基于虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的綜合實驗控制系統(tǒng)設(shè)計

楊瑞華1，薛飛彪1，王 宇2，蔣樹慶1，寧家敏1，陳法新1，黃展常1，楊建倫1，葉 繁1

（1.中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽 621900；2.綿陽市互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室，四川綿陽 621000）

基于虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的綜合實驗控制系統(tǒng)設(shè)計

楊瑞華1，薛飛彪1，王 宇2，蔣樹慶1，寧家敏1，陳法新1，黃展常1，楊建倫1，葉 繁1

（1.中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽 621900；2.綿陽市互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室，四川綿陽 621000）

為實現(xiàn)大型物理實驗現(xiàn)場復(fù)雜多樣的儀器控制，分析了物理實驗的特點、過程、環(huán)境及儀器控制功能需求，利用虛擬儀器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立了一套集成硬件和軟件的綜合控制管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)記錄系統(tǒng)中示波器狀態(tài)遠(yuǎn)程批量設(shè)置及波形數(shù)據(jù)自動采集、控制探測系統(tǒng)的高壓電源并發(fā)加壓或退壓、保障各測試項目間測試儀器之間時間關(guān)聯(lián)、監(jiān)控UPS電量和遠(yuǎn)端現(xiàn)場圖片或視頻狀態(tài)；給出了系統(tǒng)的關(guān)鍵的設(shè)計思路，列舉了某型示波器控制的通用控制代碼；結(jié)果表明，系統(tǒng)達到了一人總控或多人分權(quán)控制實驗過程中多種多臺儀器的目標(biāo)，方便快捷地實現(xiàn)不同品牌不同類型示波器的相同功能。

實驗控制；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器；管理信息系統(tǒng)；Delphi；SQL server

0 引言

伴隨現(xiàn)代大型綜合實驗（例如Z－pinch物理實驗）往前推進，測試參數(shù)要求越來越多，測試項目構(gòu)架也越來越繁瑣，測試精度要求越來越高，測試環(huán)節(jié)也越來越復(fù)雜［1］。

由于物理實驗時間間隔不確定性、環(huán)境多樣性、人員的流動性，統(tǒng)一儀器控制需求變得越來越迫切［2 4］。軟件系統(tǒng)控制實驗儀器有報道，類似物理實驗中，有的文獻報道在需求對象發(fā)生改變時，不重新編寫軟件代碼，追求實現(xiàn)“零代碼”控制軟件設(shè)計［5］。

對于采集短時和超短時動態(tài)信號的測試［6］，有報道采用了多通道同步控制技術(shù)［7］。

實踐中，為滿足實驗現(xiàn)場儀器控制的方便、數(shù)據(jù)采集的快捷及數(shù)據(jù)的集中管理需求，建立了移動計算機網(wǎng)絡(luò)支撐的硬件控制平臺，并利用delphi＋Sql Server開發(fā)了實驗數(shù)據(jù)集中管理信息系統(tǒng)軟件，組成綜合實驗控制系統(tǒng)。實現(xiàn)遠(yuǎn)程測試儀器集中控制、示波器等記錄儀器數(shù)據(jù)采集、UPS電源的電量監(jiān)控、現(xiàn)場狀況的視頻監(jiān)視及遠(yuǎn)端屏蔽間內(nèi)電源的自動通斷切換控制。

在以前實現(xiàn)示波器波形數(shù)據(jù)快速獲?。?］的基礎(chǔ)上，新軟件系統(tǒng)中增加了示波器的數(shù)據(jù)庫控制指令記錄技術(shù)。有了這種技術(shù)，對于新型號而又支持VISA規(guī)范的數(shù)字示波器，不需要再修改軟件代碼，只需要數(shù)據(jù)庫中增加一條記錄，測試好各個模塊的控制指令，即可實現(xiàn)對其遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集操作。

通過這一系列措施，構(gòu)建操作簡單實用、實現(xiàn)復(fù)雜控制的實驗管理系統(tǒng)，解放物理實驗測試人員非常有必要和現(xiàn)實意義。

1 需求分析

1.1 實驗環(huán)境

在強脈沖輻射場中，為使測試信號不失真，測試子系統(tǒng)的控制儀器和記錄儀器都不能遠(yuǎn)離脈沖信號探測子系統(tǒng)。為保證信號不受實驗裝置輻射場的強電磁場干擾，現(xiàn)場需要良好的屏蔽箱體，各種控制和記錄儀器等均放置在箱體內(nèi)。示意圖參見圖1。

