第11章仪器控制与网络通信

第11章仪器控制与网络通信在进行虚拟仪器开发时，用户要组成一个完整的系统仅靠数据采集系统来虚拟仪器是远远不够的，必须还有一些实际存在的仪器与虚拟系统协同工作，这就需要虚拟仪器与外部仪器之间的通信和控制，仪器控制就是通过计算机上的虚拟软件来实现这些功能。LabVIEW是NI（NationalInstruments）公司具有革命性的图形化虚拟仪器开发环境，它内置信号采集、测量分析与数据显示功能，集开发、调试和运行于一体。LabVIEW5.1及以后的版本充分考虑测控系统的网络化要求，集成了各种通信协议，提供丰富的网络化组件。使用LabVIEW实现网络通信有4种方法：（1）无需具体协议的远程桌面连接；（2）使用DataSocket技术进行网络通信；（3）实时发布测控程序的网页，异地使用浏览器（如InternetExplorer，NetscapeCommunicator等）进行监控；（4）使用TCP、UDP等传输控制协议编程进行网络通信。11.1常用总线及总线模块实际的测量往往随实际的测量环境和测量目的不同而产生不同的要求，现有的测试测量仪器能提供很高程度的测量自动化操作，但有时仍然不能满足实际测量的需要，为了实现实时测量分析并记录其测量结果，必须增加一些额外的工作。方法之一是利用仪器本身的模拟输出接口，配一个数据采集卡对模拟输出信号进行采集并进行相应的后续分析处理；方法之二是利用仪器本身提供的编程接口，通过编程实现。与第一种方法相比，第二种方法不需要额外的硬件，使得测试系统变得简单、方便。11.1.1GPIBGPIB（GeneralPurposeInterfaceBus，通用接口总线）是仪器与各种控制器（最常见的是计算机）之间的一种标准接口，许多仪器都带有此接口。1．GPIB总线虚拟仪器的硬件描述

GPIB使用8位并行、字节串行、异步通信方式，所有字节通过总线顺序传送，数据传输速率最高可达到8M/s。GPIB接口是一种8位数字并行通讯接口，其数据传输速度为1Mbyte/s。GPIB的基地址共有31个。2．GPIB总线虚拟仪器的软件要求

用LabVIEW开发一个基于GPIB总线的虚拟仪器的软件包括：LabVIEW开发平台、GPIB接口卡驱动程序和仪器的LabVIEW驱动程序（不是必需的）。在LabVIEW中为实现与GPIB仪器通信有两种方式，一种是利用函数选板中InstrumentI/O子选板下的GPIB相关函数，另一种是利用函数选板中InstrumentI/O子选板下的VISA相关函数。11.1.2VXI1．VXI技术的发展VXI总线规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标是：使VXI总线器件之间、VXI总线器件与其他标准的器件（计算机）之间能够以明确的方式开放地通信；使系统体积更小；通过使用高带宽的吞吐量，为开发者提供高性能的测试设备；采用通用的接口来实现相似的仪器功能，使系统集成软件成本进一步降低。2．VXI技术特征VXI技术是把计算机技术、数字接口技术和仪器测量技术有机的结合起来。组建测试系统的主要目标是要降低测试成本、缩短测试系统的开发时间并且要把风险减少到最低限度，而VXI系统正是适应这一发展潮流。VXI总线功能模块有：

（1）VXI总线数字I/O（2）VXI-121064路数字量I/O模块（3）VXI-121196路数字量I/O模块（4）VXIbus信号源及信号调理模块（5）VXI-131040MS/s12Bits4Ch任意波形发生器模块（6）VXI-131116Bits16ChD/A输出模快（7）XI-13128通道程控放大滤波器（8）VXIbus频率计数、时间间隔模块（9）VXI-14108路高性能频率、周期、脉宽、时间间隔、计数带隔离模块（10）VXI-14118路时间间隔分析模块（11）VXIbus数据通信模块（12）VXI-15108通道串口通信模块（13）VXIbus开关模块（14）VXI-161032路8AA型继电器开关模块（15）VXI-161132路5AC型继电器开关模块（16）VXI-16122组16×4×8继电器开关阵列模块（17）VXIbus开发套件（18）VXI-1901C尺寸VXI总线开发模块（19）VXI-1902C尺寸VXI总线延伸卡（20）VXI-1903C尺寸VXI结构套件3．VXI总线系统规范简介

