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1　引 言
　　現(xiàn)代測試工程在測試系統(tǒng)的信息獲取能力、信息融合能力和信息處理能力三個方面對測試儀器系統(tǒng)提出了越來越高的要求。為了提高測試系統(tǒng)在這三個方面的性能，人們在儀器之間、儀器和計算機之間的通訊速度、儀器接入的自由程度和儀器被操作訪問的靈活程度，以及整個測試系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)健性以及自動化程度、數(shù)據(jù)處理能力這些問題上提出了更高的要求。
　　上世紀80年代美國國家儀器公司NI（NationalInstruments）提出的虛擬測量儀器（VI）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使得計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得以長驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先河。虛擬儀器，實際上就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統(tǒng)，即采用計算機開放體系結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單機測量儀器，對各種各樣的數(shù)據(jù)進行計算機處理、顯示和儲存。虛擬儀器的突出優(yōu)點在于能夠和計算機技術(shù)結(jié)合，從而開拓了更多的功能，具有很大的靈活性，極大提高了測試系統(tǒng)的處理能力。與此同時，人們對于虛擬儀器系統(tǒng)中硬件與計算的連接方式對于測試系統(tǒng)整體性能帶來的影響，表現(xiàn)出了的關(guān)注。

2　現(xiàn)有儀器的通訊方式
　　目前虛擬儀器系統(tǒng)中硬件與計算機的連接方式主要有幾種類型：
　?。?）串、并行口：把儀器硬件集成在一個采集盒是并口傳輸?shù)木嚯x非常有限。目前，使用串、并口作為連接方式的做法已經(jīng)趨于被淘汰。
　?。?）PC總線—插卡：這種方式借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與的軟件如LabVIEW相結(jié)合，充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足、機箱內(nèi)部的噪聲電平較高、插槽數(shù)目也不多、插槽尺寸比較小、機箱內(nèi)無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI的虛擬儀器價格比較昂貴。
　?。?）GPIB總線（IEEE－488標準）：典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達14臺儀器，電纜長度可達40 m。缺點是NI公司推出的GPIB卡價格昂貴。
　?。?）VXI總線：VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源、強有力的冷卻能力和嚴格的RFI／EMI屏蔽。由于它的標準開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應(yīng)用。它的缺點是VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價高。
　?。?）PXI總線：PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范、增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板總線，以適用于相鄰模塊的高速通訊的總線。具有比臺式PCI系統(tǒng)更高的可擴展性，通過使用PCI－PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽。然而，價格也更高。
　?。?）現(xiàn)場總線：目前工業(yè)現(xiàn)場測試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)伴生，因而控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線方式在測試儀器的通訊方式中占據(jù)了主導(dǎo)地位。此外，RS－485／422總線族以其較低廉的價格、較遠的傳遞距離也在工業(yè)現(xiàn)場儀器的通訊方式中占有一席之地。
　　由于種種*的經(jīng)濟、社會與技術(shù)原因，使現(xiàn)場總線自身統(tǒng)一標準的制定非常的困難。在長期的協(xié)商、妥協(xié)之后，1999年底IECTC65（負責(zé)工業(yè)測量和控制的第65標準化技術(shù)發(fā)員會）通過了IEC61158、ControlNet、Profibus、P－Net、FFHSE、SwiftNet、WorldFIP、Interbus－S等8種現(xiàn)場總線標準成為IEC現(xiàn)場總線標準子集。因為幾種標準分別來自于各自的支持者所從事的應(yīng)用領(lǐng)域，所以實際上并沒有一種標準能覆蓋所有的應(yīng)用面。這種情況給使用現(xiàn)場總線作為測試系統(tǒng)通訊方式的用戶帶來了選擇上的混亂和困難。
