 中的w 曲s e e r 来实现，w 曲s e r v c r 是 虚拟仪器在b s 模式下的进行网络扩展而来的。通过它可以方便的在网络上发布 西北工业大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术及其在网络测控中的应用 虚拟仪器程序，而客户端直接利用w 曲浏览器就可以对其进行访问控制，这样 就可以不用再开发客户端的虚拟仪器程序。 4 d a t a s o c k e t 技术 d a t a s o d 【c t 技术是n l 公司为了使虚拟仪器技术更好的实现网络化而提出的。 借助它可以在不同的应用程序和数据源之间共享数据。它是一个基于t l ，m 协 议的编程技术，对底层进行了高度封装，提供统一的a p i 函数，使工程师不用 了解底层的网络编程技术，就可以搭建虚拟仪器网络测控系统i 冽。 d a t a s o c k c t 使用一种增强数据类型来交换仪器类型的数据，包括数据特性和 实际测试数据。d a t a s o c k c t 用类似于w 曲中的统一资源定位器( u r l ) 定位数据源， u r l 不同的前缀表示不同的数据类型。d a t a s o c k e t 的体系结构如图2 2 ： 图2 2d a t a s o c k c t 结构模型 从图2 2 中可以看出，对于采用d a t a s o c k e t 技术的网络测控系统，其客户端 可以是浏览器，l a b e w 和l a b w i l l d o w s ，a ，i 。而服务器端一般进行数据的采集， 数据由d a 诅s o c k c ts e r v c r 发送给客户。d a t a s o c k c ts c v 盯和d a t a s o c k e t 数据发布 者可以在同一台计算机上面，但是这样使网络不安全，一般是把两者分别安装在 不同的计算机上，这样作的作用有：采样机出现异常，服务器仍然继续运转：有 利于提高面向多个远程客户端应用的性能。 d a t a s o c k c t 技术包含d a t a s o c k c ta p i 和d a t a s o c k e ts e f v 盯两个部分。 d a t a s o c k e ta p l 是一个与协议、编程语言、操作系统无关的应用程序接口，可通 过a d i v e x 控件，l a b w 如d o w 栅或l a b w 来实现，用户利用此a p l 来编 写程序使数据自动转化为可在网络上传输的字节流。d a t a s o c k e ts e n ，c r 是n i 的 虚拟仪器开发工具中的一个单独的组件，它是一个可以独立运行的程序，能够自 堕j ! 三些盔堂堡主兰垡笙奎墨三童壅塑堡墨垫查墨茎垄塑竺型丝主堕窒旦 动管理与客户端之间的连接。d a t a s o c k e ts e r v c r 由d a 协s o c k e ts e r v e f 管理器来设 置，管理器如下图2 3 ： 图2 3d a t a s 0 c k c ts e r v c rm 觚a g c r 界面 同时，d a t a s o c k c ts e r v e r 运行时的状况如下图2 4 ： 在以上的四种方法中，目前主要用到的就是基于t i 弭幡协议，通过s o c k e t 网络编程接口来实现，其它都是n i 虚拟仪器特有的技术，并且都是以s o c k e t 为 基础对其进行封装后而产生的，而这其中d a t a s o c k c t 技术最为实用。 图2 - 4d a t a s o c k e ts e r v e r 运行界面 2 3 3 虚拟仪器网络测控系统中嵌入式系统模块的接入 在当前虚拟仪器开发工具日渐强大的时候，开发一个基于虚拟仪器的网络测 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器技术及其在网络测控中的应用 控系统是比较容易实现的，不论是直接利用s o c k e t 接口，还是用d a t a s o c k c t 技 术。