摘要：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展大大增強(qiáng)了虛擬儀器的功能。本文介紹了一套基于虛擬儀器的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)以多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)作為被測(cè)對(duì)象，通過(guò)PXI采集平臺(tái)和DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和遠(yuǎn)程通訊。整個(gè)系統(tǒng)柔性好，適應(yīng)性強(qiáng)，不但可以用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，還可以更廣泛地應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。
關(guān)鍵詞：PXI總線；虛擬儀器；DataSocket

1? 引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)滲透到儀器領(lǐng)域。虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)是現(xiàn)代化測(cè)量的重要標(biāo)志。虛擬儀器以PC機(jī)為核心，由測(cè)量功能軟件支持，使用虛擬控制面板模擬傳統(tǒng)儀器儀表操作方式，利用豐富的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳送、存儲(chǔ)、顯示和打印等功能；通過(guò)與Internet技術(shù)的結(jié)合，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器系統(tǒng)技術(shù)正以不可逆轉(zhuǎn)的力量推動(dòng)著測(cè)控技術(shù)的革命。
本系統(tǒng)采用NI公司的PXI－1010采集平臺(tái)和DataSocket通訊技術(shù)，在LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析和遠(yuǎn)程通訊。整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)放性好，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠提高測(cè)控水平和效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信息資源的共享。
虛擬儀器是將現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)主流技術(shù)與革新的靈活易用的軟件和高性能模塊化硬件結(jié)合在一起，建立起功能強(qiáng)大又靈活易變的基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試測(cè)量與控制系統(tǒng)來(lái)替代傳統(tǒng)儀器（價(jià)格昂貴，功能單一）的功能。NI公司的軟件工具由測(cè)量驅(qū)動(dòng)程序和儀器驅(qū)動(dòng)軟件、應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境（如LabVIEW, LabWindows/CVI, 和Measurement Studio）和高階測(cè)試與數(shù)據(jù)管理工具三部分共同組成。通過(guò)使用隸屬于該架構(gòu)的簡(jiǎn)單易用的開(kāi)發(fā)環(huán)境，如LabVIEW，可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成測(cè)量與控制系統(tǒng)的模擬，原型建立，設(shè)計(jì)，配置和修改等任務(wù)。

