韓 立，秦樹人

（1.中國土地勘測規(guī)劃院，北京 100035；2.重慶大學測試中心，重慶 400044）

0 引 言

虛擬儀器以計算機作為儀器的硬件支撐，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化，使之與計算機結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺計算機，就像在操作自己定義、自己設計的一臺儀器一樣，從而完成對被測對象的數(shù)據(jù)采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等[1]。網(wǎng)絡化測試儀器是繼虛擬儀器之后儀器儀表領(lǐng)域出現(xiàn)的又一個新的發(fā)展方向，它是將Internet技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，繼承并發(fā)展了虛擬儀器的概念，延伸和擴大了虛擬儀器的資源。網(wǎng)絡化儀器充分利用網(wǎng)絡，將虛擬儀器的各個功能分布到網(wǎng)絡上的不同位置，非常靈活地完成各種測試任務[2]。通過網(wǎng)絡還可以共享各種資源，利于同行之間的交流溝通。網(wǎng)絡化儀器已廣泛應用于遠程測試、故障監(jiān)測、遠程控制等領(lǐng)域。

1 網(wǎng)絡化儀器的結(jié)構(gòu)和功能

1.1 網(wǎng)絡化儀器的結(jié)構(gòu)與工作原理

該文以基于Web的網(wǎng)絡化頻譜分析儀為例對網(wǎng)絡儀器系統(tǒng)進行分析，網(wǎng)絡儀器是由硬件采集系統(tǒng)、服務器、數(shù)據(jù)庫和信號分析處理等組成,它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

用戶首先通過Web瀏覽器登陸服務器，并從Web服務器下載頻譜分析儀用戶端程序，用戶端程序可以自動嵌入到瀏覽器中運行并與數(shù)據(jù)服務組件通信。

圖1 網(wǎng)絡化頻譜分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在用戶端進行各種設置后，就可以通過數(shù)據(jù)服務器控制采集計算機進行數(shù)據(jù)采集。

信號采集系統(tǒng)由信號調(diào)理器、PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡組成。信號傳送到信號調(diào)理電路,由信號調(diào)理電路對它進行放大、濾波、隔離等處理，調(diào)理后的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入采集計算機。采集計算機與數(shù)據(jù)服務組件進行數(shù)據(jù)通信，將信號發(fā)送到頻譜分析儀的用戶端程序，用戶端程序?qū)y試信號進行頻譜分析和處理，得到測試結(jié)果，并按要求顯示，將結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫中。此外用戶還可以獲得數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進行分析，并將分析結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫中。

1.2 網(wǎng)絡化儀器的功能

網(wǎng)絡化頻譜分析儀用戶端如圖2，它提供了單通道頻譜分析儀功能，信號獲取后，即可以進行信號的測試和分析。其主要功能有時域統(tǒng)計分析、幅值域分析、相關(guān)分析、頻譜分析、數(shù)字濾波等。如果網(wǎng)絡帶寬允許，還能夠?qū)崟r觀察輸入信號的時域顯示和頻域顯示。在進行實時顯示時，采樣頻率受到網(wǎng)絡傳輸帶寬的限制，兩者的關(guān)系如下：

采樣頻率≤網(wǎng)絡帶寬/8s（數(shù)據(jù)采用float類型時s=4；采用 double類型時 s=8）

圖2 網(wǎng)絡化頻譜分析儀用戶端

面板上可選擇數(shù)據(jù)獲取的類型，設置采樣參數(shù)；在顯示區(qū)域可以對顯示的波形進行放大縮小操作，可以翻頁；可以進行光標讀數(shù)，任意兩點數(shù)據(jù)進行對比等操作。

2 系統(tǒng)開發(fā)平臺和設計

2.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺

系統(tǒng)采用Visual Studio.net 2003開發(fā)平臺，它提供一個統(tǒng)一的集成開發(fā)環(huán)境及工具，大大提高了開發(fā)者的效率；集成了多種語言支持；簡化了服務器端的開發(fā)；提供了高效地創(chuàng)建和使用網(wǎng)絡服務的方法，可以高效地開發(fā)Internet應用程序。在該平臺下，主要采用以下技術(shù)完成系統(tǒng)的開發(fā)。

（1）.net組件。.net組件技術(shù)最重要的特點就是其組件所具有的“即插即用”的能力，可以提高效率，有利于程序的部署，無需注冊到Windows注冊表中便能安裝。在組件部署時將用戶界面組件和它的顯示頁面放于IIS同一目錄下，在顯示頁面中包含如下代碼，用于組件的自動加載。

