第九章：智能儀器的新發(fā)展虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化儀器

1、網(wǎng) 絡(luò) 化 儀 器,主講： 林君 教授 2004.6.28,主要內(nèi)容：,概述 基于Web的虛擬儀器 嵌入式Internet的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器 IEEE1451網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器標(biāo)準(zhǔn),一、概 述,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展，再加上測控任務(wù)的復(fù)雜化以及遠(yuǎn)程監(jiān)測任務(wù)等迫切需求，促進(jìn)了測控儀器向網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。 網(wǎng)絡(luò)化儀器包括基于計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的分布式測控儀器、基于Internet/Intranet的虛擬儀器、嵌入式Internet的網(wǎng)絡(luò)化儀器、基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感系統(tǒng)以及基于無線通訊網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)化儀器系統(tǒng)等。 它們在智能交通，信息家電、家庭自動化、工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測及遠(yuǎn)程醫(yī)療等

2、眾多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。,二、 基于Web的虛擬儀器,概述 基于Web的虛擬儀器概念 基于Web的虛擬儀器軟件技術(shù) 基于Web的虛擬儀器發(fā)展,1.概述,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是推動信息產(chǎn)業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)，乃至整個(gè)社會發(fā)展的一種核心技術(shù)，它的出現(xiàn)使得整個(gè)社會的工作和生活方式都發(fā)生了極大的變化。,Web技術(shù)在Internet上的快速發(fā)展，導(dǎo)致Web/Browser（以下簡寫為W/B）這一軟件應(yīng)用模型的流行。 W/B模型是C/S模型的衍生，這一模型奉行“瘦客戶/胖服務(wù)器”的理念，把主要的應(yīng)用程序放在服務(wù)器上，客戶端只需要瀏覽器環(huán)境，就可根據(jù)需要從服務(wù)器下載應(yīng)用程序來完成所需要的任務(wù)。 這使應(yīng)用程序的維護(hù)更方便，

3、工作量主要集中在服務(wù)器端，開發(fā)工作量較小，成本較低。而且Web具有界面友好，操作方便等特點(diǎn)，因此深受廣大用戶的歡迎。,Web的簡要介紹,目前除了作為Internet上組織和發(fā)布信息的有力工具之外，還廣泛應(yīng)用在包括MIS、GIS、電子商務(wù)和分布式計(jì)算等諸多應(yīng)用領(lǐng)域中，并導(dǎo)致Intranet和Extranet的產(chǎn)生和發(fā)展。 未來的Internet將不僅僅只連接計(jì)算機(jī)和終端，儀器設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品匯接于Internet平臺時(shí)使得人們可以實(shí)現(xiàn)“任何人在任何地方跟任何對象進(jìn)行任何方式的信息交流”，Web TV、Web Tel由此產(chǎn)生并得到了應(yīng)用。 Web滲透到儀器領(lǐng)域，是儀器領(lǐng)域內(nèi)的一次重要革新，這正是

4、Internet非凡影響力的表現(xiàn)。,智能儀器在模擬儀器的基礎(chǔ)上有了較大的發(fā)展，應(yīng)用了許多計(jì)算機(jī)方面的技術(shù)，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的IEEE488接口連接到普通計(jì)算機(jī)，儀器內(nèi)部一般內(nèi)置有處理器和存儲器。 但是由于IEEE488接口傳輸速度有限，智能儀器存在著實(shí)時(shí)性差、價(jià)格昂貴、擴(kuò)展能力低以及開放性差的缺點(diǎn)，而且智能儀器也是由廠商定義的，用戶通常是無法改變的。 虛擬儀器（VI）克服了上述缺點(diǎn)，而將Web和虛擬儀器結(jié)合起來，使 VI拓展到真正的分布式網(wǎng)絡(luò)測試應(yīng)用環(huán)境中去，可以豐富測試手段，提高測試效率，充分合理地利用有效的資源。,虛擬儀器與智能儀器的簡要對比：,2基于Web的虛擬儀器概念,基于Web的虛擬儀器

5、（ VI），簡單說就是把VI技術(shù)和面向Internet的Web技術(shù)二者有機(jī)結(jié)合所產(chǎn)生的新的VI技術(shù)。 形象地說，VI的主要工作是把傳統(tǒng)儀器的前面板移植到普通計(jì)算機(jī)上，利用計(jì)算機(jī)的資源處理相關(guān)的測試需求；基于Web的VI則更進(jìn)一步，它是把儀器的前面板移植到Web頁面上，通過Web服務(wù)器處理相關(guān)的測試需求。,VI的兩大技術(shù)基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和軟件技術(shù)，而正是計(jì)算機(jī)硬件和軟件的網(wǎng)絡(luò)化帶來了整個(gè)社會的網(wǎng)絡(luò)化，所以從發(fā)展的角度來說，這一技術(shù)不可避免地要滲透到VI技術(shù)領(lǐng)域里來。 VI依靠計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力，高性能的顯示技術(shù)，高速的存儲系統(tǒng)，豐富的外部設(shè)備；同時(shí)VI還有計(jì)算機(jī)豐富的軟件系統(tǒng)，包括網(wǎng)絡(luò)化的

