摘 要：本文深入研究了基于交換式Ethernet的虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)，對(duì)交換式Ethernet和基于交換式Ethernet的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)做了詳細(xì)的分析，并闡述了對(duì)該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：交換式Ethernet;虛擬儀器;網(wǎng)絡(luò)測(cè)試;DataSocket 0 引 言 　　隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)通信、網(wǎng)絡(luò)工程和信息管理等系統(tǒng)性能的巨大改進(jìn)，出現(xiàn)了將自動(dòng)測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)的時(shí)機(jī)。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將分散在不同地方、功能不同的測(cè)試設(shè)備聯(lián)系在一起，使得昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)得以共享，從而減少設(shè)備的重復(fù)投資，有利于降低測(cè)試系統(tǒng)的成本，實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備的遠(yuǎn)距離診斷與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)控和資源共享。 1 用于虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)的交換式Ethernet技術(shù) 　　實(shí)時(shí)控制及其確定性實(shí)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試任務(wù)的重要指標(biāo)，也是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Ethernet的應(yīng)用給網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試帶來(lái)了新的希望，它在傳輸信息的性能、速度、質(zhì)量是其它現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)無(wú)法比擬的。 　　1.1 Ethernet技術(shù)簡(jiǎn)介 　　Ethernet技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Ethernet系統(tǒng)最早是由Xerox公司創(chuàng)建的，它利用載波多路偵聽/沖突檢測(cè)機(jī)制來(lái)解決介質(zhì)的沖突問(wèn)題。在這種方法中，所有工作站共享一根網(wǎng)絡(luò)電纜，但某一時(shí)刻只有一臺(tái)工作站可以使用電纜。Ethernet適配器只有當(dāng)它獨(dú)占電纜時(shí)，才用在共享網(wǎng)上傳輸信息分組。沖突檢測(cè)用于解決對(duì)電纜的同時(shí)訪問(wèn)。當(dāng)電纜空閑時(shí)，兩個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)可能同時(shí)試圖訪問(wèn)它。如果它們同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，這些站點(diǎn)所發(fā)送的信息就會(huì)發(fā)生碰撞，其結(jié)果是信息被破壞。Ethernet使用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，采用CSMA/CD協(xié)議解決介質(zhì)訪問(wèn)沖突，使用CSMA/CD協(xié)議，檢測(cè)機(jī)制監(jiān)測(cè)到?jīng)_突時(shí)，工作站點(diǎn)就停發(fā)并在一任意長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)重發(fā)。重發(fā)時(shí)間是0到 -1內(nèi)的隨機(jī)時(shí)間片，其中i是指第i個(gè)沖突事件，而一個(gè)時(shí)間片長(zhǎng)指一個(gè)來(lái)回發(fā)送所需的最短的時(shí)間。CSMA/CD機(jī)制有效地減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞和傳輸沖突，網(wǎng)橋、集線器的應(yīng)用使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以任意拓展，同時(shí)把網(wǎng)絡(luò)分割成為獨(dú)立的沖突域，改進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，進(jìn)一步提高了性能。 　　CSMA/CD方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很輕時(shí)是很有效的，但當(dāng)通信量增大時(shí)，更多沖突將會(huì)發(fā)生。CSMA/CD機(jī)制引起人們對(duì)確定性的關(guān)心，特別是用于實(shí)時(shí)測(cè)試、控制和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。 　　1.2 交換式Ethernet 　　眾所周知，過(guò)去使用的Ethernet均是一種共享式Ethernet系統(tǒng)，但是目前在局域網(wǎng)上的工作站點(diǎn)的數(shù)目明顯增加了，大量的數(shù)據(jù)要在網(wǎng)上傳輸，這就要求網(wǎng)絡(luò)有更高的數(shù)據(jù)傳輸率。但是共享式Ethernet受CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制方式的制約，各個(gè)站點(diǎn)都去競(jìng)爭(zhēng)和共享網(wǎng)絡(luò)的帶寬，因而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)處在一個(gè)碰撞域范圍中。在一個(gè)碰撞域中，站點(diǎn)數(shù)越多，則每個(gè)站點(diǎn)得到的帶寬越少，也就是說(shuō)，每秒往介質(zhì)上發(fā)送的數(shù)據(jù)量越少。在這種情形下，一種交換式Ethernet應(yīng)運(yùn)而生。 　　從共享式Ethernet發(fā)展到交換式Ethernet，這是局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍，主要體現(xiàn)在解決了系統(tǒng)的帶寬問(wèn)題，使系統(tǒng)的帶寬成十、百倍地增長(zhǎng)。在交換式Ethernet中使用了一種交換式集線器，以它為核心設(shè)備連接站點(diǎn)或者網(wǎng)段，如圖1所示。