（2）asp.net。asp.net運行在服務器端，使用編譯后的語言，提高了性能和伸縮性。

（3）Socket。在系統(tǒng)中，使用Socket套接字進行通信。通信協(xié)議采用TCP協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（4）ado.net和數(shù)據(jù)庫。ado.net用于數(shù)據(jù)庫的連接，相對于ado更具有通用性，它聚集了所有可以進行數(shù)據(jù)處理的類，比如索引、排序、瀏覽等。數(shù)據(jù)庫采用SQLServer2000。

（5）多線程。在系統(tǒng)設計中，利用多線程技術(shù)實現(xiàn)人機交互、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理和圖形顯示等多任務同時進行。

2.2 系統(tǒng)組成與運行過程

利用組件技術(shù)構(gòu)建各種組件，將組件部署在網(wǎng)絡的不同位置完成系統(tǒng)的功能[3]。根據(jù)需要實現(xiàn)了以下組件：用戶界面、信號采集、數(shù)據(jù)服務、信號分析處理、數(shù)據(jù)庫連接組件、登錄組件，組件在系統(tǒng)中的位置如圖3所示。

系統(tǒng)運行過程包括用戶登錄、數(shù)據(jù)獲取、信號處理分析和數(shù)據(jù)存儲等。

（1）用戶登錄。用戶通過瀏覽器訪問IIS服務器，首先顯示用戶登陸頁面，瀏覽器將用戶名和密碼發(fā)送至服務器，登錄組件根據(jù)用戶名和密碼判斷用戶是否有權(quán)限運行網(wǎng)絡化頻譜分析儀。數(shù)據(jù)庫將用戶登陸的信息記錄下來。通過驗證后，客戶端自動從服務器下載.net用戶端組件，并嵌入瀏覽器中運行。該組件可顯示虛擬儀器面板，連接數(shù)據(jù)服務組件傳輸數(shù)據(jù)，并對信號進行分析處理。

圖3 網(wǎng)絡化儀器組件構(gòu)成

數(shù)據(jù)獲取。數(shù)據(jù)獲取有兩種方式，一種是獲取實時數(shù)據(jù)，另一種是獲取歷史數(shù)據(jù)。因為同一時刻只能有一個用戶擁有采集卡的控制權(quán)，所以獲取實時數(shù)據(jù)時只有一個用戶可以設置信號采集的參數(shù)，獲得符合自己要求的信號，其他用戶有3種選擇：

等待對采集卡的控制權(quán)，在數(shù)據(jù)服務組件中有一個排隊隊列，用于對發(fā)出請求采集卡控制權(quán)的用戶進行排隊。當擁有控制權(quán)的用戶完成對數(shù)據(jù)的采集后，將控制權(quán)交給隊列中第一個用戶。定時對隊列的用戶狀態(tài)進行查詢，排除放棄請求的用戶。

獲得和當前控制采集卡的用戶同樣的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)服務組件將當前采集的信號發(fā)送到這類用戶端。

獲取歷史數(shù)據(jù)，將歷史數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中提取出來進行顯示分析。

（2）信號處理分析[4]。對獲得的數(shù)據(jù)進行時域和頻域中的分析處理。為了減輕服務器的壓力，將這個功能與用戶界面一同部署在瀏覽器端，信號處理結(jié)果直接顯示在瀏覽器中。如果需要保存處理結(jié)果，可以通過數(shù)據(jù)服務組件連接數(shù)據(jù)庫，將結(jié)果存于數(shù)據(jù)庫中。

（3）數(shù)據(jù)存儲。由于在瀏覽器中不能對硬盤進行寫操作，所以需要將信號分析處理的結(jié)果保存在遠程數(shù)據(jù)庫中。

2.3 組件設計與實現(xiàn)[5]

組件設計采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O計，完成了以下.net組件：

（1）用戶界面組件用于顯示頻譜分析儀面板（見圖1）。面板包括時域與幅值譜旋鈕，可以實現(xiàn)時域分析和頻域分析；功率譜密度旋鈕，可以實現(xiàn)頻域分析；濾波與相關(guān)旋鈕，實現(xiàn)數(shù)字濾波和自相關(guān)功能；窗函數(shù)旋鈕，實現(xiàn)對窗函數(shù)的選擇，可選擇矩形窗、漢寧窗、海明窗、布克窗、高斯窗、余弦窗等；數(shù)據(jù)獲取按鈕，包括4種獲取方式，實時數(shù)據(jù)、實時獲取且顯示波形、共享數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)；數(shù)字濾波控制按鈕，包括高通、低通、帶通、帶阻、設置和存盤。

（2）信號分析處理組件對信號在用戶端進行時域和頻域的分析處理。時域分析包括顯示時域波形、統(tǒng)計特征值、概率直方圖、概率密度函數(shù)；頻域分析包括加窗函數(shù)、幅值譜、對數(shù)幅值譜、幅值倒頻譜、功率譜、功率譜密度、對數(shù)譜密度、功率譜密度倒頻譜等，還可以進行數(shù)字濾波和自相關(guān)分析。

