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测试仪器的发展方向——以TCP／IP作为通讯方式的虚拟仪器测试系统
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　　［摘　要］　该文对于目前虚拟仪器系统中硬件与计算机的串并口、PC总线、GPIB总线、PXI、VXI和各种现场总线连接方式的基本情况和主要缺点，及其对测试系统的整体性能的影响做了分析，介绍了...
&　　［摘　要］　该文对于目前虚拟仪器系统中硬件与计算机的串并口、PC总线、GPIB总线、PXI、VXI和各种现场总线连接方式的基本情况和主要缺点，及其对测试系统的整体性能的影响做了分析，介绍了以TCP／IP作为通讯方式的虚拟仪器系统的结构特点、在性价比、拓扑自由度、开放性和互操作性、系统稳健性等方面的优势以及发展展望。&&& ［关键词］　TCP／IP；以太网；虚拟仪器；通讯方式1　引 言　　现代测试工程在测试系统的信息获取能力、信息融合能力和信息处理能力三个方面对测试仪器系统提出了越来越高的要求。为了提高测试系统在这三个方面的性能，人们在仪器之间、仪器和计算机之间的通讯速度、仪器接入的自由程度和仪器被操作访问的灵活程度，以及整个测试系统的灵活性、稳健性以及自动化程度、数据处理能力这些问题上提出了更高的要求。　　上世纪80年代美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）提出的虚拟（VI）概念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器”的先河。虚拟仪器，实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统，即采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器，对各种各样的数据进行计算机处理、显示和储存。虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技术结合，从而开拓了更多的功能，具有很大的灵活性，极大提高了测试系统的处理能力。与此同时，人们对于虚拟仪器系统中硬件与计算的连接方式对于测试系统整体性能带来的影响，表现出了前所未有的关注。 2　现有仪器的通讯方式　　目前虚拟仪器系统中硬件与计算机的连接方式主要有几种类型：　　（1）串、并行口：把仪器硬件集成在一个采集盒是并口传输的距离非常有限。目前，使用串、并口作为连接方式的做法已经趋于被淘汰。　　（2）PC总线—插卡：这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW相结合，充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件的便利。但是受PC机机箱和总线限制，且有电源功率不足、机箱内部的噪声电平较高、插槽数目也不多、插槽尺寸比较小、机箱内无屏蔽等缺点。另外，ISA总线的虚拟仪器已经淘汰，PCI的虚拟仪器价格比较昂贵。　　（3）GPIB总线（IEEE－488标准）：典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB形式的仪器通过GPIB连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口可带多达14台仪器，电缆长度可达40 m。缺点是NI公司推出的GPIB卡价格昂贵。　　（4）VXI总线：VXI总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源、强有力的冷却能力和严格的RFI／EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。它的缺点是VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价高。　　（5）PXI总线：PXI总线方式是PCI总线内核技术增加了成熟的技术规范、增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板总线，以适用于相邻模块的高速通讯的总线。