第九章：智能仪器的新发展 虚拟仪器 网络化仪器

网络化仪器主讲：林君教授2004.6.28主要内容：概述基于Web的虚拟仪器嵌入式Internet的网络化智能传感器IEEE1451网络化智能传感器标准一、概述•网络技术和计算机总线技术的发展，再加上测控任务的复杂化以及远程监测任务等迫切需求，促进了测控仪器向网络化的方向快速发展。•网络化仪器包括基于计算机总线技术的分布式测控仪器、基于Internet/Intranet的虚拟仪器、嵌入式Internet的网络化仪器、基于IEEE1451标准的智能传感系统以及基于无线通讯网络的网络化仪器系统等。•它们在智能交通，信息家电、家庭自动化、工业自动化、环境监测及远程医疗等众多领域得到越来越广泛的应用。二、基于Web的虚拟仪器概述基于Web的虚拟仪器概念基于Web的虚拟仪器软件技术基于Web的虚拟仪器发展1.概述网络技术是推动信息产业及相关产业，乃至整个社会发展的一种核心技术，它的出现使得整个社会的工作和生活方式都发生了极大的变化。•Web技术在Internet上的快速发展，导致Web/Browser（以下简写为W/B）这一软件应用模型的流行。•W/B模型是C/S模型的衍生，这一模型奉行“瘦客户/胖服务器”的理念，把主要的应用程序放在服务器上，客户端只需要浏览器环境，就可根据需要从服务器下载应用程序来完成所需要的任务。•这使应用程序的维护更方便，工作量主要集中在服务器端，开发工作量较小，成本较低。而且Web具有界面友好，操作方便等特点，因此深受广大用户的欢迎。Web的简要介绍•目前除了作为Internet上组织和发布信息的有力工具之外，还广泛应用在包括MIS、GIS、电子商务和分布式计算等诸多应用领域中，并导致Intranet和Extranet的产生和发展。•未来的Internet将不仅仅只连接计算机和终端，仪器设备、消费电子产品汇接于Internet平台时使得人们可以实现“任何人在任何地方跟任何对象进行任何方式的信息交流”，WebTV、WebTel由此产生并得到了应用。•Web渗透到仪器领域，是仪器领域内的一次重要革新，这正是Internet非凡影响力的表现。•智能仪器在模拟仪器的基础上有了较大的发展，应用了许多计算机方面的技术，可以通过标准的IEEE488接口连接到普通计算机，仪器内部一般内置有处理器和存储器。•但是由于IEEE488接口传输速度有限，智能仪器存在着实时性差、价格昂贵、扩展能力低以及开放性差的缺点，而且智能仪器也是由厂商定义的，用户通常是无法改变的。•虚拟仪器（VI）克服了上述缺点，而将Web和虚拟仪器结合起来，使VI拓展到真正的分布式网络测试应用环境中去，可以丰富测试手段，提高测试效率，充分合理地利用有效的资源。虚拟仪器与智能仪器的简要对比：2．基于Web的虚拟仪器概念基于Web的虚拟仪器（VI），简单说就是把VI技术和面向Internet的Web技术二者有机结合所产生的新的VI技术。形象地说，VI的主要工作是把传统仪器的前面板移植到普通计算机上，利用计算机的资源处理相关的测试需求；基于Web的VI则更进一步，它是把仪器的前面板移植到Web页面上，通过Web服务器处理相关的测试需求。VI的两大技术基础是计算机硬件技术和软件技术，而正是计算机硬件和软件的网络化带来了整个社会的网络化，所以从发展的角度来说，这一技术不可避免地要渗透到VI技术领域里来。VI依靠计算机强大的处理能力，高性能的显示技术，高速的存储系统，丰富的外部设备；同时VI还有计算机丰富的软件系统，包括网络化的操作系统(如WindowsNT)、应用软件(如InternetExplorer)和网络性能非常强的VI软件(如NationalInstrument公司的ComponentWorks,GWebServer等)。所有这些使VI系统本身具备了强大的网络能力。VI技术：•就Internet的发展来说，从最初用于美国军方的ARPANET，到今天的Internet，Internet技术的发展日新月异，内容也由最初纯文本的信息交流，到多媒体技术，再到信息家电等，越来越丰富。可以说Internet技术已经是无所不在，无所不容。随着网络硬件设备的不断发展，基础设施的不断完善，网络软件的不断丰富以及网络成本的不断降低，把网络作为VI的测试平台无论从技术上还是成本上都是可行的。面向Internet的Web技术•Web技术是Internet的一个组成部分，如果说Internet是世界范围内计算机网络相互间连接的集合，那么Web可以说是在Internet顶部运行的一个协议。具有相互通信的能力，具有友好的图形用户接口，还具有良好的平台独立性，所有这些都为VI和Web结合奠定了基础。VI和Web结合的基本模型：图1虚拟仪器与结合模型可以看出，在虚拟仪器的基础上，增加其登陆因特网及网络浏览的功能，就可以实现基于Web的网络化仪器了。从这一角度讲，基于Web的网络化仪器是虚拟仪器技术的延伸与扩展。浏览器浏览器浏览器浏览器虚拟仪器虚拟仪器虚拟仪器Internet3．基于Web的虚拟仪器软件技术ActiveX技术DataSocket服务器Web服务器ActiveX技术ActiveX是由Microsoft公司定义并发布的一种开放性标准。它能够让软件开发者很方便、快速地在Internet、Intranet网络环境里，制作或提供生动活泼的内容与服务、编写功能强大的应用程序。ActiveX优点主要有以下几个方面：•利用现成的1000多个ActiveXControls，可以很容易开发出基于网络的应用程序。•可以开发出能够充分发挥硬件与操作系统功能的应用程序与服务。这是由于所调用的ActiveXControls与硬件及操作系统功能能够较紧密地结合的缘故。•跨操作系统平台，支持Windows、Macintosh、UNIX版本。ActiveX最吸引人的地方之一，就是ActiveXControls。