VXI总线系统或者其子系统由一个VXI总线主机箱、若干VXI总线器件、一个VXI总线资源管理器和主控制器组成。VXI总线不是设计用来替代现存标准的，其目的只是为提高测试和数据采集系统的总体性能提供一个更先进的平台。因此，VXI总线规范定义了几种通信方法以方便VXI总线系统与现存的VME总线产品、GPIB仪器以及串口仪器的混合集成。VXI总线规范详细规定了VXI总线兼容部件，如主机箱、背板、电源和模件的技术要求。（1）VXI总线系统机械结构

VXI总线规范定义了四种尺寸的VXI模块。（2）VXI总线系统电气结构VXI总线完全支持32位VME计算机总线。（3）VXI总线控制方式①嵌入式VXI控制器②外接式控制器常用的连接方式是嵌入式计算机，但成本过高。典型的系统结构配置是：单CPU系统、多CPU系统、独立系统和分层式仪器系统。11.1.3PXIPXI（PCIeXtensionsforInstrumentation，面向仪器系统的PCI扩展）是一种坚固的基于PC的测量和自动化平台。简单来说，PXI是以PCI（PeripheralComponentInterconnect）及CompactPCI为基础再加上一些PXI特有信号组合而成的一个架构。一个PXI系统由几项组件所组成，包含了一个机箱、一个PXI背板（backplane）、系统控制器（Systemcontrollermodule）以及数个外设模块（Peripheralmodules）。1．机械特性（1）与CompactPCI共享的机械特性与CompactPCI共享的机械特性包括：高性能IEC连接器以及Eurocard机械封装和模块尺寸。（2）新增加的电气封装规范PXI规范包含CompactPCI规范中的所有机械规范之外，还增加了一些CompactPCI没有的要求。（3）与CompactPCI的互操作性PXI的重要特性之一是保持了与标准CompactPCI产品互操作性。2．PXI总线的电气结构（1）10MHz参考时钟（10MHzreferenceclock）（2）局部总线（LocalBus）（3）星形触发（StarTrigger）（4）触发总线（TriggerBus）3．硬件构架PXI系统由3个基本部分组成：机箱、系统控制器和外部模块。4．PXI外部模块

NI提供了100多种不同的PXI模块，自从PXI成为开放的工业标准以来，PXI系统联盟中的其他50多个厂商已提供近1000种模块。（1）模拟输入和输出（2）边界扫描（3）总线接口和通信

