网络化机械量电测技术分析

葛丽霞

(山西省高质量转型发展研究院，山西 太原 030002)

0 引言

随着社会经济的快速发展，计算机、微电子等技术迅猛发展。在其推动下，测量技术和仪器变革发生了质的飞跃，人们无论何时、何地都能获取到测试信息，并且测量领域和范围也不断拓宽。从1950年到1980年，当时的机械模拟理论开始与电气技术相结合，产生了发动机测量和电气测量技术，并且随着科学技术的进步，带动了机电测量技术长足进步。当时，使用模拟电子仪器进行测量，如指针式电流表、电压表、功率表等，功能单一、精度低、响应速度慢。从1980年到1990年，利用计算机硬件、软件和网络优势，产生了用于机械量测量的虚拟仪器系统。在基本计算机硬件的支持下,用专门的虚拟仪器软件来实现传统仪器硬件实现的仪器功能。用户根据检测需求，自己通过与传统仪器面板相似的图形界面设置仪器参数、修改仪器操作和实现仪器功能，并且自动生成测量结果，大大提高了检测精度及检测结果的客观性。

1 网络化测量技术的基础

网络化测量技术的基础是虚拟仪器。虚拟仪器的功能不是由厂家定义，而是由用户根据自身需求用专门的应用软件灵活组合，虚拟仪器因其具有与其它设备互联的能力，实现多种测量功能，打破了传统测量仪器只测单一功能技术壁垒，虚拟仪器逐渐取代了单机测量仪器，这样大大缩短了测量仪器研发的周期，大大缩减了投资成本，提高了使用效率。

虚拟仪器由通用计算机、功能化硬件模块和应用测试软件组成。虚拟仪器的数据信号是通过计算机网络系统高速传输，不受空间和时间限制，实现测量功能。虚拟仪器中的虚拟有两方面的含义：1)测试面板是虚拟的；2)虚拟仪器的测量功能是由软件来完成的。世界上曾提出过一个著名口号“软件就是仪器”。

虚拟硬件是由硬件、硬件接口和软件组成。

硬件是虚拟仪器的基础，利用显示器模拟传统仪器的控制面板，由I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理、输入/输出等工作。I/O接口设备就是通常所说的采集调理部件，包括PC总线的数据采集卡、GPIB总线系统、VXI总线系统、FieldBus总线系统、串行系统和现场总线系统等标准总线仪器系统。GPIB(General-Purpose Interface Bus)是PC机与设备相连接的总线。我们使用一台计算机，通过GPIB控制卡可以实现和一台或多台仪器进行通讯，组成仪器系统。通过GPIB电缆连接，可以组成星型结构、线型结构或者二者组合结构。VXI总线是使VXIbus器件之间、VXIbus器件与计算机之间进行通信，通过使用高带宽的吞吐量，提高测试和数据采集系统的总体性能。LXI是基于局域网的模块化测试平台，LXI模块带有自己的处理器、LAN连接、电源和触发输入。串行总线是以RS232标准连接组成硬件平台，现场总线是以FieldBus标准连接组成硬件平台的。

目前，常用的虚拟仪器的构成方式主要有：PC-DAQ/PCI插卡式虚拟仪器,基于GPIB总线方式的虚拟仪器,基于VXI总线方式的虚拟仪器,基于PXI总线方式的虚拟仪器。不管采用何种硬件平台的结构形式，计算机与仪器设备之间都是通过总线进行连接的[1]。

软件是虚拟仪器的核心。用以实现对仪器硬件控制和执行指令，对信号数据进行运算、分析、处理，对结果表达和输出。因为虚拟仪器的软件本身具有开放性、模块化、可重复性及互换性等特点，所以用户通过设计定义、功能组合，就能改变和增减仪器的测试功能和规模。虚拟软件一般采用层次结构，由3部分组成，分别是软面板程序、I/O接口仪器驱动程序、应用软件。目前流行的软件平台包括LabVIEW、LabWindows/CVI、VB、VC等。

从某种意义上说配以相应软件和硬件的计算机相当于一台多功能的通用测量仪器，测量功能的多少取决于存储器中装有软件的多少。

2 虚拟仪器的网络化发展

以Internet为代表的网络技术正在改变自动化测试的规则和方法。结合高速计算机网络技术，现代设备在网络中不断发展。新一代机械量测试系统已逐渐演变为层次化网络系统。在系统中，分布式数据分发可以有效消除干扰和噪声[2]；VXI和PXI设备提供实时数据分析；工程数据库对机械量测量进行统计分析；测试系统服务器对系统进行管理；客户端可共享测量数据，且可以通过Internet对外发布相关的技术信息。

3 网络化机械量测量技术方案

新一代机器测量技术充分利用企业内网，与测试网和Internet互联互通，加以整合，形成一个由内网、外网和测试网构筑的统一网络。计算机、工作站或其他硬件设备充当测试网络中的一个独立节点，测试节点的选取可以根据特定目的和测量要求选择一个组件或所有设备。作为基于Web的工具，软件是获取Web目录的最佳方式。除了特定的升级要求外，计算机价值测试系统的软件开发模型还应提高网络规范的性能。国外公司在这方面表现出了很多优势。他们生产的产品很好地集成在一起。其拥有的PXI设备、VXI和分布式数据采集设备都必须连接到以太网。此外，它还寻求支持LabVIEW计划的活动。国外产品可以满足用户不同层次、不同测试次数的需求，不仅让TCP流程更加复杂，还提供了简单的Socket技术。其业务集成工具具有较高的安全控制能力，可以在内部实现SQL数据，在远程数据中心执行相关任务。LabVIEW的socket技术虽然是基于TCP协议的，但不需要用户进行复杂的TCP底层编程。使用数据套接字技术调用块图像中的DataSocket函数，或者在前面板对象上附加数据。调用数据套接字函数后，LabVIEW也会打开独立的DS Server程序。在程序运行过程中，不断采集、传输和接收数据，但不占用计算机CPU时间。

DS Server管理器的作用是设置DS Server通信的客户端程序的数量以及可创建的数据项的数量，设置用户和用户访问权限，从而提高网络安全性[3]。

数据套接字技术将网络计算机直接设置为客户端和服务器模式[3]。客户端向服务器发送请求进行数据采集，然后对采集到的数据进行接收，这是现场测试和现场管理的主要形式。例如，当企业各技术管理部门需要抽检流水线中的某些生产环节，他们可以将测试节点计算机设置为服务器，然后发送服务申请消息包，服务端向客户端返回业务接口处理请求的操作项目。

4 发展趋势展望

网络技术的快速发展，改变着我们的生活和生产等各个方面，在带来便捷的同时，也满足了人们不断增加的需求，如远程医疗、电子商务、远程数据采集与控制、网上教学等等。快速发展的网络技术已逐渐成为仪器控制与测量的主要工具，只需要更新计算机系统硬件或是软件升级，甚至不需要升级，就可以改进网络测试系统，达到低成本高能效。与传统意义上的测试方法、测量目的、测试结果不一样，如测量仪器设备的远程调用、远程设备故障诊断，电、水、燃气、热能等自动抄表。

随着网络技术与测量、计算机技术、传感器技术、测控技术的结合，使网络化、分布式测控系统的组建更方便。虚拟仪器的系统功能不断增强，大大拓宽了网络化测量应用范围，在生物制造、航空航天、工业制造等高精尖领域发挥着人工无法完成的作用，同时科技的不断进步也进一步催生网络化仪器不断迭代更新，从而有力地带动和促进网络测量技术的进步。