（电路与系统专业论文）基于XML和组件技术的虚拟仪器远程WEB测控[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 基于i n t e m e t 网络的w e b 测控系统是由仪器硬件、i n t e m e t 网络和软件组成 的分散集成式测控系统。系统中仪器执行数据采集功能、i n t e m e t 网络是数据传 输通道、软件则实现数据分析、表现和存储以及其他控制和服务功能。 在现代网络技术、软件技术和仪器技术快速发展的前提环境下，本文提出了 基于x m l 网络数据传输技术、结合组件开发技术及以虚拟仪器技术为支撑的虚 拟仪器远程w e b 测控新方案。 该方案克服了传统w e b 系统的系列缺点，大幅度降低了w e b 测控系统的 网络数据传输量，实现了测控数据的w e b 客户端处理，突破了以往w e b 客户 端只能进行测量数据浏览而不能进行处理的局限，使得基于i n t e m e t 的w e b 测 控趋向于实用。并且该模型面向新一代网络应用平台w 曲s e r v i c e ，为未来的网 络测控系统向w 曲s e r v i c e 平台顺利演迸及提供标准接入模块打下了基础。 关键词：w e b 测控，c 0 m a c t i v e x ，x m l ，m t s ，s o a p 协议，x m l h t t p 协 议，i v i 驱动，v i s a 库，虚拟仪器( v i ) ，c o m 仪器组件，w e bs e r v i c e a b s t r a c t t h ew e bm e a s u r e m e m &c o n t r 0 1 s y s t e m b a s e do nt h ei n t e m e ti sa s e p a r a t e d i n t e g r a t e ds y s t e m t h a ti sc o n s i s t e do f i n s t r u m e n t s ，t h ei n t e m e ta n ds o f t w a r e t h ei n s t m m e n t sd ot h ew o r ko fd a t aa c q u i s i t i o n ，t h e nt h ed a t aa r et r a n s m i t t e db y i n t e r n e t ，a n dt h es o r w a r ed ot h ew o r ko fd a t aa n a l y s i s ，d a t ad i s p l a y d a t as t o r a g ea n d o t h e rc o n t r 0 1a n ds e r v i c e 、v o r k u n d e rt h ep r e r e q u i s i t ee n v i r o m e n to ff a s t - d e v e l o p i n gt e c h n o l o g yo fm o d e m n e t w o r k t e c h n o l o g y ， s o r w a r ee n g i n e e r i n ga n di n s t r u m e n t t e c h n o l o g v t h e t h e s i s p m p o s e s an e wi n s t m m e n tw e bm e a s u r e m e m & c o n t r 0 1s c h e m ew h i c hi sb a s e do n t h ex m ln e t w o r kd a t at r a l l s m i s s i o nt e c h n 0 1 0 9 y - c o m p o n e n tt e c t l l l 0 1 0 9 ya n dv i n u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h e s c h e m eo v e r c o m e ss e r i e so ft r a d i t i o n a lw e bs y s t e m s h o r t c o m i n g s i t r e d u c e sal a r g ea m o u n to ft r a n s m i s s i o nn e t w o r kd a t a w h a t sm o r e ，t h ew e b c l i e n t s c a ni n d e p e n d e n t l yd e a lw i t ht h o s em e a s u r e dd a t at h a ta r et r a n s m i t t e df r o ms e r v e r s t a t i o n i tb r e a k st h el i m i to f o n l yd a t ab r o w s ea n dn od e a