基于Internet的網(wǎng)絡(luò)化儀器的特點與實現(xiàn)

20世紀(jì)70年代以來，電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和人民生活對測量和控制的需求不斷提高，這些帶動并促使測量和控制領(lǐng)域出現(xiàn)巨大變化，具體到測量儀器|儀表儀表，相繼產(chǎn)生了基于微處理器、單片機(jī)的智能儀器以及基于PC機(jī)的虛擬儀器。計算機(jī)和儀器儀表的日益緊密結(jié)合，使測量的方式方法日趨多樣化，并在與之密不可分的控制的運用廣度和深度上得以延伸。而近幾年來，以Internet為代表的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，更是給測量和控制帶來了不可估量的發(fā)展空間。本文旨在展示現(xiàn)代測控技術(shù)及儀器表現(xiàn)出的鮮明特點，并提出，按發(fā)展的觀點和技術(shù)的實質(zhì)特征看，基于Internet的測控系統(tǒng)當(dāng)之無愧地隸屬于新一代的網(wǎng)絡(luò)化儀器。

1 測控網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的各自發(fā)展與融合

1.1 測控網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

測控技術(shù)的進(jìn)步一直受計算機(jī)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的制約。最初誕生的傳統(tǒng)測控系統(tǒng)是以單片機(jī)、PC機(jī)、工控機(jī)為核心的多個分散單元的集合體。當(dāng)總線出現(xiàn)以后，一般借助S-100或PC機(jī)總線形成測控系統(tǒng)。但是由于連線過長和過多，用這些總線形成的測控系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，抗干擾能力較弱，難以實現(xiàn)大范圍的有效測控。隨后出現(xiàn)的是集散控制系統(tǒng)（TDCS），它由多臺微處理機(jī)分散在現(xiàn)場的不同位置，彼此之間以高速數(shù)據(jù)通道進(jìn)行連接。而TDCS的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)較為復(fù)雜，聯(lián)網(wǎng)手段和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均不靈活，并明顯缺乏開放性。隨著計算機(jī)局域網(wǎng)（LAN）的出現(xiàn)，產(chǎn)生了基于LAN的TDCS系統(tǒng)。與此同時，由兩線制4“20mA標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)展而來的智能化現(xiàn)場設(shè)備和控制自動化設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)——現(xiàn)場總線與智能化測控儀器的連接，使得測控網(wǎng)絡(luò)得以形成。其實，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)既是一種信息網(wǎng)絡(luò)，又是一種自動化系統(tǒng)。作為信息網(wǎng)絡(luò)，它所傳送的是接通電源|穩(wěn)壓器、關(guān)斷電源、開閉閥門等指令和數(shù)據(jù);作為自動化系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)相比，其在結(jié)構(gòu)上有較大變化，最顯著特征是通過網(wǎng)絡(luò)傳送信號進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，可由單個節(jié)點或多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點共同完成所要求的自動化功能，是一種由網(wǎng)絡(luò)集成的自動化系統(tǒng)。由于現(xiàn)場總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)具有分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等特點的需求，所以最近一二十年有了很大發(fā)展。同時許多國際組織，例如IEC、美國儀表學(xué)會（ISA）、ISP （Interoperable System Project）、IFC、World-FIP和FINT（Field bus International）等，多年來為制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)做了大量工作，結(jié)果出現(xiàn)了多種不同的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，例如ISP、World FIP、HART、Lon works和IEC-ISA等。不可否認(rèn)，現(xiàn)場總線技術(shù)對測控領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步起到了巨大的推動作用，但也正是由于多種不同總線標(biāo)準(zhǔn)的同時存在，給各公司、企業(yè)基于不同現(xiàn)場總線形成的測控網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)又設(shè)置了不少障礙。因此，跨地域共享、利用測控信息的需求，與這種因基于不同總線技術(shù)而不便于實現(xiàn)高層次集中管理、監(jiān)控和決策之間的矛盾日趨明顯。