圖1 大廳、記錄間和控制示意圖

存放控制儀器的屏蔽箱空間，由于脈沖裝置現(xiàn)場空間限制，箱體較小，在放置了必須的測試儀器后，只能擺放功率較小的UPS電源。

整個實驗由分布在不同位置的多個屏蔽體內(nèi)的子系統(tǒng)，通過光纖計算機網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)記錄間的控制系統(tǒng)組成，實驗系統(tǒng)組成示意圖參考文獻［8］。

1.2 實驗流程

輻射脈沖物理實驗每一脈沖爆發(fā)，需要較長的幾天準(zhǔn)備時間。測試儀器靠近測試源，物理實驗人員在正式實驗前后一段時間內(nèi)均無法接近實驗儀器。并且為了消除干擾，必須切斷屏蔽箱內(nèi)儀器的市電電源。

單次實驗的整個過程示意圖參見圖2。實驗從開始到結(jié)束，大約分為“關(guān)屏蔽間”、“關(guān)閉大廳”、“脈沖實驗”和“開啟大廳”等10個重要動作事件節(jié)點，由于客觀因素（比如由于項目調(diào)整及更換實驗源等，導(dǎo)致裝置真空度不確定等）限制，這10個節(jié)點之間的時間是不能完全確定的。

圖2 單次實驗過程示意圖

在未實現(xiàn)遠(yuǎn)程電源切換前，在B步“關(guān)屏蔽間”前只能采用UPS供電。由于裝置的大系統(tǒng)不是非常確定，B步時刻到正式實驗的時間不確定度較大，可能出現(xiàn)UPS供電不足而導(dǎo)致儀器關(guān)機情況。因此了解UPS電量能否支撐系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)非常重要。

實現(xiàn)遠(yuǎn)程電源切換后，在D步“實驗準(zhǔn)備”節(jié)點后，才采用UPS供電直到實驗結(jié)束，時間不確定度小了；并且UPS電量檢測數(shù)據(jù)可以作為是否能夠支撐足夠供電的依據(jù)；在進入正式實驗時刻前，可以再次遠(yuǎn)程切換市電給UPS充電。到實驗時間G步“數(shù)據(jù)采集”和H步“恢復(fù)市電”可以同步完成。

1.3 控制需求

包括功能需求和性能需求兩大部分。

1.3.1 功能需求

實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。不僅能夠讀取儀器當(dāng)前狀態(tài)，并且能夠設(shè)置狀態(tài)。實現(xiàn)各系統(tǒng)之間良好的信號關(guān)聯(lián)。

不僅遠(yuǎn)程查詢（參數(shù)）儀器狀態(tài)，為了直觀還需要查看（視頻）遠(yuǎn)程儀器狀態(tài)。

實現(xiàn)在最佳時間采用UPS電池為儀器供電，自動計算功率和電量使用時間。在電量不足以支撐到脈沖發(fā)生時間的情況下，為實驗“暫?！碧峁Q策支持。

1.3.2 性能需求

1）穩(wěn)定可靠，不能出現(xiàn)控制指令不到位，甚至發(fā)出錯誤指令情況。采集的數(shù)據(jù)信息應(yīng)真實地反映遠(yuǎn)端狀況。

2）方便迅速，操作必須方便易懂，在長時間不接觸示波器的情況下，仍然能夠快速而熟練操作，減小實驗人員重新學(xué)習(xí)示波器使用困難。

3）安全控制，做到所有系統(tǒng)及其儀器都可以集中控制和關(guān)聯(lián)控制，并可以根據(jù)權(quán)限進行分系統(tǒng)控制，分系統(tǒng)控制時不能出現(xiàn)錯誤控制情況。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計部分。

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

計算機網(wǎng)絡(luò)控制支撐硬件平臺通過服務(wù)器、控制計算機、交換機、示波器、高壓電源、同步機、電源控制橋接器、UPS監(jiān)控適配器、視頻攝像頭的互相連接，搭建了遠(yuǎn)程控制硬件基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺。

視頻攝像頭和UPS控制器，均通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口接入基礎(chǔ)平臺的計算機網(wǎng)絡(luò)。

UPS通過RS232接口接入UPS監(jiān)控適配器，適配器的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口接入計算機網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對實驗狀態(tài)的有效控制。

