摘  要： 基于DataSocket的虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和儀器儀表技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。闡述了虛擬儀器和LabVIEW的一些概念，針對現(xiàn)階段基層部隊(duì)裝備型號多樣、分布廣泛等特點(diǎn)而導(dǎo)致的維修保障難度增大的現(xiàn)狀，提出了基于DataSocket的虛擬儀器技術(shù)在設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用，對DataSocket的性能、結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析。通過開發(fā)一套設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，驗(yàn)證了使用該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)的現(xiàn)場監(jiān)控和故障排除。

　　關(guān)鍵詞： 虛擬儀器；DataSocket；狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷

0 引言

　　近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及國防信息化建設(shè)步伐的加快，裝備基層部隊(duì)的新裝備越來越多，并具備型號多樣、分布廣泛、科技含量高等特點(diǎn)。新的特點(diǎn)給裝備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷帶來新的挑戰(zhàn)，由于受空間和時間的限制，僅依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的專家親臨現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)維修是不現(xiàn)實(shí)的。而基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)可以提供顯著的技術(shù)支持，通過建立在現(xiàn)場設(shè)備上的狀態(tài)監(jiān)測點(diǎn)，可以監(jiān)測和采集設(shè)備狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)，并發(fā)送到遠(yuǎn)端專家診斷平臺，繼而對設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并對故障及時診斷。數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析是遠(yuǎn)程診斷的重要組成部分，基于DataSocket的虛擬儀器技術(shù)不僅改變了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和存儲方面的舊有觀念，而且還為設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷提供了豐富的現(xiàn)場資源，給故障的遠(yuǎn)程診斷提供了新途徑[1]。

1 虛擬儀器與LabVIEW

　　1.1 虛擬儀器技術(shù)

　　由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)滲透到測量與控制技術(shù)領(lǐng)域，信號在被采集并被轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式后，更多的信號分析與處理工作都在計(jì)算機(jī)中完成，儀器與計(jì)算機(jī)之間的界限日漸模糊。虛擬儀器便是通過編寫程序軟件將通用計(jì)算機(jī)與儀器功能硬件結(jié)合起來，將傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理和結(jié)果的輸出顯示三大功能集成到計(jì)算機(jī)軟件當(dāng)中，使整個測試過程自動進(jìn)行。用戶通過友好的圖形界面來操作計(jì)算機(jī)，如同操作自己設(shè)計(jì)的儀器一樣，就能完成所有數(shù)據(jù)的采集、分析和顯示存儲工作。“軟件就是儀器”的口號提出便反映了虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征，虛擬儀器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　1.2 LabVIEW

　　虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測試能力相結(jié)合，這樣的結(jié)合通過虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)。它是美國國家儀器NI公司開發(fā)的一種圖形化編程工具，使用圖形化的編程語言編寫程序，即使不熟悉計(jì)算機(jī)語言的用戶也可以方便地“畫”出自己的程序，使編程更加簡潔和直觀。借助LabVIEW功能強(qiáng)大的函數(shù)庫，用戶都可以直接調(diào)用現(xiàn)成函數(shù)，包括基本的功能函數(shù)到高級分析庫，基本涵蓋了一起設(shè)計(jì)的所需要的全部函數(shù)。同時，用戶也可以按自己需要定制虛擬儀器的面板界面，通過將儀器的控制操作和數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在前面板上，可模擬傳統(tǒng)儀器儀表的操作方式以實(shí)現(xiàn)多種測試功能。目前，LabVIEW的開發(fā)環(huán)境已經(jīng)在數(shù)據(jù)采集、儀器控制和自動測試領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2 DataSocket技術(shù)

　　測試數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與實(shí)時共享是設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)有的TCP/IP和DDE等技術(shù)常因?yàn)榫幊痰膹?fù)雜性使用不便，在實(shí)時傳輸大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)時，無法滿足實(shí)際需要。同時，日益廣泛和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也給網(wǎng)絡(luò)編程開發(fā)人員帶來極大的工作負(fù)擔(dān)。為此，NI公司便針對現(xiàn)實(shí)需求開發(fā)了一種面向測量和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時交換的新技術(shù)——DataSocket。