　　出于商業(yè)原因，現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標準中，異種現(xiàn)場總線之間是不能直接進行互操作的。使用者只能按照現(xiàn)場總線方所規(guī)定的方式，通過網(wǎng)關(guān)（gateway）通信或通過OPC（OLEfor Process Control）協(xié)議進行互操作。這種互操作只能有限的、在各自的主機間進行，不能在彼此的現(xiàn)場儀表間進行。（這一點，對于前面5種連接方式來說，情況更是如此。）對于RS－485／422的使用者來說，儀器的操作*取決于開發(fā)方的設(shè)置，這使得跨標準的儀器操作變得非常困難。所以，采用多種現(xiàn)場總線標準的測試網(wǎng)絡(luò)是由幾個相對自治的單一總線標準的網(wǎng)絡(luò)在主機層面上互連得到的網(wǎng)絡(luò)，而并非是在測試儀器層面上開放的網(wǎng)絡(luò)。
　　受到各種現(xiàn)場總線標準支持方有關(guān)技術(shù)保護、知識產(chǎn)權(quán)因素、應(yīng)用領(lǐng)域、商業(yè)競爭因素的限制，現(xiàn)場總線的硬件通信單元成本通常很高。
　　此外，由于現(xiàn)有的虛擬儀器概念主要是以一臺PC或者工業(yè)站為核心組建的，故而儀器的接入往往受限于計算機的位置，不能實現(xiàn)自由的組成測試網(wǎng)絡(luò)。然而網(wǎng)絡(luò)化的測試和網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)處理是實現(xiàn)測試系統(tǒng)自動化的必經(jīng)之路。儀器的工作和測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理工作受到測試系統(tǒng)通訊方式以及接入方式的靈活程度、計算機工作方式等因素所局限?，F(xiàn)有的現(xiàn)場總線測試系統(tǒng)固然會給用戶帶來效益，但它畢竟處于企業(yè)網(wǎng)的zui低層，局部雖有效益，但有時卻不能為企業(yè)帶來整體效益，換言之，測試網(wǎng)絡(luò)尚未與企業(yè)的管理自動化（如采用ERP等技術(shù)方法）相結(jié)合。
　　綜上所述，目前儀器總線的缺陷有：1）缺乏真正統(tǒng)一標準；2）標準的不統(tǒng)一導(dǎo)致不能真正實現(xiàn)互操作性；3）價格昂貴；4）接入方式不夠靈活自由。

3　以TCP／IP作為通訊方式的現(xiàn)代虛擬儀器
　　隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，能夠通過網(wǎng)絡(luò)借助OLE、DDE技術(shù)與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)Intranet聯(lián)接，與外界進行數(shù)據(jù)通信，將實時測量的數(shù)據(jù)輸送到Intranet已經(jīng)成為了必然趨勢。同時，作為新的儀器總線，以態(tài)網(wǎng)、TCP／IP技術(shù)已經(jīng)在虛擬儀器的組成中嶄露頭角。在國外，出于對已有技術(shù)和投資的保護，很多測試系統(tǒng)采用了比如FF、Profibus、LonWorks推出的建立在已有現(xiàn)場總線基礎(chǔ)上的互聯(lián)網(wǎng)和已有總線的混合體性質(zhì)的解決方案。
　　法國施耐德公司，面向工廠自動化提出了基于以太網(wǎng)＋TCP／IP的解決方案，稱之為“透明工廠”。施耐德公司是將以太網(wǎng)技術(shù)引入工廠設(shè)備底層，廣泛取代現(xiàn)有現(xiàn)場總線技術(shù)，且有一批工業(yè)級產(chǎn)品問世和實際應(yīng)用?；谝蕴W(wǎng)和TCP／IP的測試網(wǎng)絡(luò)正在我國的工業(yè)領(lǐng)域里越來越受到重視。其主要特點如下：
　?。?）實現(xiàn)把TCP／IP協(xié)議嵌入現(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方式進行。
　?。?）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，以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線。
　?。?）在互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬儀器，自由靈活的組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析、管理系統(tǒng)。
　?。?）將測控網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)及Internet互聯(lián)，實現(xiàn)測控網(wǎng)和信息網(wǎng)的統(tǒng)一，建立測試和管理統(tǒng)一的系統(tǒng)。

　　TCP／IP作為通訊方式的測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3－1所示，其優(yōu)點有：
    （1）低投入、高性能的通訊方式
　　采用高性能、帶寬在迅速增長的高可靠性、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，取代了通信速率一般都比較低的傳統(tǒng)現(xiàn)場總線方式，并且將取代通訊速度雖然高但需要特定的、價格昂貴的通信芯片的支持的總線方式。
　　利用現(xiàn)有Internet資源和企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)拓撲，從而十分方便的組建測試網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以及它們與Internet的互聯(lián)。
    （2）實現(xiàn)了*自由的儀器聯(lián)網(wǎng)的拓撲
　　使用以太網(wǎng)作為儀器之間、儀器與計算機之間的通訊媒介，使得儀器的接入不再受限于計算機的布局。儀器作為網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點，*獨立于計算機存在。儀器可以*靈活自由的接入以太網(wǎng)的任何一點，并且可以在以太網(wǎng)的任何一點被訪問。