1.2 信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代初，20世紀(jì)90年代以來，Internet高速發(fā)展，表現(xiàn)出許多優(yōu)越的性能口目前，在生活中，利用Internet可以比從前更經(jīng)濟(jì)、更方便和更快捷地取得信息并進(jìn)行信息的交流;在工作中，Internet的應(yīng)用主要還限于傳遞文字、圖片和辦公信息等。但是人們一直在研究如何更充分地挖掘Internet的應(yīng)用潛力，以實現(xiàn)“地球村”的夢想。人們已經(jīng)認(rèn)識到，接人Internet的不應(yīng)僅限于狹義上的計算機(jī)，工業(yè)中的各種測量控制裝置、生活中的各種家用電器、社會不同領(lǐng)域、層面的各種公眾設(shè)備等，都應(yīng)該且必將成為Intermet的客戶端。只有這樣，人類才能擁有一個無處不在、無時不在的真正的全球化網(wǎng)絡(luò)。

1.3 測控網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的融合

從上面的分析可以看到，一方面，人們希望更廣泛的使用Internet，試圖接入更多的設(shè)備，以便在擴(kuò)充其應(yīng)用模式的同時享受其帶來的更多便利;另一方面，工業(yè)化程度的加劇也給測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的發(fā)展提出了新的問題：如何方便地組建一個高效率的、智能化的、能夠和其他高層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。以便于統(tǒng)一集中監(jiān)控和提高管理決策水平。為了達(dá)到這些目的，需要測控網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)在一定程度上能夠共享資源，并且以有效的方式交換信息。所以，從測控網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)各自的發(fā)展來看，它們均已表現(xiàn)出走向?qū)Ψ讲⑾嗷ト诤系倪M(jìn)步趨勢。為了實現(xiàn)這種融合，十分必要研究如何保證它們之間在一定范圍內(nèi)能具有良好的交換性、各自的獨立性和安全性。下面來討論測控網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的具體實現(xiàn)。

（1）由于測控系統(tǒng)嵌入式的特殊性，以及它在不同應(yīng)用場合和項目中所要完成的功能各異，故應(yīng)將測控網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)有機(jī)地融合為一體。在某些應(yīng)用中，可以對ISO/OSI七層模型進(jìn)行簡化，只保留其核心層和TCP/IP協(xié)議。實際上，現(xiàn)行的各種現(xiàn)場總線在某種意義上可看作是對ISO/OSI模型的簡化，但它們簡化的標(biāo)準(zhǔn)各異，所以并不能直接應(yīng)用于Internet接入。比如在大多數(shù)情況下，嵌入式單元只是在調(diào)試時才需要應(yīng)用層，并且由于嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的一體化，會話層、表示層和應(yīng)用層可在一定意義上合并。這種保留核心層和TCP/IP協(xié)議的測控系統(tǒng)可方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

（2）客戶/服務(wù)器（Client/Server——C/S）工作模式。C/S工作模式作為分布式應(yīng)用程序之間通信的一種有效方式，在近些年得到了非常廣泛的應(yīng)用，其特點是運行在服務(wù)器上的進(jìn)程能為發(fā)出請求的客戶提供所需的信息。正是由于有一套通用的標(biāo)準(zhǔn)，服務(wù)器和客戶總是能運行于通過某種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的不同平臺、不同操作系統(tǒng)上。如果從分層體系的角度出發(fā)，C/S僅僅是一種應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)。Internet上流行的網(wǎng)絡(luò)/瀏覽器（Web/Browser——W/B）模式屬C/S中的一種，它以http協(xié)議的html標(biāo)記語言為通用標(biāo)準(zhǔn)。W/B模式為在測控系統(tǒng)中集成各種功能提供了一種發(fā)展方向，即客戶端可以是瘦客戶（在三級網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，Web服務(wù)器既作為一個瀏覽服務(wù)器，又作為一個應(yīng)用服務(wù)器。在這個中間服務(wù)器中，可以將整個應(yīng)用邏輯駐留其上，而只有表示層存在于客戶機(jī)上。這種結(jié)構(gòu)被稱之為“瘦客戶機(jī)”），但絲毫不會影響它的網(wǎng)絡(luò)功能。

（3）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。它是測控網(wǎng)絡(luò)的一個核心部分，為各種用戶提供訪問和修改數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)。