2?系統(tǒng)的硬件組成
?? PXI簡(jiǎn)介［１］
PXI是一種專(zhuān)為工業(yè)數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)化應(yīng)用度身定制的模塊化儀器平臺(tái)，具備機(jī)械、電氣與軟件等多方面的專(zhuān)業(yè)特性。PXI（PCI eXtensions for Instrumentation）充分利用了當(dāng)前最普及的臺(tái)式計(jì)算機(jī)高速標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)——PCI，是CompactPCI規(guī)范的擴(kuò)展。CompactPCI定義了封裝堅(jiān)固的工業(yè)版PCI總線架構(gòu)，在硬件模塊易于裝卸的前提下提供優(yōu)秀的機(jī)械整合性。 因此，PXI產(chǎn)品具有級(jí)別更高、定義更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)沫h(huán)境一致性指標(biāo)，符合工業(yè)環(huán)境下振動(dòng)、撞擊、溫度與濕度的極限條件。PXI在CompactPCI的機(jī)械規(guī)范上強(qiáng)制增加了環(huán)境性能測(cè)試與主動(dòng)冷卻裝置，以簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成并確保不同廠商產(chǎn)品之間的互用性。此外，PXI還在高速PCI總線的基礎(chǔ)上補(bǔ)充了測(cè)量與自動(dòng)化系統(tǒng)專(zhuān)用的定時(shí)與觸發(fā)特性。
PXI的技術(shù)特點(diǎn)主要有兩個(gè)：首先是基于CPCI,并兼容CPCI；其次是面向測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用設(shè)計(jì)。PXI的規(guī)格也有兩種：3U和6U。3U的PXI主要應(yīng)用方向?qū)⑹墙M成便攜或小型的測(cè)試、SCADA、監(jiān)視與控制以及工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)；6U的PXI主要向高采樣速度、高帶寬、高精度、多通道容量的中、大型ATE應(yīng)用發(fā)展。
2.2? 系統(tǒng)硬件組成?
考慮工業(yè)生產(chǎn)中涉及到多種傳感器的數(shù)據(jù)采集和儀器驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也存在著對(duì)傳感器參數(shù)的調(diào)整和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)惡劣等因素，因此整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)必須充分體現(xiàn)該系統(tǒng)的柔性特點(diǎn)，要求有很強(qiáng)的適應(yīng)性。本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室以東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所研制的多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)為測(cè)控對(duì)象。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。
系統(tǒng)測(cè)試機(jī)箱選用NI公司的PXI-1010，它是PXI/SCXI組合式機(jī)箱，有8個(gè)PXI/Compact模塊插槽和4個(gè)SCXI模塊插槽。這種標(biāo)準(zhǔn)的3U機(jī)箱可方便地安裝在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置地控制機(jī)箱內(nèi)。
采集平臺(tái)主機(jī)內(nèi)部配置的PXI-6040E模塊是12位的多功能采集卡，它將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，有16路模擬輸入通道，最高采樣頻率能達(dá)500KS/s，輸入電壓范圍為±0.05to±10V，有8位數(shù)字輸出通道，輸出電壓范圍為±10V,輸出率可高達(dá)1MS/s.這樣完全可以利用該模塊進(jìn)行有效地?cái)?shù)據(jù)采集和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器的控制工作。
主機(jī)內(nèi)部的PXI-8176嵌入式控制器有RS-232和GPIB接口，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)不同總線類(lèi)型數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換并且可以控制別的測(cè)量?jī)x器；另外該控制器還有擴(kuò)展的USB 24X CD-ROM，通過(guò)USB接口連接CD-ROM，這樣就可以方便的進(jìn)行軟件安裝和升級(jí)?？刂破骼锩孢€裝有集成網(wǎng)卡，為遠(yuǎn)程測(cè)試提供了服務(wù)。
主機(jī)內(nèi)部還配置了SCXI-1102信號(hào)調(diào)理模塊和SCXI-1125信號(hào)輸入調(diào)理模塊。其中SCXI-1102配合SCXI-1303端子，有32個(gè)通道，每通道的輸入電壓可以在±100mV－±10V之間，可以以333K/s的速度輸出經(jīng)過(guò)硬件信號(hào)去噪放大的信號(hào)，確保了輸出信號(hào)的可靠性；SCXI-1125配合SCXI-1138端子，有8個(gè)獨(dú)立的模擬輸入通道，每個(gè)通道的工作電壓可高達(dá)300V，輸入電壓范圍為±2.5Mv－±1000VDC。這樣可以方便我們處理大范圍的數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的柔性。
這樣整個(gè)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理以及網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的傳送。