（3）數(shù)據(jù)服務組件是該系統(tǒng)的核心，它負責與用戶界面組件、信號分析處理組件、數(shù)據(jù)庫連接組件、信號采集組件等進行相互通信。在系統(tǒng)中利用多線程技術(shù)管理與各個組件之間的通信。圖4表示數(shù)據(jù)服務組件通信示意圖。

圖4 數(shù)據(jù)服務組件結(jié)構(gòu)

用戶偵聽線程偵聽來自用戶端的連接，并創(chuàng)建線程與用戶建立連接。創(chuàng)建的線程添加到數(shù)據(jù)服務組件的線程數(shù)組中，通過該線程數(shù)組對所有用戶連接線程進行管理。對應數(shù)據(jù)的3種獲取方式，這些連接線程也分為3種。在圖4中線程3獲取采集卡的實時數(shù)據(jù)，線程4獲得數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，線程5獲得實時共享數(shù)據(jù)。線程1是與數(shù)據(jù)采集通信的線程，線程2是與數(shù)據(jù)庫連接通信的線程。

系統(tǒng)啟動后，數(shù)據(jù)服務組件進行初始化，打開用戶偵聽線程。如果用戶請求獲得采集卡的數(shù)據(jù)，則將采樣指令發(fā)給數(shù)據(jù)采集線程。數(shù)據(jù)采集線程將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到共享數(shù)據(jù)緩存，共享數(shù)據(jù)緩存的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)庫。如果這時有用戶請求實時共享數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)同時發(fā)送到該用戶。如果用戶請求數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，則如圖4中線程5所示，將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)直接發(fā)送給用戶。

圖5 偏心電機振動測試

圖6 測試分析結(jié)果

在TCP/IP網(wǎng)絡環(huán)境下，組件之間的通信過程是利用TCP/IP協(xié)議中的傳輸層接口Socket來實現(xiàn)。

（4）登錄組件。登錄組件接收用戶的請求信息，查詢數(shù)據(jù)庫以確定用戶是否有相應權(quán)限，并且區(qū)分3種獲取數(shù)據(jù)的方式。

（5）信號采集。信號采集組件接收用戶發(fā)來的采集指令，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務組件中。

信號采集組件部署在數(shù)據(jù)采集計算機上，為了更加容易地控制采集卡，信號采集程序采用了傳統(tǒng)的桌面程序。

（6）數(shù)據(jù)庫連接。該組件將數(shù)據(jù)庫連接、查詢、添加、刪除、存儲等功能封裝在一起，與數(shù)據(jù)服務組件部署在一起。

3 應用實例

該測試實驗采用ZK-3VIC型虛擬測試振動與控制實驗裝置的實驗臺架[6]，測試對象為偏心電動機的振動信號測試分析，如圖5所示[7]。實驗設備準備就緒后，用戶即可通過網(wǎng)絡訪問Web服務器，基于Web的網(wǎng)絡化頻譜分析儀運行如圖1所示。該儀器在內(nèi)部局域網(wǎng)運行正常，圖6表示網(wǎng)絡化頻譜分析儀對偏心電機振動信號的分析結(jié)果。

4 結(jié)束語

基于Web的網(wǎng)絡化頻譜分析儀采用網(wǎng)絡技術(shù)、組件技術(shù)、多線程技術(shù)將傳統(tǒng)虛擬儀器的面板和分析功能嵌入用戶瀏覽器中，實現(xiàn)分析儀器的功能，具有在用戶端不需要軟件安裝，只需要用戶利用瀏覽器連接Internet；用強大的數(shù)據(jù)庫服務器對用戶的數(shù)據(jù)進行管理，提高了可靠性和安全性；用戶在使用儀器時不受地點限制等特點。

[1] Jamahl Overstreet，Anthony Tzes1.Internet-based client/server virtual instrument designs for real-time remoteaccess control engineering[C]∥IEEE American Control Conference，San Diego，CA USA，1999.

[2] 何嶺松，張蓉.基于Web的網(wǎng)絡化虛擬儀器技術(shù)及應用[J].中國機械工程，2002，5（1）：759-761.

[3]尹愛軍.秦氏模型——基于智能虛擬控件的儀器[M].2版.北京：科學出版社，2008（11）：189-190.

[4] 秦樹人.工程信號處理[M].北京：科學出版社，2008（3）：9-10

[5] 秦樹人.智能控件化虛擬儀器[M].北京：科學出版社，2004（9）：159-163.

[6] 秦樹人.現(xiàn)代虛擬儀器[M].北京：機械工業(yè)工業(yè)出版社，2011（3）：432.

[7]楊炯明.虛擬式旋轉(zhuǎn)機械振動信號特征分析儀[J].中國機械工程，2005（3）：432-435.