而在此网络测控系统中接入嵌入式系统模块，必须要考虑到应用程序之间的 网络接口问题，因为目前虚拟仪器开发商主要是在以w h d o w s 操作系统为平台 的，虽然他们也逐渐在推出基于l j n 呱操作系统平台的虚拟仪器开发工具，但是 其功能有限，而且其针对的是p c 机，而不是针对嵌入式系统。所以对于整个网 络测控系统从操作系统方面考虑，在w 铀d o w s 系统平台之间采用d 呲a s o c k e t 技 术，而在w 缸d o w s 与【j n 溉之间采用s o d 泐网络接口。或者不采用d a t a s o c k c t 技术，而全部都用s o c k e t 来实现。 在运行w i n d o 吣操作系统平台的p c 或工控机中，利用n i 虚拟仪器开发工 具l a b w 蛔d o w 栅结合d a t a s o c k e t 技术组建一个虚拟仪器网络测控系统，在网 络中利用一台计算机运行d a t a s o c k c ts c r v c r ，同时在此计算机中，利用通用的 s o c k c t 接口技术完成一个c 幅架构模式中的c l i e n t 端与在嵌入式u 删x 系统中同 样采用的s o c k e t 接口技术实现的s e r v c r 进行网络通信，这样其它的虚拟仪器计 算机就可以通过d a t a s o c k c ts e n ，盯共享嵌入式系统端的信息。在此，运行 吣o c k c ts e e r 的计算机是它们的桥梁。另外也可以在每个虚拟仪器计算机中 利用s o c k e t 接口开发a i e n t 程序，利用直接可以访问嵌入式系统端服务器的程 序，而不用运行d a t a s o c k e ts e n ，c r 的计算机进行中转。这样每台计算机都可以直 接测控嵌入式端的对象，但是此时的信息不能共享，而且对嵌入式端测控对象的 操作不是并发的。 总之，在虚拟仪器网络测控系统中加入嵌入式系统模块，关键在于利用各个 操作系统平台通用的s o d 【c ta p l 网络接口函数来实现虚拟仪器端对嵌入式端的 访问，而d 砒i s o c k e t 技术的作用仅仅在使各个虚拟仪器计算机之间进行通信， 而它与嵌入式系统端没有直接的关联。 西北工业大学硕士学位论文第三章用l a w d o 、 ，s 协，i 开发网络测控平台的虚拟仪器 第三章用l 抽w i n d o w s c 开发网络测控平台的虚拟仪器 3 1i 五b w l n d o w s c 简介 虚拟仪器编程语言l a b w i n d o w s c 是美国n i 公司开发的面向计算机测控 领域的软件开发平台。它以a n s ic 为核心，将功能强大、使用灵活的c 语言 平台与数据采集、分析、和表达等测控专业工具有机的结合起来。它的集成化开 发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数大大增强了c 语言的功能， 为熟悉c 语言的开发人员提供了一个理想的软件开发环境【“。一个采用 k i b w i n d o w s f a ，i 平台开发的虚拟仪器的测试系统的典型结构如下图3 1 ： 设虚拟仪器面板 数 备 1 电量传感器r _ _ +信 据 驱应用程序 号 采动 叫非电量传感器r _ + 调 集程【丑b w 妯d o w s 例i 函数 )卡 序 理 r 电 l a b w i n d o w 啦平台 _ 1 其它传感器r _ - + 路 计算机 图3 1 虚拟仪器测试系统结构图 3 1 1h b w i n d o w s c 下虚拟仪器软件的组成 在l a b w i n d o w s c 软件平台下设计完成的虚拟仪器软件组成框图如图3 - 2 ： 西北工业大学硕士学位论文第三章用l 丑b w m d o w 自忙开发网络测控平台的虚拟仪器 图3 2 虚拟仪器软件组成框图 从软件组成框图中可以看出，对于用l 丑b w m d o w s 肼i 编写的虚拟仪器，其 软件的文件基本类型有四类。 1 p i j 文件 它是工程文件，主要就是由u i r 文件，c 文件和h 文件组成。它以一个工 程项目的形式存在于系统中。 