葛麗霞

(山西省高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展研究院，山西 太原 030002)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)、微電子等技術(shù)迅猛發(fā)展。在其推動(dòng)下，測(cè)量技術(shù)和儀器變革發(fā)生了質(zhì)的飛躍，人們無(wú)論何時(shí)、何地都能獲取到測(cè)試信息，并且測(cè)量領(lǐng)域和范圍也不斷拓寬。從1950年到1980年，當(dāng)時(shí)的機(jī)械模擬理論開始與電氣技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量和電氣測(cè)量技術(shù)，并且隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，帶動(dòng)了機(jī)電測(cè)量技術(shù)長(zhǎng)足進(jìn)步。當(dāng)時(shí)，使用模擬電子儀器進(jìn)行測(cè)量，如指針式電流表、電壓表、功率表等，功能單一、精度低、響應(yīng)速度慢。從1980年到1990年，利用計(jì)算機(jī)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生了用于機(jī)械量測(cè)量的虛擬儀器系統(tǒng)。在基本計(jì)算機(jī)硬件的支持下,用專門的虛擬儀器軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器硬件實(shí)現(xiàn)的儀器功能。用戶根據(jù)檢測(cè)需求，自己通過(guò)與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面設(shè)置儀器參數(shù)、修改儀器操作和實(shí)現(xiàn)儀器功能，并且自動(dòng)生成測(cè)量結(jié)果，大大提高了檢測(cè)精度及檢測(cè)結(jié)果的客觀性。

1 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)是虛擬儀器。虛擬儀器的功能不是由廠家定義，而是由用戶根據(jù)自身需求用專門的應(yīng)用軟件靈活組合，虛擬儀器因其具有與其它設(shè)備互聯(lián)的能力，實(shí)現(xiàn)多種測(cè)量功能，打破了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器只測(cè)單一功能技術(shù)壁壘，虛擬儀器逐漸取代了單機(jī)測(cè)量?jī)x器，這樣大大縮短了測(cè)量?jī)x器研發(fā)的周期，大大縮減了投資成本，提高了使用效率。

虛擬儀器由通用計(jì)算機(jī)、功能化硬件模塊和應(yīng)用測(cè)試軟件組成。虛擬儀器的數(shù)據(jù)信號(hào)是通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高速傳輸，不受空間和時(shí)間限制，實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。虛擬儀器中的虛擬有兩方面的含義：1)測(cè)試面板是虛擬的；2)虛擬儀器的測(cè)量功能是由軟件來(lái)完成的。世界上曾提出過(guò)一個(gè)著名口號(hào)“軟件就是儀器”。

虛擬硬件是由硬件、硬件接口和軟件組成。

硬件是虛擬儀器的基礎(chǔ)，利用顯示器模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，由I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理、輸入/輸出等工作。I/O接口設(shè)備就是通常所說(shuō)的采集調(diào)理部件，包括PC總線的數(shù)據(jù)采集卡、GPIB總線系統(tǒng)、VXI總線系統(tǒng)、FieldBus總線系統(tǒng)、串行系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器系統(tǒng)。GPIB(General-Purpose Interface Bus)是PC機(jī)與設(shè)備相連接的總線。我們使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)，通過(guò)GPIB控制卡可以實(shí)現(xiàn)和一臺(tái)或多臺(tái)儀器進(jìn)行通訊，組成儀器系統(tǒng)。通過(guò)GPIB電纜連接，可以組成星型結(jié)構(gòu)、線型結(jié)構(gòu)或者二者組合結(jié)構(gòu)。VXI總線是使VXIbus器件之間、VXIbus器件與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信，通過(guò)使用高帶寬的吞吐量，提高測(cè)試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體性能。LXI是基于局域網(wǎng)的模塊化測(cè)試平臺(tái)，LXI模塊帶有自己的處理器、LAN連接、電源和觸發(fā)輸入。串行總線是以RS232標(biāo)準(zhǔn)連接組成硬件平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)總線是以FieldBus標(biāo)準(zhǔn)連接組成硬件平臺(tái)的。

目前，常用的虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有：PC-DAQ/PCI插卡式虛擬儀器,基于GPIB總線方式的虛擬儀器,基于VXI總線方式的虛擬儀器,基于PXI總線方式的虛擬儀器。不管采用何種硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算機(jī)與儀器設(shè)備之間都是通過(guò)總線進(jìn)行連接的[1]。

軟件是虛擬儀器的核心。用以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器硬件控制和執(zhí)行指令，對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、分析、處理，對(duì)結(jié)果表達(dá)和輸出。因?yàn)樘摂M儀器的軟件本身具有開放性、模塊化、可重復(fù)性及互換性等特點(diǎn)，所以用戶通過(guò)設(shè)計(jì)定義、功能組合，就能改變和增減儀器的測(cè)試功能和規(guī)模。虛擬軟件一般采用層次結(jié)構(gòu)，由3部分組成，分別是軟面板程序、I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用軟件。目前流行的軟件平臺(tái)包括LabVIEW、LabWindows/CVI、VB、VC等。

從某種意義上說(shuō)配以相應(yīng)軟件和硬件的計(jì)算機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)多功能的通用測(cè)量?jī)x器，測(cè)量功能的多少取決于存儲(chǔ)器中裝有軟件的多少。

