9-2 网络化仪器

9-2网络化仪器

主要内容： • 概述 • 基于Web的虚拟仪器 • 嵌入式Internet的网络化智能传感器 • IEEE1451网络化智能传感器标准

一、概述 • 网络技术和计算机总线技术的发展，再加上测控任务的复杂化以及远程监测任务等迫切需求，促进了测控仪器向网络化的方向快速发展。 • 网络化仪器包括 1、基于计算机总线技术的分布式测控仪器、 2、基于Internet/Intranet的虚拟仪器、 3、嵌入式Internet的网络化仪器、 4、基于IEEE1451标准的智能传感系统 5、基于无线通讯网络的网络化仪器系统等。 • 它们在智能交通，信息家电、家庭自动化、工业自动化、环境监测及远程医疗等众多领域得到越来越广泛的应用。

虚拟和网络化仪器 一.跨界域、跨时域的设备使用二.多用户共享使用三.远程合作、信息共享四.各种仪器设备的管理异地设备

用虚拟电子仪器来代替传统意义上的电子测量仪器，传统的测试仪器。虚拟电子仪器实验室可工作在两种模式下，对于教学实验或科研实时实验时，我们可把虚拟电子仪器实验室中的一些虚拟仪器设备作为普通意义上的电子测量仪器，实现普通电子测量仪器无法实现的功能。同时，也可用为一个远程共享的实验室网络，比如，在大专院校中，学生可以通过在课余时间共享实验室中的虚拟仪器设备，来进行实验，避免时间上的冲突。科学家可以在家进行各种测量工作，扩展了其工作区域，同时也拥有更多的主动性

工业自动化控制——集中控制，远程监控

远程医疗系统 • 在目前，许多重大的病情需要多方面的医学专家共同合诊才能得出一个较为明确的结论，但这些各方面最权威的专家却不一定在同一地区。如果花时间把所有的专家聚积在一起又得花很长时间，往往会延误病情。远程医疗系统可以实现多位专家在异地进行远程合作会诊，为医疗会诊提供一种新型的解决方案。同样，如果我们把这个范围缩小一下，如个人的一些定期健康检查，而非重大病情，也不需要多位专家会诊时，个人可以把身体的一些状况通过远程医疗系统传送到自已的医生那里，就可个人、家庭医生足不出户，就可以进行健康定期检测。

二、基于Web的虚拟仪器 • 概述 • 基于Web的虚拟仪器概念 • 基于Web的虚拟仪器软件技术 • 基于Web的虚拟仪器发展

1.概述 网络技术是推动信息产业及相关产业，乃至整个社会发展的一种核心技术，它的出现使得整个社会的工作和生活方式都发生了极大的变化。

Web的简要介绍 • Web技术在Internet上的快速发展，导致Web/Browser（以下简写为W/B）这一软件应用模型的流行。 • W/B模型是C/S模型的衍生，这一模型奉行“瘦客户/胖服务器”的理念，把主要的应用程序放在服务器上，客户端只需要浏览器环境，就可根据需要从服务器下载应用程序来完成所需要的任务。 • 这使应用程序的维护更方便，工作量主要集中在服务器端，开发工作量较小，成本较低。而且Web具有界面友好，操作方便等特点，因此深受广大用户的欢迎。

目前除了作为Internet上组织和发布信息的有力工具之外，还广泛应用在包括MIS、GIS、电子商务和分布式计算等诸多应用领域中，并导致Intranet和Extranet的产生和发展。目前除了作为Internet上组织和发布信息的有力工具之外，还广泛应用在包括MIS、GIS、电子商务和分布式计算等诸多应用领域中，并导致Intranet和Extranet的产生和发展。 • 未来的Internet将不仅仅只连接计算机和终端，仪器设备、消费电子产品汇接于Internet平台时使得人们可以实现“任何人在任何地方跟任何对象进行任何方式的信息交流”，Web TV、Web Tel由此产生并得到了应用。 • Web渗透到仪器领域，是仪器领域内的一次重要革新，这正是Internet非凡影响力的表现。