l i n ga tw e b c l i e n t sb e f o r e ， w h i c hm a k e st h ew e bm e a s u r e m e n t c o n t r o ls y s t e mb a s e do ni n t e m e tm o r e p r a c t i c a l l y w h a t sm o r e ，t h es c h e m ef k e st h en e wg e n e r a t i o no f n e t w o r ka p p i i c a t i o n p l a t f o r m w e bs e r v i c e t h e r e f o r e ，i tl a y st h ef o u n d a t i o n f o rf u t u r em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o is y s t e mi n n o v a t i n gt o w a r d st h ew e bs e r v i c ep l a t f b m la n do f r e r i n gs t a n d a r d i n t e r f b c en l o d u l e s k e y w o r d s ：w e b m e a s u r e m e n t & c o n t r 0 1 ， p r o t o c 0 1 ，x m lh t t pp r o t o c 0 1 ， i v id r i v e r c o mi n s t r u m e n tc o m p o n e n t ，w 曲s e r v i c e c o m a c t i v e x ，x m l ，m t s ，s o a p v i s al i b r a r y ，v i r t u a l i n s t m m e n t ， 南京邮电学院学位论文独创性声明 y 6 2 8 9 1 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：壁竖丝日期：塑兰：兰1 扣 、 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生繇毯堕新躲骧鼢竺竺一 南京l 掌量把硪士研兜生掌位论文 第一章绪论 随着计算机技术的飞速发展，及数据通信、网络工程等系统性能的巨大改 进，出现了将自动测试技术、计算机技术和网络通信技术相结合起来的契机。 近几年来，测控系统应用领域结合计算机技术、数据通信技术和网络工程 技术这三大技术的进展正自身不断地革新着传统的测控技术。 快速发展的计算机技术极大的推进了测控系统的智能化进程。传统的仪器 仪表正在向虚拟化的方向发展，事实也表明基于计算机的虚拟测量仪器可以满 足大多数的测量需求，同时能大大降低硬件成本和运行维护费用。 网络技术和通信技术的飞速发展使得原先只能集中在一起的数据采集、数 据分析、数据表现和数据存储可以实现地理位置上的分离，而测控系统则通过 网络通信技术来实现系统的集成。网络通信技术改变了传统测控系统的面貌， 促使了测控领域诸多热点研究方向的形成：带网络接口的网络化仪器硬件研究 ( 仪器网络化) 、网络化测控体系结构研究( 分布式测控技术、基于因特网的远 程测控技术) 、仪器的可互换性技术研究( 测控模块标准化) 等等。 综合以上可以看出现代测控技术正在向智能虚拟化、网络化、分布式的方 向发展。本论文将着重针对基于i n t e r n e t 的虚拟仪器远程w e b 测控技术进行 研究。 本论文的主要内容： 今天，网络技术在工业应用中起到越来越重要的作用，作业系统可以做到 功能部件在地理上分散、数据在网络中集成。一个大的复杂的测试系统往往系 统的测量、输入、输出、结果分析分布在不同的地理位置，仅用一台计算机并 不能胜任测试任务，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。 因特网的发展拓展了仪器测控系统的应用范围，利用网络通信技术将分散 在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在 网络内得以共享。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，分析后的结果可被客户查询使用，使数据采集、传输、处理分 析通过网络集成为一体，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现场操 r ：亡邮l 掌七硕士研兜生掌位论文 作的数据采集工作可实行远程控制采集，将采集的数据放在服务器中供用户使 用。 基于w e b 的仪器远程测控，涉及到仪器控制指令的远程发送、采集数据的 本地或异地存储、数据的远程表现等，这些都需在网络上进行数据传输，如何 做到网络数据传输的实时性、高效性、保密性? 实时性是指采集到的数据能远 程终端及时得到表现，高效性是指在网络上只传输有效最新数据，剔除数据的 重复传输，数据的安全保密传输现在也越来越受到重视。