2 虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展

以Internet為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在改變自動(dòng)化測(cè)試的規(guī)則和方法。結(jié)合高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，現(xiàn)代設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中不斷發(fā)展。新一代機(jī)械量測(cè)試系統(tǒng)已逐漸演變?yōu)閷哟位W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，分布式數(shù)據(jù)分發(fā)可以有效消除干擾和噪聲[2]；VXI和PXI設(shè)備提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析；工程數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)機(jī)械量測(cè)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；測(cè)試系統(tǒng)服務(wù)器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理；客戶端可共享測(cè)量數(shù)據(jù)，且可以通過(guò)Internet對(duì)外發(fā)布相關(guān)的技術(shù)信息。

3 網(wǎng)絡(luò)化機(jī)械量測(cè)量技術(shù)方案

新一代機(jī)器測(cè)量技術(shù)充分利用企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，與測(cè)試網(wǎng)和Internet互聯(lián)互通，加以整合，形成一個(gè)由內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)和測(cè)試網(wǎng)構(gòu)筑的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)、工作站或其他硬件設(shè)備充當(dāng)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，測(cè)試節(jié)點(diǎn)的選取可以根據(jù)特定目的和測(cè)量要求選擇一個(gè)組件或所有設(shè)備。作為基于Web的工具，軟件是獲取Web目錄的最佳方式。除了特定的升級(jí)要求外，計(jì)算機(jī)價(jià)值測(cè)試系統(tǒng)的軟件開發(fā)模型還應(yīng)提高網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的性能。國(guó)外公司在這方面表現(xiàn)出了很多優(yōu)勢(shì)。他們生產(chǎn)的產(chǎn)品很好地集成在一起。其擁有的PXI設(shè)備、VXI和分布式數(shù)據(jù)采集設(shè)備都必須連接到以太網(wǎng)。此外，它還尋求支持LabVIEW計(jì)劃的活動(dòng)。國(guó)外產(chǎn)品可以滿足用戶不同層次、不同測(cè)試次數(shù)的需求，不僅讓TCP流程更加復(fù)雜，還提供了簡(jiǎn)單的Socket技術(shù)。其業(yè)務(wù)集成工具具有較高的安全控制能力，可以在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)SQL數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。LabVIEW的socket技術(shù)雖然是基于TCP協(xié)議的，但不需要用戶進(jìn)行復(fù)雜的TCP底層編程。使用數(shù)據(jù)套接字技術(shù)調(diào)用塊圖像中的DataSocket函數(shù)，或者在前面板對(duì)象上附加數(shù)據(jù)。調(diào)用數(shù)據(jù)套接字函數(shù)后，LabVIEW也會(huì)打開獨(dú)立的DS Server程序。在程序運(yùn)行過(guò)程中，不斷采集、傳輸和接收數(shù)據(jù)，但不占用計(jì)算機(jī)CPU時(shí)間。

DS Server管理器的作用是設(shè)置DS Server通信的客戶端程序的數(shù)量以及可創(chuàng)建的數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)量，設(shè)置用戶和用戶訪問(wèn)權(quán)限，從而提高網(wǎng)絡(luò)安全性[3]。

數(shù)據(jù)套接字技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)直接設(shè)置為客戶端和服務(wù)器模式[3]?？蛻舳讼蚍?wù)器發(fā)送請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，這是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)管理的主要形式。例如，當(dāng)企業(yè)各技術(shù)管理部門需要抽檢流水線中的某些生產(chǎn)環(huán)節(jié)，他們可以將測(cè)試節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)設(shè)置為服務(wù)器，然后發(fā)送服務(wù)申請(qǐng)消息包，服務(wù)端向客戶端返回業(yè)務(wù)接口處理請(qǐng)求的操作項(xiàng)目。

4 發(fā)展趨勢(shì)展望

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，改變著我們的生活和生產(chǎn)等各個(gè)方面，在帶來(lái)便捷的同時(shí)，也滿足了人們不斷增加的需求，如遠(yuǎn)程醫(yī)療、電子商務(wù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制、網(wǎng)上教學(xué)等等?？焖侔l(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已逐漸成為儀器控制與測(cè)量的主要工具，只需要更新計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件或是軟件升級(jí)，甚至不需要升級(jí)，就可以改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)，達(dá)到低成本高能效。與傳統(tǒng)意義上的測(cè)試方法、測(cè)量目的、測(cè)試結(jié)果不一樣，如測(cè)量?jī)x器設(shè)備的遠(yuǎn)程調(diào)用、遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷，電、水、燃?xì)?、熱能等自?dòng)抄表。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與測(cè)量、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、測(cè)控技術(shù)的結(jié)合，使網(wǎng)絡(luò)化、分布式測(cè)控系統(tǒng)的組建更方便。虛擬儀器的系統(tǒng)功能不斷增強(qiáng)，大大拓寬了網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量應(yīng)用范圍，在生物制造、航空航天、工業(yè)制造等高精尖領(lǐng)域發(fā)揮著人工無(wú)法完成的作用，同時(shí)科技的不斷進(jìn)步也進(jìn)一步催生網(wǎng)絡(luò)化儀器不斷迭代更新，從而有力地帶動(dòng)和促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步。