虚拟仪器与智能仪器的简要对比： • 智能仪器在模拟仪器的基础上有了较大的发展，应用了许多计算机方面的技术，可以通过标准的IEEE488接口连接到普通计算机，仪器内部一般内置有处理器和存储器。 • 但是由于IEEE488接口传输速度有限，智能仪器存在着实时性差、价格昂贵、扩展能力低以及开放性差的缺点，而且智能仪器也是由厂商定义的，用户通常是无法改变的。 • 虚拟仪器（VI）克服了上述缺点，而将Web和虚拟仪器结合起来，使 VI拓展到真正的分布式网络测试应用环境中去，可以丰富测试手段，提高测试效率，充分合理地利用有效的资源。

2．基于Web的虚拟仪器概念 基于Web的虚拟仪器（VI），简单说就是把VI技术和面向Internet的Web技术二者有机结合所产生的新的VI技术。形象地说，VI的主要工作是把传统仪器的前面板移植到普通计算机上，利用计算机的资源处理相关的测试需求；基于Web的VI则更进一步，它是把仪器的前面板移植到Web页面上，通过Web服务器处理相关的测试需求。

VI技术： VI的两大技术基础是计算机硬件技术和软件技术，而正是计算机硬件和软件的网络化带来了整个社会的网络化，所以从发展的角度来说，这一技术不可避免地要渗透到VI技术领域里来。 VI依靠计算机强大的处理能力，高性能的显示技术，高速的存储系统，丰富的外部设备；同时VI还有计算机丰富的软件系统，包括网络化的操作系统(如Windows NT)、应用软件(如Internet Explorer)和网络性能非常强的VI软件(如National Instrument公司的ComponentWorks,G Web Server等)。所有这些使VI系统本身具备了强大的网络能力。

面向Internet的Web技术 • 就Internet的发展来说，从最初用于美国军方的ARPANET，到今天的Internet，Internet技术的发展日新月异，内容也由最初纯文本的信息交流，到WWW多媒体技术，再到信息家电等，越来越丰富。可以说Internet技术已经是无所不在，无所不容。随着网络硬件设备的不断发展，基础设施的不断完善，网络软件的不断丰富以及网络成本的不断降低，把网络作为VI的测试平台无论从技术上还是成本上都是可行的。

Web技术是Internet的一个组成部分，如果说Internet是世界范围内计算机网络相互间连接的集合，那么Web可以说是在Internet顶部运行的一个协议。Web技术是Internet的一个组成部分，如果说Internet是世界范围内计算机网络相互间连接的集合，那么Web可以说是在Internet顶部运行的一个协议。 WWW具有相互通信的能力，具有友好的图形用户接口，还具有良好的平台独立性，所有这些都为VI和Web结合奠定了基础。

VI和Web结合的基本模型： 图1 虚拟仪器与WWW结合模型可以看出，在虚拟仪器的基础上，增加其登陆因特网及网络浏览的功能，就可以实现基于Web的网络化仪器了。从这一角度讲，基于Web的网络化仪器是虚拟仪器技术的延伸与扩展。

3．基于Web的虚拟仪器软件技术 • ActiveX技术 • DataSocket服务器 • Web服务器

ActiveX技术 ActiveX是由Microsoft公司定义并发布的一种开放性标准。它能够让软件开发者很方便、快速地在Internet、Intranet网络环境里，制作或提供生动活泼的内容与服务、编写功能强大的应用程序。

ActiveX优点主要有以下几个方面： • 利用现成的1000多个ActiveX Controls，可以很容易开发出基于网络的应用程序。 • 可以开发出能够充分发挥硬件与操作系统功能的应用程序与服务。这是由于所调用的ActiveX Controls与硬件及操作系统功能能够较紧密地结合的缘故。 • 跨操作系统平台，支持Windows、Macintosh、UNIX版本。

ActiveX最吸引人的地方之一，就是ActiveX Controls。 ActiveX Controls就是基于OLE(Object Linking & Embedding)技术并加以扩充，符合COM(Component Object Model)格式的交互式软件元件。许多原本使用于Visual Basic、Delphi等的OCX(OLE Control)，都可以成为ActiveX Controls。目前支持ActiveX的开发工具主要有Visual Basic、Visual C++、Visual J++以及Delphi等多种编程语言。

DataSocket服务器 DataSocket是National Instrument提供的一种编程工具，借助它可以在不同的应用程序和数据源之间共享数据。DataSocket可以访问本地文件以及HTTP和FTP服务器上的数据。DataSocket为低层通讯协议提供了一致的API，编程人员无需为不同的数据格式和通讯协议编写具体的程序代码。而且通常这些数据源分布在不同的计算机上。

