第11章儀器控制與網(wǎng)絡(luò)通信

第11章儀器控制與網(wǎng)絡(luò)通信在進行虛擬儀器開發(fā)時，用戶要組成一個完整的系統(tǒng)僅靠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來虛擬儀器是遠遠不夠的，必須還有一些實際存在的儀器與虛擬系統(tǒng)協(xié)同工作，這就需要虛擬儀器與外部儀器之間的通信和控制，儀器控制就是通過計算機上的虛擬軟件來實現(xiàn)這些功能。LabVIEW是NI（NationalInstruments）公司具有革命性的圖形化虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，它內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示功能，集開發(fā)、調(diào)試和運行于一體。LabVIEW5.1及以后的版本充分考慮測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化要求，集成了各種通信協(xié)議，提供豐富的網(wǎng)絡(luò)化組件。使用LabVIEW實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信有4種方法：（1）無需具體協(xié)議的遠程桌面連接；（2）使用DataSocket技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)通信；（3）實時發(fā)布測控程序的網(wǎng)頁，異地使用瀏覽器（如InternetExplorer，NetscapeCommunicator等）進行監(jiān)控；（4）使用TCP、UDP等傳輸控制協(xié)議編程進行網(wǎng)絡(luò)通信。11.1常用總線及總線模塊實際的測量往往隨實際的測量環(huán)境和測量目的不同而產(chǎn)生不同的要求，現(xiàn)有的測試測量儀器能提供很高程度的測量自動化操作，但有時仍然不能滿足實際測量的需要，為了實現(xiàn)實時測量分析并記錄其測量結(jié)果，必須增加一些額外的工作。方法之一是利用儀器本身的模擬輸出接口，配一個數(shù)據(jù)采集卡對模擬輸出信號進行采集并進行相應(yīng)的后續(xù)分析處理；方法之二是利用儀器本身提供的編程接口，通過編程實現(xiàn)。與第一種方法相比，第二種方法不需要額外的硬件，使得測試系統(tǒng)變得簡單、方便。11.1.1GPIBGPIB（GeneralPurposeInterfaceBus，通用接口總線）是儀器與各種控制器（最常見的是計算機）之間的一種標(biāo)準接口，許多儀器都帶有此接口。1．GPIB總線虛擬儀器的硬件描述

GPIB使用8位并行、字節(jié)串行、異步通信方式，所有字節(jié)通過總線順序傳送，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達到8M/s。GPIB接口是一種8位數(shù)字并行通訊接口，其數(shù)據(jù)傳輸速度為1Mbyte/s。GPIB的基地址共有31個。2．GPIB總線虛擬儀器的軟件要求

用LabVIEW開發(fā)一個基于GPIB總線的虛擬儀器的軟件包括：LabVIEW開發(fā)平臺、GPIB接口卡驅(qū)動程序和儀器的LabVIEW驅(qū)動程序（不是必需的）。在LabVIEW中為實現(xiàn)與GPIB儀器通信有兩種方式，一種是利用函數(shù)選板中InstrumentI/O子選板下的GPIB相關(guān)函數(shù)，另一種是利用函數(shù)選板中InstrumentI/O子選板下的VISA相關(guān)函數(shù)。11.1.2VXI1．VXI技術(shù)的發(fā)展VXI總線規(guī)范是一個開放的體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準，其主要目標(biāo)是：使VXI總線器件之間、VXI總線器件與其他標(biāo)準的器件（計算機）之間能夠以明確的方式開放地通信；使系統(tǒng)體積更?。煌ㄟ^使用高帶寬的吞吐量，為開發(fā)者提供高性能的測試設(shè)備；采用通用的接口來實現(xiàn)相似的儀器功能，使系統(tǒng)集成軟件成本進一步降低。2．VXI技術(shù)特征VXI技術(shù)是把計算機技術(shù)、數(shù)字接口技術(shù)和儀器測量技術(shù)有機的結(jié)合起來。組建測試系統(tǒng)的主要目標(biāo)是要降低測試成本、縮短測試系統(tǒng)的開發(fā)時間并且要把風(fēng)險減少到最低限度，而VXI系統(tǒng)正是適應(yīng)這一發(fā)展潮流。VXI總線功能模塊有：

