基于Internet的测控—网络化仪器

2019-11-03 17:58:01

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供稿：网友

　　前言

　　20世纪70年代以来,电子技术和半导体工业的发展突飞猛进,工业生产、科学研究和人民生活对测量和控制的需求不断提高,这些带动并促使测量和控制领域出现巨大变化,具体到测量仪器仪表,相继产生了基于微处理器、单片机的智能仪器以及基于PC机的虚拟仪器。计算机和仪器仪表的日益紧密结合,使测量的方式方法日趋多样化,并在与之密不可分的控制的运用广度和深度上得以延伸。而近几年来,以Internet为代表的网络技术的高速发展,更是给测量和控制带来了不可估量的发展空间。本文旨在展示现代测控技术及仪器表现出的鲜明特点,并提出,按发展的观点和技术的实质特征看,基于Internet的测控系统当之无愧地隶属于新一代的网络化仪器。

　　1 测控网络与信息网络的各自发展与融合

　　1.1 测控网络的发展

　　测控技术的进步一直受计算机和计算机网络技术发展的制约。最初诞生的传统测控系统是以单片机、PC机、工控机为核心的多个分散单元的集合体。当总线出现以后,一般借助S-100或PC机总线形成测控系统。但是由于连线过长和过多,用这些总线形成的测控系统的稳定性较差,抗干扰能力较弱,难以实现大范围的有效测控。随后出现的是集散控制系统(TDCS),它由多台微处理机分散在现场的不同位置,彼此之间以高速数据通道进行连接。而TDCS的联网技术较为复杂,联网手段和网络结构均不灵活,并明显缺乏开放性。随着计算机局域网(LAN)的出现,产生了基于LAN的TDCS系统。与此同时,由两线制4~20mA标准信号发展而来的智能化现场设备和控制自动化设备之间的通信标准——现场总线与智能化测控仪器的连接,使得测控网络得以形成。其实,现场总线网络既是一种信息网络,又是一种自动化系统。作为信息网络,它所传送的是接通电源、关断电源、开闭阀门等指令和数据;作为自动化系统,与其他系统相比,其在结构上有较大变化,最显著特征是通过网络传送信号进行联络,可由单个节点或多个网络节点共同完成所要求的自动化功能,是一种由网络集成的自动化系统。由于现场总线适应了工业控制系统应具有分散化、网络化、智能化等特点的需求,所以最近一二十年有了很大发展。同时许多国际组织,例如IEC、美国仪表学会(ISA)、ISP (InterOperable System PRoject)、IFC、World-Fip和FINT(Field bus International)等,多年来为制定现场总线标准做了大量工作,结果出现了多种不同的现场总线标准,例如ISP、World FIP、HART、Lon works和IEC-ISA等。不可否认,现场总线技术对测控领域的技术进步起到了巨大的推动作用,但也正是由于多种不同总线标准的同时存在,给各公司、企业基于不同现场总线形成的测控网络之间的互联又设置了不少障碍。因此,跨地域共享、利用测控信息的需求,与这种因基于不同总线技术而不便于实现高层次集中管理、监控和决策之间的矛盾日趋明显。

　　1.2 信息网络的发展

　　计算机网络出现于20世纪70年代初,20世纪90年代以来,Internet高速发展,表现出许多优越的性能口目前,在生活中,利用Internet可以比从前更经济、更方便和更快捷地取得信息并进行信息的交流;在工作中,Internet的应用主要还限于传递文字、图片和办公信息等。但是人们一直在研究如何更充分地挖掘Internet的应用潜力,以实现“地球村”的梦想。人们已经认识到,接人Internet的不应仅限于狭义上的计算机,工业中的各种测量控制装置、生活中的各种家用电器、社会不同领域、层面的各种公众设备等,都应该且必将成为Intermet的客户端。只有这样,人类才能拥有一个无处不在、无时不在的真正的全球化网络。