　　2.1 DataSocket簡介

　　DataSocket是建立在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸技術(shù)，其對網(wǎng)絡(luò)底層協(xié)議進(jìn)行了高度封裝，隱藏了數(shù)據(jù)傳輸細(xì)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)編程人員不需要進(jìn)行底層復(fù)雜的TCP編程，也避免了為不同的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議編寫程序代碼，只需通過統(tǒng)一的API編程接口，就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)的傳輸。DataSocket技術(shù)通過資源定位符（URL）定位數(shù)據(jù)源，URL的前綴表示寫入數(shù)據(jù)的類型和使用的傳輸協(xié)議，例如file是本地文件，ftp是文件傳輸協(xié)議，用于讀取文件中數(shù)據(jù)；http為超文本協(xié)議，用于提供數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁鏈接；opc表示過程過程控制的OLE，專門用于共享實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，該協(xié)議在運(yùn)行OPC服務(wù)器時使用；dstp則表示來自DataSocket服務(wù)器的實(shí)時數(shù)據(jù)。DataSocket技術(shù)通過使用與協(xié)議無關(guān)、與語言無關(guān)、與操作系統(tǒng)無關(guān)的API接口，因而具有很強(qiáng)的通用性，它基于URL，可以使用在任何編程環(huán)境中，也可與分布于任何地方的客戶終端進(jìn)行通信[2]。其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.2 DataSocket結(jié)構(gòu)組成

　　DataSocket由DataSocket Server Manager、DataSocket Server和DataSocket API 3部分組成，同時包括了Dstp（DataSocket Transfer Protocol傳輸協(xié)議）、通用資源定位符（URL）和文件格式等規(guī)程。其中，DataSocket Server Manager是一個獨(dú)立運(yùn)行的程序，可以設(shè)置DataSocket Server可連接的客戶程序的最大數(shù)目和可創(chuàng)建的數(shù)據(jù)項(xiàng)的最大數(shù)目，并可創(chuàng)建用戶組和用戶，設(shè)置用戶創(chuàng)建數(shù)據(jù)項(xiàng)和讀寫數(shù)據(jù)項(xiàng)的權(quán)限；而DataSocket Server也是一個獨(dú)立運(yùn)行的程序，它負(fù)責(zé)監(jiān)督DataSocket Server Manager中所設(shè)定的各種權(quán)限和客戶程序之間的數(shù)據(jù)交換[2]。在網(wǎng)絡(luò)通信時，必須同時運(yùn)行在服務(wù)器和客戶端；DataSocket API是一個與協(xié)議無關(guān)、與語言無關(guān)、與操作系統(tǒng)無關(guān)的最底層的通信接口，可將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)變成數(shù)據(jù)流，在多種編程環(huán)境下與多種數(shù)據(jù)類型通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布和共享。DataSokcet API包含4個動作：Open、Read、Write和Close，通過這些節(jié)點(diǎn)就可以完成DataSocket通信[3]。

　　2.3 DataSocket工作原理

　　DataSocket通過DataSocket函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，DataSocket發(fā)布數(shù)據(jù)需要Publisher（發(fā)布器）、DataSocket Server和Subscriber（訂閱器）3個要素。發(fā)布數(shù)據(jù)時，發(fā)布器利用DataSocket API接口將數(shù)據(jù)寫到DataSocket Server中，接收數(shù)據(jù)時，客戶端再通過訂閱器利用API接口從DataSocket Server讀取數(shù)據(jù)。通信過程如圖3所示[4]。

　　DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸有面板控件直接相連和編寫基于DataSocket協(xié)議程序兩種方式。通過面板控件直接相連方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時通信只需要設(shè)置數(shù)據(jù)顯示控件的DataSocket Connection對話框，在本地和異地的數(shù)據(jù)顯示控件的DataSocketConnection對話框上填寫相同的URL即可，本地控件的數(shù)據(jù)便可實(shí)時地傳輸?shù)较嗤琔RL的異地控件中，無需編程，簡單實(shí)用[5]。

　　而需要透明的數(shù)據(jù)傳輸并可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，就需要編寫DataSocket協(xié)議程序，DataSocket函數(shù)庫的Write和Read動作直接表明了對數(shù)據(jù)的寫入和讀取操作，數(shù)據(jù)可以是單個字符或字符串、布爾量或數(shù)據(jù)量都行，數(shù)據(jù)接收端可以對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

3 遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

　　3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上由現(xiàn)場測試系統(tǒng)、服務(wù)器和遠(yuǎn)程故障診斷客戶端3部分組成。