2.1.2 電源切換設(shè)計

屏蔽箱內(nèi)放置實驗控制和數(shù)據(jù)記錄儀器，屏蔽箱放置于強輻射場附近。

由于大型實驗的很多不可控因素，導(dǎo)致實驗時刻的不確定性，為保障屏蔽箱內(nèi)儀器有更富余的供電時間，需要盡量長時間采用市電進行供電，在脈沖爆發(fā)前很長一段時間不能進入屏蔽箱體的情況下，在脈沖爆發(fā)前快速切換成UPS供電。

通過電源控制橋接器（研發(fā)）、控制推桿（研發(fā)）、電源變壓器（研發(fā)），再利用控制軟件可以實現(xiàn)電源的遠(yuǎn)程切換。即在脈沖爆發(fā)前一小段時間，切斷屏蔽箱的外部市電供電，減少強脈沖電磁波對測試信號的干擾。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 探測采集模塊設(shè)計

探測控制主要實現(xiàn)信號探測儀器的控制，主要包括示波器、高壓電源及時間信號同步控制。

統(tǒng)一界面，統(tǒng)一功能函數(shù)，靈活適應(yīng)不同型號示波器，避免變化而帶來程序的重新修改，已經(jīng)成為一種新趨勢。設(shè)計采用數(shù)據(jù)庫指令記錄方式（參見下表1），增加不同示波器種類時，只需要配置數(shù)據(jù)庫即可，不必要重新編寫軟件。

設(shè)置和獲取示波器的參數(shù)有水平參數(shù)（采樣率、掃速［記錄長度］、時間延遲［觸發(fā)位置］）、垂直參數(shù)（通道開關(guān)、輸入阻抗、垂直靈敏度、垂直位置、垂直偏移、耦合方式）及觸發(fā)參數(shù)（觸發(fā)源、觸發(fā)方式、觸發(fā)電平、觸發(fā)沿及觸發(fā)狀態(tài)）。

表1 通用示波器狀態(tài)控制

通過增加或改變數(shù)據(jù)庫記錄的方式，實現(xiàn)多型號示波器、高壓電源、同步機的集中控制，以及示波器記錄數(shù)據(jù)的自動收集存儲。根據(jù)“通道總數(shù)（SBQ_CHCount）”字段數(shù)量，循環(huán)讀取各通道狀態(tài)。

2.2.2 實時狀態(tài)獲取設(shè)計

電量監(jiān)控模塊實現(xiàn)定時顯示UPS電源電量，輸入輸出電壓，負(fù)載等，測算電量使用剩余時間。

視頻圖像模塊實時監(jiān)控遠(yuǎn)程狹小空間現(xiàn)場狀態(tài)，在軟件控制模塊采集實驗信號同時，記錄屏蔽間的現(xiàn)場畫面，作為實驗依據(jù)。

2.2.3 電源切換模塊設(shè)計

當(dāng)實驗信號控制人員發(fā)出在多少時間（分鐘級別）進行實驗時，給電源控制橋接器發(fā)送一個控制信號，通過該控制信號，控制推桿實現(xiàn)電源由市電切換為UPS供電。

示波器觸發(fā)采集實驗完成，軟件在收到該指令后，自動切換發(fā)送信號到控制橋接器，控制推桿切換到市電供電。

3 運行效果

3.1 電源切換

實驗過程中，實驗人員在系統(tǒng)控制間就可以在脈沖爆發(fā)前快速切換到UPS供電，UPS供電時，屏蔽間與市電完全隔離，從而降低裝置脈沖爆發(fā)時對實驗儀器的電磁干擾。當(dāng)然，必要時也可遠(yuǎn)程切換到市電狀態(tài)。參見圖3左下角。

3.2 遠(yuǎn)程控制

實現(xiàn)數(shù)據(jù)示波器（圖3右下角）、高壓電源（圖3右上角）、時間信號同步機、遠(yuǎn)程電源等不同種類型、不同對象的遠(yuǎn)程控制，滿足需求。

3.3 狀態(tài)控制

示波器狀態(tài)遠(yuǎn)程讀取。控制系統(tǒng)內(nèi)部通過連接指令自動識別示波器型號，調(diào)用對應(yīng)控制代碼設(shè)置示波器狀態(tài)?？梢詥闻_遠(yuǎn)程設(shè)置，也可以多臺同時設(shè)置，參見圖4。

圖3 軟件遠(yuǎn)程控制界面

圖4 單臺設(shè)置（對應(yīng)表1）

4 實驗結(jié)果與分析

軟件在編寫完成后，物理實驗人員經(jīng)過幾次磨合，現(xiàn)在已經(jīng)能夠獨立使用。系統(tǒng)運行維護也不再需要專業(yè)人員即可完成。