（1）VXI總線數(shù)字I/O（2）VXI-121064路數(shù)字量I/O模塊（3）VXI-121196路數(shù)字量I/O模塊（4）VXIbus信號源及信號調(diào)理模塊（5）VXI-131040MS/s12Bits4Ch任意波形發(fā)生器模塊（6）VXI-131116Bits16ChD/A輸出模快（7）XI-13128通道程控放大濾波器（8）VXIbus頻率計數(shù)、時間間隔模塊（9）VXI-14108路高性能頻率、周期、脈寬、時間間隔、計數(shù)帶隔離模塊（10）VXI-14118路時間間隔分析模塊（11）VXIbus數(shù)據(jù)通信模塊（12）VXI-15108通道串口通信模塊（13）VXIbus開關(guān)模塊（14）VXI-161032路8AA型繼電器開關(guān)模塊（15）VXI-161132路5AC型繼電器開關(guān)模塊（16）VXI-16122組16×4×8繼電器開關(guān)陣列模塊（17）VXIbus開發(fā)套件（18）VXI-1901C尺寸VXI總線開發(fā)模塊（19）VXI-1902C尺寸VXI總線延伸卡（20）VXI-1903C尺寸VXI結(jié)構(gòu)套件3．VXI總線系統(tǒng)規(guī)范簡介

VXI總線系統(tǒng)或者其子系統(tǒng)由一個VXI總線主機箱、若干VXI總線器件、一個VXI總線資源管理器和主控制器組成。VXI總線不是設(shè)計用來替代現(xiàn)存標(biāo)準的，其目的只是為提高測試和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體性能提供一個更先進的平臺。因此，VXI總線規(guī)范定義了幾種通信方法以方便VXI總線系統(tǒng)與現(xiàn)存的VME總線產(chǎn)品、GPIB儀器以及串口儀器的混合集成。VXI總線規(guī)范詳細規(guī)定了VXI總線兼容部件，如主機箱、背板、電源和模件的技術(shù)要求。（1）VXI總線系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

VXI總線規(guī)范定義了四種尺寸的VXI模塊。（2）VXI總線系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)VXI總線完全支持32位VME計算機總線。（3）VXI總線控制方式①嵌入式VXI控制器②外接式控制器常用的連接方式是嵌入式計算機，但成本過高。典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置是：單CPU系統(tǒng)、多CPU系統(tǒng)、獨立系統(tǒng)和分層式儀器系統(tǒng)。11.1.3PXIPXI（PCIeXtensionsforInstrumentation，面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展）是一種堅固的基于PC的測量和自動化平臺。簡單來說，PXI是以PCI（PeripheralComponentInterconnect）及CompactPCI為基礎(chǔ)再加上一些PXI特有信號組合而成的一個架構(gòu)。一個PXI系統(tǒng)由幾項組件所組成，包含了一個機箱、一個PXI背板（backplane）、系統(tǒng)控制器（Systemcontrollermodule）以及數(shù)個外設(shè)模塊（Peripheralmodules）。1．機械特性（1）與CompactPCI共享的機械特性與CompactPCI共享的機械特性包括：高性能IEC連接器以及Eurocard機械封裝和模塊尺寸。（2）新增加的電氣封裝規(guī)范PXI規(guī)范包含CompactPCI規(guī)范中的所有機械規(guī)范之外，還增加了一些CompactPCI沒有的要求。（3）與CompactPCI的互操作性PXI的重要特性之一是保持了與標(biāo)準CompactPCI產(chǎn)品互操作性。2．PXI總線的電氣結(jié)構(gòu)（1）10MHz參考時鐘（10MHzreferenceclock）（2）局部總線（LocalBus）（3）星形觸發(fā)（StarTrigger）（4）觸發(fā)總線（TriggerBus）3．硬件構(gòu)架PXI系統(tǒng)由3個基本部分組成：機箱、系統(tǒng)控制器和外部模塊。4．PXI外部模塊

NI提供了100多種不同的PXI模塊，自從PXI成為開放的工業(yè)標(biāo)準以來，PXI系統(tǒng)聯(lián)盟中的其他50多個廠商已提供近1000種模塊。（1）模擬輸入和輸出（2）邊界掃描（3）總線接口和通信