DataSocket使用一种增强数据类型来交换仪器类型的数据，这种数据类型包括数据特性（如采样率、操作者姓名、时间及采样精度等）和实际测试数据。DataSocket使用一种增强数据类型来交换仪器类型的数据，这种数据类型包括数据特性（如采样率、操作者姓名、时间及采样精度等）和实际测试数据。 • DataSocket用类似于Web中的统一资源定位器（URL）定位数据源，URL不同的前缀表示了不同的数据类型，file表示本地文件，http为超文本传输资源，ftp为文件传输协议，opc表示访问的资源是OPC服务器，dstp（DataSocket transfer protocol）则说明数据来自DataSocket服务器的实时数据。

NI公司的ComponentWorks软件包中提供的DataSocket具备以下三个工具：（1）DataSocket ActiveX控件，开发者可以利用它提供的控件在诸如VB、VC等ActiveX容器中开发共享数据应用程序。（2）DataSocket服务器，利用dstp协议在应用程序间交换数据。（3）DataSocket服务器管理程序，它是一个配置和管理工具，负责确定DataSocket服务的最大连接数、实现设置访问控制等网络管理功能。

Web服务器 支持标准的HTTP协议。调用内置的Monitor和Snap函数，使VI的前面板显现在浏览器中。支持CGI，实现对VI的远程交互式访问。支持SMTP，在VI中实现消息和文件的邮件方式发送。支持FTP，实现文件的自动上下载。

除了上述介绍的几种软件技术以外，还有National Instrument的Internet Toolkit for G，Java，ASP等不断发展完善的软件技术，都可以在基于Web的VI中得到应用。吉林大学最近开发的基于CORBA的网络化仪器开发平台，为基于Web的VI开发应用提供了一种有效的支持工具。显然，利用网络技术实现对对象的测试与控制，是对传统测控方式的革命。测控方式的网络化，是未来测控技术发展的必然趋势，它能充分利用现有资源和网络带来的益处，实现各种资源有效合理的配置。

3．基于Web的虚拟仪器发展 随着网络技术发展，基于Internet的虚拟仪器将为用户远程访问提供更快捷、更方便的服务。用户可以通过HTTP协议远程控制和访问测量仪器系统，可以进行远程排错、修复和监控测试。基于Internet的分布式虚拟实验室（Virtual Lab，VLab）将完成远程医疗诊治病人、虚拟太空测试实验、虚拟海底测试实验，也将为测控仪器的设计与使用带来许多意想不到的新思路。

虚拟实验室是近几年随着因特网的迅速发展而提出来的，人们想通过虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术来操作和控制远程实验室内昂贵的科学仪器，科学家可以通过VLab进行科学研究，大学生们也可以通过VLab来共享资源有限的实验室，这种早年的梦想已经变成现实，其发展和应用前景十分广阔。 Internet已遍及世界各地，利用Internet进行遥测遥控、协同研究以及网络化测试与控制将给人们带来极大的方便。

三、嵌入式Internet的网络化智能传感器 • 智能传感器微处理器（Microprocessor）与传统传感器（Dumb Sensor）相结合，产生了功能强大的智能传感器（Intelligent Sensor或Smart Sensor），智能传感器的出现给传统工业测控带来了巨大的进步，在工业生产、国防建设和其他科技领域发挥着重要的作用。

智能传感器网络化的实现 • 利用现场总线技术在自动化领域，现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）正在逐步取代一般的分布式控制系统DCS（Distributed Control System），各种基于现场总线的智能传感器/执行器技术也得到迅速发展。但目前市场上多种现场总线并存，使得基于现场总线的传感器/执行器（Sensor/Actuator）接口协议标准各异，如目前市场上较为流行的现场总线如CAN（控制局域网络），Lonworks(局部操作网络)、Profibus（过程现场总线）、HART（可寻址远程传感器数据通信）、FF（基金现场总线）等各有自身优势和适用范围，很难在短期内走向统一。

利用Intranet/Internet技术 对于大型数据采集系统而言（特别是自动化工厂用的数据采集系统）由于其中的传感器/执行器数以万计，特别希望能减少其中的总线数量，最好能统一为一种总线或网络，这样不仅有利于简化布线、节省空间、降低成本，而且方便系统维护。另一方面，现有工厂和企业大都建有企业内部网（Intranet），基于Intranet的信息管理系统（MIS）成为企业运营的公共信息平台，为工厂现代化提供了有力的保障。

