基于Web的網絡測試儀器及應用

韓 立，秦樹人

（1.中國土地勘測規劃院，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，把傳統儀器的專業化功能軟件化，使之與計算機結合起來，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據采集、分析、判斷、顯示、數據存儲等[1]。網絡化測試儀器是繼虛擬儀器之后儀器儀表領域出現的又一個新的發展方向，它是將Internet技術與虛擬儀器技術相結合，繼承并發展了虛擬儀器的概念，延伸和擴大了虛擬儀器的資源。網絡化儀器充分利用網絡，將虛擬儀器的各個功能分布到網絡上的不同位置，非常靈活地完成各種測試任務[2]。通過網絡還可以共享各種資源，利于同行之間的交流溝通。網絡化儀器已廣泛應用于遠程測試、故障監測、遠程控制等領域。

1 網絡化儀器的結構和功能

1.1 網絡化儀器的結構與工作原理

該文以基于Web的網絡化頻譜分析儀為例對網絡儀器系統進行分析，網絡儀器是由硬件采集系統、服務器、數據庫和信號分析處理等組成,它的系統結構如圖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據服務組件通信。

圖1 網絡化頻譜分析儀的系統結構

在用戶端進行各種設置后，就可以通過數據服務器控制采集計算機進行數據采集。

信號采集系統由信號調理器、PCI總線的數據采集卡組成。信號傳送到信號調理電路,由信號調理電路對它進行放大、濾波、隔離等處理，調理后的信號經數據采集卡進行A/D轉換，將模擬信號轉換為數字信號，送入采集計算機。采集計算機與數據服務組件進行數據通信，將信號發送到頻譜分析儀的用戶端程序，用戶端程序對測試信號進行頻譜分析和處理，得到測試結果，并按要求顯示，將結果存儲在數據庫中。此外用戶還可以獲得數據庫中的歷史數據進行分析，并將分析結果存儲在數據庫中。

1.2 網絡化儀器的功能

網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計分析、幅值域分析、相關分析、頻譜分析、數字濾波等。如果網絡帶寬允許，還能夠實時觀察輸入信號的時域顯示和頻域顯示。在進行實時顯示時，采樣頻率受到網絡傳輸帶寬的限制，兩者的關系如下：

采樣頻率≤網絡帶寬/8s（數據采用float類型時s=4；采用 double類型時 s=8）

圖2 網絡化頻譜分析儀用戶端

面板上可選擇數據獲取的類型，設置采樣參數；在顯示區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，任意兩點數據進行對比等操作。

2 系統開發平臺和設計

2.1 系統開發平臺

系統采用Visual Studio.net 2003開發平臺，它提供一個統一的集成開發環境及工具，大大提高了開發者的效率；集成了多種語言支持；簡化了服務器端的開發；提供了高效地創建和使用網絡服務的方法，可以高效地開發Internet應用程序。在該平臺下，主要采用以下技術完成系統的開發。

（1）.net組件。.net組件技術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。在系統中，使用Socket套接字進行通信。通信協議采用TCP協議，保證數據傳輸的可靠性。

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

（5）多線程。在系統設計中，利用多線程技術實現人機交互、網絡數據傳輸、數據分析處理和圖形顯示等多任務同時進行。

2.2 系統組成與運行過程

利用組件技術構建各種組件，將組件部署在網絡的不同位置完成系統的功能[3]。根據需要實現了以下組件：用戶界面、信號采集、數據服務、信號分析處理、數據庫連接組件、登錄組件，組件在系統中的位置如圖3所示。

系統運行過程包括用戶登錄、數據獲取、信號處理分析和數據存儲等。

（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送至服務器，登錄組件根據用戶名和密碼判斷用戶是否有權限運行網絡化頻譜分析儀。數據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，連接數據服務組件傳輸數據，并對信號進行分析處理。