（4）數(shù)字輸入和輸出（5）數(shù)字信號處理（6）功能測試和診斷原型設(shè)計板卡（7）儀器（8）運動控制（9）接收器內(nèi)互連設(shè)備（10）開關(guān)（11）定時輸入和輸出5．軟件構(gòu)架因為PXI硬件是基于標(biāo)準PC技術(shù)（如PCI總線以及標(biāo)準的CPU和外設(shè)）用戶可以使用熟悉的標(biāo)準Windows軟件架構(gòu)。6．系統(tǒng)配置要規(guī)劃并配置用戶新的PXI系統(tǒng)，最快最簡單的方法是使用在線PXIAdvisor或PXI/SCXIAdvisor。PXI模塊化儀器為測量和自動化用戶提供了一個堅固的計算機平臺，使他們可以充分利用主流PC工業(yè)的技術(shù)進步。PXI在中國成功的主要原因有：（1）標(biāo)準化大勢所趨（2）成本優(yōu)勢（3）技術(shù)性能優(yōu)越（4）適用于多種行業(yè)11.1.4PCI技術(shù)PCI有32位和64位兩種，32位PCI有124引腳，64位有188引腳，目前常用的是32位PCI。32位PCI的數(shù)據(jù)傳輸率為133MB/s，大大高于ISA。PCI總線的主要性能：（1）支持10臺外設(shè)；（2）總線時鐘頻率33.3MHz/66MHz；（3）最大數(shù)據(jù)傳輸速率133MB/s；（4）時鐘同步方式；（5）與CPU及時鐘頻率無關(guān)；（6）總線寬度32位（5V）/64位（3.3V）；（7）能自動識別外設(shè)。1．基本概念不同于ISA總線，PCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時復(fù)用的。2．即插即用的實現(xiàn)所謂即插即用，是指當(dāng)板卡插入系統(tǒng)時，系統(tǒng)會自動對板卡所需資源進行分配，如基地址、中斷號等，并自動尋找相應(yīng)的驅(qū)動程序。3．中斷共享的實現(xiàn)PCI總線的中斷共享由硬件與軟件兩部分組成。（1）硬件上采用電平觸發(fā)的辦法（2）軟件上采用中斷鏈的方法11.1.5總線平臺的比較基于GPIB總線、PCI總線、VXI總線和PXI總線的測試系統(tǒng)，因總線不同而各具特點與相應(yīng)的應(yīng)用范圍。GPIBPCIVXIPXI傳輸位寬88，16（ISA）；8，16，32，64（PCI）8，16，328，16，32，64吞吐率（Mb/s）1或81-2（ISA）；132～264（PCI）4080（VME64）132～264定時和同步無定義有定義有定義有定義市場可用產(chǎn)品>10000>10000>1000>1000系統(tǒng)尺寸大中、小中中、小標(biāo)準軟件框架無定義無定義有定義有定義模塊化否否是是EMI防護可選視具體板卡而定有定義視具體模塊而定系統(tǒng)成本高低中、高中、低表11-1 四種總線的比較表11.2儀器驅(qū)動程序儀器驅(qū)動程序也是一個VI，它是一款用于控制特定儀器的軟件。LabVIEW為用戶提供的可以在儀器驅(qū)動程序開發(fā)中使用的VI分為3類：（1）標(biāo)準VISAI/O函數(shù)；（2）傳統(tǒng)GPIB函數(shù)和由GPIB488.2添加的功能；（3）串口通信函數(shù)。圖11-1儀器驅(qū)動程序選板11.3串口通信串口是計算機上一種通用設(shè)備通信的協(xié)議。由于一個串口在某一時刻只能與一個設(shè)備進行通信，所以它的傳輸速度比并口通信慢，但是串口操作簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離通信。對于兩個進行串行通信的端口，它們的參數(shù)必須互相匹配。（1）波特率（2）數(shù)據(jù)位（3）奇偶校驗位（4）停止位圖11-2串口編程函數(shù)選板1．VISA寫入圖11-3VISA寫入函數(shù)接線端子