（4）数字输入和输出（5）数字信号处理（6）功能测试和诊断原型设计板卡（7）仪器（8）运动控制（9）接收器内互连设备（10）开关（11）定时输入和输出5．软件构架因为PXI硬件是基于标准PC技术（如PCI总线以及标准的CPU和外设）用户可以使用熟悉的标准Windows软件架构。6．系统配置要规划并配置用户新的PXI系统，最快最简单的方法是使用在线PXIAdvisor或PXI/SCXIAdvisor。PXI模块化仪器为测量和自动化用户提供了一个坚固的计算机平台，使他们可以充分利用主流PC工业的技术进步。PXI在中国成功的主要原因有：（1）标准化大势所趋（2）成本优势（3）技术性能优越（4）适用于多种行业11.1.4PCI技术PCI有32位和64位两种，32位PCI有124引脚，64位有188引脚，目前常用的是32位PCI。32位PCI的数据传输率为133MB/s，大大高于ISA。PCI总线的主要性能：（1）支持10台外设；（2）总线时钟频率33.3MHz/66MHz；（3）最大数据传输速率133MB/s；（4）时钟同步方式；（5）与CPU及时钟频率无关；（6）总线宽度32位（5V）/64位（3.3V）；（7）能自动识别外设。1．基本概念不同于ISA总线，PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的。2．即插即用的实现所谓即插即用，是指当板卡插入系统时，系统会自动对板卡所需资源进行分配，如基地址、中断号等，并自动寻找相应的驱动程序。3．中断共享的实现PCI总线的中断共享由硬件与软件两部分组成。（1）硬件上采用电平触发的办法（2）软件上采用中断链的方法11.1.5总线平台的比较基于GPIB总线、PCI总线、VXI总线和PXI总线的测试系统，因总线不同而各具特点与相应的应用范围。GPIBPCIVXIPXI传输位宽88，16（ISA）；8，16，32，64（PCI）8，16，328，16，32，64吞吐率（Mb/s）1或81-2（ISA）；132～264（PCI）4080（VME64）132～264定时和同步无定义有定义有定义有定义市场可用产品>10000>10000>1000>1000系统尺寸大中、小中中、小标准软件框架无定义无定义有定义有定义模块化否否是是EMI防护可选视具体板卡而定有定义视具体模块而定系统成本高低中、高中、低表11-1 四种总线的比较表11.2仪器驱动程序仪器驱动程序也是一个VI，它是一款用于控制特定仪器的软件。LabVIEW为用户提供的可以在仪器驱动程序开发中使用的VI分为3类：（1）标准VISAI/O函数；（2）传统GPIB函数和由GPIB488.2添加的功能；（3）串口通信函数。图11-1仪器驱动程序选板11.3串口通信串口是计算机上一种通用设备通信的协议。由于一个串口在某一时刻只能与一个设备进行通信，所以它的传输速度比并口通信慢，但是串口操作简单并且能够实现远距离通信。对于两个进行串行通信的端口，它们的参数必须互相匹配。（1）波特率（2）数据位（3）奇偶校验位（4）停止位图11-2串口编程函数选板1．VISA写入图11-3VISA写入函数接线端子

2．VISA读取图11-4VISA读取函数接线端子

3．VISA关闭图11-5VISA关闭函数接线端子4．VISA设置I/O缓冲区大小图11-6VISA设置I/O缓冲区大小函数接线端子5．VISA配置串口图11-7VISA配置串口函数接线端子11.4VISA编程VISA是VirtualInstrumentsSoftwareArchitecture的缩写，中文译为虚拟仪器软件架构或可视化仪器软件架构。VISA的本质是用于控制GPIB、串口或VXI仪器以及根据仪器类型进行适当调用的VI库。VISA本身不具备编程能力，它通过调用低层的仪器驱动程序来实现对仪器的控制。图11-8VISA编程函数选板图11-9高级VISA编程函数选板1．VISA打开图11-10VISA打开函数接线端子