2 u i r 文件 它是用户界面文件，此文件为虚拟仪器的面板文件，主要就是由控件组成。 文件中可以包括面板中的各种控件，每个控件都有自己的属性，同时控件还有事 件，当点击控件时，会调用相应的回调函数，完成相应的仪器功能。 3 c 文件 它就是源程序文件，是标准的c 语言文件，其中回调函数( q l l l b a c k ) 是关键。 4 h 文件 它是在设计完u i r 文件后，保存u i r 文件时自动生成的。 3 1 2l a b w m d o w s c 的编程思想 k b w i n d o w 栅编程中的概念有对象、面板、控件、回调函数和控件属性。 对象编程是核心，面板和面板中的控件都是对象。对象的基本元素就是属性和事 件。在l _ 丑b w i n d o w s 肼1 中通过对象的这两个元素来操控对象。 对象的属性是反映对象特征的参数，在l 丑b w i l l d o w s c 中，可以通过控件 属性对话框来设置属性。主要设置有：控件本身( 名称，回调函数等) ，控件外观 ( 大小，颜色) ，文字标签( 文字的大小，颜色) 。 在操作控件时( 点击控件) ，控件就有相应的事件发生，当事件发生时，对应 的回调函数被激活，由回调函数来完成控件对应的功能。回调函数就是c 语言 1 7 堕! ! 三些盔兰堡主兰垡丝奎茎三兰旦望! 婴! ! 竺! ! ! 翌堑垄塑竺塑! 丝兰垒堕壁垫堡墨 中由用户特殊定义的外部函数，只是结构有些特殊规定，它的功能就是响应对应 的事件。 3 1 3l a b w i n d o w s 倒i 编程的基本步骤 l a b w i n d o w 栅提供了丰富的函数库，其具有强大的接口功能，利用这些 函数库，可以方便的设计出符合用户要求的虚拟仪器。利用m w i n d o w s 例i 编 程主要有以下步骤： 1 根据测试任务确定程序的基本框架结构，仪器面板的选择布置以及程序 中所要用到的函数。 2 根据上一步制定的方案，创建用户界面，设置控件属性和回调函数名称。 3 在创建好用户界面后，利用l a b w i n d a w s ，c v i 直接生成源程序n c 文件) 的框架结构，然后就在框架结构中添加相关的函数来完成代码的编写，以实现相 关的功能。 4 把完成好的界面文件，源代码文件和头文件加入到一个工程项目中去， 然后编译调试工程文件，最后可以生成可执行文件( e x e 文件) 。 3 1 4l a b w i n d o w s c 的函数库 l a b w i n d a w s c v i 的强大在于其提供了丰富的函数库，利用这些函数库不仅 仅可以实现一些常规的程序开发，而且对于一些更加复杂的数据采集系统和控制 系统也可以很好的实现。其函数库主要包括五个大方面：数据采集方面，数据分 析方面，数据显示方面( 用户界面库) ，网络通信与数据交换方面，其它方面( 标准 c 库) 。在开发工程中，用户也可以自定义函数库以扩展标准函数库，来完成一 些自己特有的功能。 在网络测控平台的开发中，最重要的就是标准函数库中的d a t a s o c k c t 库和 t c p 函数库，它们为网络编程提供了方便的a _ p i 。 3 2 网络测控平台虚拟仪器端的开发 在本文的网络测控平台中，虚拟仪器是作为网络c 幅架构模式c l i e n t 端的形 式出现的，它们通过通用的s 0 c k e t 接口来实现网络通信，嵌入式l i n u x 端由操 作系统本身的t c m p 协议栈提供s o c k e t 接口，虚拟仪器端由l a b w i n d o w s c 要! ! 三些奎堂堡主堂鱼笙苎笙三主旦堡竺堕唑翌! ! ! 竺墅垄塑笙塑垄兰鱼塑生垫垡矍 的卫c p 函数库提供已封装好的网络接口。同时整个虚拟仪器的开发过程则遵循 3 1 3 节中的开发步骤来一一实现。 3 2 1b b w i n d o w s c 、，i 的t c p 函数库 踟w 访面w s f c 、，i 中的卫四函数库提供的网络传输的控制函数是w i n d o w s s o c k e t 的一个子集( w i n d o w ss o c k c t 是以b s ds o c k c t 为基础开发的) ，但是它只支 持t i 四服务，而不支持u d p 服务。