賈惠芹 黨瑞榮

(西安石油大學(xué)光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065)

0 引言

軍用試驗基地的測控裝備承擔(dān)了多種軍用試驗任務(wù)，且分布在比較偏遠(yuǎn)的高山、海島。而熟悉具體裝備型號性能的專家則分布在不同的地理位置，當(dāng)裝備發(fā)生故障時，他們難以及時趕到故障現(xiàn)場。在這種情況下，產(chǎn)品試驗基地急需一種能實時地給裝備操管人員提供維修意見的故障診斷系統(tǒng)。

目前有一些較成熟的遠(yuǎn)程測控技術(shù)，例如DataSocket技術(shù)。該技術(shù)為底層通信協(xié)議提供了統(tǒng)一的編程接口，極大地簡化了網(wǎng)絡(luò)編程［1－2］。Winsock技術(shù)則是Windows下得到廣泛應(yīng)用的、支持多種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口，已被應(yīng)用于數(shù)控按鍵荷重測試機系統(tǒng)［3－5］。但這些系統(tǒng)需要傳輸?shù)男畔⒑筒l(fā)通信的用戶相對較少。本文根據(jù)檢測點信息的特征，開發(fā)了測控裝備故障檢測點信息采集與傳輸系統(tǒng)［6］。

1 檢測點的采集模型設(shè)計

1.1 檢測點信息特征分析

測控裝備故障檢測點信息采集與傳輸系統(tǒng)需要傳輸?shù)男畔⒖煞譃橐韵聝深愋畔ⅰ?/p>

①配置信息類，如系統(tǒng)配置信息、用戶權(quán)限信息、裝備檢測終端IP地址、儀器名稱等。這類信息用于獲取檢測點的儀器配置信息、檢測點的物理位置、用戶的控制權(quán)限設(shè)置信息、邏輯位置以及檢測點的標(biāo)準(zhǔn)值等信息，所占空間很小(1 kB左右)。

②用于采集檢測點實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的虛擬儀器界面，由于要采集連續(xù)波形數(shù)據(jù)，該信息所占的空間較大(大于1 MB)。

1.2 檢測點采集模型設(shè)計

本系統(tǒng)采用了客戶/服務(wù)器傳輸結(jié)構(gòu)，主要由多個本地裝備檢測終端、中心站服務(wù)器、DataSocket服務(wù)器和Web服務(wù)器組成。

裝備檢測終端放置在各個測量站，用于實現(xiàn)對測控裝備相應(yīng)檢測點信息的采集和分析。對檢測點本地信息的采集采用虛擬儀器的PXI總線控制方案。處理器采用嵌入式零槽控制器，以便裝備檢測終端的移動。本系統(tǒng)有萬用表模塊、示波器模塊和頻譜分析儀三個測試模塊。系統(tǒng)利用萬用表模塊配合檢測軟件，實現(xiàn)對測控裝備某個檢測點的電壓、電流和電阻的測試;利用示波器模塊配合開發(fā)的示波器軟面板，實現(xiàn)對測控裝備某個檢測點時域波形和相關(guān)參數(shù)的測量;通過USB-GPIB控制器控制硬件頻譜分析儀，實現(xiàn)對頻率范圍為30 kHz～3 GHz的信號的頻譜測量。

中心站服務(wù)器放置在診斷中心，它和裝備檢測終端通過IP網(wǎng)絡(luò)相連接。專家通過中心站服務(wù)器實時獲取測控裝備檢測點的測試信息，并利用所設(shè)計的故障診斷軟件對測控裝備的狀態(tài)進行診斷。

DataSocket服務(wù)器是一種基于DataSocket技術(shù)設(shè)計而成的軟件服務(wù)器，可以實現(xiàn)指令等信息的遠(yuǎn)程傳輸功能。本系統(tǒng)的DataSocket服務(wù)器用來實現(xiàn)裝備檢測終端和中心站服務(wù)器之間測試指令信息和用戶權(quán)限的數(shù)據(jù)交換［7］。

Web服務(wù)器用于在網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建和部署Web應(yīng)用，使HTTP客戶端可訪問這些應(yīng)用。本系統(tǒng)利用Web服務(wù)器傳輸檢測點的測試數(shù)據(jù)。

檢測點采集模型如圖1所示。

圖1 檢測點遠(yuǎn)程采集模型Fig.1 Remote acquisition model of the detection point

1.3 數(shù)據(jù)傳輸方法分析

最初設(shè)計時，數(shù)據(jù)的傳輸都通過DataSocket數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)來實現(xiàn)，但測量站的IP網(wǎng)絡(luò)帶寬為2 MHz，在此帶寬上進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)牟ㄐ螖?shù)據(jù)不能實時更新。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量時發(fā)現(xiàn)占用網(wǎng)絡(luò)帶寬很大(2 MHz左右)。在這種情況下，由于系統(tǒng)配置信息(IP地址、被控儀器名稱、檢測點信息等)所占空間小，可通過DataSocket服務(wù)器來傳輸;而對于“檢測點測試數(shù)據(jù)”，則利用Web服務(wù)器結(jié)合遠(yuǎn)程面板技術(shù)來實現(xiàn)，因為Web服務(wù)器可把虛擬儀器的軟面板實時發(fā)布到中心站服務(wù)器。

