网络化虚拟仪器的研究

高 丽

（兰州石化职业技术学院 信息处理与控制工程系，甘肃 兰州 730060）

网络化虚拟仪器又称为虚拟仪器网络化，是虚拟仪器技术和网络技术的结合。是将昂贵的硬件设备、软件资源通过网络技术实现共享，使得数据传输速度加快，实施性强［1，2］。网络化虚拟仪器使用独立的硬件模块实现了数据采集、分析处理以及图形化显示的功能，将独立部分的功能集中实现整个系统的功能，共同完成测试任务。将原来的集中模式转变为分布模式、单一的本地模式转变为远程模式或者本地和远程相结合的模式，具有开放性、分散性、可互操作性、智能化、网络化等特点［3］。

1 网络体系结构

在网络中，“分层”是最基本的体系结构。分层可以将整体而且复杂的问题转化为很多较小的局部问题，而这些较小、局部的问题就很简单的研究分析和处理。

1.1 OSI参考模型

OSI／RM（Open System Interconnection Reference Model）开放系统互联基本参考模型，简称OSI［4］。OSI参考模型有物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层及应用层七个层次结构。各层的具体介绍如下：

（1）物理层。它是OSI模型的最底层，主要实现一个实体通过物理信道将数据信息送到另一个实体，为数据链路层提供一个透明的比特流传输服务。

（2）数据链路层。该层在数据实体之间建立数据链路连接，传输以帧为单位的数据包，采用差错控制和流量控制方法，将有差错的物理链路变成无差错的数据链路。

（3）网络层。主要为分组通过网络选择合适的路径，实现路由选择和分组转发拥塞控制等。

（4）传输层。向用户提供的端到端服务，也就是主机到主机的层次。该层主要处理数据报错误，确保数据包的正确发送，确定其次序和优先权，向高层屏蔽了下层数据通讯细节，是计算机网络体系中非常重要的一层。

（5）会话层。允许不同的主机上的各种进程进行会话，它是进程到进程之间的层次。能够维护计算机之间的传输链接，确保点到点传输不中断，以及管理数据交换。

（6）表示层。为上层用户提供共同需要的数据或信息的语法表示方法。该层用于处理两个通信系统中交换信息的表示问题，以确保一个进程发送出的消息能被另一个进程正确解读，数据的压缩和加密都是在该层完成的。

（7）应用层。它是OSI模型的最高层，是最靠近用户的一层。主要为操作系统或网络应用程序提供使用网络的接口，满足用户的通信需求，如文件传输、电子邮件和终端仿真等。

1.2 TCP／IP体系结构及协议

OSI的七层协议体系结构概念清晰、体系结构理论比较完整，但该结构复杂又不实用，因而TCP／IP的协议得到了广泛的应用［4－6］。TCP／IP是一个在任何时候任何一个地方都可以存在的网络协议，TCP／IP与Internet完全连接，TCP／IP是Internet最基本的协议，通过该协议使局部网络设备与整个Internet网络进行连接，在全世界网络中进行数据信息的传递与交流。TCP／IP是一个四层的体系结构。但是实际上只有三层，即应用层、运输层和网际层，是因为在最下面的网络接口层没有具体的内容。

（1）网络层。主要负责为分组交换网上的不同主机提供通信。网络层协议主要是无连接的网际协议和很多种路由选择协议。

（2）传输层。负责端到端的实体间的通信，主要功能是格式化信息流和提供可靠传输。主要有传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP两种协议。

（3）应用层。它位于最高层，也称为处理层。向用户提供常用的服务，譬如远程登录、文件传输访问及电子邮件。

2 网络化虚拟仪器的组建形式

网络化虚拟仪器有以下几部分组成：虚拟仪器、网络化操作系统、分散的I／O系统模块、控制器和数据采集卡。因为网络实现了信息资源的共享，与传统的测试测量仪器相结合，使得网络化虚拟仪器的组建形式种类很多，但是各种网络测试解决方案可以归纳为以下三种形式［7］。