　　1.3 测控网络与信息网络的融合

　　从上面的分析可以看到,一方面,人们希望更广泛的使用Internet,试图接入更多的设备,以便在扩充其应用模式的同时享受其带来的更多便利;另一方面,工业化程度的加剧也给测控网络系统的发展提出了新的问题:如何方便地组建一个高效率的、智能化的、能够和其他高层网络互联的测控网络系统。以便于统一集中监控和提高管理决策水平。为了达到这些目的,需要测控网络和信息网络在一定程度上能够共享资源,并且以有效的方式交换信息。所以,从测控网络和信息网络各自的发展来看,它们均已表现出走向对方并相互融合的进步趋势。为了实现这种融合,十分必要研究如何保证它们之间在一定范围内能具有良好的交换性、各自的独立性和安全性。下面来讨论测控网络和信息网络互联的具体实现。

　　(1)由于测控系统嵌入式的特殊性,以及它在不同应用场合和项目中所要完成的功能各异，故应将测控网络与信息网络有机地融合为一体。在某些应用中,可以对ISO/OSI七层模型进行简化,只保留其核心层和TCP/IP协议。实际上,现行的各种现场总线在某种意义上可看作是对ISO/OSI模型的简化，但它们简化的标准各异，所以并不能直接应用于Internet接入。比如在大多数情况下,嵌入式单元只是在调试时才需要应用层,并且由于嵌入式操作系统和应用程序的一体化,会话层、表示层和应用层可在一定意义上合并。这种保留核心层和TCP/IP协议的测控系统可方便地实现网络互联。

　　(2)客户/服务器(Client/Server——C/S)工作模式。C/S工作模式作为分布式应用程序之间通信的一种有效方式,在近些年得到了非常广泛的应用,其特点是运行在服务器上的进程能为发出请求的客户提供所需的信息。正是由于有一套通用的标准,服务器和客户总是能运行于通过某种网络互联的不同平台、不同操作系统上。如果从分层体系的角度出发,C/S仅仅是一种应用层的标准。Internet上流行的网络/浏览器(Web/Browser——W/B)模式属C/S中的一种,它以http协议的html标记语言为通用标准。W/B模式为在测控系统中集成各种功能提供了一种发展方向,即客户端可以是瘦客户(在三级网络体系结构中，Web服务器既作为一个浏览服务器，又作为一个应用服务器。在这个中间服务器中,可以将整个应用逻辑驻留其上,而只有表示层存在于客户机上。这种结构被称之为“瘦客户机”)，但丝毫不会影响它的网络功能。

　　(3)数据库管理系统。它是测控网络的一个核心部分，为各种用户提供访问和修改数据库中存储的数据。

　　(4)网络管理。由于网络的复杂性和开放性,要保证测控系统的持续性、稳定性和安全性,必须有一套严格的管理方法和程序。与普通的Internet系统相比,测控信息网络的管理有其特殊性,具体有不同的配置管理和严格的安全管理。对于网络管理,目前也有几种不同的协议对应于不同的应用,其中基于TCP/IP的简单网络管理协议(SNMP)是最为流行的。SNMP主要用于OSI七层模型中较低层的管理,具体采用轮询的监控方式。

　　随着Internet应用范围和空间的不断拓展以及控制网络本身发展的需要,一种新的基于Internet的测控信息网络的产生己势不可挡。目前,测控系统的发展落后于信息网络的进步。信息网络发展中积累的经验和出现的先进技术,将为测控网络与信息网络的互联提供有益的参考。但也要看到,当前信息系统中也有不适合测控系统发展的地方。只有认真考虑各方面的问题并积极着手加以解决,实现测控网络与信息网络更好的融合,才可能得到一个全新的、有着更强大功能的测控信息网络。

