基于網絡的虛擬儀器測試系統
1、引言
隨著計算機技術、通信技術與儀器技術的深入發展和結合，使得虛擬儀器得到了進一步發展，虛擬儀器將計算機資源與儀器硬件、數字信號處理技術結合，把廠家定義儀器功能的方式轉變為由用戶自己定義儀器功能。用戶可根據測試的需要，自己設計所需要的儀器系統，利用一種或多種功能的通用模塊，調用不同功能的軟件模塊，組成不同的儀器功能。在虛擬儀器中，計算機成為儀器的一部分，使得計算機可以得到充分發揮。除了儀器的輸入、輸出、數據處理分析、結果顯示由計算機完成外，還可組成計算機網絡。一個大的復雜的測試系統往往系統的測量、輸入、輸出、結果分析分布在不同的地理位置，僅用一臺計算機并不能勝任測試任務，需要由分布在不同地理位置的若干計算機共同完成整個測試任務。計算機網絡技術、總線技術與數據庫技術的發展，乃至Internet網的發展拓展了虛擬儀器測試系統的應用范圍。利用網絡技術將分散在不同地理位置不同功能的測試設備聯系在一起，使昂貴的硬件設備、軟件在網絡內得以共享，減少了設備重復投資。一臺計算機采集的數據可以立即傳輸到另一臺處理分析機上進行處理分析，分析后的結果可被執行機構、設計師查詢使用，使數據采集、傳輸、處理分析成為一體，容易實現實時采集、實時監測。重要的數據實行多機備份，提高了系統的可靠性。對于有些危險的、環境惡劣的不適合人員操作的數據采集工作可實行遠程采集，將采集的數據放在服務器中供用戶使用。虛擬儀器與計算機網絡結合實現儀器的遠程教學，學生通過網絡學習儀器、操作儀器，這也是我們學校實驗室建設的目標。虛擬儀器計算機網絡化在測試系統中具有廣泛的應用前景。
2、虛擬儀器網絡測試系統設計
虛擬儀器網絡測試系統的設計需從虛擬儀器和網絡技術兩方面考慮。
（1）虛擬儀器部分
分析測試系統的要求和系統的功能，根據系統功能的要求，在軟件和硬件之間進行優化選擇，從而確定儀器所必需的硬件模塊，以便用最少的模塊實現儀器的最佳功能。根據應用情況與實際的條件選擇基于計算機的虛擬儀器的儀器模塊（VXI總線、PCI總線、PXI總線、GPIB儀器），包括傳感器、信號調理電路、DAQ數據采集、信號源等模塊。
硬件確定以后，主要確定軟件功能模塊，哪些儀器功能由軟件實現，將軟件功能劃分為相對獨立的模塊。然后選擇易于編寫的圖形化的軟件平臺。LabVIEW平臺是一種圖形化編程環境，提供了虛擬儀器的控件、豐富的數據處理分析函數、儀器驅動程序及數據庫工具軟件包，LabVIEW提供的SQL、DataSocket軟件都是容易建立網絡化測試環境的軟件包。采用LabVIEW編寫虛擬儀器軟件簡化了程序設計，提高了效率。我們利用LabVIEW和NI的數據采集卡實現了數據采集、虛擬示波器、虛擬信號發生器。
Virsual C++是一種面向對象的通用的功能強大的程序設計語言，提供集成性及可視化用戶界面，采用面向對象的程序設計方法，它具有底層操作功能，也具有數據庫開發功能，編程靈活，因此也是編程人員常選用的編程語言，我們也用VC++編寫了虛擬儀器平臺，可以組建示波器、頻譜分析儀，信號發生器。現在我們計劃用VC編寫數據庫軟件，實現網絡化虛擬儀器。
（2）網絡結構設計
根據測試系統各部分所處的地理位置和覆蓋的范圍不同可構建局域網、城域網、廣域網。一個大的復雜的測試系統由各個子系統組成，如一個航空白動測試系統，一個火炮測試系統，要對其進行環境測試、溫度測試、振動測試，還有電子系統、通信系統的測試等等，每個子系統一般在一個單位的小范圍內，因此可建立局域網，然后將每個局域網互聯，形成企業測量系統。由于Internet網的發展，一些公用的數據還可以通過Internet網將測量數據發布到網上供網上用戶使用，可建立測量發布系統。對于有些危險的、環境惡劣的不適合人員操作的數據采集工作可實行遠程采集。