2．VISA讀取圖11-4VISA讀取函數(shù)接線端子

3．VISA關(guān)閉圖11-5VISA關(guān)閉函數(shù)接線端子4．VISA設(shè)置I/O緩沖區(qū)大小圖11-6VISA設(shè)置I/O緩沖區(qū)大小函數(shù)接線端子5．VISA配置串口圖11-7VISA配置串口函數(shù)接線端子11.4VISA編程VISA是VirtualInstrumentsSoftwareArchitecture的縮寫，中文譯為虛擬儀器軟件架構(gòu)或可視化儀器軟件架構(gòu)。VISA的本質(zhì)是用于控制GPIB、串口或VXI儀器以及根據(jù)儀器類型進行適當(dāng)調(diào)用的VI庫。VISA本身不具備編程能力，它通過調(diào)用低層的儀器驅(qū)動程序來實現(xiàn)對儀器的控制。圖11-8VISA編程函數(shù)選板圖11-9高級VISA編程函數(shù)選板1．VISA打開圖11-10VISA打開函數(shù)接線端子

2．VISA查找資源

圖11-11VISA查找資源函數(shù)接線端子3．VISA讀取設(shè)備并寫入文件圖11-12VISA讀取設(shè)備并寫入文件函數(shù)接線端子

4．VISA讀取文件并寫入設(shè)備

圖11-13VISA讀取文件并寫入設(shè)備函數(shù)接線端子11.5TCP與UDP通信11.5.1TCPTCP/IP是一個通信協(xié)議族，是由美國國防部高級研究計劃署（DARPA）開發(fā)的，TCP/IP從誕生以來已成為通用的通訊標(biāo)準被廣泛應(yīng)用于大量的計算機系統(tǒng)。盡管Labview提供了高效、易用的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具，但也提供了TCP、IP、UDP、ActiveX等功能模塊板進行網(wǎng)絡(luò)連接和進程通信，編程時擺脫了傳統(tǒng)語言中煩瑣的底層命令函數(shù)，只需從函數(shù)選板中選用有關(guān)的函數(shù)圖標(biāo)連線而成。IP是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，實現(xiàn)的是不可靠無連接的數(shù)據(jù)包服務(wù)。TCP/IP協(xié)議是一套把因特網(wǎng)上的各種系統(tǒng)互聯(lián)起來的協(xié)議組，保證因特網(wǎng)上數(shù)據(jù)的準確快速傳輸。TCP/IP通常采用一種簡化的四層模型，分別為：網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)間層、傳輸層、應(yīng)用層。它由控制同一物理網(wǎng)絡(luò)上的不同機器間數(shù)據(jù)傳送的底層協(xié)議組成，具體功能如下：（1）網(wǎng)絡(luò)接口層提供TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和實際物理硬件之間的接口；（2）網(wǎng)間層用來提供網(wǎng)絡(luò)診斷信息；（3）傳輸層提供有兩種端到端的通信服務(wù)，一是能提供可靠的數(shù)據(jù)流運輸服務(wù)的TCP協(xié)議，二是提供不可靠的用戶數(shù)據(jù)報服務(wù)的UDP服務(wù)；（4）應(yīng)用層要有一個定義清晰的會話過程，通常包括的協(xié)議有HTTP、FTP、Telnet等。LabVIEW中用于TCP編程的VI函數(shù)位于“函數(shù)”選板下的“數(shù)據(jù)通信→協(xié)議→TCP”子選板下，如圖11-14所示，圖中的TCP編程函數(shù)的具體含義如表11-2所示。利用服務(wù)器端/客戶端模式進行通信，是在Labview平臺下網(wǎng)絡(luò)通信最基本的結(jié)構(gòu)模式?！癟CP”子選板中的“TCP偵聽”VI函數(shù)用來創(chuàng)建一個TCP收聽者，等待指定端口的TCP網(wǎng)絡(luò)連接。圖11-14TCP編程VI函數(shù)面板VI函數(shù)名稱功能TCP偵聽在指定端口創(chuàng)建一個監(jiān)聽器，并等待客戶端的連接打開TCP連接打開由地址和遠程端口或服務(wù)名稱所指定的TCP網(wǎng)絡(luò)連接讀取TCP數(shù)據(jù)從指定的TCP連接讀取數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)輸出返回結(jié)果寫入TCP數(shù)據(jù)向指定的TCP網(wǎng)絡(luò)連接寫入數(shù)據(jù)關(guān)閉TCP連接關(guān)閉指定的TCP網(wǎng)絡(luò)連接IP地址至字符串轉(zhuǎn)換將IP地址轉(zhuǎn)換為字符串字符串至IP地址轉(zhuǎn)換將字符串轉(zhuǎn)換為IP地址或IP地址數(shù)組解釋機器別名返回計算機的物理地址，用于聯(lián)網(wǎng)或在VI服務(wù)器函數(shù)中使用創(chuàng)建TCP偵聽器在指定端口創(chuàng)建一個監(jiān)聽器等待TCP偵聽器等待已接收的TCP網(wǎng)絡(luò)連接表11-2 