　　2 基于Internet的测控系统即网络化仪器——测量仪器概念的延拓

　　2.1网络化仪器的特点和发展

　　测量是为了确定量值而进行的一组操作。在早期,测量的范围主要局限于对各种现实存在的物理量的计量测试,但随着科学技术的进步和人类生产、管理模式的发展变化,测量早已突破了传统意义上的范畴,甚至己扩展到人文与社会科学领域;且近几年又正在发展形成一些新的测量领域,如软件测试、生物测试、符号法测量等。在各种测量结果上形成的形形色色的控制系统、反馈系统以及信息传播,已经成为现代化生产、管理的基本手段。按照传统定义,测量仪器是指单独或连同其他设备一起用以实现对被测对象进行测量的装置。随着测量范围、内容、技术及其特点的不断发展,测量仪器技术同样在飞速进步。本质上讲,测量仪器主要完成三个基本功能:信号采集与控制、信号分析与处理、测得结果表达与输出。在测量仪器发展的不同阶段,实现这三方面功能的具体模块有着很大的区别。

　　智能仪器实现信号采集与控制、信号分析与处理功能的核心是微处理器。虚拟仪器完成信号采集与控制功能的是处于被测现场的各种测量单元;其信号分析和处理功能由运行在PC,机上的软件完成;测得结果信号的传输,则是通过各种总线实施的。由于虚拟仪器的测量模块只负责信号的输入和输出,而测量、信息处理等主要功能是借助软件在微机上实现的,所以就有“软件就是仪器"的说法。现在的虚拟仪器发展正在走标准化和互操作性的道路,它带来的好处是显而易见的。

　　计算机和软件的发展成为测量仪器进步的巨大推动力。而近几年水平迅速提升的信息技术、网络技术及它们在测量领域的应用,又正在促使人们更新对测量仪器的传统看法。

　　测量与控制早已密不可分。既具有测量又带控制功能,已成为某个系统是否先进的主要标志之一。有测量和控制功能的系统被称为测控系统。测控系统本身当然具备测量仪器的三个基本功能,但它又在性能、特点上丰富了这三个方面的能力。首先,基于Internet的测控系统中实现信号采集与控制的前端模块具有虚拟仪器不可比拟的强大功能,它不仅仅完成信号的采集和控制,在一定程度上还兼顾实施对信号的分析与传输。这主要是因为它以一个功能强大的微处理器和一个嵌入式操作系统为支撑。在这个平台上,使用者可以很方便地实现各种测量功能模块的添加、删除以及不同网络传输方式的选择。而微电子技术的发展已为实现嵌入式计算机的小型化铺平了道路。再者,基于Internet的测控系统最为显著的特点,是信号传输的方式发生了改变。用传统仪器进行测量,不存在信号的传输问题;用智能仪器实施测量,测得结果信号的传输也较为容易;由虚拟仪器完成的测量过程中的信号传输,是依靠专用网络实现的;而基于Internet的网络化测控系统对测得信号、控制信号等的传输,则是建立在公共的Internet上的。有了前端的嵌入式模块,系统的测量数据安全、有效的传输便成为可能。再有,基于Intemet的测控系统对测得结果的表达和输出也有了较大的改进。一方面,不管身在何处,使用者都可以通过瘦客户机方便地浏览到各种实时数据,了解设备现在的工作情况;另一方面,在客户端的控制中心,所拥有的智能化软件和数据库系统,都可被调用来服务于测得结果的分析,以及为使用者下达控制指令或做决策提供帮助。

　　由于基于Internet的测控系统能够实现传统仪器仪表的基本功能,同时又具备传统仪器仪表所没有的一些新的特点,所以从系统的观点考虑并根据网络化仪器的定义,基于Internet的测控系统无疑也属于网络化仪器。网络化仪器的概念是对传统测量仪器概念的突破,是虚拟仪器与网络技术相结合的产物。基于Internet的测控系统这一类网络化仪器利用嵌入式系统作为现场平台,实现对需测数据的采集、传输和控制,并以Internet作为数据信息的传输载体,且可在远端PC机上观测、分析和存储测控数据与信息。可以看到,这种服务于随时随地获取测量信息的智能化、网络化、具有开放性和交互性的网络化测控系统,正在成为新一代网络化仪器及其系统的发展趋势。