交換式集線器的主要特點(diǎn)是所有端口平時(shí)都不連通，當(dāng)工作站需要傳送信息時(shí)，交換式集線器能同時(shí)連通許多端口，使每一對(duì)端口相互通信的工作站都能像獨(dú)占通信介質(zhì)那樣進(jìn)行無(wú)沖突地傳輸數(shù)據(jù)，通信完成后就斷開連接。因此，端口間幀的輸入和輸出已不再受到CSMA/CD介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議的約束。假如原來(lái)Ethernet傳輸率是100Mb/s，使用交換式集線器后，雖然數(shù)據(jù)傳輸率沒(méi)有改變，但是一個(gè)用戶在通信時(shí)是獨(dú)占而不是和其他用戶共享傳輸介質(zhì)的帶寬，因此，對(duì)于擁有N對(duì)端口的交換式集線器，其總?cè)萘烤妥優(yōu)镹 100Mb/s?？梢姡貙捳麄€(gè)系統(tǒng)帶寬是交換式Ethernet的最大的特點(diǎn)。 [align=center] 圖1 Ethernet集線器[/align] 　　1.3 交換式Ethernet技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 　　Ethernet是一種非常經(jīng)濟(jì)的、有效的網(wǎng)絡(luò)，可以滿足大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試的要求。它的徹底開放性和應(yīng)用的廣泛性是目前任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線無(wú)法比擬的。最新發(fā)展起來(lái)的交換式Ethernet比以前的共享式Ethernet更具優(yōu)越性，它既具有傳統(tǒng)Ethernet的各種優(yōu)點(diǎn)，比如：成本低、通信率高、徹底的開放性、能滿足控制系統(tǒng)各個(gè)層次的要求、抗干擾能力強(qiáng)等，還具有以下優(yōu)點(diǎn)： 　　（1） 系統(tǒng)的最大帶寬可以達(dá)到端口帶寬的n倍（其中n是端口數(shù)）。也就是端口越多，系統(tǒng)能達(dá)到的帶寬也越寬。 　?。?） 每個(gè)端口上都可以連接站點(diǎn)或網(wǎng)段，它們都獨(dú)占10M或100M的帶寬。 　?。?） 被交換器隔離的獨(dú)立網(wǎng)段上的信息流不會(huì)傳播到其他端口上，具有一定數(shù)據(jù)安全性。 　　（4） 被交換器連接的多個(gè)網(wǎng)段是相互獨(dú)立和被隔離的，一個(gè)網(wǎng)段的運(yùn)行不會(huì)影響其他網(wǎng)段的運(yùn)行。 2 虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)組成 　　虛擬儀器是利用現(xiàn)有的個(gè)人計(jì)算機(jī)，配上適當(dāng)?shù)膬x器硬件，借助計(jì)算機(jī)專用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)一般儀器測(cè)量功能的新型儀器，具有一般儀器所沒(méi)有的特殊功能。它利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，通過(guò)硬件的配合，大大突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送等方面的限制，使用戶可以方便地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展升級(jí)等。 　　在測(cè)試系統(tǒng)中，常需要對(duì)多臺(tái)儀器設(shè)備進(jìn)行集中控制，并對(duì)它們的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析處理。一個(gè)大的復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集、結(jié)果分析和處理往往分布在不同的地理位置，這就需要由分布在不同的地理位置的若干臺(tái)計(jì)算機(jī)共同完成整個(gè)測(cè)試任務(wù)。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試成為一種十分有效的方式。網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)在物理形體上分布在兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的計(jì)算機(jī)上，每一臺(tái)計(jì)算機(jī)為完成一個(gè)測(cè)試任務(wù)而協(xié)同工作或并行運(yùn)行。因此，可以把它看作是一個(gè)形體上分散，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換信息并能動(dòng)態(tài)接受、執(zhí)行給定任務(wù)的完整的測(cè)試系統(tǒng)。 　　虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)一般由兩大部分組成：一部分是通信部分，即通信網(wǎng)絡(luò);另一部分是由通信網(wǎng)絡(luò)連接的帶網(wǎng)絡(luò)功能的PC機(jī)、虛擬儀器、服務(wù)器，即基本功能單元。測(cè)試底層采用了虛擬儀器，充分發(fā)揮虛擬儀器模塊程控能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試。測(cè)試服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)把虛擬儀器設(shè)備和中央管理計(jì)算機(jī)等連接起來(lái)，組成可以擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試系統(tǒng)。因此，基于Ethernet的虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)組成如圖2所示。 [align=center] 圖2 虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大量測(cè)試儀器互連，大量?jī)x器同時(shí)工作，大量數(shù)據(jù)高速傳輸和交換，從而可以用于大量測(cè)試儀器分散測(cè)試、遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)試、測(cè)試信息需相互交換的大型復(fù)雜系統(tǒng)的測(cè)試中。如果需要將測(cè)試范圍擴(kuò)大，可以通過(guò)路由器或互聯(lián)網(wǎng)接口使多個(gè)測(cè)試系統(tǒng)互聯(lián)，這樣就可以將測(cè)量范圍擴(kuò)大到全國(guó)各地，甚至世界各個(gè)角落能對(duì)同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和信息的相互交流。 