具有比台式PCI系统更高的可扩展性，通过使用PCI－PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽。然而，价格也更高。　　（6）现场总线：目前工业现场测试系统和控制系统伴生，因而控制系统中的现场总线方式在测试仪器的通讯方式中占据了主导地位。此外，RS－485／422总线族以其较低廉的价格、较远的传递距离也在工业现场仪器的通讯方式中占有一席之地。　　由于种种众所周知的经济、社会与技术原因，使现场总线自身统一标准的制定非常的困难。在长期的协商、妥协之后，1999年底IECTC65（负责工业测量和控制的第65标准化技术发员会）通过了IEC61158、ControlNet、Profibus、P－Net、FFHSE、SwiftNet、WorldFIP、Interbus－S等8种现场总线标准成为IEC现场总线国际标准子集。因为几种标准分别来自于各自的支持者所从事的应用领域，所以实际上并没有一种标准能覆盖所有的应用面。这种情况给使用现场总线作为测试系统通讯方式的用户带来了选择上的混乱和困难。　　出于商业原因，现有的现场总线国际标准中，异种现场总线之间是不能直接进行互操作的。使用者只能按照现场总线指定方所规定的方式，通过网关（gateway）通信或通过OPC（OLEfor Process Control）协议进行互操作。这种互操作只能有限的、在各自的主机间进行，不能在彼此的现场仪表间进行。（这一点，对于前面5种连接方式来说，情况更是如此。）对于RS－485／422的使用者来说，仪器的操作完全取决于开发方的设置，这使得跨标准的仪器操作变得非常困难。所以，采用多种现场总线标准的测试网络是由几个相对自治的单一总线标准的网络在主机层面上互连得到的网络，而并非是在测试仪器层面上开放的网络。　　受到各种现场总线标准支持方有关技术保护、知识产权因素、应用领域、商业竞争因素的限制，现场总线的硬件通信单元成本通常很高。　　此外，由于现有的虚拟仪器概念主要是以一台PC或者工业站为核心组建的，故而仪器的接入往往受限于计算机的位置，不能实现自由的组成测试网络。然而网络化的测试和网络化的数据处理是实现测试系统自动化的必经之路。仪器的工作和测试系统的数据处理工作受到测试系统通讯方式以及接入方式的灵活程度、计算机工作方式等因素所局限。现有的现场总线测试系统固然会给用户带来效益，但它毕竟处于网的最低层，局部虽有效益，但有时却不能为企业带来整体效益，换言之，测试网络尚未与企业的管理自动化（如采用ERP等技术方法）相结合。　　综上所述，目前仪器总线的缺陷有：1）缺乏真正统一标准；2）标准的不统一导致不能真正实现互操作性；3）价格昂贵；4）接入方式不够灵活自由。 3　以TCP／IP作为通讯方式的现代虚拟仪器　　随着互联网技术的发展，虚拟仪器和网络技术相结合，能够通过网络借助OLE、DDE技术与企业内部网Intranet联接，与外界进行数据通信，将实时测量的数据输送到Intranet已经成为了必然趋势。同时，作为新的仪器总线，以态网、TCP／IP技术已经在虚拟仪器的组成中崭露头角。在国外，出于对已有技术和投资的保护，很多测试系统采用了比如FF、Profibus、LonWorks推出的建立在已有现场总线基础上的互联网和已有总线的混合体性质的解决方案。　　法国施耐德公司，面向工厂自动化提出了基于以太网＋TCP／IP的解决方案，称之为“透明工厂”。施耐德公司是将以太网技术引入工厂设备底层，广泛取代现有现场总线技术，且有一批工业级产品问世和实际应用。基于以太网和TCP／IP的测试网络正在我国的工业领域里越来越受到重视。其主要特点如下：　　（1）实现把TCP／IP协议嵌入现场智能仪器（主要是）的ROM中，使信号的收、发都以TCP／IP方式进行。　　（2）测控系统在数据采集、信息发布、系统集成等方面都以企业内部网络（Intranet）为依托，以太网作为现场总线。　　（3）在互联网上实现网络化的虚拟仪器，自由灵活的组成数据采集系统和数据分析、管理系统。　　（4）将测控网和企业内部网及Internet互联，实现测控网和信息网的统一，建立测试和管理统一的系统。　　