網(wǎng)絡(luò)化——測量技術(shù)與儀器發(fā)展的新趨勢

1. 引言

20世紀(jì)70年代以來，計(jì)算機(jī)、微電子等技術(shù)迅猛發(fā)展。在它們的推動下，同時也是為適應(yīng)現(xiàn)代化工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至戰(zhàn)爭的新需求，測量技術(shù)與儀器不斷進(jìn)步，相繼誕生了智能儀器、PC儀器、VXI儀器、虛擬儀器及互換性虛擬儀器等微機(jī)化儀器及其自動測試系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代儀器設(shè)備間的界限日漸模糊，測量領(lǐng)域和范圍不斷拓寬。近10年來，以Internet為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)以及它與其他高新科技的相互結(jié)合，不僅己開始將智能互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品帶入現(xiàn)代生活，而且也為測量與儀器技術(shù)帶來了前所未有的發(fā)展空間和機(jī)遇，網(wǎng)絡(luò)化測量技術(shù)與具備網(wǎng)絡(luò)功能的新型儀器應(yīng)運(yùn)而生。

2. 計(jì)算機(jī)、微電子、通信和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)化測量技術(shù)與儀器產(chǎn)生并迅速發(fā)展的強(qiáng)勁支撐

2.1“計(jì)算機(jī)就是儀器”

自從迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)及微電子技術(shù)滲透到測量和儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，便使該領(lǐng)域的面貌不斷更新。相繼出現(xiàn)的智能儀器、總線儀器和虛擬儀器等微機(jī)化儀器，都無一例外地利用計(jì)算機(jī)的軟件和硬件優(yōu)勢，從而既增加了測量功能，又提高了技術(shù)性能。由于信號被采集變換成數(shù)字形式后，更多的分析和處理工作都由計(jì)算機(jī)來完成，故很自然使人們不再

去關(guān)注儀器與計(jì)算機(jī)之間的界限。近年來，新型微處理器的速度不斷提高，采用流水線、RISC結(jié)構(gòu)和cachE等先進(jìn)技術(shù)，又極大提高了計(jì)算機(jī)的數(shù)值處理能力和速度。在數(shù)據(jù)采集方面，數(shù)據(jù)采集卡、儀器放大器、數(shù)字信號處理芯片等技術(shù)的不斷升級和更新，也有效地加快了數(shù)據(jù)采集的速率和效率。與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，已是當(dāng)今儀器與測控技術(shù)發(fā)展的主潮流。對微機(jī)化儀器作一具體分析后，不難見，配以相應(yīng)軟件和硬件的計(jì)算機(jī)將能夠完成許多儀器、儀表的功能，實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一臺多功能的通用測量儀器。這樣的現(xiàn)代儀器設(shè)備的功能已不再由按鈕和開關(guān)的數(shù)量來限定，而是取決于其中存儲器內(nèi)裝有軟件的多少。從這個意義上可認(rèn)為，計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代儀器設(shè)備日漸趨同，兩者間已表現(xiàn)出全局意義上的相通性。據(jù)此，有人提出了“計(jì)算機(jī)就是儀器”/軟件就是儀器”的概念。

2.2“計(jì)算機(jī)就是測控系統(tǒng)的中堅(jiān)”

總線式儀器、虛擬儀器等微機(jī)化儀器技術(shù)的應(yīng)用，使組建集中和分布式測控系統(tǒng)變得更為容易。但集中測控越來越滿足不了復(fù)雜、遠(yuǎn)程(異地)和范圍較大的測控任務(wù)的需求，對此，組建網(wǎng)絡(luò)化的測控系統(tǒng)就顯得非常必要，而計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的不斷升級與進(jìn)步、給組建測控網(wǎng)絡(luò)提供了越來越優(yōu)異的技術(shù)條件。

Unix 、Windows NT、Windows2000、Netware等網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，為組建網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)帶來了方便。標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如OSI的開放系統(tǒng)互連參考模型RM、Internet上使用的TCP/IP協(xié)議，在開放性、穩(wěn)定性、可靠性方面均有很大優(yōu)勢，采用它們很容易實(shí)現(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。在開發(fā)軟件方面，比如NI公司的Labview和LabWindows/CVI，HP公司的VEE，微軟公司的的VB、VC等，都有開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用項(xiàng)目的工具包。軟件是虛擬儀器開發(fā)的關(guān)鍵，如Labview和LabWindows/CVI的功能都十分強(qiáng)大，不僅使虛擬儀器的開發(fā)變得簡單方便，而且為把虛擬儀器做到網(wǎng)絡(luò)上，提供了可靠，便利的技術(shù)支持。LabWindows/CVI中封裝了TCP類庫，可以開發(fā)基于TCP/Ip的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。Labview的TCP/IP和UDP網(wǎng)絡(luò)VI能夠與遠(yuǎn)程應(yīng)用程序建立通信，其具有的Internet工具箱還為應(yīng)用系統(tǒng)增加了E-mail、FTP和Web能力;利用遠(yuǎn)程自動化VI，還可對控制其他設(shè)備的分散的VI進(jìn)行控制。Labview5.1中還特別增加有網(wǎng)絡(luò)功能，提高了開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的能力。