TCP編程VI函數(shù)含義列表它主要的參數(shù)包括：（1）端口（port）（2）超時（timeout，ms）（3）連接標(biāo)識（connectionID）（4）遠程地址（remoteaddress）（5）出錯信息輸出（errorout）TCP通信的兩端分別為服務(wù)器端（Server）和客戶端（Client）。【例11-1】利用TCP協(xié)議進行簡單點對點通信。圖11-15利用TCP協(xié)議進行點對點通信—服務(wù)器端程序圖11-16利用TCP協(xié)議進行點對點通信—客戶端程序【例11-2】利用TCP協(xié)議進行一點對多點通信。圖11-17利用TCP協(xié)議進行一點對多點通信—服務(wù)器端程序框圖圖11-18利用TCP協(xié)議進行一點對多點通信—客戶端程序框圖11.5.2UDPUDP協(xié)議是英文UserDatagramProtocol的縮寫，即用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議，是ISO參考模型中一種無連接的傳輸層協(xié)議，提供面向操作的簡單不可靠信息傳送服務(wù)。UDP協(xié)議的特性主要有：（1）UDP是一個無連接協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)之前源端和終端不建立連接，當(dāng)它想傳送時就簡單地去抓取來自應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，并盡可能快地把它扔到網(wǎng)絡(luò)上。（2）由于傳輸數(shù)據(jù)不建立連接，因此也就不需要維護連接狀態(tài)，包括收發(fā)狀態(tài)等，因此一臺服務(wù)機可同時向多個客戶機傳輸相同的消息。（3）UDP信息包的標(biāo)題很短，只有8個字節(jié)，相對于TCP的20個字節(jié)信息包的額外開銷很小。（4）吞吐量不受擁擠控制算法的調(diào)節(jié)，只受應(yīng)用軟件生成數(shù)據(jù)的速率、傳輸帶寬、源端和終端主機性能的限制。圖11-19UDP編程VI函數(shù)面板圖11-20利用UDP協(xié)議進行通信的程序框圖圖11-21利用UDP協(xié)議進行通信的程序運行結(jié)果11.5.3UDP和TCP的比較UDP和TCP協(xié)議的主要區(qū)別是兩者在如何實現(xiàn)信息的可靠傳遞方面不同。與TCP不同，UDP協(xié)議并不提供數(shù)據(jù)傳送的保證機制。相對于TCP協(xié)議，UDP協(xié)議的另外一個不同之處在于如何接收突發(fā)性的多個數(shù)據(jù)報。根據(jù)不同的環(huán)境和特點，兩種傳輸協(xié)議都將在今后的網(wǎng)絡(luò)世界中發(fā)揮更加重要的作用。11.6DataSocket通信11.6.1概述DataSocket是NI公司推出的一項基于TCP/IP協(xié)議的新技術(shù)，DataSocket面向測量和網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)交換，可以用于一個計算機內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)中多個應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換。DataSocket包含DataSocketAPI和DataSocketServer兩部分。（1）DataSocketAPI（2）DataSocketServerDataSocket支持多種數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，不同的URL前綴表示不同的協(xié)議或數(shù)據(jù)類型，主要包括下列協(xié)議。（1）DSTP（DataSocketTransferProtocol）（2）HTTP（HyperTextTransferProtocol，超文本傳輸協(xié)議）（3）FTP（FileTransferProtocol，文件傳輸協(xié)議）（4）OPC（OLEforProcessControl，操作計劃和控制）（5）FieldPoint、Logos、Lookout（6）File（localfileservers，本地文件服務(wù)