Intranet和因特网(Internet)具有相同的技术原理，都基于全球通用的TCP/IP协议，使数据采集、信息传输等能直接在Intranet/Internet上进行，既统一了标准，又使工业测控数据能直接在Intranet/Internet上动态发布和共享，供相关技术人员、管理人员参考，这样就把测控网和信息网有机地结合了起来，使得工厂或企业拥有一个一体化的网络平台，从成本、管理、维护等方面考虑这是一种最佳的选择。Intranet和因特网(Internet)具有相同的技术原理，都基于全球通用的TCP/IP协议，使数据采集、信息传输等能直接在Intranet/Internet上进行，既统一了标准，又使工业测控数据能直接在Intranet/Internet上动态发布和共享，供相关技术人员、管理人员参考，这样就把测控网和信息网有机地结合了起来，使得工厂或企业拥有一个一体化的网络平台，从成本、管理、维护等方面考虑这是一种最佳的选择。让传感器/执行器在应用现场实现TCP/IP协议，使现场测控数据就近登临网络，在网络所能及的范围内适时发布和共享，是具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器（包括执行器）的研究目标，也是目前国内外竞相研究与发展的前沿技术之一。

具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器是在智能传感器的基础上实现网络化和信息化，其核心是使传感器本身实现TCP/IP网络通信协议。具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器是在智能传感器的基础上实现网络化和信息化，其核心是使传感器本身实现TCP/IP网络通信协议。随着电子和信息技术的高速发展，通过软件方式或硬件方式可以将TCP/IP协议嵌入到智能化传感器中。目前已有多种嵌入式的TCP/IP芯片（如美国Seiko Instruments公司生产的ichip S7600A芯片），它们可直接用作网络接口，实现嵌入式Internet的网络化仪器。

智能传感器连入Internet的两种方式 正是由于信息传感器广泛的市场前景和无所不在的应用领域，如智能交通系统，虚拟现实（VR）应用、信息家电、家庭自动化、工业自动化、POS网络、电子商务、环境监测及远程医疗等等，国内外相关研究方兴未艾，各类方法和实现方案不断涌现，各有特点和优势。总体上讲，这些研究可归结为两大类，一类是直接在智能传感器上实现TCP/IP，使之直接连入Internet；另一类是智能传感器通过公共的TCP/IP转接口（或称网关Gateway）再与Internet相连。

（1）直接在智能传感器上实现TCP/IP 其典型代表是HP公司设计的一个测量流量的信息传感器模型。该传感器模型是采用BFOOT-66051（一种带有定制Web页的嵌入式以太网控制器）来设计的，STIM（Smart Transducer Interface Module，智能变送器接口模块）用以连接传感器，NCAP（Network Capable Application Processor，网络适配器）用以连接Ethernet或Internet。 STIM内含一个支持IEEEP1451数字接口的微处理器，NCAP通过相应的P1451.2接口访问STIM，每个NCAP网页中的内容通过PC机上的浏览器可以在Internet上读取。 STIM和NCAP接口有专用的集成模块问世，如EDI1520，PLCC-44，可以在片上系统实现具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器成。

（2）通过公共的TCP/IP转接口 与Internet相连其典型代表是美国国家仪器公司的GPIB-ENET控制器模块，它包含一个16位微处理器和一个可以将数据流的GPIB格式与Ethernet格式相互转换的软件，将这个控制器模块安装上传感器或数据采集仪器，就可以和Internet互通了。

目前，包括Siemens/Infineon、Philips与Motorola在内的数十家大公司联合成立了“嵌入式Internet联盟（ETI）”，共同推动着嵌入式Internet技术和市场的发展。目前，包括Siemens/Infineon、Philips与Motorola在内的数十家大公司联合成立了“嵌入式Internet联盟（ETI）”，共同推动着嵌入式Internet技术和市场的发展。具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器技术已经不再停留在论证阶段或实验室阶段，越来越多的成本低廉且具备Internet/Intranet网络化功能的智能传感器/执行器不断地涌向市场，正在并且将要更多更广地影响着人类生活。