另外，网络数据的传 输格式，使得数据能否做到跨平台跨系统共享，也将是未来测控系统关注的重 点。 近年来兴起的x m l ( e x t e n d e dm a r k u pl a n g u a g e ) 网络数据传输格式，是 一种网络信息自由交换软件新标准，显示了强大的生命力。x m l 是w 3 c 制定的 一种可扩充标记语言，具有良好的数据存储格式、可扩展性、高度结构化、便 于网络传输等特点。使用x m l ，可以在互不兼容的平台间交换数据，它提供了 一种与软件和硬件无关的基于文本格式的开放共享数据方法，能够被不同类型 的程序所读取，这在很大程度上降低了数据交换的复杂性。并且x 扎数据可以 透过防火墙传输，使得测控系统可以置于企业防火墙之内供客户端调用，增强 了测控系统的安全性。x m l 的这些优点给基于w e b 的网络应用系统赋予了强大的 功能和灵活性，本文将使用x m 【，技术实现基于w e b 的仪器远程测控系统的数据网 络传输。 宽带网络连接技术的成熟和高效的数据网络传输技术的出现等促使了传 统软件体系结构的变革。基于因特网的b s 软件体系相比于传统的c s 软件体系 结构而言，奉行的是“瘦客户胖服务器”的绿色软件概念，主要的应用程序 安装在服务器上，数据存储和处理都可在服务器上完成，客户端在浏览器环境 下，通过w e b 页向服务器发出指令，服务器启动相应的进程响应指令，处理后 的数据经网络返回w e b 页显示。b s 结构体系能充分发挥了服务器的性能，减少 了服务器与远程客户端间的数据传输量，并且也便于软件的维护与更新。本文 将采用b s 软件体系结构实现仪器的远程测控。 在现代网络测控系统中，仪器的驱动程序层是重中之重，它是连接测控系 统的硬件和测控应用软件的关键，如果把仪器硬件作为下层，应用服务器以上 6 南京睁l 蛳麓乞硕士研竞生学位论文 作为上层的话，那么它起着承上启下的关键作用，并且正是驱动程序的变革直 接提升着整个测控领域的软件体系结构。当前在v p p 系统联盟和i v l 基金的努力 下，仪器驱动程序层正在实现标准化的进程。仪器驱动层向上为测控应用程序 层提供了一致的接口( a p i ) ，向下则屏蔽了各个厂家不同类型接口仪器的区别。 但现有的仪器驱动层接口模型和平台适应能力较弱，如何能维持原有仪器驱动 不变、又能克服这些弱点? 近年来基于面向对象的组件技术得到了迅速的发 展，特别在企业级分布式网络应用环境下的系统开发和应用程序的集成已经开 始广泛地运用组件技术。组件技术的发展极大地促进了软件产品的复用，提高 了软件开发的质量和进度，降低软件开发的风险、投资和周期。目前比较流行 的组件技术有微软公司的c o m d c o m c o m + 技术，h p 、3 c o m 等公司制定的公共 对象请求代理体系c o r b a 技术以及s u n 公司开发的j a v ab e a n 技术，鉴于 目前测控领域研究巨头们侧重于w i n d o w s 下的开发，本文将使用微软公司的 c ( j d c 0 m c o m + 技术。应用组件技术对仪器驱动层进行再封装，使得仪器驱动 层具备网络接入的功能。包装后的驱动层不仅能继承原驱动层的优点，而且具 有标准接口模型，具备c o m 技术特有的数据安全、数据完整特点，能适应几 乎所有w jn d o w s 下的软件平台，并且支持脚本语言的环境。本论文将在b s 构 架下的服务器脚本语言环境中使用c o m 仪器驱动组件。 传统b s 构架的客户终端并不适用于做测控终端，因为其没有良好的客服 互动性，特别是做不到实时数据的连续不问断显示及仪器的连续操作。w e b 与 微软的c 0 m 组件技术结合产生了a c t i v e x 技术，a c t i v e x 构架于m i c r o s o f t 的 组件对象模型( c o m ) 、o l e 技术和a p i 技术之上，由微软公司定义并发布的一 种开放性标准。a c t i v e x 控件能与w e b 客户端无缝地连接，并能在m i c r o s o f l t 的i n t e r n e te x p l o r e r 中直接执行。本论文将结合a c t i v e x 和x m l 技术开发b s 构架下的虚拟仪器远程w e b 测控终端，这两大技术的结合克服了传统b s 构架 客服互动性差的缺点。 以上就是本篇论文研究重点的简述。 在测控领域中，目前我还没有找到一篇完整的x m l 应用文献，我将尽我的 能力，在我导师王勇副教授的指导下和其他老师的帮助下完成本篇论文，实现 这一新技术在测控领域中的应用，起到抛砖引玉的作用。 南京鼻掌麓电硪士葺坪j 巴生掌位量分文 本论文的结构： 论文第一章是绪论，阐述了现代测控技术的发展及趋势，给出了本论文 研究的重点和论文的框架。第二章介绍了现代仪器技术和测控技术发展，阐明 了其未来的发展方向，叙述了选择基于w e b 的虚拟仪器远程测控这一课题进行 研究的技术背景。由于仪器驱动程序层在测控领域软件体系结构中的重要性， 所以专立第三章介绍仪器驱动的发展，虚拟仪器的软件结构体系。详细阐述了 驱动程序层的结构原理，介绍最新的可互换式仪器驱动器。