　　2.2网络化仪器体系结构及实现

　　网络化仪器是电工电子、计算机硬件软件以及网络、通信等多方面技术的有机组合体,以智能化、网络化、交互性为特征,结构比较复杂,多采用体系结构来表示其总体框架和系统特点。网络化仪器的体系结构,包括基本网络系统硬件、应用软件和各种协议。根据前述的分析,可以将信息网络体系结构内容(OSI七层模型),相应的测量控制模块和应用软件,以及应用环境等有机地结合在一起,形成一个统一的网络化仪器体系结构的抽象模型。该模型可更本质地反映网络化仪器具有的信息采集、存储、传输和分析处理的原理特征。图1是网络化仪器体系结构的一个简单模型。该模型将网络化仪器划分成若干逻辑层,各逻辑层实现特定的功能。

　　首先是硬件层,主要是指远端的传感器信号采集单元;包括微处理器系统,信号采集系统,硬件协议转换和数据流传输控制系统。硬件层功能的实现得益于嵌人式系统的技术进步和近年来大规模集成电路技术的发展,硬件协议转换和数据流传输控制功能可依靠FPGA/CPLD实现,如此使硬件具有可更改性,为功能拓展和技术升级留有空间。

图1　网络化仪器体系结构抽象模型

　　网络化仪器的另一个逻辑层是嵌入式操作系统内核。该层的主要功能是提供一个控制信号采集和数据流传输的平台。该平台的前端模块单元已不是原始意义上的单片机应用系统。它要完成的功能较多,控制起来较复杂,且在仪器中异常重要,所以,需要有一个操作系统来管理各种软硬件资源、合理调度和分配作业,以实现进程控制并提供安全服务。其前端模块单元的主要资源有处理器、存储器、信息采集单元和信息（程序和数据）；主要功能是合理分配、控制处理器，控制信号的采集单元以使其正常工作，并保证数据流的有效传输。该逻辑层主要由链路层、网络层、传输层和接口等组成。根据应用的不同，本层的具体实现方式可能不同，且可在一定程度上简化。

　　除上述两逻辑层外,网络化仪器还不可缺少嵌入式操作系统的服务层和应用层——根据需要，提供http、FTP、TFTP、SMTP等服务。其中,http用以实现Web仪器服务；FTP和TFTP用于实现向用户传送数据,从而形成用户数据库资源;而SMTP则用来发送各种确认和告警信息。如此，就可很容易地组成不同使用权限的系统。低级用户无需自己再安装任何应用软件,直接利用Internet explorer或Netscape等浏览器浏览数据，就可实现对测量数据的观测。高级用户可经由网络修改配置来控制仪器在不同仪态下的运行；经网络传来的数据,可交由专门数据处理软件分析，以实现最优化的决策和控制；并且还可利用一些专门软件分析传来的数据，以实现MIS应用等。

　　基于Internet的测控系统这类网络化仪器的规模可大可小,可用于城市污水处理监测，水文监测，电、水、燃气、热量等的综合计量管理，智能住宅不区监控，家用电器的网络化管理，大型工业企业的MIS，等等。目前，有些公司已经推出了多种以不同方式连接Internet的网络化仪器和设备，例如Agilent公司1999年就研制出了具有Web浏览器远程接人功能的逻辑分析仪;Cisco公司已开始销售具备Web管理界面的交换机等。

　　3 结束语

　　信息技术和网络技术已经被公认是新世纪最具活力的技术。如何在新的条件下发展测量和仪器技术,从而更快捷、准确地实现控制,如何更好地利用这些新技术为测量和仪器技术的进步注入新的力量,是所有测量仪器应用工程技术人员和专家的责任。随着现代传感技术的发展,测量已无处不在。现代工业中出现了“芯片人”,现代生活中出现了“机器宠物”,现代战争中出现了“未来战士”,这些新生事物无一例外地都利用了现代测控技术和网络传输技术。不难发现,测量作为促进人类一切进步的基本支撑要素之一,将随着科学技术的飞速发展与前进，不断被赋予新的内涵。人们应该更多、更快地并在更广泛的领域中利用各种新技术，以更好地为网络化仪器的发展和更新换代服务。

摘自《电测与仪表》

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