在檢測點遠(yuǎn)程采集模型中，裝備檢測終端和中心站服務(wù)器接入IP網(wǎng)絡(luò)以后，專家在控制室便可遠(yuǎn)程操作故障診斷軟件。當(dāng)專家選擇了裝備檢測終端的IP地址、檢測點名稱和用于檢測的儀器名稱后，裝備檢測終端的故障檢測點信息便會傳輸?shù)綄＜宜诘闹行恼?。軟件自動將接收到的檢測點數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作比對，為故障樹診斷或者專家判斷提供第一手資料，最終可確定故障檢測點的位置［8］。在這個過程中，DataSocket服務(wù)器用于傳輸儀器的配置信息指令，Web服務(wù)器用于傳輸故障檢測點的信息。這樣只需要設(shè)定儀器的IP地址和儀器名稱，就可通過設(shè)計程控軟件把圖1中的裝備檢測終端通過IP網(wǎng)絡(luò)連接起來，專家就可以在辦公室遠(yuǎn)程協(xié)同診斷裝備出現(xiàn)的問題。當(dāng)裝備出現(xiàn)故障時，專家通過遠(yuǎn)程故障診斷軟件，選擇出現(xiàn)故障的裝備檢測終端的IP地址和用于檢測的儀器;裝備檢測終端通過DataSocket服務(wù)器在接收到上述系統(tǒng)配置信息指令后，通過Web服務(wù)器把故障檢測點信息遠(yuǎn)程采集到專家所在的中心站或其他裝備端;在遠(yuǎn)程故障診斷軟件平臺上，把接收到的檢測點數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作比對，為故障樹診斷或?qū)＜遗袛嗵峁┑谝皇仲Y料，從而最終確定故障檢測點位置［8］。

在RNS協(xié)議中，首先A生成隨機數(shù)RA以及A和B的身份信息用密鑰EA_S加密后連同A的身份信息一起發(fā)送給B；接著B將生成隨機數(shù)RB和B的身份信息以及剛剛收到的EA_S密文和B選擇的時間戳TB用EB_S加密后發(fā)送給S；然后S解密EA_S，EB_S密文并生成A，B間的會話密鑰K，用EA_S加密K,RA,TB和B的身份信息，用EA_S加密K,TB和A的身份信息，將密文和RB發(fā)送A；最后A解密EA_S密文，用K加密RB連同EB_S加密信息一起發(fā)送給B。

2 關(guān)鍵技術(shù)

在LabVIEW環(huán)境下，利用上述的檢測點遠(yuǎn)程采集模型，設(shè)計了測控裝備遠(yuǎn)程故障檢測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的開發(fā)過程中，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 配置信息的傳輸方法

配置信息設(shè)計時，通過在DataSocket服務(wù)器的管理器下新增系統(tǒng)配置信息的“測試條目”，同時給“系統(tǒng)配置信息”控件添加其“數(shù)據(jù)綁定”屬性，然后就可以通過數(shù)據(jù)綁定讀寫相應(yīng)“測試條目”的值。數(shù)據(jù)綁定是將前面板對象綁定至網(wǎng)絡(luò)發(fā)布項目以及網(wǎng)絡(luò)上的共享變量引擎數(shù)據(jù)項。如果某個虛擬儀器用于獲取檢測點的實時波形信息，可以對虛擬儀器前面板上的控件設(shè)計成共享變量項，這樣在中心站的專家就可以通過已經(jīng)被設(shè)計為共享變量的控件來控制選擇相應(yīng)的虛擬儀器和測量站。

在其他的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，大多采用單獨運行DataSocket可執(zhí)行的應(yīng)用程序，這樣的設(shè)計方法使用時很不方便。為此本文設(shè)計了自動加載DataSocket服務(wù)器的程序，設(shè)計流程如圖2所示。通過IP地址轉(zhuǎn)換和設(shè)置虛擬儀器(virtual instrument，VI)的屬性，實現(xiàn)了對DataSocket服務(wù)器的自動加載。

圖2 DataSocket服務(wù)器自動加載流程圖Fig.2 Automatic loading method for DataSocket server

2.2 測試波形的采集方法

利用遠(yuǎn)程面板技術(shù)來實現(xiàn)對虛擬儀器界面的實時控制，這樣中心站的專家就可以通過調(diào)節(jié)儀器的參數(shù)，獲取遠(yuǎn)程檢測點的波形數(shù)據(jù)。檢測點的監(jiān)測程序設(shè)計采用順序結(jié)構(gòu)嵌套條件型循環(huán)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。在順序結(jié)構(gòu)的第一幀中，首先加載DataSocket服務(wù)器;然后進入順序結(jié)構(gòu)的第二幀，從DataSocket服務(wù)器獲取請求控制的儀器名稱，根據(jù)選擇的儀器名稱通過動態(tài)調(diào)用的方式把儀器面板顯示在界面上。而對于中心站的請求控制端來說，程序動態(tài)加載Web服務(wù)器，通過相應(yīng)的HTTP端口獲取被控端儀器的遠(yuǎn)程面板。經(jīng)過上述過程即可實現(xiàn)請求控制端對被控端虛擬儀器的調(diào)用［9］。配置信息文件的編輯過程如圖3所示。