圖3 網絡化儀器組件構成

數據獲取。數據獲取有兩種方式，一種是獲取實時數據，另一種是獲取歷史數據。因為同一時刻只能有一個用戶擁有采集卡的控制權，所以獲取實時數據時只有一個用戶可以設置信號采集的參數，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，在數據服務組件中有一個排隊隊列，用于對發出請求采集卡控制權的用戶進行排隊。當擁有控制權的用戶完成對數據的采集后，將控制權交給隊列中第一個用戶。定時對隊列的用戶狀態進行查詢，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據，數據服務組件將當前采集的信號發送到這類用戶端。

獲取歷史數據，將歷史數據從數據庫中提取出來進行顯示分析。

（2）信號處理分析[4]。對獲得的數據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，信號處理結果直接顯示在瀏覽器中。如果需要保存處理結果，可以通過數據服務組件連接數據庫，將結果存于數據庫中。

（3）數據存儲。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果保存在遠程數據庫中。

2.3 組件設計與實現[5]

組件設計采用面向對象的程序設計，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，可以實現時域分析和頻域分析；功率譜密度旋鈕，可以實現頻域分析；濾波與相關旋鈕，實現數字濾波和自相關功能；窗函數旋鈕，實現對窗函數的選擇，可選擇矩形窗、漢寧窗、海明窗、布克窗、高斯窗、余弦窗等；數據獲取按鈕，包括4種獲取方式，實時數據、實時獲取且顯示波形、共享數據和歷史數據；數字濾波控制按鈕，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、統計特征值、概率直方圖、概率密度函數；頻域分析包括加窗函數、幅值譜、對數幅值譜、幅值倒頻譜、功率譜、功率譜密度、對數譜密度、功率譜密度倒頻譜等，還可以進行數字濾波和自相關分析。

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

圖4 數據服務組件結構

用戶偵聽線程偵聽來自用戶端的連接，并創建線程與用戶建立連接。創建的線程添加到數據服務組件的線程數組中，通過該線程數組對所有用戶連接線程進行管理。對應數據的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據，線程4獲得數據庫中的歷史數據，線程5獲得實時共享數據。線程1是與數據采集通信的線程，線程2是與數據庫連接通信的線程。

系統啟動后，數據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據，則將采樣指令發給數據采集線程。數據采集線程將采集的數據發送到共享數據緩存，共享數據緩存的數據發送給數據庫。如果這時有用戶請求實時共享數據，則將數據緩存中的數據同時發送到該用戶。如果用戶請求數據庫中的歷史數據，則如圖4中線程5所示，將數據庫中數據直接發送給用戶。

圖5 偏心電機振動測試

圖6 測試分析結果

在TCP/IP網絡環境下，組件之間的通信過程是利用TCP/IP協議中的傳輸層接口Socket來實現。

（4）登錄組件。登錄組件接收用戶的請求信息，查詢數據庫以確定用戶是否有相應權限，并且區分3種獲取數據的方式。

（5）信號采集。信號采集組件接收用戶發來的采集指令，將采集的數據發送到數據服務組件中。

信號采集組件部署在數據采集計算機上，為了更加容易地控制采集卡，信號采集程序采用了傳統的桌面程序。

（6）數據庫連接。該組件將數據庫連接、查詢、添加、刪除、存儲等功能封裝在一起，與數據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，用戶即可通過網絡訪問Web服務器，基于Web的網絡化頻譜分析儀運行如圖1所示。該儀器在內部局域網運行正常，圖6表示網絡化頻譜分析儀對偏心電機振動信號的分析結果。

4 結束語

基于Web的網絡化頻譜分析儀采用網絡技術、組件技術、多線程技術將傳統虛擬儀器的面板和分析功能嵌入用戶瀏覽器中，實現分析儀器的功能，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；用強大的數據庫服務器對用戶的數據進行管理，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的網絡化虛擬儀器技術及應用[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.現代虛擬儀器[M].北京：機械工業工業出版社，2011（3）：432.

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