第四章介绍目前的 网络测控方案，分析了其存在的不足。针对不足，引入c o m 组件技术包装服 务器端的仪器驱动、a c t i v e x 控件技术改造客户端浏览器页面，并采用x m i 。网 络数据传输技术。第五章介绍x m l 和c o m 组件编程技术规范。第六章引出本 论文研究课题：基于x m l 及组件技术的虚拟仪器远程w e b 测控。首先划分了虚拟 仪器远程测控的体系要素，并逐一对各要素进行了阐述。而后提出了采用x m l 技术和c o m 组件技术的仪器远程w e b 测控方案。建立了服务器端和客户端的通 信框架模型，分别给出了各自的程序流程图。最后结合部分示意代码给出演示 实例。第七章探讨了w e b 远程测控的安全问题。第八章对本论文进行了总结及 展望，指出了网络测控系统向新一代网络应用平台w e bs e r v i c e 演进是未来 的发展方向。 ，r | k l 掌髓乜硕士研究生学位论文 第二章仪器技术与测控技术的发展及其趋势 随着信息时代和网络时代的到来，仪器已不再是简单的机械或电子设备， 而是融合了多种学科和先进制造技术的一门综合性技术。计算机技术、软件工 程、网络通信技术等的迅猛发展对仪器技术与测控技术发展产生了革命性的影 响。 2 1 仪器技术的发展及其趋势 2 1 1 现代仪器技术向虚拟仪器技术方向发展的必然性 仪器是人类认识世界的基本工具，电子测量仪器发展先后经历了指针式仪 表、模拟器件仪器、数字器件仪器、智能仪器、个人仪器等阶段。其间，微电 子学和计算机技术对仪器技术的发展起了巨大的推动作用。 2 0 世纪7 0 年代，新兴的微处理器和计算机技术被越来越多的嵌入到测量 仪器中，构成智能仪器。智能仪器实际上是一个专用的微处理器系统，具有强 大的数字运算和数据处理能力，用键盘代替传统的仪器面板，具备标准的通信 接口，可程控，能方便与其它仪器实现互联。 8 0 年代初期，p c 机的发展促进了个人仪器的出现，通用的p c 机代替了智 能仪器中的微处理器、键盘、显示器等，仪器功能设计在单一的插卡模块上， 置于p c 机的扩展槽或专用的仪器扩展箱中，这些仪器插卡模块通过p c 机总线 与计算机实现通信。个人仪器充分利用了p c 机的软件和硬件资源，从而大幅 度的降低了测量系统成本，并缩短了仪器厂商的研发周期，在一定程度上普及 了仪器的使用。这种插卡模块式仪器固然有结构简单、成本低的优点，但性能 不是很高，且p c 机内干扰严重、扩展槽数目有限，于是在8 0 年代后期一些公 司推出了高级个人仪器系统，系统采用了外置于p c 机独立仪器机箱，有自己 的电源和冷却系统，该系统创新设计了第一代仪器总线p c i b 总线。p c 机上安 插带p c i b 接口的专用卡，通过p c i b 总线实现p c 机与仪器机箱内的个人仪 器组件通信。 在个人仪器的发展过程中，计算机软件技术在仪器控制、数据分析与处理、 数据表现等方面起着越来越重要的作用。微处理器和d s p ( d i g n a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 技术的快速进步以及其性能价格比不断上升大大改变了传统电子 行业的设计思想和观念，原来许多由硬件完成的功能今天能够依靠软件就能实 9 ，| ：c 雌l 增曼恕硪士研竞生掌位论文 现，面向对象技术、可视化程序开发语言在软件领域为开发易于使用、功能强 大的软件提供了可能性。虚拟技术正是在这样的环境下出现，并越来越受到各 国的重视，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 ，n i ) 首先提出虚拟仪 器( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 概念，这一概念的核心是通用计算机成为仪 器的重要硬件支撑，应用软件也成为仪器系统的重要组成部分。充分利用计算 机和软件技术进行数据存储、运算、表现等，把传统的仪器专业功能用软件来 实现，传统仪器面板依靠软件虚拟化，构成以计算机软硬件技术为支撑全新仪 器系统虚拟仪器系统。 虚拟仪器技术不仅能实现传统仪器的专业功能，而且可以利用强有力的软 件技术增强仪器功能，可以由用户自己定义自由组合计算机平台、硬件、软件 以及完成系统功能所需附件，而这在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪 器上是达不到的。以计算机软件技术为核心的虚拟仪器具有功能强、测量速度 快、自动化程度高、人机界面友善、灵活性极强等优点，正越来越受到关注。 随着测控总线技术的不断发展，完整的虚拟仪器技术体系逐渐建立起来， 先后相继推出的基于g p i b 总线、v x t 总线、p x i 总线技术的虚拟仪器系统得到 了工业界的认可，得到了广泛的应用。虚拟仪器概念的提出只有短短的数十年， 但据最近的统计，虚拟仪器产品已占有世界仪器仪表市场l o 左右的份额，从 事仪器仪表研究开发的科学家和工程师们清楚的认识到虚拟仪器是2 l 世纪仪 器发展的方向，而且必将逐步取代传统的硬件化电子仪器的大部分功能，使传 统的仪器都融入到计算机体系和网络体系中，到那时，仪器在广义上不会再是 一个独立的分支。