2.1 远程测试系统

远程测试系统是将采集远程测试点的数据通过网络发送给现场的计算机进行数据处理、分析和图像化显示，并将结果反馈到远程端计算机或者是在现场端直接进行操作处理。测试点一般分布比较分散或在异地，适用于环境条件恶劣或测试系统复杂繁琐的情况下。

2.2 测量数据发布系统

测量数据发布系统是本地测试点在网络环境下将数据信息传送资源共享，本地以及远程PC机都可以使用。系统有选择的将测试信息、分析报告及结果等信息数据分散的发布给异地的各个计算机，这样位于不同地点的计算机可以协同完成测试任务。

2.3 企业级测试系统

企业级测试系统是前两者的优化结合。它主要是借助网络平台将多台PC机连接起来合作共同完成任务，对远程端测试点的信息进行采集，各自分工处理分析，然后根据结果针对性的对远程端进行进一步的处理，这样可以有效地提高测试系统的效率和性能。

3 网络化虚拟仪器的通信技术

在网络基础上利用网络技术，创建不同的网络实现网络之间的信息共享和传送接收。所以在信息传递时，需要统一的通信协议，保证数据的完整性和实时性。在传递信息和共享信息时，适合的通信技术保证了数据信息的正确及时的传递。网络化虚拟仪器测试系统通信技术有在通信协议基础上的，如TCP、UDP、串口通信协议等，还有DataSocket通信和远程前面板。本文选择DataSocket技术作为通信的主要技术，在Labwindows／CVI环境下进行远程测控的网络通信，实现网络通信功能。

DataSocket是一个基于通用资源定位符的一元化的、单一的、独立于协议独和语言及操作系统的末端用户API。它是一种基于网络的编程通信工具，因为统一的API，用户不再需要为不同的数据格式和通信协议编写代码［8］。DataSocket技术实现网络通信主要有两部分的设计，包括发送端的设计与接收端的设计。首先启动DataSocket服务器为DataSocket提供服务，然后连接发送端和接收端，可以选择手动或自动生成波形，接收端由用户选择指定URLs，更新后面板上显示从发送端获得波形。DataSocket发送端与接收端的操作界面分别如1、2图所示。

图1 DataSocket发送端的操作界面

图2 DataSocket接收端的操作界面

从测试结果图中可以看到，DataSocket发送端和接收端成功连接后，接收端可以成功准确地接收发送端产生的波形数据，说明成功实现了基于DataSocket技术的网络通信，实现了系统的功能要求。

4 结束语

将网络技术引入虚拟仪器领域，实现了信息资源共享，使得虚拟仪器的应用范围迅速扩大。虚拟仪器技术借助网络的强大功能，把在异地的设备联系在一起，共同协作完成测控任务。网络化虚拟仪器使得成本减低，节省大量资源，便于诊断和维护远程故障。

［1］ 王晓兰，徐辉，党瑞鹏.基于网络化虚拟仪器的通信测试系统的实现［J］.网络通信，2013，4：63.

［2］ 李爱民.基于PXI总线的虚拟仪器测试系统的设计及其网络化研究［D］.南京：南京理工大学，2008.

［3］ 邓居祁，殷科生，刘文彦.网络化虚拟仪器的现状和研究方向［J］.湘潭师范学院学报，2008，4（30）：47－48.

［4］ 王田.OSI与 TCP／IP网络模型分析［J］.天津事业院校联合学报，2013，15（20）：61－64.

［5］ 刘作臣，马卫东，龚彬等.基于 TCP／IP的多数据流传输测控系统的设计与实现［J］.现代电子技术，2012，35（3）：151－153.

［6］ 张丁丁，孙志毅.TCP／IP协议栈的实现方法［J］.工业控制计算机，2013，26（9）：35－36.

［7］ 车小飞.基于远程网络的虚拟仪器软件设计与研究［D］.南京：炮兵学院南京分院，2009.

［8］ 王鹏冲，梁金土，林鹏.基于 DataSocket技术共享数据采集卡的实例［J］.Computer Knowledge and Technology，2009，5（15）：4045－4046.