6、操作系統(tǒng)(如Windows NT)、應(yīng)用軟件(如Internet Explorer)和網(wǎng)絡(luò)性能非常強(qiáng)的VI軟件(如National Instrument公司的ComponentWorks,G Web Server等)。所有這些使VI系統(tǒng)本身具備了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)能力。,VI技術(shù)：,就Internet的發(fā)展來說，從最初用于美國軍方的ARPANET，到今天的Internet，Internet技術(shù)的發(fā)展日新月異，內(nèi)容也由最初純文本的信息交流，到WWW多媒體技術(shù)，再到信息家電等，越來越豐富?？梢哉fInternet技術(shù)已經(jīng)是無所不在，無所不容。 隨著網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，網(wǎng)絡(luò)軟件的不斷豐

7、富以及網(wǎng)絡(luò)成本的不斷降低，把網(wǎng)絡(luò)作為VI的測試平臺無論從技術(shù)上還是成本上都是可行的。,面向Internet的Web技術(shù),Web技術(shù)是Internet的一個(gè)組成部分，如果說Internet是世界范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相互間連接的集合，那么Web可以說是在Internet頂部運(yùn)行的一個(gè)協(xié)議。 WWW具有相互通信的能力，具有友好的圖形用戶接口，還具有良好的平臺獨(dú)立性，所有這些都為VI和Web結(jié)合奠定了基礎(chǔ)。,VI和Web結(jié)合的基本模型 ：,圖1 虛擬儀器與WWW結(jié)合模型 可以看出，在虛擬儀器的基礎(chǔ)上，增加其登陸因特網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)瀏覽的功能，就可以實(shí)現(xiàn)基于Web的網(wǎng)絡(luò)化儀器了。從這一角度講，基于Web的網(wǎng)絡(luò)化儀器

8、是虛擬儀器技術(shù)的延伸與擴(kuò)展。,3基于Web的虛擬儀器軟件技術(shù),ActiveX技術(shù) DataSocket服務(wù)器 Web服務(wù)器,ActiveX技術(shù),ActiveX是由Microsoft公司定義并發(fā)布的一種開放性標(biāo)準(zhǔn)。它能夠讓軟件開發(fā)者很方便、快速地在Internet、Intranet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，制作或提供生動活潑的內(nèi)容與服務(wù)、編寫功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序。,ActiveX優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：,利用現(xiàn)成的1000多個(gè)ActiveX Controls，可以很容易開發(fā)出基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序。 可以開發(fā)出能夠充分發(fā)揮硬件與操作系統(tǒng)功能的應(yīng)用程序與服務(wù)。這是由于所調(diào)用的ActiveX Controls與硬件及操

9、作系統(tǒng)功能能夠較緊密地結(jié)合的緣故。 跨操作系統(tǒng)平臺，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 1994年3月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)會NIST(The National Institute f Standard and Technology)和IEEE共同組織一次關(guān)于制定智能傳感器接口和制定智能傳感器連接網(wǎng)絡(luò)通用標(biāo)準(zhǔn)的研討會，從這以后連續(xù)主辦了四次關(guān)于這方面問題討論的一系列研討會場; 直到1995年4月,成立了兩個(gè)專門的技術(shù)委員會：

10、P1451.1工作組和P1451.2工作組。,P1451.1工作組主要負(fù)責(zé)智能變送器的公共目標(biāo)模型進(jìn)行定義和對相應(yīng)模型的接口進(jìn)行定義； P1451.2工作組主要定義TEDS 和數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)，包括STIM和NACP之間的通訊接口協(xié)議和管腳定義分配。 1998底，技術(shù)委員會針對大量的模擬量傳輸方式的測量控制網(wǎng)絡(luò)及小空間數(shù)據(jù)交換問題，成立了另外兩個(gè)工作組P1451.3、P1451.4。 P1451.3負(fù)責(zé)制定與模擬量傳輸網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器的接口標(biāo)準(zhǔn)； P1451.4負(fù)責(zé)制定小空間范圍內(nèi)智能網(wǎng)絡(luò)化傳感器相互之間的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。,采用IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)的主要目的如下：,通過提供一個(gè)與傳統(tǒng)傳感器兼容