以IP技术为核心的因特网渗透到人类生活的方方面面，无数因特网的节点（具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器）正在发挥着神经细胞的功能，它将使地球披上一层“电子皮肤”，地球正是用因特网在支持和传递着它的“感觉”，无处不在的网络化智能传感器（包括气象参数传感器、水土分析传感器、污染检测器、电子眼、电子鼻、葡萄粮传感器和脑电图仪等等）探测和监视着城市、大气、船只、车流和人类自己。以IP技术为核心的因特网渗透到人类生活的方方面面，无数因特网的节点（具有Internet/Intranet功能的网络化智能传感器）正在发挥着神经细胞的功能，它将使地球披上一层“电子皮肤”，地球正是用因特网在支持和传递着它的“感觉”，无处不在的网络化智能传感器（包括气象参数传感器、水土分析传感器、污染检测器、电子眼、电子鼻、葡萄粮传感器和脑电图仪等等）探测和监视着城市、大气、船只、车流和人类自己。

Complex Network Example: InternetWilliam R. Cheswick)

Complex Network Example: WWW (K. C. Claffy)

Complex Network Example: Telecomm Networks(Stephen G. Eick)

Complex Network Example: Usenet(Naveen Jamal)

Complex Network Example: Human Relationships and Collaborations

四、 IEEE1451网络化智能传感器标准 • 基于现场总线的各种测控系统继模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、分布式控制系统之后，基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统得到了广泛的应用，这些系统所采用的控制总线网络多种多样、千差万别，其内部结构、通讯接口、通讯协议等各不相同。

目前市场上，在通讯方面所遵循的标准主要有：IEEE803.2(以太网)，IEEE802.4(令牌总线)，IEEE FDDI(光纤分布式数据界面)，TCP/IP(传输控制协议/互联协议)等，以此来连接各种变送器（包括传感器和执行器），要求所选的传感器/执行器必须符合上述标准总线的有关规定。一般说来，这类测控系统的构成都可以采用如下图所示的结构来描述。

图2 一种分布式测控系统结构示意图 该图简单地表示了一种分布式测量和控制系统的典型应用事例，是目前市场比较常见的现场总线系统结构图。

上述测控系统的不足之处： • 实际上，由于这种系统的构造和设计是基于各种网络总线标准而定的，如I2C、HART、SPI、LonWorks及CAN等，每种总线标准都有自己规定的协议格式，相互之间互不兼容，给系统的扩展、维护等带来不利的影响。 • 对传感器/执行器的生产厂家来说，希望自己的产品得到更大的市场份额，产品本身就必须符合各种标准的规定，因此需花费很大的精力来了解和熟悉这些标准，同时要在硬件的接口上符合每一种标准的要求，这无疑将增加制造商的成本； • 对于系统集成开发商来说，必须充分了解各种总线标准的优缺点并能够提供符合相应标准规范的产品，选择合适的生产厂家提供的传感器或执行器使之与系统匹配；

对于用户来说，经常根据需要来扩展系统的功能，要增加新的智能传感器或执行器，选择的传感器/执行器就必须能够适合原来系统所选择的网络接口标准，但在很多情况下很难满足，因为智能传感器/执行器的大多数厂家都无法提供满足各种网络协议要求的产品，如果更新系统，将给用户的投资利益带来很大的损失。对于用户来说，经常根据需要来扩展系统的功能，要增加新的智能传感器或执行器，选择的传感器/执行器就必须能够适合原来系统所选择的网络接口标准，但在很多情况下很难满足，因为智能传感器/执行器的大多数厂家都无法提供满足各种网络协议要求的产品，如果更新系统，将给用户的投资利益带来很大的损失。

IEEE1451标准的诞生 针对前述情况，1993年开始有人提出构造一种新的通用智能化变送器标准，1995年5月给出了相应的标准草案和演示系统，经过几来的努力，终于在1997年9月通过了国际电气电子工程师协会IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers)认可，并最终成为一种通用标准，即IEEE1451.2。

智能化网络变送器接口标准的实行，将有效地改变目前多种现场总线网络并存而让变送器制造商无所适从的现状，智能化传感器/执行器在未来的分布式网络控制系统中将得到广泛的应用。智能化网络变送器接口标准的实行，将有效地改变目前多种现场总线网络并存而让变送器制造商无所适从的现状，智能化传感器/执行器在未来的分布式网络控制系统中将得到广泛的应用。对于智能网络化传感器接口内部标准和软硬件结构，IEEE1451标准中都作出了详细的规定。该标准的通过，将大大简化由传感器/执行器构成的各种网络控制系统，并能够最终实现各个传感器/执行器厂家的产品相互之间的互换性。

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