TCP／IP作为通讯方式的测控系统结构如图3－1所示，其优点有：&&& （1）低投入、高性能的通讯方式　　采用高性能、带宽在迅速增长的高可靠性、低成本的网关、路由器、及网络接口芯片等网络互联设备，取代了通信速率一般都比较低的传统现场总线方式，并且将取代通讯速度虽然高但需要特定的、价格昂贵的通信芯片的支持的总线方式。　　利用现有Internet资源和企业内部的网络拓扑，从而十分方便的组建测试网络、企业内部网络以及它们与Internet的互联。&&& （2）实现了完全自由的仪器联网的拓扑　　使用以太网作为仪器之间、仪器与计算机之间的通讯媒介，使得仪器的接入不再受限于计算机的布局。仪器作为网络上的节点，完全独立于计算机存在。仪器可以完全灵活自由的接入以太网的任何一点，并且可以在以太网的任何一点被访问。　　（3）彻底实现单一的、开放性的总线标准和互操作性在链路层上采用以太网连接，TCP／IP和以太网的标准作为测试系统通讯标准，以开放的互联网结构作为结构，真正实现了标准的统一和开放。网络化传感器像计算机一样成为了测控网络上的节点登临网络，并具有网络节点的组态性和互操作性。利用局域网或广域网，处在测试点的网络传感器将测试参数信息加以必要的处理后登临网络，联网的其它设备便可获取这些参数，进而再进行相应的分析和处理。　　在这样构成的监测网络中，传统仪器设备充当着网络中独立节点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何领域。实时、动态（包括远程）的在线监测成为现实。计算机和现场仪器之间按照互联网的标准实现了互操作。网络实实在在地介入了现代测量的全过程。&&& （4）增加了监测系统稳健性　　在依托于互联网的测试体系之中，主控计算机的设置不必取决于具体的物理位置，只要在局域网内的任何一台计算机均可配置为某一组测量仪器的主控计算机，可以很方便的在局域网中实现主控计算机功能的分散和冗余。同时，因为某个节点的故障使系统无法工作的可能性大为减少。　　（5）增强了数据处理能力、实现了管理监测的一体化　　测试网络位于企业信息网络的底层，其根本任务是要完成生产现场的监测任务，提供生产过程与设备的各种信息。企业能够做到把管理、决策、市场信息和现场监测信息结合起来，把各种应用协调为一个整体，实现现场检测、原料供应与产品储运、设备检修、市场信息、企业管理、决策等过程的一体化解决方案，就需要把监测网络与Intranet、Internet连接成为一个整体。使测量系统能够实现跨地区的远程处理与远程故障诊断，人们可以在千里之外查询现场的运行状态；方便地实现偏远地区生产设备的无人值守；远程诊断生产过程或设备的故障。 5　展　望　　传统的采用现场总线通讯技术构成的测试系统纷纷朝着采用以太网为通讯技术的方向靠拢，有的已经进入实际应用和推广阶段。基于以太网和TCP／IP的测试网络正在我国的工业领域里越来越受到重视。可以预见，在火电厂、化工厂、水利、交通、能源等工业现场以及环境的长期监测中，以TCP／IP作为通讯方式的虚拟仪器将有巨大的发展空间。　　由于目前以太网采用CSMA／CD（载波监听多路访问／冲突检测）机理作为其介质访问控制方式，以太网在实时传输、精确定时控制上与传统的现场总线相比还不具有优势。但随着快速以太网与交换式以太网技术的发展，以太网的通信速率不断提高，从十兆到百兆，目前千兆以太网已在局域网、城域网中普遍应用，万兆以太网也正加紧研制。这给解决以太网通信的非确定性带来了很大希望。相信在不久的将来，随着网络技术的发展，TCP／IP将出现在各种工业实时测试现场中，甚至很有可能取代现有的现场总线技术成为统一的工业网络标准，而以TCP／IP作为通讯方式的虚拟仪器必将成为虚拟仪器的一种标准方式。［参考文献］［1］　阳宪惠．互联网技术对现场总线技术发展的影响［J］．世界仪表与自动化．［2］　唐济扬．以太网与现场总线技术［J］．中国工控论坛．［3］　宋　莉，贾振元，等．基于网络的分布式虚拟仪器测试系统［J］．仪表技术与传感器，2002．［4］　王　承，何志伟．基于网络化虚拟仪器的自动测试系统的互连及实现［J］．计算机测量与控制，2002（2）．
新闻出处:王平，黄惟一
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作者：不详　来源：不详
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