（4）網(wǎng)絡(luò)管理。由于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和開放性，要保證測控系統(tǒng)的持續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性，必須有一套嚴(yán)格的管理方法和程序。與普通的Internet系統(tǒng)相比，測控信息網(wǎng)絡(luò)的管理有其特殊性，具體有不同的配置管理和嚴(yán)格的安全管理。對于網(wǎng)絡(luò)管理，目前也有幾種不同的協(xié)議對應(yīng)于不同的應(yīng)用，其中基于TCP/IP的簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）是最為流行的。SNMP主要用于OSI七層模型中較低層的管理，具體采用輪詢的監(jiān)控方式。

隨著Internet應(yīng)用范圍和空間的不斷拓展以及控制網(wǎng)絡(luò)本身發(fā)展的需要，一種新的基于Internet的測控信息網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生己勢不可擋。目前，測控系統(tǒng)的發(fā)展落后于信息網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步。信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中積累的經(jīng)驗和出現(xiàn)的先進(jìn)技術(shù)，將為測控網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)提供有益的參考。但也要看到，當(dāng)前信息系統(tǒng)中也有不適合測控系統(tǒng)發(fā)展的地方。只有認(rèn)真考慮各方面的問題并積極著手加以解決，實現(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)更好的融合，才可能得到一個全新的、有著更強大功能的測控信息網(wǎng)絡(luò)。

2 基于Internet的測控系統(tǒng)即網(wǎng)絡(luò)化儀器——測量儀器概念的延拓

2.1網(wǎng)絡(luò)化儀器的特點和發(fā)展

測量是為了確定量值而進(jìn)行的一組操作。在早期，測量的范圍主要局限于對各種現(xiàn)實存在的物理量的計量測試，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類生產(chǎn)、管理模式的發(fā)展變化，測量早已突破了傳統(tǒng)意義上的范疇，甚至己擴(kuò)展到人文與社會科學(xué)領(lǐng)域;且近幾年又正在發(fā)展形成一些新的測量領(lǐng)域，如軟件測試、生物測試、符號法測量等。在各種測量結(jié)果上形成的形形色色的控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)以及信息傳播，已經(jīng)成為現(xiàn)代化生產(chǎn)、管理的基本手段。按照傳統(tǒng)定義，測量儀器是指單獨或連同其他設(shè)備一起用以實現(xiàn)對被測對象進(jìn)行測量的裝置。隨著測量范圍、內(nèi)容、技術(shù)及其特點的不斷發(fā)展，測量儀器技術(shù)同樣在飛速進(jìn)步。本質(zhì)上講，測量儀器主要完成三個基本功能：信號采集與控制、信號分析與處理、測得結(jié)果表達(dá)與輸出。在測量儀器發(fā)展的不同階段，實現(xiàn)這三方面功能的具體模塊有著很大的區(qū)別。

智能儀器實現(xiàn)信號采集與控制、信號分析與處理功能的核心是微處理器。虛擬儀器完成信號采集與控制功能的是處于被測現(xiàn)場的各種測量單元;其信號分析和處理功能由運行在PC，機(jī)上的軟件完成;測得結(jié)果信號的傳輸，則是通過各種總線實施的。由于虛擬儀器的測量模塊只負(fù)責(zé)信號的輸入和輸出，而測量、信息處理等主要功能是借助軟件在微機(jī)上實現(xiàn)的，所以就有“軟件就是儀器”的說法?，F(xiàn)在的虛擬儀器發(fā)展正在走標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性的道路，它帶來的好處是顯而易見的。

計算機(jī)和軟件的發(fā)展成為測量儀器進(jìn)步的巨大推動力。而近幾年水平迅速提升的信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及它們在測量領(lǐng)域的應(yīng)用，又正在促使人們更新對測量儀器的傳統(tǒng)看法。

