楊瑞華1，薛飛彪1，王 宇2，蔣樹(shù)慶1，寧家敏1，陳法新1，黃展常1，楊建倫1，葉 繁1

（1.中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽(yáng) 621900；2.綿陽(yáng)市互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室，四川綿陽(yáng) 621000）

基于虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的綜合實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊瑞華1，薛飛彪1，王 宇2，蔣樹(shù)慶1，寧家敏1，陳法新1，黃展常1，楊建倫1，葉 繁1

（1.中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽(yáng) 621900；2.綿陽(yáng)市互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室，四川綿陽(yáng) 621000）

為實(shí)現(xiàn)大型物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多樣的儀器控制，分析了物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、過(guò)程、環(huán)境及儀器控制功能需求，利用虛擬儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，建立了一套集成硬件和軟件的綜合控制管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)記錄系統(tǒng)中示波器狀態(tài)遠(yuǎn)程批量設(shè)置及波形數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、控制探測(cè)系統(tǒng)的高壓電源并發(fā)加壓或退壓、保障各測(cè)試項(xiàng)目間測(cè)試儀器之間時(shí)間關(guān)聯(lián)、監(jiān)控UPS電量和遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)圖片或視頻狀態(tài)；給出了系統(tǒng)的關(guān)鍵的設(shè)計(jì)思路，列舉了某型示波器控制的通用控制代碼；結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了一人總控或多人分權(quán)控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程中多種多臺(tái)儀器的目標(biāo)，方便快捷地實(shí)現(xiàn)不同品牌不同類型示波器的相同功能。

實(shí)驗(yàn)控制；數(shù)據(jù)采集；虛擬儀器；管理信息系統(tǒng)；Delphi；SQL server

0 引言

伴隨現(xiàn)代大型綜合實(shí)驗(yàn)（例如Z－pinch物理實(shí)驗(yàn)）往前推進(jìn)，測(cè)試參數(shù)要求越來(lái)越多，測(cè)試項(xiàng)目構(gòu)架也越來(lái)越繁瑣，測(cè)試精度要求越來(lái)越高，測(cè)試環(huán)節(jié)也越來(lái)越復(fù)雜［1］。

由于物理實(shí)驗(yàn)時(shí)間間隔不確定性、環(huán)境多樣性、人員的流動(dòng)性，統(tǒng)一儀器控制需求變得越來(lái)越迫切［2 4］。軟件系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)儀器有報(bào)道，類似物理實(shí)驗(yàn)中，有的文獻(xiàn)報(bào)道在需求對(duì)象發(fā)生改變時(shí)，不重新編寫(xiě)軟件代碼，追求實(shí)現(xiàn)“零代碼”控制軟件設(shè)計(jì)［5］。

對(duì)于采集短時(shí)和超短時(shí)動(dòng)態(tài)信號(hào)的測(cè)試［6］，有報(bào)道采用了多通道同步控制技術(shù)［7］。

實(shí)踐中，為滿足實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)儀器控制的方便、數(shù)據(jù)采集的快捷及數(shù)據(jù)的集中管理需求，建立了移動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支撐的硬件控制平臺(tái)，并利用delphi＋Sql Server開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中管理信息系統(tǒng)軟件，組成綜合實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)試儀器集中控制、示波器等記錄儀器數(shù)據(jù)采集、UPS電源的電量監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)狀況的視頻監(jiān)視及遠(yuǎn)端屏蔽間內(nèi)電源的自動(dòng)通斷切換控制。

在以前實(shí)現(xiàn)示波器波形數(shù)據(jù)快速獲?。?］的基礎(chǔ)上，新軟件系統(tǒng)中增加了示波器的數(shù)據(jù)庫(kù)控制指令記錄技術(shù)。有了這種技術(shù)，對(duì)于新型號(hào)而又支持VISA規(guī)范的數(shù)字示波器，不需要再修改軟件代碼，只需要數(shù)據(jù)庫(kù)中增加一條記錄，測(cè)試好各個(gè)模塊的控制指令，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)其遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集操作。

通過(guò)這一系列措施，構(gòu)建操作簡(jiǎn)單實(shí)用、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，解放物理實(shí)驗(yàn)測(cè)試人員非常有必要和現(xiàn)實(shí)意義。

1 需求分析

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在強(qiáng)脈沖輻射場(chǎng)中，為使測(cè)試信號(hào)不失真，測(cè)試子系統(tǒng)的控制儀器和記錄儀器都不能遠(yuǎn)離脈沖信號(hào)探測(cè)子系統(tǒng)。為保證信號(hào)不受實(shí)驗(yàn)裝置輻射場(chǎng)的強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾，現(xiàn)場(chǎng)需要良好的屏蔽箱體，各種控制和記錄儀器等均放置在箱體內(nèi)。示意圖參見(jiàn)圖1。