两是会演变成为信息技术的本体之一。 2 1 2 仪器的网络化集成 近1 0 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科技 的相互结合，不仅己开始将智能网络产品带入现代生活，而且也为测量与仪器 技术带来了前所未有的发展空间和机遇，具备网络接入功能的新型网络化仪器 由此也应运而生。网络化仪器是微电子、计算机硬件软件以及网络、通信等多 方面技术的有机组合体，具有数据采集、存储、传输和分析处理等功能，以智 能化、网络化、交互性为特征。网络化仪器的基本体系结构包括仪器硬件、微 处理器系统、嵌入式操作系统和网络服务应用层，传统的可程控仪器仪表可以 龠：囊c l 掌育t 硪士研，巴生学位论文 通过g p i b e n e j r 转换器、r s 2 3 2 r s 4 8 j t c p i p 转换器等连接上网。网络化仪器 与计算机一样。可以作为网络中的独立分布节点，很方便地就能与就近的网络 通信线缆直接连接，即插即用，数据通过网络实时发布。网络化仪器使得组 建和扩充测控系统更加灵活、便利。 2 2测控总线技术的发展 总线是信号和信息传输的公共路径，总线的技术水平直接影响着系统的总 体性能。采用总线技术的微机系统、测控和仪器系统具有诸多的优越性，易于 实现模块化硬件设计、多厂商支持，易于实现系统升级，具有良好的可维护性 及经济性。 2 2 1 计算机总线技术 通常p c 机自带的通信接口与仪器提供的通信接口并不一致，这就需要在 计算机的总线扩展槽中插入张接口转换卡，以使仪器能和计算机正常通信。 p c 内部的常用总线有以下这些。 1 ) i s a ：是由i b m 公司在8 0 年代初期推出的总线技术。开始使用时具有2 0 位地址线和8 位数据线，6 2 个引脚连接器，后来在原来基础上增添了 3 6 引脚，并扩展位1 6 位数据线。i s a 总线是一种单用户结构总线，支 持2 m b p s 的数据传输速率。8 0 2 8 6 至8 0 4 8 6 时代应用非常广泛。e i s a ： 由c o m p a q 等九家公司联合推出。 2 ) e i s a 总线采用3 2 位总线结构，数据总线和地址总线均为3 2 位，支持 3 3 m b p s 的数据传输，它是在i s a 总线的基础上使用双层插座，在原来 i s a 总线的9 8 条信号线上又增加了9 8 条信号线，也就是在两条i s a 信号线之间添加一条e i s a 信号线。e i s a 总线完全兼容i s a 总线信号。 3 ) p c i ：最早由i n t e l 公司提出。p c i 总线是一种由3 2 位可以升级到6 4 位并独立于c p u 的总线。总线时钟为3 3 6 6 m h z ，数据传输率高达 1 3 2 m b p s ( 3 2 位) 、2 6 4 m b p s ( 6 4 位) ，支持突发读写操作，可同时支持 多组外围设备，能实现设备的即插即用。支持多种处理器及未来更高 性能处理器。 现在各大仪器厂商推出的接口转换卡基本上都是基于以上几种计算机总 线。 - - j c 掌麓乞硕士研，巴生掌位论文 2 2 2 仪器总线技术 作为连接控制器和程控仪器的纽带，仪器总线技术的每一次革新都会使测 控技术水平产生一次飞跃。通过仪器总线仪器可以实现直接通信并提供触发、 同步、高精度时钟等仪器专用信号线。g p i b 、v x i 和p x i 总线是测控领域特有 的总线，通常被用来构建综合的自动测试设备( a r i e ) ，这三种总线技术都有各 自的优缺点。g p i b 实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展和延伸，数据传 输速率较低。v x i 是依托工业控制v m e 计算机总线建立的，价格昂贵，适用与 建立大型或复杂的仪控系统，v x i 应用范围集中在航空、国防等领域。最新发 展的p x i 总线则结合了计算机总线p c i 技术和c o m p a c t p c i 规范定义的机械标 准，性价比极高，发展前景广阔。 1 ) g p i b ：是通用接口总线的简称，又称 1 p i b 、i e e e4 8 8 2 标准接口。 g p i b 总线是一种并行方式的外总线，包括8 条数据线、五条控制线、 三条挂钩线、8 条地线采用比特平行、字节串行的双向异步通信方 式。数据传输速率一般为2 5 0 5 0 0 k b p s ，最高可达1 m b p s 。g p i b 系 统支持十多种基本的接口功能：控者、讲者、听者、扩大讲者、扩 大听者、源者挂钩、受者挂钩、服务请求、远地本地、并行查询、 器件触发、器件清除等。接口系统内的仪器总数不能超过l j 台， 一个g p l b 总线系统所使用的电缆长度不能大于2 0 m ，目前各大仪器 公司生产的台式仪器中基本都配备了g p i b 接口。g p i b 总线标准从 一问世就受到人们的关注，并从最初的测试仪器控制领域迅速普及 到通信、导航、工业控制等众多领域中。 