測量與控制早已密不可分。既具有測量又帶控制功能，已成為某個系統(tǒng)是否先進(jìn)的主要標(biāo)志之一。有測量和控制功能的系統(tǒng)被稱為測控系統(tǒng)。測控系統(tǒng)本身當(dāng)然具備測量儀器的三個基本功能，但它又在性能、特點上豐富了這三個方面的能力。首先，基于Internet的測控系統(tǒng)中實現(xiàn)信號采集與控制的前端模塊具有虛擬儀器不可比擬的強大功能，它不僅僅完成信號的采集和控制，在一定程度上還兼顧實施對信號的分析與傳輸。這主要是因為它以一個功能強大的微處理器和一個嵌入式操作系統(tǒng)為支撐。在這個平臺上，使用者可以很方便地實現(xiàn)各種測量功能模塊的添加、刪除以及不同網(wǎng)絡(luò)傳輸方式的選擇。而微電子技術(shù)的發(fā)展已為實現(xiàn)嵌入式計算機(jī)的小型化鋪平了道路。再者，基于Internet的測控系統(tǒng)最為顯著的特點，是信號傳輸?shù)姆绞桨l(fā)生了改變。用傳統(tǒng)儀器進(jìn)行測量，不存在信號的傳輸問題;用智能儀器實施測量，測得結(jié)果信號的傳輸也較為容易;由虛擬儀器完成的測量過程中的信號傳輸，是依靠專用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的;而基于Internet的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)對測得信號、控制信號等的傳輸，則是建立在公共的Internet上的。有了前端的嵌入式模塊，系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)安全、有效的傳輸便成為可能。再有，基于Intemet的測控系統(tǒng)對測得結(jié)果的表達(dá)和輸出也有了較大的改進(jìn)。一方面，不管身在何處，使用者都可以通過瘦客戶機(jī)方便地瀏覽到各種實時數(shù)據(jù)，了解設(shè)備現(xiàn)在的工作情況;另一方面，在客戶端的控制中心，所擁有的智能化軟件和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，都可被調(diào)用來服務(wù)于測得結(jié)果的分析，以及為使用者下達(dá)控制指令或做決策提供幫助。

由于基于Internet的測控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)儀器儀表的基本功能，同時又具備傳統(tǒng)儀器儀表所沒有的一些新的特點，所以從系統(tǒng)的觀點考慮并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化儀器的定義，基于Internet的測控系統(tǒng)無疑也屬于網(wǎng)絡(luò)化儀器。網(wǎng)絡(luò)化儀器的概念是對傳統(tǒng)測量儀器概念的突破，是虛擬儀器與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?；贗nternet的測控系統(tǒng)這一類網(wǎng)絡(luò)化儀器利用嵌入式系統(tǒng)作為現(xiàn)場平臺，實現(xiàn)對需測數(shù)據(jù)的采集、傳輸和控制，并以Internet作為數(shù)據(jù)信息的傳輸載體，且可在遠(yuǎn)端PC機(jī)上觀測、分析和存儲測控數(shù)據(jù)與信息?？梢钥吹?，這種服務(wù)于隨時隨地獲取測量信息的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、具有開放性和交互性的網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)，正在成為新一代網(wǎng)絡(luò)化儀器及其系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

2.2網(wǎng)絡(luò)化儀器體系結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)化儀器是電工電子、計算機(jī)硬件軟件以及網(wǎng)絡(luò)、通信等多方面技術(shù)的有機(jī)組合體，以智能化、網(wǎng)絡(luò)化、交互性為特征，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，多采用體系結(jié)構(gòu)來表示其總體框架和系統(tǒng)特點。網(wǎng)絡(luò)化儀器的體系結(jié)構(gòu)，包括基本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件、應(yīng)用軟件和各種協(xié)議。根據(jù)前述的分析，可以將信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容（OSI七層模型），相應(yīng)的測量控制模塊和應(yīng)用軟件，以及應(yīng)用環(huán)境等有機(jī)地結(jié)合在一起，形成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化儀器體系結(jié)構(gòu)的抽象模型。該模型可更本質(zhì)地反映網(wǎng)絡(luò)化儀器具有的信息采集、存儲、傳輸和分析處理的原理特征。圖1是網(wǎng)絡(luò)化儀器體系結(jié)構(gòu)的一個簡單模型。該模型將網(wǎng)絡(luò)化儀器劃分成若干邏輯層，各邏輯層實現(xiàn)特定的功能。

首先是硬件層，主要是指遠(yuǎn)端的傳感器信號采集單元;包括微處理器系統(tǒng)，信號采集系統(tǒng)，硬件協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)流傳輸控制系統(tǒng)。硬件層功能的實現(xiàn)得益于嵌人式系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步和近年來大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，硬件協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)流傳輸控制功能可依靠FPGA/CPLD實現(xiàn)，如此使硬件具有可更改性，為功能拓展和技術(shù)升級留有空間。

