網(wǎng)絡(luò)化機械量電測技術(shù)分析

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

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，計算機、微電子等技術(shù)迅猛發(fā)展。在其推動下，測量技術(shù)和儀器變革發(fā)生了質(zhì)的飛躍，人們無論何時、何地都能獲取到測試信息，并且測量領(lǐng)域和范圍也不斷拓寬。從1950年到1980年，當時的機械模擬理論開始與電氣技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了發(fā)動機測量和電氣測量技術(shù)，并且隨著科學技術(shù)的進步，帶動了機電測量技術(shù)長足進步。當時，使用模擬電子儀器進行測量，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，利用計算機硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，產(chǎn)生了用于機械量測量的虛擬儀器系統(tǒng)。在基本計算機硬件的支持下,用專門的虛擬儀器軟件來實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器硬件實現(xiàn)的儀器功能。用戶根據(jù)檢測需求，自己通過與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面設(shè)置儀器參數(shù)、修改儀器操作和實現(xiàn)儀器功能，并且自動生成測量結(jié)果，大大提高了檢測精度及檢測結(jié)果的客觀性。

1 網(wǎng)絡(luò)化測量技術(shù)的基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)化測量技術(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，實現(xiàn)多種測量功能，打破了傳統(tǒng)測量儀器只測單一功能技術(shù)壁壘，虛擬儀器逐漸取代了單機測量儀器，這樣大大縮短了測量儀器研發(fā)的周期，大大縮減了投資成本，提高了使用效率。

虛擬儀器由通用計算機、功能化硬件模塊和應(yīng)用測試軟件組成。虛擬儀器的數(shù)據(jù)信號是通過計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高速傳輸，不受空間和時間限制，實現(xiàn)測量功能。虛擬儀器中的虛擬有兩方面的含義：1)測試面板是虛擬的；2)虛擬儀器的測量功能是由軟件來完成的。世界上曾提出過一個著名口號“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)備完成信號的采集、測量與調(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)場總線系統(tǒng)等標準總線儀器系統(tǒng)。GPIB(General-Purpose Interface Bus)是PC機與設(shè)備相連接的總線。我們使用一臺計算機，通過GPIB控制卡可以實現(xiàn)和一臺或多臺儀器進行通訊，組成儀器系統(tǒng)。通過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器件與計算機之間進行通信，通過使用高帶寬的吞吐量，提高測試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體性能。LXI是基于局域網(wǎng)的模塊化測試平臺，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標準連接組成硬件平臺，現(xiàn)場總線是以FieldBus標準連接組成硬件平臺的。

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的結(jié)構(gòu)形式，計算機與儀器設(shè)備之間都是通過總線進行連接的[1]。

軟件是虛擬儀器的核心。用以實現(xiàn)對儀器硬件控制和執(zhí)行指令，對信號數(shù)據(jù)進行運算、分析、處理，對結(jié)果表達和輸出。因為虛擬儀器的軟件本身具有開放性、模塊化、可重復性及互換性等特點，所以用戶通過設(shè)計定義、功能組合，就能改變和增減儀器的測試功能和規(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)動程序、應(yīng)用軟件。目前流行的軟件平臺包括LabVIEW、LabWindows/CVI、VB、VC等。

從某種意義上說配以相應(yīng)軟件和硬件的計算機相當于一臺多功能的通用測量儀器，測量功能的多少取決于存儲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)正在改變自動化測試的規(guī)則和方法。結(jié)合高速計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，現(xiàn)代設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中不斷發(fā)展。新一代機械量測試系統(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)備提供實時數(shù)據(jù)分析；工程數(shù)據(jù)庫對機械量測量進行統(tǒng)計分析；測試系統(tǒng)服務(wù)器對系統(tǒng)進行管理；客戶端可共享測量數(shù)據(jù)，且可以通過Internet對外發(fā)布相關(guān)的技術(shù)信息。

3 網(wǎng)絡(luò)化機械量測量技術(shù)方案

新一代機器測量技術(shù)充分利用企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，與測試網(wǎng)和Internet互聯(lián)互通，加以整合，形成一個由內(nèi)網(wǎng)、外網(wǎng)和測試網(wǎng)構(gòu)筑的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)。計算機、工作站或其他硬件設(shè)備充當測試網(wǎng)絡(luò)中的一個獨立節(jié)點，測試節(jié)點的選取可以根據(jù)特定目的和測量要求選擇一個組件或所有設(shè)備。作為基于Web的工具，軟件是獲取Web目錄的最佳方式。除了特定的升級要求外，計算機價值測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)模型還應(yīng)提高網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的性能。國外公司在這方面表現(xiàn)出了很多優(yōu)勢。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計劃的活動。國外產(chǎn)品可以滿足用戶不同層次、不同測試次數(shù)的需求，不僅讓TCP流程更加復雜，還提供了簡單的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)部實現(xiàn)SQL數(shù)據(jù)，在遠程數(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，但不需要用戶進行復雜的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也會打開獨立的DS Server程序。在程序運行過程中，不斷采集、傳輸和接收數(shù)據(jù)，但不占用計算機CPU時間。

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)項的數(shù)量，設(shè)置用戶和用戶訪問權(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)計算機直接設(shè)置為客戶端和服務(wù)器模式[3]?？蛻舳讼蚍?wù)器發(fā)送請求進行數(shù)據(jù)采集，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行接收，這是現(xiàn)場測試和現(xiàn)場管理的主要形式。例如，當企業(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)，他們可以將測試節(jié)點計算機設(shè)置為服務(wù)器，然后發(fā)送服務(wù)申請消息包，服務(wù)端向客戶端返回業(yè)務(wù)接口處理請求的操作項目。

4 發(fā)展趨勢展望

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)等各個方面，在帶來便捷的同時，也滿足了人們不斷增加的需求，如遠程醫(yī)療、電子商務(wù)、遠程數(shù)據(jù)采集與控制、網(wǎng)上教學等等。快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已逐漸成為儀器控制與測量的主要工具，只需要更新計算機系統(tǒng)硬件或是軟件升級，甚至不需要升級，就可以改進網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)，達到低成本高能效。與傳統(tǒng)意義上的測試方法、測量目的、測試結(jié)果不一樣，如測量儀器設(shè)備的遠程調(diào)用、遠程設(shè)備故障診斷，電、水、燃氣、熱能等自動抄表。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與測量、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、測控技術(shù)的結(jié)合，使網(wǎng)絡(luò)化、分布式測控系統(tǒng)的組建更方便。虛擬儀器的系統(tǒng)功能不斷增強，大大拓寬了網(wǎng)絡(luò)化測量應(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)揮著人工無法完成的作用，同時科技的不斷進步也進一步催生網(wǎng)絡(luò)化儀器不斷迭代更新，從而有力地帶動和促進網(wǎng)絡(luò)測量技術(shù)的進步。