3? 系統(tǒng)的軟件組成
現(xiàn)在的應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)很多，主要有NI公司的LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)和測(cè)量軟件工作組件，NI公司的LabWindows/CVI可視化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Agilent公司的HP-VEE圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Microsoft公司的Visual C++及Visual Basic可視化開(kāi)發(fā)組件等［２］。本系統(tǒng)我們選用LabVIEW系統(tǒng)作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)。
LabVIEW是一個(gè)具有革命性的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，它內(nèi)置信號(hào)采集、測(cè)量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，將廣泛的數(shù)據(jù)采集、分析與顯示功能集中在了同一個(gè)環(huán)境中。從數(shù)據(jù)采集到儀器控制，圖像采集到運(yùn)動(dòng)控制，LabVIEW都可以提供各種工具以迅速完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。LabVIEW內(nèi)帶400 多個(gè)分析處理工具，專(zhuān)門(mén)用于從采集到的原始數(shù)據(jù)中提取有用的信息，或用于測(cè)量數(shù)據(jù)分析并進(jìn)行信號(hào)處理。諸如快速傅立葉變換（FFT）與頻率分析、信號(hào)發(fā)生、數(shù)學(xué)運(yùn)算、曲線擬和、數(shù)據(jù)差補(bǔ)及時(shí)頻分析等工具的功能都可以從原始數(shù)據(jù)中獲得有意義的信息。數(shù)據(jù)顯示部分根據(jù)不同功能分成幾個(gè)不同的方面棗數(shù)據(jù)顯示、報(bào)告生成、數(shù)據(jù)庫(kù)管理與聯(lián)接。
用LabVIEW開(kāi)發(fā)的虛擬儀器由三部分組成：操作前面板（Front Panel），結(jié)構(gòu)化流程圖（Block diagram）和圖標(biāo)及聯(lián)接邊界定義（Icon and connector pane）。它們分別完成人機(jī)接口工作、定義整個(gè)虛擬儀器的內(nèi)部功能和對(duì)完成某一特定功能的虛擬儀器軟件包進(jìn)行封裝［２］。本測(cè)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3?基于DataSocket技術(shù)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控
的實(shí)現(xiàn)
網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程測(cè)控工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一就是測(cè)控?cái)?shù)據(jù)在網(wǎng)上的發(fā)布和共享。NI公司推出的DataSocket技術(shù)是一種基于TCP/IP協(xié)議、面向測(cè)量和自動(dòng)化工程的網(wǎng)上實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)交換的編程新技術(shù)。采用DataSocket可以方便地實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)或本機(jī)上的各種應(yīng)用程序之間對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)（live data）的共享。DataSocket整合了各種已有的用于測(cè)量或自動(dòng)化的通訊協(xié)議，可以提供比TCP/IP更高層的編程接口［３］。DataSocket通過(guò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)自描述格式提供自由的數(shù)據(jù)傳輸格式，可以直接傳送字符串形式、數(shù)據(jù)量化形式、布爾值形式的數(shù)據(jù)或者直接對(duì)采集到的波形進(jìn)行傳輸，省去了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的大量工作。
DataSocket由兩個(gè)主要部分組成，即DataSocket API和DataSocket Sever。DataSocket API提供獨(dú)立的接口，用于不同語(yǔ)言平臺(tái)內(nèi)部多種數(shù)據(jù)類(lèi)型通讀；DataSocket Sever通過(guò)自己內(nèi)部對(duì)TCP/IP的優(yōu)化和管理簡(jiǎn)化了Internet通訊方式。DataSocket封裝了網(wǎng)絡(luò)底層通信協(xié)議，對(duì)外提供資源定位接口和功能調(diào)用接口，通過(guò)資源定位符（URL）對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸目的地進(jìn)行定位，讀數(shù)據(jù)時(shí)為源地址，寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)為目的地址。在資源定位符中標(biāo)明了數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)變量。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示［4］。
DataSocket支持的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議包括：
（1）DSTP(DataSocket Transport Protocol)傳送方式: DataSocket局部連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議。在這種方式下，DataSocket與本地DataSocket服務(wù)器通訊，識(shí)別附屬在URL地址后面的目標(biāo)數(shù)據(jù)源，然后再?gòu)姆?wù)器上面接收與這個(gè)數(shù)據(jù)源有關(guān)的數(shù)據(jù)項(xiàng)目。
（2）HTTP傳送方式：通常采用的標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送方式。
（3）FTP傳送方式：通常采用的標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)文件傳送方式。
（4）OPC（Windows OLE for Process Control）傳送方式：專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于共享實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)的傳送協(xié)議。通過(guò)OPC服務(wù)器可以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)操作特性。
（5）Windows logos傳送方式：NI公司內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，可以在網(wǎng)絡(luò)和本地計(jì)算機(jī)之間傳送數(shù)據(jù)。
（6）Local file傳送方式：通過(guò)這種方式虛擬儀器可以從本地計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器上直接讀取數(shù)據(jù)文件。［２］
DataSocket在讀數(shù)據(jù)文件時(shí)支持Text、txt、wave和dsd格式；在寫(xiě)數(shù)據(jù)文件時(shí)僅支持Text和dsd格式，它支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有字符型、整型、布爾型及數(shù)組型等［4］。
本測(cè)控系統(tǒng)采用DSTP協(xié)議方式，這是DataSocket技術(shù)專(zhuān)門(mén)支持的通信協(xié)議，可以傳輸各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)，同時(shí)滿足了實(shí)時(shí)性和安全性的指標(biāo)要求。

5? 試驗(yàn)
??? 以多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，用加速度傳感器提取軸承的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后，利用NI公司的PXI－6040E數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，進(jìn)入由PXI－8176控制器構(gòu)成的服務(wù)器里，存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)。將編寫(xiě)的網(wǎng)絡(luò)通信程序（DataSocketWrite、DataSocketRead）分別裝入現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過(guò)校園局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。具體的采集程序和通信程序如下：
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圖4? 數(shù)據(jù)采集程序
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圖5? 寫(xiě)端程序???????????????????? 圖6? 讀端程序

6? 結(jié)束語(yǔ)
網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)控系統(tǒng)是未來(lái)測(cè)控技術(shù)的必然發(fā)展方向，它的靈活性、實(shí)時(shí)性和開(kāi)放性對(duì)測(cè)控技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生極大的推動(dòng)作用。本文利用LabVIEW開(kāi)發(fā)的基于PXI總線的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和信息技術(shù)的的深入，基于虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)揮發(fā)會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。