ActiveXControls就是基于OLE(ObjectLinking&Embedding)技术并加以扩充，符合COM(ComponentObjectModel)格式的交互式软件元件。许多原本使用于VisualBasic、Delphi等的OCX(OLEControl)，都可以成为ActiveXControls。目前支持ActiveX的开发工具主要有VisualBasic、VisualC++、VisualJ++以及Delphi等多种编程语言。DataSocket服务器DataSocket是NationalInstrument提供的一种编程工具，借助它可以在不同的应用程序和数据源之间共享数据。DataSocket可以访问本地文件以及HTTP和FTP服务器上的数据。DataSocket为低层通讯协议提供了一致的API，编程人员无需为不同的数据格式和通讯协议编写具体的程序代码。而且通常这些数据源分布在不同的计算机上。•DataSocket使用一种增强数据类型来交换仪器类型的数据，这种数据类型包括数据特性（如采样率、操作者姓名、时间及采样精度等）和实际测试数据。•DataSocket用类似于Web中的统一资源定位器（URL）定位数据源，URL不同的前缀表示了不同的数据类型，file表示本地文件，http为超文本传输资源，ftp为文件传输协议，opc表示访问的资源是OPC服务器，dstp（DataSockettransferprotocol）则说明数据来自DataSocket服务器的实时数据。•NI公司的ComponentWorks软件包中提供的DataSocket具备以下三个工具：（1）DataSocketActiveX控件，开发者可以利用它提供的控件在诸如VB、VC等ActiveX容器中开发共享数据应用程序。（2）DataSocket服务器，利用dstp协议在应用程序间交换数据。（3）DataSocket服务器管理程序，它是一个配置和管理工具，负责确定DataSocket服务的最大连接数、实现设置访问控制等网络管理功能。Web服务器支持标准的HTTP协议。调用内置的Monitor和Snap函数，使VI的前面板显现在浏览器中。支持CGI，实现对VI的远程交互式访问。支持SMTP，在VI中实现消息和文件的邮件方式发送。支持FTP，实现文件的自动上下载。除了上述介绍的几种软件技术以外，还有NationalInstrument的InternetToolkitforG，Java，ASP等不断发展完善的软件技术，都可以在基于Web的VI中得到应用。吉林大学最近开发的基于CORBA的网络化仪器开发平台，为基于Web的VI开发应用提供了一种有效的支持工具。显然，利用网络技术实现对对象的测试与控制，是对传统测控方式的革命。测控方式的网络化，是未来测控技术发展的必然趋势，它能充分利用现有资源和网络带来的益处，实现各种资源有效合理的配置。3．基于Web的虚拟仪器发展随着网络技术发展，基于Internet的虚拟仪器将为用户远程访问提供更快捷、更方便的服务。用户可以通过HTTP协议远程控制和访问测量仪器系统，可以进行远程排错、修复和监控测试。基于Internet的分布式虚拟实验室（VirtualLab，VLab）将完成远程医疗诊治病人、虚拟太空测试实验、虚拟海底测试实验，也将为测控仪器的设计与使用带来许多意想不到的新思路。虚拟实验室是近几年随着因特网的迅速发展而提出来的，人们想通过虚拟现实（VirtualReality，VR）技术来操作和控制远程实验室内昂贵的科学仪器，科学家可以通过VLab进行科学研究，大学生们也可以通过VLab来共享资源有限的实验室，这种早年的梦想已经变成现实，其发展和应用前景十分广阔。Internet已遍及世界各地，利用Internet进行遥测遥控、协同研究以及网络化测试与控制将给人们带来极大的方便。三、嵌入式Internet的网络化智能传感器智能传感器微处理器（Microprocessor）与传统传感器（DumbSensor）相结合，产生了功能强大的智能传感器（IntelligentSensor或SmartSensor），智能传感器的出现给传统工业测控带来了巨大的进步，在工业生产、国防建设和其他科技领域发挥着重要的作用。智能传感器网络化的实现•利用现场总线技术在自动化领域，现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）正在逐步取代一般的分布式控制系统DCS（DistributedControlSystem），各种基于现场总线的智能传感器/执行器技术也得到迅速发展。但目前市场上多种现场总线并存，使得基于现场总线的传感器/执行器（Sensor/Actuator）接口协议标准各异，如目前市场上较为流行的现场总线如CAN（控制局域网络），Lonworks(局部操作网络)、Profibus（过程现场总线）、HART（可寻址远程传感器数据通信）、FF（基金现场总线）等各有自身优势和适用范围，很难在短期内走向统一。•利用Intranet/Internet技术对于大型数据采集系统而言（特别是自动化工厂用的数据采集系统）由于其中的传感器/执行器数以万计，特别希望能减少其中的总线数量，最好能统一为一种总线或网络，这样不仅有利于简化布线、节省空间、降低成本，而且方便系统维护。另一方面，现有工厂和企业大都建有企业内部网（Intranet），基于Intranet的信息管理系统（MIS）成为企业运营的公共信息平台，为工厂现代化提供了有力的保障。Intranet和因特网(Internet)具有相同的技术原理，都基于全球通用的TCP/IP协议，使数据采集、信息传输等能直接在Intranet/Internet上进行，既统一了标准，又使工业测控数据能直接在Intranet/Internet上动态发布和共享，供相关技术人员、管理人员参考，这样就把测控网和信息网有机地结合了起来，使得工厂或企业拥有一个一体化的网络平台，从成本、管理、维护等方面考虑这是一种最佳的选择。让