2 ) v x i ：是用于仪器的v e 总线扩展，是适应测量仪器从分立的台式 和机架式结构发展为更为紧凑的模块式结构的需要而设计的一种 完全开放、适合多厂商环境的模块化仪器总线标准。v x i 总线以其 优越的测试速度、可靠性、抗干扰能力、和人机交互性能等吸引 了各仪器厂商的目光。v x i 总线具有3 2 位并行方式的内总线，总线 背板的数据传输速率理论上可达4 0 m b p s ，v x i 规范支持四种模块尺 寸：8 位、1 6 位、2 4 位、3 2 位，使用灵活。与g p i b 仪器系统相比， v x i 系统适应了小型化、便携式的趋势要求，并具有高可靠性和良 ，| | k 悟l 掌l 巴訇直士j 啊嘎生掌t 盘堆 文 好的维护性。v p p 技术规范的发布真正实现了v x i 总线系统的开放 性、兼容性和互换性，使得v x i 成为虚拟仪器系统的理想硬件平台， 由此，完整的虚拟仪器技术体系得以建立。 3 ) p x i ：是p c i 计算机总线技术在仪器领域的扩展。p x i 总线支持3 2 位和6 4 位数据传输，最高速率可达1 3 2 m b p s 5 2 8 m b p s ，提供了8 条 t t l 触发总线、1 3 条局部总线、l o m h z 系统时钟和高精度的星型触 发线，外设插槽扩展到7 个，并可通过p c i p c i 桥进行扩展。p x i 总线将台式p c 的性能价格比优势与p c i 总线面向仪器领域的必要 扩展完美地结合起来，是一种全新的开放式、模块化仪器总线规范， 它填补了低价位p c 系统与高价位g p i b 、v x i 系统间的空白，目前 在数据采集、工业自动化与控制、军用测试、科学实验领域得到广 泛应用。 2 3 测控网络与信息网络的各自发展与融合 2 3 1 测控网络的发展 最初诞生的传统测控系统是以单片机、p c 机、工控机为核心的多个分散单 元的集合体。当总线出现以后，一般借助总线形成测控系统，但是由于连线过 长和过多，用这些总线形成的测控系统的稳定性较差，抗干扰能力较弱，难以 实现大范围的有效测控。随后出现的是集散控制系统( d c s ) ，它由多台微处 理机分散在现场的不同位置，彼此之间以高速数据通道进行连接。而d c s 的 联网技术较为复杂，联网手段和网络结构均不灵活，并明显缺乏开放性。随着 计算机局域网( l a n ) 的出现，产生了基于l a n 的d c s 系统。与此同时现场 总线技术的产生使得测控网络得以形成，现场总线网络是一种由网络集成的自 动化系统，对测控领域的技术进步起到了巨大的推动作用，但由于多种不同总 线标准的同时存在，给各公司、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。因此，跨地域共享和利用测控信息的需求，与这种因 基于不同总线技术而不便于实现高层次集中管理、监控和决策之间的矛盾日趋 明显。 2 3 2 信息网络的发展 自2 0 世纪9 0 年代以来，i n t e r n e t 网络高速发展，表现出诸多优越的性能。 r 京- 薯 霸乞硪士葺，卜，巴生掌电士分文 目前，在生活中，利用i n t e r n e t 可以比从前更经济、更方便和更快捷地取得 信息并进行信息的交流，在工作中，i n t e r n e t 的应用主要还限于传递文字、图 片和办公信息等。但是如何才能更充分地挖掘i n t e r n e t 的应用潜力，人们已 经认识到，接入i n t e r n e t 的不应仅限于狭义上的计算机，工业中的各种测量 控制装置、生活中的各种家用电器、社会不同领域和层面的各种公众设备等， 都应该且必将成为i n t e r n e t 网络的接入客户端。 2 3 3 测控网络与信息网络的融合 从两网的发展来看，一方面人们希望更广泛的使用i n t e r n e t ，试图接入更 多的设备，以便在扩充其应用模式的同时享受其带来的更多便利：另一方面工 业化程度的加剧也给测控网络系统的发展提出了新的问题：如何方便地组建一 个高效率的、智能化的、能够和其他高层网络互联的测控网络系统，以便于统 一集中监控和提高管理决策水平。为了达到这些目的，需要测控网络和信息网 络在一定程度上能够共享资源，并且以有效的方式交换信息。所以，从测控网 络和信息网络各自的发展来看，它们均已表现出走向对方并相互融合的进步趋 势。所以随着i n t e r n e t 应用范围和空间的不断拓展，以及测控网络本身发展 的需要，一种新的基于i n t e r n e t 的测控信息网络的产生己势不可挡。目前， 测控系统的发展落后于信息网络的进步，信息网络发展中积累的经验和出现的 先进技术，将为两网的互联提供有益的参考。 2 4 融入因特网的仪器远程测控技术及其目前的技术要求 2 4 1 融入因特网的仪器远程测控技术产生 现代工业测控的对象不再是以往那样局限于一点、一地，一个大型测控系 统的功能部件往往在地理上是分散的，但却要在测控系统内集成。测控数据需 异地传输的需求、现代宽带网络技术的成熟及两网技术的融合促进了远程测控 技术的发展。仪器的远程控制可以实现昂贵仪器多方远程共享、远程设备故障 的网络诊断、作业条件苛刻工业现场的仪器无人监控等。 