2．VISA查找资源

图11-11VISA查找资源函数接线端子3．VISA读取设备并写入文件图11-12VISA读取设备并写入文件函数接线端子

4．VISA读取文件并写入设备

图11-13VISA读取文件并写入设备函数接线端子11.5TCP与UDP通信11.5.1TCPTCP/IP是一个通信协议族，是由美国国防部高级研究计划署（DARPA）开发的，TCP/IP从诞生以来已成为通用的通讯标准被广泛应用于大量的计算机系统。尽管Labview提供了高效、易用的网络开发工具，但也提供了TCP、IP、UDP、ActiveX等功能模块板进行网络连接和进程通信，编程时摆脱了传统语言中烦琐的底层命令函数，只需从函数选板中选用有关的函数图标连线而成。IP是网络层协议，实现的是不可靠无连接的数据包服务。TCP/IP协议是一套把因特网上的各种系统互联起来的协议组，保证因特网上数据的准确快速传输。TCP/IP通常采用一种简化的四层模型，分别为：网络接口层、网间层、传输层、应用层。它由控制同一物理网络上的不同机器间数据传送的底层协议组成，具体功能如下：（1）网络接口层提供TCP/IP协议的数据结构和实际物理硬件之间的接口；（2）网间层用来提供网络诊断信息；（3）传输层提供有两种端到端的通信服务，一是能提供可靠的数据流运输服务的TCP协议，二是提供不可靠的用户数据报服务的UDP服务；（4）应用层要有一个定义清晰的会话过程，通常包括的协议有HTTP、FTP、Telnet等。LabVIEW中用于TCP编程的VI函数位于“函数”选板下的“数据通信→协议→TCP”子选板下，如图11-14所示，图中的TCP编程函数的具体含义如表11-2所示。利用服务器端/客户端模式进行通信，是在Labview平台下网络通信最基本的结构模式。“TCP”子选板中的“TCP侦听”VI函数用来创建一个TCP收听者，等待指定端口的TCP网络连接。图11-14TCP编程VI函数面板VI函数名称功能TCP侦听在指定端口创建一个监听器，并等待客户端的连接打开TCP连接打开由地址和远程端口或服务名称所指定的TCP网络连接读取TCP数据从指定的TCP连接读取数据并通过数据输出返回结果写入TCP数据向指定的TCP网络连接写入数据关闭TCP连接关闭指定的TCP网络连接IP地址至字符串转换将IP地址转换为字符串字符串至IP地址转换将字符串转换为IP地址或IP地址数组解释机器别名返回计算机的物理地址，用于联网或在VI服务器函数中使用创建TCP侦听器在指定端口创建一个监听器等待TCP侦听器等待已接收的TCP网络连接表11-2 TCP编程VI函数含义列表它主要的参数包括：（1）端口（port）（2）超时（timeout，ms）（3）连接标识（connectionID）（4）远程地址（remoteaddress）（5）出错信息输出（errorout）TCP通信的两端分别为服务器端（Server）和客户端（Client）。【例11-1】利用TCP协议进行简单点对点通信。图11-15利用TCP协议进行点对点通信—服务器端程序图11-16利用TCP协议进行点对点通信—客户端程序【例11-2】利用TCP协议进行一点对多点通信。图11-17利用TCP协议进行一点对多点通信—服务器端程序框图图11-18利用TCP协议进行一点对多点通信—客户端程序框图11.5.2UDPUDP协议是英文UserDatagramProtocol的缩写，即用户数据报协议，是ISO参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向操作的简单不可靠信息传送服务。UDP协议的特性主要有：（1）UDP是一个无连接协议，传输数据之前源端和终端不建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应用程序的数据，并尽可能快地把它扔到网络上。（2）由于传输数据不建立连接，因此也就不需要维护连接状态，包括收发状态等，因此一台服务机可同时向多个客户机传输相同的消息。（3）UDP信息包的标题很短，只有8个字节，相对于TCP的20个字节信息包的额外开销很小。（4）吞吐量不受拥挤控制算法的调节，只受应用软件生成数据的速率、传输带宽、源端和终端主机性能的限制。图11-19UDP编程VI函数面板图11-20利用UDP协议进行通信的程序框图图11-21利用UDP协议进行通信的程序运行结果11.5.3UDP和TCP的比较UDP和TCP协议的主要区别是两者在如何实现信息的可靠传递方面不同。与TCP不同，UDP协议并不提供数据传送的保证机制。相对于TCP协议，UDP协议的另外一个不同之处在于如何接收突发性的多个数据报。根据不同的环境和特点，两种传输协议都将在今后的网络世界中发挥更加重要的作用。11.6DataSocket通信11.6.1概述DataSocket是NI公司推出的一项基于TCP/IP协议的新技术，DataSocket面向测量和网络实时数据交换，可以用于一个计算机内和网络中多个应用程序之间的数据交换。DataSocket包含DataSocketAPI和DataSocketServer两部分。（1）DataSocketAPI（2）DataSocketServerDataSocket支持多种数据传送协议，不同的URL前缀表示不同的协议或数据类型，主要包括下列协议。（1）DSTP（DataSocketTransferProtocol）（2）HTTP（HyperTextTransferProtocol，超文本传输协议）（3）FTP（FileTransferProtocol，文件传输协议）（4）OPC（OLEforProcessControl，操作计划和控制）（5）FieldPoint、Logos、Lookout（6）File（localfileservers，本地文件服务