　　（3）*實現(xiàn)單一的、開放性的總線標準和互操作性
在鏈路層上采用以太網(wǎng)連接，TCP／IP和以太網(wǎng)的標準作為測試系統(tǒng)通訊標準，以開放的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，真正實現(xiàn)了標準的統(tǒng)一和開放。網(wǎng)絡(luò)化傳感器像計算機一樣成為了測控網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點登臨網(wǎng)絡(luò)，并具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組態(tài)性和互操作性。利用局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，處在測試點的網(wǎng)絡(luò)傳感器將測試參數(shù)信息加以必要的處理后登臨網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)網(wǎng)的其它設(shè)備便可獲取這些參數(shù)，進而再進行相應(yīng)的分析和處理。
　　在這樣構(gòu)成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)儀器設(shè)備充當(dāng)著網(wǎng)絡(luò)中獨立節(jié)點的角色，信息可跨越網(wǎng)絡(luò)傳輸至所及的任何領(lǐng)域。實時、動態(tài)（包括遠程）的在線監(jiān)測成為現(xiàn)實。計算機和現(xiàn)場儀器之間按照互聯(lián)網(wǎng)的標準實現(xiàn)了互操作。網(wǎng)絡(luò)實實在在地介入了現(xiàn)代測量的全過程。
    （4）增加了監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)健性
　　在依托于互聯(lián)網(wǎng)的測試體系之中，主控計算機的設(shè)置不必取決于具體的物理位置，只要在局域網(wǎng)內(nèi)的任何一臺計算機均可配置為某一組測量儀器的主控計算機，可以很方便的在局域網(wǎng)中實現(xiàn)主控計算機功能的分散和冗余。同時，因為某個節(jié)點的故障使系統(tǒng)無法工作的可能性大為減少。
　?。?）增強了數(shù)據(jù)處理能力、實現(xiàn)了管理監(jiān)測的一體化
　　測試網(wǎng)絡(luò)位于企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的底層，其根本任務(wù)是要完成生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)測任務(wù)，提供生產(chǎn)過程與設(shè)備的各種信息。企業(yè)能夠做到把管理、決策、市場信息和現(xiàn)場監(jiān)測信息結(jié)合起來，把各種應(yīng)用協(xié)調(diào)為一個整體，實現(xiàn)現(xiàn)場檢測、原料供應(yīng)與產(chǎn)品儲運、設(shè)備檢修、市場信息、企業(yè)管理、決策等過程的一體化解決方案，就需要把監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與Intranet、Internet連接成為一個整體。使測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)跨地區(qū)的遠程處理與遠程故障診斷，人們可以在千里之外查詢現(xiàn)場的運行狀態(tài)；方便地實現(xiàn)偏遠地區(qū)生產(chǎn)設(shè)備的無人值守；遠程診斷生產(chǎn)過程或設(shè)備的故障。

4　展　望
　　傳統(tǒng)的采用現(xiàn)場總線通訊技術(shù)構(gòu)成的測試系統(tǒng)紛紛朝著采用以太網(wǎng)為通訊技術(shù)的方向靠攏，有的已經(jīng)進入實際應(yīng)用和推廣階段?；谝蕴W(wǎng)和TCP／IP的測試網(wǎng)絡(luò)正在我國的工業(yè)領(lǐng)域里越來越受到重視?？梢灶A(yù)見，在火電廠、化工廠、水利、交通、能源等工業(yè)現(xiàn)場以及環(huán)境的長期監(jiān)測中，以TCP／IP作為通訊方式的虛擬儀器將有巨大的發(fā)展空間。
　　由于目前以太網(wǎng)采用CSMA／CD（載波監(jiān)聽多路訪問／沖突檢測）機理作為其介質(zhì)訪問控制方式，以太網(wǎng)在實時傳輸、定時控制上與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線相比還不具有優(yōu)勢。但隨著快速以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)的通信速率不斷提高，從十兆到百兆，目前千兆以太網(wǎng)已在局域網(wǎng)、城域網(wǎng)中普遍應(yīng)用，萬兆以太網(wǎng)也正加緊研制。這給解決以太網(wǎng)通信的非確定性帶來了很大希望。相信在不久的將來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，TCP／IP將出現(xiàn)在各種工業(yè)實時測試現(xiàn)場中，甚至很有可能取代現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)成為統(tǒng)一的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標準，而以TCP／IP作為通訊方式的虛擬儀器必將成為虛擬儀器的一種標準方式。