將計(jì)算機(jī)、高檔外設(shè)和通信線路等硬件資源以及大型數(shù)據(jù)庫、程序、數(shù)據(jù)、文件等軟件資源納入網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)資源的共享。其次，通過組建網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)增加系統(tǒng)冗余度的方法能提高系統(tǒng)的可靠性，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和變動。由計(jì)算機(jī)和工作站作為結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)也就相當(dāng)于現(xiàn)代儀器的網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)已成為現(xiàn)代測控系統(tǒng)的中堅(jiān)。

2.3網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已越來越成為測控技術(shù)滿足實(shí)際需求的關(guān)鍵支撐

當(dāng)今時代，以Internet為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的日益完善，突破了傳統(tǒng)通信方式的時空限制和地域障礙，使更大范圍內(nèi)的通信變得十分容易，Internet擁有的硬件和軟件資源正在越來越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用，比如電子商務(wù)、網(wǎng)上教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制、高檔測量儀器設(shè)備資源的遠(yuǎn)程實(shí)時調(diào)用，遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷，等等。與此同時，高性能、高可靠性、低成本的網(wǎng)關(guān)、路由器、中繼器及網(wǎng)絡(luò)接口芯片等網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備的不斷進(jìn)步，又方便了Internet、不同類型測控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)。利用現(xiàn)有Internet資源而不需建立專門的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使組建測控網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及它們與Internet的互聯(lián)都十分方便，這就為測控網(wǎng)絡(luò)的普遍建立和廣泛應(yīng)用鋪平了道路。

把TCP/IP協(xié)議作為一種嵌入式的應(yīng)用，嵌入現(xiàn)場智能儀器(主要是傳感器)的ROM中，使信號的收、發(fā)都以TCP/IP方式進(jìn)行，如此，測控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、信息發(fā)布、系統(tǒng)集成等方面都以企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)(Intranet)為依托，將測控網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)及Internet互聯(lián)，便于實(shí)現(xiàn)測控網(wǎng)和信息網(wǎng)的統(tǒng)一。在這樣構(gòu)成的測控網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)儀器設(shè)備充當(dāng)著網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的角色，信息可跨越網(wǎng)絡(luò)傳輸至所及的任何領(lǐng)域，實(shí)時、動態(tài)(包括遠(yuǎn)程)的在線測控成為現(xiàn)實(shí)，將這樣的測量技術(shù)與過去的測控、測試技術(shù)相比不難發(fā)現(xiàn)，今天，測控能節(jié)約大量現(xiàn)場布線、擴(kuò)大測控系統(tǒng)所及地域范圍。使系統(tǒng)擴(kuò)充和維護(hù)都極大便利的原因，就是因?yàn)樵谶@種現(xiàn)代測量任務(wù)的執(zhí)行和完成過程中，網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮了不可替代的關(guān)鍵作用，即網(wǎng)絡(luò)實(shí)實(shí)在在地介入了現(xiàn)代測量與測控的全過程。

基于Web的信息網(wǎng)絡(luò)Intranet，是目前企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)的主流。應(yīng)用Internet的具有開放性的互聯(lián)通信標(biāo)準(zhǔn)，使Intranet成為基丁TCP/IP協(xié)議的開放系統(tǒng)，能方便地與外界連接，尤其是與Inter

net連接。借助Internet的相關(guān)技術(shù)，Intranet給企業(yè)的經(jīng)營和管理能帶來極大便利，已被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。Internet也已開始對傳統(tǒng)的測控系統(tǒng)產(chǎn)生越來越大的影響。目前，測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想明顯受到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的影響，基于網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、開放性等原則，測控網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)的集中模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉植寄Ｊ?，成為具有開放性、可互操作性、分散性、網(wǎng)絡(luò)化。智能化的測控系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)上不僅有計(jì)算機(jī)、工作站，還有智能測控儀器儀表，測控網(wǎng)絡(luò)將有與信息網(wǎng)絡(luò)相似的體系結(jié)構(gòu)和通信模型。比如目前測控系統(tǒng)中迅猛發(fā)展的現(xiàn)場總線，它的通信模型和OSI模型對應(yīng)，將現(xiàn)場的智能儀表和裝置作為節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)將節(jié)點(diǎn)連同控制室內(nèi)的儀器儀表和控制裝置聯(lián)成有機(jī)的測控系統(tǒng)。測控網(wǎng)絡(luò)的功能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)中各獨(dú)立個體功能的總和。結(jié)果是測控系統(tǒng)的功能顯著增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域及范圍明顯擴(kuò)大。

Jini軟件技術(shù)問世。Jini軟件技術(shù)旨在使各種電器設(shè)備、測量儀器及采用JAVA芯片的各種裝置能連接上網(wǎng)，Jini軟件連同以Java語言編寫的簡單程序，可使聯(lián)網(wǎng)的任何儀器設(shè)備實(shí)現(xiàn)其自身功能的同時，還能為其他儀器設(shè)備加以利用。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，正在并將極大地改變?nèi)藗兩畹母鱾€方面。具體到計(jì)量測試、測控技術(shù)及儀器儀表領(lǐng)域，微機(jī)化儀器的聯(lián)網(wǎng)，高檔測量儀器設(shè)備以及測量信息的地區(qū)性、全國性乃至全球性資源共享，各等級計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)跨地域?qū)嵤┲苯拥臄?shù)字化溯源比對，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與測控，遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷，電、水、燃?xì)狻崮艿鹊淖詣映?，等等，都?strong>網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步并全面介入其中發(fā)揮關(guān)鍵作用的必然結(jié)果。