2 4 2 远程测控仪器的网络接入途径 目前仪器的远程接入有以下三种途径： 1 )将两台计算机连接到网络，一台作为客户端，另一台作为远端的专用 服务器，客户端计算机可以通过软件控制远端的服务器，同时服务器 ，r 】：l j b 麓电硪士再并鹿生掌位沧文 可以通过本地的仪器总线( g p i b 总线或串行总线) 控制仪器。 2 ) 传统仪器可以通过g p i b 一刚e t 转换器、r s 2 3 2 r s 4 8 5 一t c p i p 转换器 接入网络。有时受总线电缆长度限制，可以使用扩展器，延长仪器控 制总线电缆长度，实现远程接入。 3 )网络化仪器可以直接接入网络。 2 4 3 基于i n t e r n e t 网络仪器远程测控的技术要求 要实现仪器的远程控制，必须做到测控客户端与远程仪器的实时交互、测 量数据要跨网络实时安全传输甚至有时要跨操作平台接入、采用b s 软件体系 构架时客户端浏览器页面上测量数据的连续动态显示、仪器驱动要实现接入网 络的功能等，所以传统的远程控制软件面对测控领域的这些技术要求显得力不 从心，本论文针对仪器远程控制的这些技术要求引入计算机和网络新技术展开 研究。 r ，c l 掌曩乞硕士研，巴生掌位论文 第三章仪器控制技术软件体系的发展 仪器驱动程序层是实现仪器控制和与仪器通信的底层软件，它是连接测控 系统的硬件和测控应用软件的关键。随着软件技术的进步，仪器驱动在现代测 控系统中已发展为仪器驱动器技术，有其独立的软件结构体系，可视其为仪器 的组成部分之一，在仪器驱动器以下可实现仪器硬件的互换。 3 1 仪器驱动程序的发展 3 1 1 基于g p i b 总线的机架堆叠式系统 在v x i 总线出现之前，自动测试系统都是基于g p i b 总线的机架堆叠式。 g p i b 仪器使用a s c i i 的文本消息( 字符串) 在仪器和仪器之间或仪器和计算机 之间传输指令和数据，此时还不存在仪器驱动的概念，当然仪器制造商也没有 提供所谓的仪器驱动。设计者通过g p i b 总线连接异型的台式仪器，由一台计 算机集中控制，根据仪器厂商提供的用户手册和编程指导书，利用b a s i c 的i 0 语句向仪器发送a s c i i 命令和接受a s c i i 数据串，实现自动控制功能，所以设 计者既要涉及到底层的仪器i o 操作、又要完成高层的人机交互功能，这使得 仪器编程成为测控系统集成过程最费时费力的部分，并且给以后系统升级带来 了一定的难度。 这时的程序编写思想是面向过程，一般是按照结构化分析一 设计一 编程 来实现，还没出现软件体系结构的概念。随着软件技术的不断进步，功能强大、 易于实现模块化编程的编译语言p a s c a l 和c 的出现，及测控系统软件可重用 和测控仪器可互换的需求下，产生了标准仪器命令集和模块化仪器驱动器软 件。 3 1 2 s c p i 标准命令集仪器驱动 标准命令集仪器驱动使得不同厂商的多种仪器可以使用相同的命令集，仪 器初步具备了互操作性和可互换性，用户在更换和系统升级时只需做少量的应 用程序更改。 1 9 9 0 年s c p i 论坛成立，并发布可程控仪器标准命令s c p i 第一版，其应用 范围包括i e e e 4 8 8 总线系统、r s 一2 3 2 c 和v x i 总线消息基仪器系统。命令集具 有以下的特点： 1 ) s c p i 文本消息接近于自然语言，具有自说明性，易学易用。 ，】k l 掌t 囊，呱士研竞生掌t 盘堆 文 2 ) s c p i 将仪器功能、属性数据和控制流映射进“仪器模型”，并在此基 础上建立了分级的命令树，新版的标准化命令采用i e e e 4 8 8 2 协议的 语法。 3 ) s c p i 的后向兼容性好，无需因为扩展了新的功能，而要修改原来的命 令集。这使得有可能在此基础上来构建可重用的软件模块，同时也可 避免出现现有的实现方案会妨碍未来系统和仪器功能的扩展的可能。 4 ) s c p i 的可扩展性好，s c p i 并不局限于现有定义的这些命令集，s c p i 是一个开放的集合。随着技术的发展，仪器的功能必然不断增强，命 令集将得到扩充，同时它也允许仪器制造商定义自己的特殊命令。 5 ) s c p i 提供了一种通用的可编程仪器语言，从而在一定程度上实现了软 件可重用性，仪器互操作性和互换性。 s c p l 标准命令集的出现时仪器驱动发展的一个里程碑，但它仍然由许多的 不足之处，可以从以下几方面看出： 1 )由于s c p i 指令是高层指令，需要通过一个专有的解释机制将其转换 为仪器可以理解的操作码，这往往使得这样的仪器执行效率不高。 2 ) 使用s c p i 指令的测控应用程序，仪器的控制代码将分散在用户界面 代码之中，程序的模块化程度极为不好。 3 ) 基于s c p i 的仪器，事实上还是将仪器驱动的开发推给了最终用户， 这无疑将加重用户的编程负担和系统的开发难度。 4 ) 开发基于s c p i 的系统，比较适合使用b a s i c 语言来编写代码，但b a s i c 并不是一种面向对象的编程语言。而现有的基于p a s c a l 和c 语言的 a d e 对s c p i 的支持又明显不足。 5 ) s c p i 标准是面向消息基仪器而提出的。不适用于能实现高性能的寄存 器基v x i 总线仪器。 