軟件編寫測試過程中，高壓控制部分出現(xiàn)死機現(xiàn)象，分析測試表明因為多線程控制中與軟件提示界面進行交互時出錯，經(jīng)過多次調(diào)試問題解決。

軟件已經(jīng)控制示波器對象已經(jīng)是幾種品牌，多種型號。這里提煉出來的共同參數(shù)，滿足實驗需求，但不同型號的更深入全面控制，卻不能歸入同一界面，需要分別對待。

5 結(jié)語

利用虛擬儀器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和軟件技術(shù)，實現(xiàn)了一臺計算機一人或多臺計算機多人分權(quán)限對所有儀器遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)不僅能夠獲取遠(yuǎn)程儀器的狀態(tài)，并且可以設(shè)置其狀態(tài)。不僅可以控制數(shù)據(jù)記錄儀器，而且探測系統(tǒng)控制儀器、時間關(guān)聯(lián)同步儀器也能夠控制。外圍支撐設(shè)備狀態(tài)及遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)狀態(tài)也能實時掌握。系統(tǒng)交互性足，現(xiàn)場感強，不僅實現(xiàn)遠(yuǎn)端的身臨其境，并且能夠迅速掌握和控制整個測試系統(tǒng)。公布的示波器狀態(tài)控制關(guān)鍵設(shè)計思路，對于同行有參考作用。

［1］楊瑞華，葉 繁，蒙世堅，等.Z－pinch實驗數(shù)據(jù)集中管理設(shè)計及實現(xiàn) ［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2014，34（2）：152-155.

［2］渠紅光，阮林波，田 耕.通用示波器軟件控制平臺的研制［J］.工業(yè)控制計算機，2011，24（11）：52-54，55.

［3］儲厚斌，張麗華，郭 晶，等.航天通用測發(fā)控軟件平臺設(shè)計應(yīng)用［J］.計算機測量與控制，2014，23（5）：1799-1801.

［4］杜占龍，譚業(yè)雙.自動測試系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.測控技術(shù)，2012，31（4）：96-99.

［5］蔡斐華，儲厚斌，張麗曄，等.通用實物設(shè)備接入技術(shù)研究與實現(xiàn)［J］.計算機測量與控制，2014，23（5）：1810-1812.

［6］張 榮，陳 穎，黃?，?，等.超高速多通道瞬態(tài)測試系統(tǒng)軟硬件設(shè)計技術(shù)研究［J］.計算機測量與控制，2014，22（11）：3500 -3503.

［7］安 平，張 志，耿景都，等.大型通用靜力試驗平臺研制與應(yīng)用［J］.計算機測量與控制，2014，22（12）：4022-4024.

［7］楊瑞華，楊建倫，侯 毅，等.一種大型實驗測試儀器集中并發(fā)控制關(guān)鍵技術(shù)［J］.計算機測量與控制，2015，23（9）：3245-3247.

A Synthetic Experimental Controlling System Based on Virtual Instrument and Network

Yang Ruihua1，Xue Feibiao1，Wang Yu2，Jiang Shuqing1，Ning Jiamin1，Chen Faxin1，Huang Zhanchang1，Yang Jianlun1，Ye Fan1
（1.Institute of Nuclear Physics and Chemistry，CAEP，Mianyang 621900，China；2.Mianyang Internet Information Office，Mianyang 621000，China）

In order to control the complex field of physical experiment by instrument，the requirement of controlling by Virtual Instrument（VI）and the characteristics of the experiment are discussed at first.With the help of VI technology，a synthetic experimental controlling system is built，which includes several advanced functions，such as remote batch setting of the status of oscilloscopes，automatic collection of scope waveforms.Meanwhile，the system can also be used for the concurrence control of voltage－enhancing and voltage－reducing of high－voltage power supply，and the time correlation control of the instrument.For the experiment field monitoring，the power of UPS and pictures or videos of the field can be obtained through this system.The key techniques and the core thoughts are given in the article and the core code of a certain type of oscilloscope are listed.The result shows that the system accomplishes the goal of controlling the status of various instruments by a general control（operated by one person）or by decentralized control（operated by several people），and this system can be further used for controlling different types of oscilloscope in the same way.

experimental control；wave data collect；virtual instrument；network；MIS；Delphi；SQL server

1671-4598（2016）08-0083-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.022

：TP273

：A

2016-01-28；

：2016-03-18。

楊瑞華（1965-），男，四川峨眉人，副研究員，學(xué)士，主要從事實驗信息系統(tǒng)軟件設(shè)計開發(fā)和信息安全方向的研究。