圖1 大廳、記錄間和控制示意圖

存放控制儀器的屏蔽箱空間，由于脈沖裝置現(xiàn)場(chǎng)空間限制，箱體較小，在放置了必須的測(cè)試儀器后，只能擺放功率較小的UPS電源。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)由分布在不同位置的多個(gè)屏蔽體內(nèi)的子系統(tǒng)，通過(guò)光纖計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)記錄間的控制系統(tǒng)組成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成示意圖參考文獻(xiàn)［8］。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

輻射脈沖物理實(shí)驗(yàn)每一脈沖爆發(fā)，需要較長(zhǎng)的幾天準(zhǔn)備時(shí)間。測(cè)試儀器靠近測(cè)試源，物理實(shí)驗(yàn)人員在正式實(shí)驗(yàn)前后一段時(shí)間內(nèi)均無(wú)法接近實(shí)驗(yàn)儀器。并且為了消除干擾，必須切斷屏蔽箱內(nèi)儀器的市電電源。

單次實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程示意圖參見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)從開(kāi)始到結(jié)束，大約分為“關(guān)屏蔽間”、“關(guān)閉大廳”、“脈沖實(shí)驗(yàn)”和“開(kāi)啟大廳”等10個(gè)重要?jiǎng)幼魇录?jié)點(diǎn)，由于客觀因素（比如由于項(xiàng)目調(diào)整及更換實(shí)驗(yàn)源等，導(dǎo)致裝置真空度不確定等）限制，這10個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間是不能完全確定的。

圖2 單次實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖

在未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電源切換前，在B步“關(guān)屏蔽間”前只能采用UPS供電。由于裝置的大系統(tǒng)不是非常確定，B步時(shí)刻到正式實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不確定度較大，可能出現(xiàn)UPS供電不足而導(dǎo)致儀器關(guān)機(jī)情況。因此了解UPS電量能否支撐系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要。

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電源切換后，在D步“實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備”節(jié)點(diǎn)后，才采用UPS供電直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，時(shí)間不確定度小了；并且UPS電量檢測(cè)數(shù)據(jù)可以作為是否能夠支撐足夠供電的依據(jù)；在進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn)時(shí)刻前，可以再次遠(yuǎn)程切換市電給UPS充電。到實(shí)驗(yàn)時(shí)間G步“數(shù)據(jù)采集”和H步“恢復(fù)市電”可以同步完成。

1.3 控制需求

包括功能需求和性能需求兩大部分。

1.3.1 功能需求

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。不僅能夠讀取儀器當(dāng)前狀態(tài)，并且能夠設(shè)置狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間良好的信號(hào)關(guān)聯(lián)。

不僅遠(yuǎn)程查詢（參數(shù)）儀器狀態(tài)，為了直觀還需要查看（視頻）遠(yuǎn)程儀器狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)在最佳時(shí)間采用UPS電池為儀器供電，自動(dòng)計(jì)算功率和電量使用時(shí)間。在電量不足以支撐到脈沖發(fā)生時(shí)間的情況下，為實(shí)驗(yàn)“暫?！碧峁Q策支持。

1.3.2 性能需求

1）穩(wěn)定可靠，不能出現(xiàn)控制指令不到位，甚至發(fā)出錯(cuò)誤指令情況。采集的數(shù)據(jù)信息應(yīng)真實(shí)地反映遠(yuǎn)端狀況。

2）方便迅速，操作必須方便易懂，在長(zhǎng)時(shí)間不接觸示波器的情況下，仍然能夠快速而熟練操作，減小實(shí)驗(yàn)人員重新學(xué)習(xí)示波器使用困難。

3）安全控制，做到所有系統(tǒng)及其儀器都可以集中控制和關(guān)聯(lián)控制，并可以根據(jù)權(quán)限進(jìn)行分系統(tǒng)控制，分系統(tǒng)控制時(shí)不能出現(xiàn)錯(cuò)誤控制情況。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制支撐硬件平臺(tái)通過(guò)服務(wù)器、控制計(jì)算機(jī)、交換機(jī)、示波器、高壓電源、同步機(jī)、電源控制橋接器、UPS監(jiān)控適配器、視頻攝像頭的互相連接，搭建了遠(yuǎn)程控制硬件基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

視頻攝像頭和UPS控制器，均通過(guò)RJ45網(wǎng)絡(luò)接口接入基礎(chǔ)平臺(tái)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

UPS通過(guò)RS232接口接入U(xiǎn)PS監(jiān)控適配器，適配器的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口接入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的有效控制。

2.1.2 電源切換設(shè)計(jì)