　　現(xiàn)場測試系統(tǒng)位于最前端，是對設(shè)備的直接執(zhí)行體，由現(xiàn)場儀表、控制設(shè)備和硬件接口等組成，它主要負(fù)責(zé)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行功能的控制。現(xiàn)場智能傳感器拾取原始信息，通過信號調(diào)理電路調(diào)理后將采集信號提供給數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)則選擇PXI、USB、GPIB等總線方式與外置數(shù)據(jù)采集設(shè)備和儀器功能硬件連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和儀器的控制[6]。

　　服務(wù)器端在整個平臺中處于核心地位，服務(wù)器端采用高性能的工控機(jī)。作為現(xiàn)場與遠(yuǎn)程故障診斷端口的通信紐帶，一方面它為虛擬儀器軟件提供特定的運(yùn)行環(huán)境，完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、儀器的控制與管理；另一方面又要向遠(yuǎn)程故障診斷中心提供數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并接受遠(yuǎn)端發(fā)出的控制指令完成對現(xiàn)場設(shè)備相應(yīng)的控制操作。通過安裝在工控機(jī)上的儀器硬件接口，服務(wù)器上由LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器軟件就可以控制數(shù)據(jù)采集卡DAQ采集原始信號，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備模擬量輸入輸出、數(shù)字I/O和定時計(jì)數(shù)。同時，利用DataSocket技術(shù)，服務(wù)器端控制設(shè)備采集數(shù)據(jù)后，將原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程診斷客戶端[7]。

　　遠(yuǎn)程故障診斷客戶端提供監(jiān)控與診斷的人機(jī)窗口，利用DataSocket讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，再利用LabVIEW自帶的信號分析模塊完成信號處理。信號處理的最終目的是清晰顯示出特征信號曲線，提取出特征信息，并結(jié)合專家多年的診斷維修經(jīng)驗(yàn)，完成故障診斷。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　3.2 系統(tǒng)實(shí)例

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證DataSocket技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷中的應(yīng)用，以在服務(wù)器端采集混有白噪聲的正弦波為例。電源故障是設(shè)備常見的故障之一，設(shè)備的電機(jī)也通常由交流電供電，針對交流電源故障的診斷問題，通過遠(yuǎn)程診斷客戶端對混有白噪聲的正弦交流信號進(jìn)行檢測和分析診斷，從而判斷為何種故障。

　　服務(wù)器端使用LabVIEW編寫虛擬儀器程序，通過自帶的DAQ等功能板卡驅(qū)動程序，控制設(shè)備采集待測信號，并保存至計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫中。在服務(wù)器的LabVIEW程序面板上的URL上輸入DataSocket Server所在的計(jì)算機(jī)地址，服務(wù)器端默認(rèn)地址為localhost，通過DateSocket Writer節(jié)點(diǎn)寫入數(shù)據(jù)，如圖5和圖6所示，將混有白噪聲的正弦信號寫入并顯示在示波器儀表中。

　　客戶端通過DateSocket Reader節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)從URL指定的位置讀出，實(shí)時顯示在客戶端示波器上，如圖7所示。

　　為分析接收的數(shù)據(jù)，先通過LabVIEW提供的信號分析子模塊，對接收信號進(jìn)行頻譜分析，可以得到正弦信號的特征頻率，再通過濾波器（這里使用反-切必雪夫?yàn)V波器）濾除白噪聲，去偽存真，對濾波后的圖可以通過時域分析，得到頻率和幅值。通過對接收信號的分析操作，再對比已經(jīng)建立的故障特征曲線數(shù)據(jù)庫，便可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測和故障診斷，如圖8、圖9所示。

4 結(jié)論

　　綜上所述，基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀器技術(shù)充分利用了自身的軟硬件優(yōu)勢，針對基層部隊(duì)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷現(xiàn)狀，提供了一種經(jīng)濟(jì)、有效的設(shè)備保障手段。使用DataSocket網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，克服了舊有方式在底層網(wǎng)絡(luò)編程效率低、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性差等缺點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)編程的簡單快捷和測試數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。通過傳輸混有白噪聲的正弦波的實(shí)例表明，專家不用親臨現(xiàn)場就可在遠(yuǎn)端實(shí)時地監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，并可對現(xiàn)場傳輸?shù)墓收闲盘栠M(jìn)行分析處理，繼而達(dá)到故障診斷的目的。

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