3 DataSocket——系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn) 　　DataSocket是由NI公司提供的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)開發(fā)工具，借助它可以在不同的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)源之間共享數(shù)據(jù)。DataSocket使用一種增強(qiáng)數(shù)據(jù)類型來(lái)交換儀器類型的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)類型包括數(shù)據(jù)特性和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。雖然目前已經(jīng)有TCP/IP、DDE等多種用于兩個(gè)應(yīng)用程序之間共享數(shù)據(jù)的技術(shù)，但是這些技術(shù)都不是用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（Live Data）傳輸?shù)?。只有DataSocket是一項(xiàng)在測(cè)量和自動(dòng)化應(yīng)用中用于共享和發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的技術(shù)。利用客戶/服務(wù)器架構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到最優(yōu)化，并使用戶交互式地在網(wǎng)絡(luò)上傳送現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)成為現(xiàn)實(shí)，如圖3所示。 [align=center] 圖3 DataSocket體系結(jié)構(gòu)[/align] 　　DataSocket遵循了TCP/IP協(xié)議，并對(duì)底層進(jìn)行了高度封裝，所提供的參數(shù)簡(jiǎn)單友好，只需要通用資源定位符URL，就可以來(lái)在網(wǎng)絡(luò)中及時(shí)分送所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。DataSocket以自己特有編碼格式表示各種類型的數(shù)據(jù)，包括字符串、數(shù)字、布爾量及波形等，還可以在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和用戶自定義屬性之間建立聯(lián)系。根據(jù)通信需求，LabVIEW提供了一下三個(gè)工具。 　?。?） DataSocket ActiveX 　　DataSocket ActiveX控件是用來(lái)連接數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)宿，并使其共享數(shù)據(jù)的元件，可以用它在Active環(huán)境中開發(fā)共享數(shù)據(jù)應(yīng)用程序 　　（2） DS Server 　　DS服務(wù)器DataSocket Server是一個(gè)小巧、獨(dú)立運(yùn)行的程序，利用DS技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)必須在服務(wù)器和客戶端都要打開DataSocket Server。在兩個(gè)應(yīng)用程序間用DSTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和交換是可行的，發(fā)布數(shù)據(jù)的程序通過(guò)它進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，輸入數(shù)據(jù)的程序找到它接收數(shù)據(jù)。 　　（3） DataSocket Server Manager 　　DS服務(wù)管理器DataSocket Server Manager也是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的小程序，其主要功能是設(shè)置DS Server可連接的客戶數(shù)目和可創(chuàng)建的數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)目、設(shè)置用戶權(quán)限、預(yù)定義數(shù)據(jù)項(xiàng)等。 　　LabVIEW6i以上的LabVIEW版本中，所有控件都增加了一個(gè)叫DataSocket Connection的特殊屬性。利用這個(gè)屬性，就可以將現(xiàn)有的LabVIEW DAQ應(yīng)用程序改造成為具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集功能的DAQ應(yīng)用程序。將客戶端軟件和服務(wù)器軟件分別安裝在客戶機(jī)和DAQ服務(wù)器上，并且在客戶機(jī)和DAQ服務(wù)器上分別運(yùn)行DataSocket Server。然后在DAQ服務(wù)器上運(yùn)行服務(wù)端軟件，在客戶機(jī)運(yùn)行客戶端軟件。這樣就可以在客戶機(jī)上控制服務(wù)器端軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器的網(wǎng)絡(luò)化。 4 結(jié) 論 　　隨著Ethernet性能的不斷提高，其確定性更加好，價(jià)格更低。同時(shí)虛擬儀器具有強(qiáng)大的生命力，是傳統(tǒng)測(cè)試儀器所不能比美的。運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)的設(shè)計(jì)思想構(gòu)造開發(fā)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，并使之網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)了大型、復(fù)雜、危險(xiǎn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測(cè)試。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及在測(cè)試和儀器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于以太網(wǎng)的虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試技術(shù)必將逐步得到廣泛的應(yīng)用，使測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。 參考文獻(xiàn) 　　[1] G.Bucci,E.Fiorucci,and C.Landi,“Digital Measurement Station for Power Quality Analysis in Distributed Environment,” IEEE Trans.Instrum.Meas.,vol.52,no.1,Feb.2003 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