屏蔽箱內(nèi)放置實(shí)驗(yàn)控制和數(shù)據(jù)記錄儀器，屏蔽箱放置于強(qiáng)輻射場(chǎng)附近。

由于大型實(shí)驗(yàn)的很多不可控因素，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)刻的不確定性，為保障屏蔽箱內(nèi)儀器有更富余的供電時(shí)間，需要盡量長(zhǎng)時(shí)間采用市電進(jìn)行供電，在脈沖爆發(fā)前很長(zhǎng)一段時(shí)間不能進(jìn)入屏蔽箱體的情況下，在脈沖爆發(fā)前快速切換成UPS供電。

通過(guò)電源控制橋接器（研發(fā)）、控制推桿（研發(fā)）、電源變壓器（研發(fā)），再利用控制軟件可以實(shí)現(xiàn)電源的遠(yuǎn)程切換。即在脈沖爆發(fā)前一小段時(shí)間，切斷屏蔽箱的外部市電供電，減少?gòu)?qiáng)脈沖電磁波對(duì)測(cè)試信號(hào)的干擾。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 探測(cè)采集模塊設(shè)計(jì)

探測(cè)控制主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)探測(cè)儀器的控制，主要包括示波器、高壓電源及時(shí)間信號(hào)同步控制。

統(tǒng)一界面，統(tǒng)一功能函數(shù)，靈活適應(yīng)不同型號(hào)示波器，避免變化而帶來(lái)程序的重新修改，已經(jīng)成為一種新趨勢(shì)。設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)庫(kù)指令記錄方式（參見(jiàn)下表1），增加不同示波器種類時(shí)，只需要配置數(shù)據(jù)庫(kù)即可，不必要重新編寫(xiě)軟件。

設(shè)置和獲取示波器的參數(shù)有水平參數(shù)（采樣率、掃速［記錄長(zhǎng)度］、時(shí)間延遲［觸發(fā)位置］）、垂直參數(shù)（通道開(kāi)關(guān)、輸入阻抗、垂直靈敏度、垂直位置、垂直偏移、耦合方式）及觸發(fā)參數(shù)（觸發(fā)源、觸發(fā)方式、觸發(fā)電平、觸發(fā)沿及觸發(fā)狀態(tài)）。

表1 通用示波器狀態(tài)控制

通過(guò)增加或改變數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的方式，實(shí)現(xiàn)多型號(hào)示波器、高壓電源、同步機(jī)的集中控制，以及示波器記錄數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集存儲(chǔ)。根據(jù)“通道總數(shù)（SBQ_CHCount）”字段數(shù)量，循環(huán)讀取各通道狀態(tài)。

2.2.2 實(shí)時(shí)狀態(tài)獲取設(shè)計(jì)

電量監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)定時(shí)顯示UPS電源電量，輸入輸出電壓，負(fù)載等，測(cè)算電量使用剩余時(shí)間。

視頻圖像模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)程狹小空間現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，在軟件控制模塊采集實(shí)驗(yàn)信號(hào)同時(shí)，記錄屏蔽間的現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面，作為實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.2.3 電源切換模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)實(shí)驗(yàn)信號(hào)控制人員發(fā)出在多少時(shí)間（分鐘級(jí)別）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，給電源控制橋接器發(fā)送一個(gè)控制信號(hào)，通過(guò)該控制信號(hào)，控制推桿實(shí)現(xiàn)電源由市電切換為UPS供電。

示波器觸發(fā)采集實(shí)驗(yàn)完成，軟件在收到該指令后，自動(dòng)切換發(fā)送信號(hào)到控制橋接器，控制推桿切換到市電供電。

3 運(yùn)行效果

3.1 電源切換

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)人員在系統(tǒng)控制間就可以在脈沖爆發(fā)前快速切換到UPS供電，UPS供電時(shí)，屏蔽間與市電完全隔離，從而降低裝置脈沖爆發(fā)時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的電磁干擾。當(dāng)然，必要時(shí)也可遠(yuǎn)程切換到市電狀態(tài)。參見(jiàn)圖3左下角。

3.2 遠(yuǎn)程控制

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)示波器（圖3右下角）、高壓電源（圖3右上角）、時(shí)間信號(hào)同步機(jī)、遠(yuǎn)程電源等不同種類型、不同對(duì)象的遠(yuǎn)程控制，滿足需求。

3.3 狀態(tài)控制

示波器狀態(tài)遠(yuǎn)程讀取?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)部通過(guò)連接指令自動(dòng)識(shí)別示波器型號(hào)，調(diào)用對(duì)應(yīng)控制代碼設(shè)置示波器狀態(tài)?？梢詥闻_(tái)遠(yuǎn)程設(shè)置，也可以多臺(tái)同時(shí)設(shè)置，參見(jiàn)圖4。