網(wǎng)絡(luò)化儀器的另一個邏輯層是嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核。該層的主要功能是提供一個控制信號采集和數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠脚_。該平臺的前端模塊單元已不是原始意義上的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。它要完成的功能較多，控制起來較復(fù)雜，且在儀器中異常重要，所以，需要有一個操作系統(tǒng)來管理各種軟硬件資源、合理調(diào)度和分配作業(yè)，以實現(xiàn)進(jìn)程控制并提供安全服務(wù)。其前端模塊單元的主要資源有處理器、存儲器、信息采集單元和信息（程序和數(shù)據(jù)）；主要功能是合理分配、控制處理器，控制信號的采集單元以使其正常工作，并保證數(shù)據(jù)流的有效傳輸。該邏輯層主要由鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和接口等組成。根據(jù)應(yīng)用的不同，本層的具體實現(xiàn)方式可能不同，且可在一定程度上簡化。

除上述兩邏輯層外，網(wǎng)絡(luò)化儀器還不可缺少嵌入式操作系統(tǒng)的服務(wù)層和應(yīng)用層——根據(jù)需要，提供http、FTP、TFTP、SMTP等服務(wù)。其中，http用以實現(xiàn)Web儀器服務(wù)；FTP和TFTP用于實現(xiàn)向用戶傳送數(shù)據(jù)，從而形成用戶數(shù)據(jù)庫資源;而SMTP則用來發(fā)送各種確認(rèn)和告警信息。如此，就可很容易地組成不同使用權(quán)限的系統(tǒng)。低級用戶無需自己再安裝任何應(yīng)用軟件，直接利用Internet explorer或Netscape等瀏覽器瀏覽數(shù)據(jù)，就可實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)的觀測。高級用戶可經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)修改配置來控制儀器在不同儀態(tài)下的運行；經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)，可交由專門數(shù)據(jù)處理軟件分析，以實現(xiàn)最優(yōu)化的決策和控制；并且還可利用一些專門軟件分析傳來的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)MIS應(yīng)用等。

基于Internet的測控系統(tǒng)這類網(wǎng)絡(luò)化儀器的規(guī)?？纱罂尚?，可用于城市污水處理監(jiān)測，水文監(jiān)測，電、水、燃?xì)?、熱量等的綜合計量管理，智能住宅不區(qū)監(jiān)控，家用電器的網(wǎng)絡(luò)化管理，大型工業(yè)企業(yè)的MIS，等等。目前，有些公司已經(jīng)推出了多種以不同方式連接Internet的網(wǎng)絡(luò)化儀器和設(shè)備，例如Agilent公司1999年就研制出了具有Web瀏覽器遠(yuǎn)程接人功能的邏輯分析儀;Cisco公司已開始銷售具備Web管理界面的交換機(jī)等。

3 結(jié)束語

信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)被公認(rèn)是新世紀(jì)最具活力的技術(shù)。如何在新的條件下發(fā)展測量和儀器技術(shù)，從而更快捷、準(zhǔn)確地實現(xiàn)控制，如何更好地利用這些新技術(shù)為測量和儀器技術(shù)的進(jìn)步注入新的力量，是所有測量儀器應(yīng)用工程技術(shù)人員和專家的責(zé)任。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展，測量已無處不在。現(xiàn)代工業(yè)中出現(xiàn)了“芯片人”，現(xiàn)代生活中出現(xiàn)了“機(jī)器寵物”，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中出現(xiàn)了“未來戰(zhàn)士”，這些新生事物無一例外地都利用了現(xiàn)代測控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。不難發(fā)現(xiàn)，測量作為促進(jìn)人類一切進(jìn)步的基本支撐要素之一，將隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展與前進(jìn)，不斷被賦予新的內(nèi)涵。人們應(yīng)該更多、更快地并在更廣泛的領(lǐng)域中利用各種新技術(shù)，以更好地為網(wǎng)絡(luò)化儀器的發(fā)展和更新?lián)Q代服務(wù)。