摘 要：本文深入研究了基于交換式Ethernet的虛擬儀器網絡測試技術，對交換式Ethernet和基于交換式Ethernet的網絡測試系統做了詳細的分析，并闡述了對該系統的網絡功能實現。 關鍵詞：交換式Ethernet;虛擬儀器;網絡測試;DataSocket 0 引 言 　　隨著科學技術的飛速發展，數據通信、網絡工程和信息管理等系統性能的巨大改進，出現了將自動測試技術、計算機技術和通信技術結合起來的時機。利用網絡技術將分散在不同地方、功能不同的測試設備聯系在一起，使得昂貴的硬件設備、軟件在網絡內得以共享，從而減少設備的重復投資，有利于降低測試系統的成本，實現測試設備的遠距離診斷與維護，實現遠距離測控和資源共享。 1 用于虛擬儀器網絡測試系統的交換式Ethernet技術 　　實時控制及其確定性實現是網絡化測試任務的重要指標，也是一種網絡技術。Ethernet的應用給網絡化測試帶來了新的希望，它在傳輸信息的性能、速度、質量是其它現場總線系統無法比擬的。 　　1.1 Ethernet技術簡介 　　Ethernet技術是目前應用最廣泛的計算機網絡技術。Ethernet系統最早是由Xerox公司創建的，它利用載波多路偵聽/沖突檢測機制來解決介質的沖突問題。在這種方法中，所有工作站共享一根網絡電纜，但某一時刻只有一臺工作站可以使用電纜。Ethernet適配器只有當它獨占電纜時，才用在共享網上傳輸信息分組。沖突檢測用于解決對電纜的同時訪問。當電纜空閑時，兩個或多個站點可能同時試圖訪問它。如果它們同時發送信息時，這些站點所發送的信息就會發生碰撞，其結果是信息被破壞。Ethernet使用IEEE802.3標準，采用CSMA/CD協議解決介質訪問沖突，使用CSMA/CD協議，檢測機制監測到沖突時，工作站點就停發并在一任意長的時間段內重發。重發時間是0到 -1內的隨機時間片，其中i是指第i個沖突事件，而一個時間片長指一個來回發送所需的最短的時間。CSMA/CD機制有效地減少了網絡擁塞和傳輸沖突，網橋、集線器的應用使網絡結構可以任意拓展，同時把網絡分割成為獨立的沖突域，改進了網絡的質量，進一步提高了性能。 　　CSMA/CD方法在網絡負載很輕時是很有效的，但當通信量增大時，更多沖突將會發生。CSMA/CD機制引起人們對確定性的關心，特別是用于實時測試、控制和數據采集領域。 　　1.2 交換式Ethernet 　　眾所周知，過去使用的Ethernet均是一種共享式Ethernet系統，但是目前在局域網上的工作站點的數目明顯增加了，大量的數據要在網上傳輸，這就要求網絡有更高的數據傳輸率。但是共享式Ethernet受CSMA/CD介質訪問控制方式的制約，各個站點都去競爭和共享網絡的帶寬，因而整個網絡系統處在一個碰撞域范圍中。在一個碰撞域中，站點數越多，則每個站點得到的帶寬越少，也就是說，每秒往介質上發送的數據量越少。在這種情形下，一種交換式Ethernet應運而生。 　　從共享式Ethernet發展到交換式Ethernet，這是局域網技術發展的一個飛躍，主要體現在解決了系統的帶寬問題，使系統的帶寬成十、百倍地增長。在交換式Ethernet中使用了一種交換式集線器，以它為核心設備連接站點或者網段，如圖1所示。交換式集線器的主要特點是所有端口平時都不連通，當工作站需要傳送信息時，交換式集線器能同時連通許多端口，使每一對端口相互通信的工作站都能像獨占通信介質那樣進行無沖突地傳輸數據，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介質訪問控制協議的約束。假如原來Ethernet傳輸率是100Mb/s，使用交換式集線器后，雖然數據傳輸率沒有改變，但是一個用戶在通信時是獨占而不是和其他用戶共享傳輸介質的帶寬，因此，對于擁有N對端口的交換式集線器，其總容量就變為N 100Mb/s。可見，拓寬整個系統帶寬是交換式Ethernet的最大的特點。 [align=center] 圖1 Ethernet集線器[/align] 　　1.3 交換式Ethernet技術的優點 　　Ethernet是一種非常經濟的、有效的網絡，可以滿足大多數網絡化測試的要求。它的徹底開放性和應用的廣泛性是目前任何一種現場總線無法比擬的。最新發展起來的交換式Ethernet比以前的共享式Ethernet更具優越性，它既具有傳統Ethernet的各種優點，比如：成本低、通信率高、徹底的開放性、能滿足控制系統各個層次的要求、抗干擾能力強等，還具有以下優點： 　　（1） 系統的最大帶寬可以達到端口帶寬的n倍（其中n是端口數）。也就是端口越多，系統能達到的帶寬也越寬。 　　（2） 每個端口上都可以連接站點或網段，它們都獨占10M或100M的帶寬。 　　（3） 被交換器隔離的獨立網段上的信息流不會傳播到其他端口上，具有一定數據安全性。 　　（4） 被交換器連接的多個網段是相互獨立和被隔離的，一個網段的運行不會影響其他網段的運行。 2 虛擬儀器網絡測試系統組成 　　虛擬儀器是利用現有的個人計算機，配上適當的儀器硬件，借助計算機專用軟件來實現一般儀器測量功能的新型儀器，具有一般儀器所沒有的特殊功能。它利用計算機系統強大的運算能力，通過硬件的配合，大大突破了傳統儀器在數據處理、顯示、傳送等方面的限制，使用戶可以方便地對其進行維護、擴展升級等。 　　