由于網絡測試中每個測試點擔任不同的測試任務，為了減少不必要的重復工作，通過網絡實現資源共享，同時要減輕服務器與各節點的數據傳輸，提高網絡系統性能，因此服務器和各個節點以及各節點之間協同工作顯得尤為重要。基于Client/Server模式的分布式計算、分布式處理系統是解決這個問題的最好選擇。基于C/S模式，將系統功能分解到各個節點，各個節點有機配合，用戶在自己的終端上就可以觀察到從服務器中獲取的數據和處理結果。在C/S中，分客戶機（Client）程序和服務器（Sewer）程序。客戶機程序和服務器程序可以運行在一臺計算機中，也可運行在兩臺或多臺計算機中，Client程序與Sewer程序相互協同處理，一個測試系統由一個或承擔不同任務的多個客戶機與一個或多個服務器組成。客戶機是用戶與系統的交互接口，提供一個用戶界面，完成用戶命令與數據的輸入，顯示服務器送回的結果。服務器接受客戶機提出的申請，完成所要求的操作并將結果傳送給用戶。在一個測試系統中，根據任務不同，每個服務器和客戶機承擔的任務也不同，例如可劃分為采集、數據處理分析、輸出、監控。一臺計算機采集外部數據，將來集的數據存儲并傳輸給另一臺計算機，它就是服務器，另外它又需要得到遠地計算機的數據，這時它又成為客戶機。C/S模式是一種開放式系統的協同處理工作模式。
設計C/S模式時應首先分析系統所要達到的指標和功能要求，在此基礎上，把系統劃分為各個相對獨立的模塊，分配到各個計算機上，每個計算機執行不同的功能，能在客戶機上完成的獨立任務就不要放在服務器上，以減低服務器的工作量。第二，要保證數據在服務器和客戶機、客戶機間可靠的傳輸。設計時需考慮網絡的帶寬要滿足傳輸要求，并減少網絡數據傳輸量。其次主要考慮的一個主要方面是選擇服務器類型。C/S模式中一種最基本的服務類型就是數據庫服務器，還有事務處理服務器、應用服務器、對象服務器類型。如圖1-4
數據庫服務器中，客戶機使用一條SQL命令將服務請求發給數據庫服務器，數據庫將范圍服務結果傳給客戶機。事務處理服務器把完成一項較為復雜的數據處理過程作為一項事務來對待，用一組SQL命令表示事務處理過程，服務器執行完這組命令后將結果返回客戶機。應用服務器用來控制一臺信息、圖象或電子郵件顯示設備，控制電子公告牌、具有下載能力的處理機。對象服務器的應用程序是作為一種通信對象的結構來設計的，即客戶機對象和服務器對象。客戶機對象用一個對象請求來代理它與服務器對象之間的所有通信任務。客戶機對象請求代理在服務器上找到對應的服務器對象，并將結果返回客戶機。
在測試系統中，可以設計具有采集服務的采集服務器，進行數據處理分析的服務器、服務器類型可以是數據庫服務器，監控服務器、信息發布數據顯示等采用應用服務器、對象服務器。根據實際情況選擇合適的服務器類型對提高網絡測試系統的效率很重要。
網絡系統的安全性和可靠性在設計時必須要考慮的一個重要問題，這也是網絡系統的熱門話題，在此不再敘述。
（3）軟件開發方法
由于測試系統各個節點的任務不同，所連接的數據庫管理系統不一定相同，因此測試系統一般希望不依賴數據庫管理系統。所以數據庫的開發常采用ODBC方式，ODBC是一個數據庫訪問的標準接口，可以通過這個接口訪問不同類的數據庫，基本上可用于所有的關系數據庫。不管測試數據庫是哪一種關系數據庫，只要有相應類型數據庫的ODBC驅動程序，就可訪問數據庫。ODBC API包括以下組件：
① 測試應用程序；
②驅動程序管理器：根據應用程序的需要裝載ODBC驅動程序。
③ODBC驅動程序：向指定的數據源提交SQL語句，向應用程序傳送返回結果。
④數據源：用戶要訪問的數據、DBMS及操作系統。