圖3 軟件遠(yuǎn)程控制界面

圖4 單臺(tái)設(shè)置（對(duì)應(yīng)表1）

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

軟件在編寫(xiě)完成后，物理實(shí)驗(yàn)人員經(jīng)過(guò)幾次磨合，現(xiàn)在已經(jīng)能夠獨(dú)立使用。系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)也不再需要專業(yè)人員即可完成。

軟件編寫(xiě)測(cè)試過(guò)程中，高壓控制部分出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，分析測(cè)試表明因?yàn)槎嗑€程控制中與軟件提示界面進(jìn)行交互時(shí)出錯(cuò)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試問(wèn)題解決。

軟件已經(jīng)控制示波器對(duì)象已經(jīng)是幾種品牌，多種型號(hào)。這里提煉出來(lái)的共同參數(shù)，滿足實(shí)驗(yàn)需求，但不同型號(hào)的更深入全面控制，卻不能歸入同一界面，需要分別對(duì)待。

5 結(jié)語(yǔ)

利用虛擬儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)計(jì)算機(jī)一人或多臺(tái)計(jì)算機(jī)多人分權(quán)限對(duì)所有儀器遠(yuǎn)程控制。

系統(tǒng)不僅能夠獲取遠(yuǎn)程儀器的狀態(tài)，并且可以設(shè)置其狀態(tài)。不僅可以控制數(shù)據(jù)記錄儀器，而且探測(cè)系統(tǒng)控制儀器、時(shí)間關(guān)聯(lián)同步儀器也能夠控制。外圍支撐設(shè)備狀態(tài)及遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)也能實(shí)時(shí)掌握。系統(tǒng)交互性足，現(xiàn)場(chǎng)感強(qiáng)，不僅實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端的身臨其境，并且能夠迅速掌握和控制整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。公布的示波器狀態(tài)控制關(guān)鍵設(shè)計(jì)思路，對(duì)于同行有參考作用。

［1］楊瑞華，葉 繁，蒙世堅(jiān)，等.Z－pinch實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集中管理設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) ［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2014，34（2）：152-155.

［2］渠紅光，阮林波，田 耕.通用示波器軟件控制平臺(tái)的研制［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24（11）：52-54，55.

［3］儲(chǔ)厚斌，張麗華，郭 晶，等.航天通用測(cè)發(fā)控軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，23（5）：1799-1801.

［4］杜占龍，譚業(yè)雙.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)控技術(shù)，2012，31（4）：96-99.

［5］蔡斐華，儲(chǔ)厚斌，張麗曄，等.通用實(shí)物設(shè)備接入技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，23（5）：1810-1812.

［6］張 榮，陳 穎，黃?，摚?超高速多通道瞬態(tài)測(cè)試系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（11）：3500 -3503.

［7］安 平，張 志，耿景都，等.大型通用靜力試驗(yàn)平臺(tái)研制與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（12）：4022-4024.

［7］楊瑞華，楊建倫，侯 毅，等.一種大型實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器集中并發(fā)控制關(guān)鍵技術(shù)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（9）：3245-3247.

A Synthetic Experimental Controlling System Based on Virtual Instrument and Network

Yang Ruihua1，Xue Feibiao1，Wang Yu2，Jiang Shuqing1，Ning Jiamin1，Chen Faxin1，Huang Zhanchang1，Yang Jianlun1，Ye Fan1
（1.Institute of Nuclear Physics and Chemistry，CAEP，Mianyang 621900，China；2.Mianyang Internet Information Office，Mianyang 621000，China）

In order to control the complex field of physical experiment by instrument，the requirement of controlling by Virtual Instrument（VI）and the characteristics of the experiment are discussed at first.With the help of VI technology，a synthetic experimental controlling system is built，which includes several advanced functions，such as remote batch setting of the status of oscilloscopes，automatic collection of scope waveforms.Meanwhile，the system can also be used for the concurrence control of voltage－enhancing and voltage－reducing of high－voltage power supply，and the time correlation control of the instrument.For the experiment field monitoring，the power of UPS and pictures or videos of the field can be obtained through this system.The key techniques and the core thoughts are given in the article and the core code of a certain type of oscilloscope are listed.The result shows that the system accomplishes the goal of controlling the status of various instruments by a general control（operated by one person）or by decentralized control（operated by several people），and this system can be further used for controlling different types of oscilloscope in the same way.

experimental control；wave data collect；virtual instrument；network；MIS；Delphi；SQL server

1671-4598（2016）08-0083-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.022

：TP273

：A

2016-01-28；

：2016-03-18。

楊瑞華（1965-），男，四川峨眉人，副研究員，學(xué)士，主要從事實(shí)驗(yàn)信息系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和信息安全方向的研究。