圖3 配置文件的自動編輯流程圖Fig.3 Automatic editing method for configuration file

由于網(wǎng)頁瀏覽工具也采用HTTP協(xié)議，且選用的HTTP端口默認(rèn)是80，而這個HTTP端口必須是唯一的，因此需要重新配置一個用于獲取檢測點采集界面的HTTP端口號。本系統(tǒng)所用的前端用戶界面軟件版本為LabVIEW8.6。該軟件提供了對Web服務(wù)器的啟動屬性，但是未提供對HTTP端口的軟件配置方法。因此，本軟件采用了編輯配置文件的方式來改寫HTTP的端口號。設(shè)計時，首先讀取Web服務(wù)器配置文件中的HTTP端口號，然后改寫HTTP端口號，最后保存Web服務(wù)器的配置文件。

2.3 數(shù)據(jù)壓縮算法

在上述情況下，必然要考慮有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬是否能保證數(shù)據(jù)順暢的傳輸。因此，為了保證能把被控端的測試數(shù)據(jù)順利傳輸?shù)礁魑粚＜颐媲埃仨氝M行數(shù)據(jù)壓縮，以減少網(wǎng)絡(luò)帶寬占用。

在不影響原始波形的情況下，運用了數(shù)據(jù)抽取方法，將原始數(shù)據(jù)點壓縮為少量數(shù)據(jù)點。假設(shè)壓縮前構(gòu)成信號的點數(shù)為N1，壓縮后構(gòu)成信號的點數(shù)為N2，壓縮因子為K，壓縮方法為M，通過設(shè)置合適的壓縮因子K和壓縮方法M來達到減少對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，具體表達式為:

壓縮方法M有以下幾種:①均值法，它返回每段的平均值作為結(jié)果信號輸出;②最大值法和最小值法，在每段中使用最大值法或最小值法來壓縮輸入信號。

3 模型測試方法與結(jié)果

3.1 模型測試方法

利用上述檢測點遠(yuǎn)程采集模型設(shè)計了測控裝備遠(yuǎn)程故障檢測系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)運行在2 MHz網(wǎng)絡(luò)下。裝備端檢測終端放置在各個測量站，中心站服務(wù)器放置在中心站機房。專家在故障診斷軟件中選擇要連接的被控端IP地址和所要連接的儀器名稱，裝備檢測終端把中心站請求的儀器面板傳輸?shù)街行恼??？刂贫苏埱笱b備端檢測終端后，裝備端調(diào)用了一個示波器的界面，并實時把該界面?zhèn)鬏數(shù)街行恼?。專家可請求獲得儀器的控制權(quán)，獲得控制權(quán)后，就可以調(diào)節(jié)示波器的幅度、時基、觸發(fā)模式、耦合模式、探針?biāo)p等參數(shù)，還可以設(shè)置壓縮因子，通過此壓縮因子就可調(diào)節(jié)波形數(shù)據(jù)的大小。示波器的控制界面也可處于瀏覽模式，其他專家可瀏覽某一個測控裝備檢測點的測試數(shù)據(jù)。

3.2 測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，中心站的故障診斷軟件根據(jù)此虛擬儀器采集的故障檢測點的波形與標(biāo)準(zhǔn)波形比對，可利用建立的故障樹對測控裝備進行故障定位。通過在2 MHz試驗網(wǎng)絡(luò)下對系統(tǒng)進行測試，得出如下結(jié)論。

①單個用戶訪問萬用表時，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬大約為100 kHz;而對于示波器，由于采樣率較高，所以在不進行數(shù)據(jù)壓縮時，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬大約為1 MHz;當(dāng)選擇壓縮因子為2時，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬大約為600 kHz;當(dāng)壓縮因子為10時，波形仍然未畸變，這時占用網(wǎng)絡(luò)帶寬大約為300 kHz。

②檢測點信息的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間在2 s之內(nèi)。

③故障的誤報率和漏報率均小于1%。

上述測試結(jié)果滿足實際的使用要求。

4 結(jié)束語

本文建立了測控裝備的故障檢測點信息遠(yuǎn)程采集模型，并把該方法應(yīng)用到測控裝備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)中，實現(xiàn)了檢測點信息的遠(yuǎn)程實時采集。文中給出了具體的硬件配置方法和軟件設(shè)計方法。將這些方法應(yīng)用到遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)中，經(jīng)在2 MHz試驗網(wǎng)絡(luò)環(huán)境運行后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場檢測點信息和測試波形數(shù)據(jù)可以實時傳輸?shù)礁魑粚＜宜诘挠嬎銠C上，從而為專家進行故障診斷提供了原始的數(shù)據(jù)支撐。測試結(jié)構(gòu)表明，檢測點信息的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間在2 s之內(nèi)，故障的誤報率和漏報率均小于1%。

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