实际上，l 丑b w i n d 讲 噶 c 、，i 中的卫c p 函数库 是封装了w i n d o w ss d k 中的w 恤d o w ss 0 c k c t 编程a p i 函数，在l 丑b w m d o w s 删i 开发环境中，通过s d k 提供的w i n d o w s s o c k c t 编程a p i 函数也可以实现网络传 输控制，但是使用【曲w 铀d o w s ，c 的t c p 函数库会更加方便和简单。 打开t c p 函数库的函数面板浏览器如下图3 3 ，可以看到t c p 函数库包含了 3 个子类： s e r v e rf h n c t i s ：服务器端的通讯控制函数 a i tf u n c t i o n s ：客户端的通讯控制函数 s u p p o nf u n c i i s ：其它功能函数 除此之外还有出错处理的函数和p r o c e 豁t i c p e v e n t s 函数。 图3 - 3t c p 函数库的函数面板浏览器 在这些库函数中，最重要的就是s e r v c rf u n c t i o n s 和a i c n tf u n c t i s 。s e r v e r f u n c t i 帆s 是虚拟仪器端作为服务器时为程序开发提供a p i 函数。a i 锄tf u n d i o n s 是虚拟仪器端作为客户端时为程序开发提供a p i 函数。在本文中，则是利用此 1 9 西北工业大学硕士学位论文第三章用l a b 砌n d o w ，c 开发网络测控平台的虚拟仪器 a p i 函数来开发网络测控平台中的虚拟仪器客户端程序。c ! l i e n tf u n c t i o 船主要提 供四个函数： 一 c 0 曲c c t t o t c p s e r v c r ：建立与指定服务器的连接 d i s o 叫n e c t f 如m t c p s e r v 盯：断开已经建立的连接 a i 锄t t c p r c a d ：客户端从连接的端口读取数据 c l i e n 仃a w r i t e ：客户端向连接的服务器发送数据 利用这四个函数和s u p p o nf u n d i o 璐中的一些辅助函数就可以实现网络测控 平台中虚拟仪器作为客户端的网络访问功能。 3 2 2 网络测控平台中客户端分析 在网络测控平台中，虚拟仪器客户端是直接面向用户，要考虑的是虚拟仪器 面板的易操作性，最好保持和传统仪器界面相似，m w i n d o w s h 。、，i 的用户界面 库提供的就是类似于传统仪器界面，所以设计出来的面板视觉效果良好。仪器面 板只是表面化的工作，而重要的是面板后面所涉及的函数功能的实现。 在本文中涉及的网络测控平台，主要实现两个方面的功能：1 、对嵌入式系 统端的二自由度云台进行控制( 此云台用于网络摄像头的方位调节) ；2 、对嵌入 式系统端的数据采集系统进行控制，并通过网络获取采集的数据并及时处理这些 实时的数据。 对于控制嵌入式系统端的二自由度云台，也就是控制两个步进电机的运动， 此处仅仅只要实现它的停、顺时针和逆时针三个状态即可。所以通过几个简单的 开关量就可以轻易实现。在面板上设置使用开关量的控件，在其回调函数中调用 网络发送数据的子函数，嵌入式系统端的s e n r e r 程序收到数据后，判断并调用 步进电机控制的子程序来完成对云台的操作从而控制摄像头的转动。 嵌入式系统端的数据采集系统是本网络测控平台中的重点部分，嵌入式端的 数据采集系统核心是一个a d c ，对其设置的参数包括采样通道，采样频率和采 样点数。那么在虚拟仪器客户端界面中，设置这些n 啪e i i c 控件，同时在相关的 回调函数中调用网络发送数据的子函数把数据传输给s e r y c r 程序，s e r v e f 程序再 通过调用数据采集子函数，通过传输来的这些参数采集符合客户要求的数据，并 同时再把数据返回给客户端。 在一个虚拟仪器客户端程序中如果实现对两个目标对象或者多个目标对象 的操作的时候( 各个对象性质不相同) ，可以