在測試系統中，常需要對多臺儀器設備進行集中控制，并對它們的數據進行統一分析處理。一個大的復雜的數據采集、結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計算機共同完成整個測試任務。在這種情況下，網絡化測試成為一種十分有效的方式。網絡化測試系統在物理形體上分布在兩臺或兩臺以上的計算機上，每一臺計算機為完成一個測試任務而協同工作或并行運行。因此，可以把它看作是一個形體上分散，通過網絡交換信息并能動態接受、執行給定任務的完整的測試系統。 　　虛擬儀器網絡化測試系統一般由兩大部分組成：一部分是通信部分，即通信網絡;另一部分是由通信網絡連接的帶網絡功能的PC機、虛擬儀器、服務器，即基本功能單元。測試底層采用了虛擬儀器，充分發揮虛擬儀器模塊程控能力強、功能強大的特點，實現對復雜系統的測試。測試服務器和數據服務器通過以太網把虛擬儀器設備和中央管理計算機等連接起來，組成可以擴展的網絡化測試系統。因此，基于Ethernet的虛擬儀器網絡測試系統組成如圖2所示。 [align=center] 圖2 虛擬儀器網絡測試系統結構圖[/align] 　　該系統可以實現大量測試儀器互連，大量儀器同時工作，大量數據高速傳輸和交換，從而可以用于大量測試儀器分散測試、遠程自動測試、測試信息需相互交換的大型復雜系統的測試中。如果需要將測試范圍擴大，可以通過路由器或互聯網接口使多個測試系統互聯，這樣就可以將測量范圍擴大到全國各地，甚至世界各個角落能對同一個測量點進行測量和信息的相互交流。 3 DataSocket——系統網絡功能的實現 　　DataSocket是由NI公司提供的一個網絡測控系統開發工具，借助它可以在不同的應用程序和數據源之間共享數據。DataSocket使用一種增強數據類型來交換儀器類型的數據，這種數據類型包括數據特性和實際測試數據。雖然目前已經有TCP/IP、DDE等多種用于兩個應用程序之間共享數據的技術，但是這些技術都不是用于實時數據（Live Data）傳輸的。只有DataSocket是一項在測量和自動化應用中用于共享和發布實時數據的技術。利用客戶/服務器架構，使網絡上的數據傳輸達到最優化，并使用戶交互式地在網絡上傳送現場數據成為現實，如圖3所示。 [align=center] 圖3 DataSocket體系結構[/align] 　　DataSocket遵循了TCP/IP協議，并對底層進行了高度封裝，所提供的參數簡單友好，只需要通用資源定位符URL，就可以來在網絡中及時分送所需要傳輸的數據。DataSocket以自己特有編碼格式表示各種類型的數據，包括字符串、數字、布爾量及波形等，還可以在現場數據和用戶自定義屬性之間建立聯系。根據通信需求，LabVIEW提供了一下三個工具。 　　（1） DataSocket ActiveX 　　DataSocket ActiveX控件是用來連接數據源和數據宿，并使其共享數據的元件，可以用它在Active環境中開發共享數據應用程序 　　（2） DS Server 　　DS服務器DataSocket Server是一個小巧、獨立運行的程序，利用DS技術傳輸數據必須在服務器和客戶端都要打開DataSocket Server。在兩個應用程序間用DSTP協議進行數據通信和交換是可行的，發布數據的程序通過它進行數據輸出，輸入數據的程序找到它接收數據。 　　（3） DataSocket Server Manager 　　DS服務管理器DataSocket Server Manager也是一個獨立運行的小程序，其主要功能是設置DS Server可連接的客戶數目和可創建的數據項數目、設置用戶權限、預定義數據項等。 　　LabVIEW6i以上的LabVIEW版本中，所有控件都增加了一個叫DataSocket Connection的特殊屬性。利用這個屬性，就可以將現有的LabVIEW DAQ應用程序改造成為具有遠程數據采集功能的DAQ應用程序。將客戶端軟件和服務器軟件分別安裝在客戶機和DAQ服務器上，并且在客戶機和DAQ服務器上分別運行DataSocket Server。然后在DAQ服務器上運行服務端軟件，在客戶機運行客戶端軟件。這樣就可以在客戶機上控制服務器端軟件進行遠程數據采集，實現虛擬儀器的網絡化。 4 結 論 　　隨著Ethernet性能的不斷提高，其確定性更加好，價格更低。同時虛擬儀器具有強大的生命力，是傳統測試儀器所不能比美的。運用虛擬儀器技術的設計思想構造開發自動測試系統，并使之網絡化，實現了大型、復雜、危險系統的遠程測試。隨著網絡技術的發展以及在測試和儀器領域的廣泛應用，基于以太網的虛擬儀器網絡測試技術必將逐步得到廣泛的應用，使測試系統發展進入了一個嶄新的階段。 參考文獻 　　[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 　　[2]王承，何志偉.基于虛擬儀器的網絡化自動測試系統的架構及實現.電子技術應用.2001.11 　　[3]石博強，趙德永，李暢，雷振山. LabVIEW6.1編程技術實用教程. 北京：中國鐵道出版社，2002 　　[4]張云生，祝曉紅，王靜. 網絡控制系統. 重慶：重慶大學出版社，2003.6