11、的通用IEEE1451.4傳感器通信接口使得傳感器具有即插即用功能。 簡化了智能傳感器的開發(fā)。 簡化了儀器系統(tǒng)的設(shè)置與維護(hù)。 在傳統(tǒng)儀器與智能混合型（smart mixed-mode）傳感器之間提供了一個(gè)橋梁。 使得內(nèi)存容量小的智能傳感器的應(yīng)用成為可能。,雖然許多混合型 （即能非同時(shí)地以模擬和數(shù)字的方式進(jìn)行通信）智能傳感器的應(yīng)用已經(jīng)得到發(fā)展，但是由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，市場接受起來比較緩慢。 一般來說，市場可接受的智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)不但要適應(yīng)智能傳感器與執(zhí)行器的發(fā)展，而且還要使開發(fā)成本低。 因此，IEEE1451.4就是一個(gè)混合型的智能傳感器接口的標(biāo)準(zhǔn)，它使得工程師們在選擇傳感器時(shí)不用考慮網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

12、，這就減輕了制造商要生產(chǎn)支持多網(wǎng)絡(luò)的傳感器的負(fù)擔(dān)，也使得用戶在需要把傳感器移到另一個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可減少開銷。 IEEE1451.4標(biāo)準(zhǔn)通過定義不依賴于特定控制網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件模塊來簡化網(wǎng)絡(luò)化傳感器的設(shè)計(jì)，這也推動了含有傳感器的即插即用系統(tǒng)的開發(fā)。,傳統(tǒng)傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì),Sensor,工程師,開發(fā)系統(tǒng),傳感器檢測系統(tǒng),1451網(wǎng)絡(luò)傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì),對傳感器進(jìn)行自動識別、 學(xué)習(xí)，完成信息獲取。,信息網(wǎng),NCAP,1451智能傳感器,IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)接口的結(jié)構(gòu)如下圖所示：,圖3.不同網(wǎng)絡(luò)總線IEEE1451轉(zhuǎn)換方案,針對上圖的幾點(diǎn)說明：,第一層模塊結(jié)構(gòu)用來運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（Network

13、Protocol Stack）和應(yīng)用硬件（Application Firmware）,即網(wǎng)絡(luò)匹配處理器NCAP(Network Capable Application Processor); 第二層模塊為智能變送器接口模塊STIM（Smart Transducer interface Module）,其中包括變送器和變送器電子數(shù)據(jù)單TEDS（Transducer Electronic Data Sheet）。 這樣在基于各種現(xiàn)場總線的分布測量控制系統(tǒng)中，各種變送器的設(shè)計(jì)制造無須考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 IEEE1451是為變送器制造商和應(yīng)用開發(fā)商提供的一種有效而經(jīng)濟(jì)的方式以支持各種控制網(wǎng)絡(luò)。,IE

14、EE1451.2的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,傳感器,處理器,TEDS,STIM,應(yīng)用處理軟件,識別 校正 引擎,WEB 服務(wù)器,NCAP,Internet,客戶端,TII,兩種智能變送器結(jié)構(gòu)比較,圖4 兩種智能變送器結(jié)構(gòu)比較,圖4（a）為從圖1變換而來的智能變送器接點(diǎn)總體硬件原理框圖，其中標(biāo)出了數(shù)字接口的位置，TEDS在物理結(jié)構(gòu)上是與傳感器/執(zhí)行器信號連接在一起，傳感器信號調(diào)理模塊和變送模塊在最前面； 圖4（b）為STIM的結(jié)構(gòu)所示。這里的IEEE1451主要是對讀取傳感器信號、設(shè)置執(zhí)行器和訪問TEDS定義數(shù)字接口。,STIM硬件的一種設(shè)計(jì)方案,串行下載口,ADUC812 (片上采集系 統(tǒng)芯片SOC)

15、,存儲器,變送器 陣列,擴(kuò)展 TII 接口,IEEE1451系列標(biāo)準(zhǔn) 的發(fā)展動向,IEEE和NIST還在著手制定無線連接各種傳感設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的名稱為“IEEE P1451.5”。主要用于利用電腦等主機(jī)設(shè)備綜合管理建筑物內(nèi)各傳感設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)。如果這一過程中的傳送方式能得到統(tǒng)一，則有望降低無線傳送部分的成本。 該規(guī)格中還將包括把傳感器獲得的信息用于WWW等外部網(wǎng)絡(luò)的表述方式。,IEEE1451中將包括自動進(jìn)行傳感器微調(diào)的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)通用即插即用（UPnP）的方法等，也就是所謂的“智能傳感器”的標(biāo)準(zhǔn)。此前制訂的標(biāo)準(zhǔn)主要是面向有線接入用途，但隨著無線通信的硬件及軟件價(jià)格的降低，無線支持功能便被提上了議事日程。 IEEE P1451.5將對物理層的傳送方式等問題做出規(guī)定。正在探討IEEE802.15.1（藍(lán)牙協(xié)議）、IEEE802.15.4（介于無線識別技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案）以及IEEE802.11b等無線通訊協(xié)議的使用問題。還將著手制定耗電量、傳送距離以及接收/發(fā)送部件的成本等方面的標(biāo)準(zhǔn)，推動無線通訊網(wǎng)絡(luò)化儀器的進(jìn)步。