LabVIEW提供了。DBC、SQL、DataSocket開發工具，采用這些工具編程將提高編程效率。DataSocket是NI公司推出的一種面向測量和自動化工程的網上實時數據交換的編程技術。它包括DS Sewer Manager，DS Sewer和DS函數庫這幾個工具軟件，以及DSIP協議，通用資源定位符URL和文件格式等技術規范，它能大大簡化Internet網上計算機之間的測控數據交換的編程工作。DS也可以用子一臺計算機內或局域網中多個應用程序之間的數據交換。DS函數庫包含Open，read，writedose等函數，DS技術可在C 語言、VB和LabVIEW等多種開發環境中使用。在遠程數據交換中可考慮采用DataSocket軟件。
若虛擬儀器軟件采用的是VC編寫的，用戶對VC比較熟悉時，可用VC++開發數據庫，VC提供了多種訪問數據庫的方法：ODBC、MFC ODBC、DAO、OLE DB、ADO等。這些技術各有特點。
ODBC可以訪問所有的關系數據庫，不能訪問對象數據庫和其他非關系數據庫，因此對于高層的數據庫應用技術可采用如6C ODBC。MFC ODBC是VC提供的面向對象數據庫類，MFC ODBC類封裝了ODBC API，提供了面向對象的數據庫類，ODBC類主要有Cdatabase，Crecordset，CrecordView等。使用Cdatabase對象類連接數據庫，Crecordset類可以對數據庫記錄查找、排序、添加、刪除、更新等操作。CrecordVIew類用來顯示文檔，使用這些類編寫程序大大簡化了應用程序的編寫。
DAO（數據庫訪問對象）是VC提供的一種通過程序代碼創建和操縱本地的數據庫和遠地的數據，管理數據庫中的對象或結構的機制。DA0支持兩種不同的數據庫環境，一種是使用Micsoft Jet數據庫引擎來訪問Micosoft Jet數據庫數據、Micosoft Jet連接的ODBC數據庫數據等。一種是ODBC Direct工作區，即直接訪問一個ODBC數據庫，可通過ODBC訪問數據庫服務器，無須裝載Micosoft Jet數據庫引擎。利用DAO技術，我們可以訪問從txt文件直到大型后臺數據庫的多種數據庫格式。
OLE DB是一種基于組件對象模型的數據庫接口（Component Object Modul, COM），對所有的文件提供了一個統一的調用接口，既可以訪問關系數據庫，也可以訪問非關系數據（如電子表格、電子郵件、各種文檔、文件等），由于采用COM模型，系統穩定，接口靈活，具有可利用性和封裝性，訪問數據庫速度，快，因為組件化使OLE DB程序實現了功能分配，作為客戶機的數據應用程序只需要完成自己的數據管理功能，作為服務器數據提供程序也只需要完成自己的一部分功能即可。
C/S中對象服務器、應用服務器的開發可采用OLE DB技術。
ADO〈ActiveX Data Object〉是VC提供的又一種面向對象數據庫開發技術。OLE DB可以訪問數據庫應用的能力，但還需要編寫大量的代碼程序。ADO訪問數據庫是通過OLE DB提供程序進行的。ADO技術采用高層訪問技術訪問封裝了的OLE DB中COM接口。它提
種語言的訪問技術，包括VB、VC、VBA、VJ++，同時ADO還可以用描述的腳本語言訪問cript、VCScript等，用ADO開發網頁在客戶機和服務器應用程序中容易建立Internet虛擬儀kkd txxy.
LabVIEW和VirSual C++都提供了豐富的服務器和客戶機數據庫軟件工具，根據自己的情況選擇合適的數據庫軟件開發環境將大大提高系統開發的效率。
3、結束語
計算機網絡技術與虛擬儀器技術的發展與結合，進一步拓寬了虛擬儀器的應用，使虛擬儀器在測試自動化、遠程教學方面得以發展和應用。C/S模式的網絡結構根據不同的應用將系統的功能劃分為相對獨立的功能模塊，并在系統內進行合理分配，使網絡虛擬儀器系統性能達到最優。計算機軟件及軟件工具技術的發展與應用使得編寫虛擬儀器系統性能達到最優。計算機軟件及軟件工具技術的發展與應用使得虛擬儀器與網絡系統軟件容易實現，進一步推動了虛擬儀器網絡系統的發展。
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