正是这些不足促使测控系统工程师们采用最新的计算机软件技术继续推 动仪器驱动软件向前发展。 3 1 3v p p 仪器驱动器 面对着s c p i 标准仪器命令集的不足，一些具有丰富仪器编程经验的工程 师们尝试着采用模块化编程方法、并研究部分仪器驱动代码的可重用性问题。 r l c p 尝量t 曩【士j 开兜生掌位论文 1 9 9 3 年，v p p 联盟诞生，专门成立了仪器驱动技术工作组，制定建立了一个标 准的仪器驱动结构。通过标准化安装、文件格式、开发框架，v p p 系统联盟确 保了各个制造商的软件部件能够在一个相同的系统中共存。v p p 仪器驱动程序 将各种仪器的底层通信细节都封装在高级的功能函数里，用户可以在自己的应 用程序里直接调用这些高级函数，无需关心仪器底层的实现细节。 v p p 仪器驱动器的特点： 1 ) 全部仪器功能控制的封装。实现了仪器全面控制功能的模块化函数 集，用户也可以从中选取所需的特定应用函数。 2 ) 以源码与预编译库的形式向用户提供驱动程序。用户在理解源码的 基础上根据自己的需求可以修改和优化驱动程序。 3 ) 模块化和分层结构。v p p 仪器驱动遵循模块化设计原则，采用分层 结构。这样用户既可以调用简单的仪器接口函数，也可以直接使用 高级的复合函数。 4 ) 兼容性和开放性。v p p 规范向下兼容g p i b 、串行接口等仪器驱动程 序的开发。 v p p 仪器驱动器的出现增强了v x i 总线系统在系统级上的互换性和易用 性，大幅度的提高了测控应用软件的编程效率。 3 2 仪器驱动器的接口模型 图3 1 v p p 联盟提出了仪器驱动器的外部接口模型和内部设计模型。分别用于描 述仪器驱动器与系统其它软件的接口和仪器驱动器软件模块的内部组织结构。 仪器驱动器的外部接口模型见图3 1 。 】，k 掌旁e 硪士研宪生掌位诗文 函数体是仪器驱动器的核心部分，是驱动程序函数的源代码。交互式开发 接口适用于l a b w i n d o w s c v i 和l a b v i e w 等开发环境。编程式开发者接口是应 用程序调用仪器驱动器函数的软件接口。仪器驱动器通过v i s ai o 接口实现 与各种仪器的通信连接，包括v x i 、g p i b 、r s 一2 3 2 及其它类型仪器，v i s a 具 备对所有v x i 总线功能访问的能力，在下一节对其详述。子程序接口是仪器驱 动器访问其它一些支持仪器驱动器的软件接口，例如数据库等。 仪器驱动器的内部接口模型： 幽3 2 应用函数是以种源代码形式向上层测控应用软件提供的一种高级函数 接口。测控软件调用应用函数来对仪器进行配置、启动、读测量数据等动作来 完成一次完整的测控操作。部件函数是实现对仪器某一特定功能的控制，以源 码形式提供一种底层的编程接口，具体的有初始化函数、配置函数、动作状 态函数、数据函数、关闭函数、实用函数等。 3 3 虚拟仪器软件体系v i s a v i s a ( v i n u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 是在v x i 总线硬 件实现标准化后实现的i 0 接口软件标准化，由v p p 联盟制定，致力于为整个 测控工业界提供统一的测控系统软件开发基础。在通用仪器i o 接口软件的基 础上，不同厂商的软件可以在同一平台上协调运行，由v i s a 库函数的核心函 南京掌霸乞硕士气井鹿生掌位幸皇文 数来控制各种类型的仪器器件。 3 3 1v i s a 的结构模型 v i s a 的结构模型如3 3 图 v i s a 采用自上而下的金字塔结构，首先定义了一种管理所有vt s a 资源的 资源管理器，实现各种v i s a 资源的管理、控制和分配，在此基础上v i s a 定义 了i o 资源层、仪器资源层、用户自定义资源层。i o 资源层提供对于g p i b 、 v x i 和串行口等硬件设备的低级控制功能，仪器资源层提供了控制仪器传统功 能函数的方法，应用程序可由此打开与仪器特定资源的通话链路，用户自定义 资源层体现了v i s a 体系的可扩展性和灵活性，用户在前两层资源的基础上可 以实现数据分析、数据处理等物理仪器并不存在的功能。v i s a 层的顶层是用户 应用程序的接口，在图上没有列出。 3 3 2v i s a 体系的特点 概括起来，v i s a 具有以下特点： 1 ) v i s a 的i o 操作函数库适用于各种类型的仪器。 2 ) v i s a 具有与仪器硬件接口无关的特性。 3 ) v i s a 的i 0 控制功能即适用于单处理器系统结构，也适用于多处理器 结构或分布式网络结构。 对于系统而言，v i s a 提供了功能强大的仪器控制功能，并大大减少了软件 重复开发，方便了系统开发工程师，极大的促进了测控系统的软件标准化进程。 龠，k 举置t 訇啊士研兜生掌位论文 3 4 可互换式仪器驱动技术i v i 1 9 9 8 年i v i 基金会成立，致力于提高仪器驱动器的可互换性、执行性能、 开发灵活性、程序编写的可靠性，是在v p p 规范的基础上定义的标准仪器接口 和模型。在i v i 属性模型中，驱动器能够自动对仪