网络化——测量技术与仪器发展的新趋势

1. 引言

　　20世纪70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展。在它们的推动下，同时也是为适应现代化工农业生产甚至战争的新需求，测量技术与仪器不断进步，相继诞生了智能仪器、PC仪器、VXI仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测试系统，计算机与现代仪器设备间的界限日渐模糊，测量领域和范围不断拓宽。近10年来，以Internet为代表的网络技术的出现以及它与其他高新科技的相互结合，不仅己开始将智能互联网产品带入现代生活，而且也为测量与仪器技术带来了前所未有的发展空间和机遇，网络化测量技术与具备网络功能的新型仪器应运而生。

　　2. 计算机、微电子、通信和网络等技术是网络化测量技术与仪器产生并迅速发
展的强劲支撑

　　2.1“计算机就是仪器”
　　自从迅猛发展的计算机技术及微电子技术渗透到测量和仪器仪表技术领域，便使该领域的面貌不断更新。相继出现的智能仪器、总线仪器和虚拟仪器等微机化仪器，都无一例外地利用计算机的软件和硬件优势，从而既增加了测量功能，又提高了技术性能。由于信号被采集变换成数字形式后，更多的分析和处理工作都由计算机来完成，故很自然使人们不再去关注仪器与计算机之间的界限。近年来，新型微处理器的速度不断提高，采用流水线、RISC结构和cachE等先进技术，又极大提高了计算机的数值处理能力和速度。在数据采集方面，数据采集卡、仪器放大器、数字信号处理芯片等技术的不断升级和更新，也有效地加快了数据采集的速率和效率。与计算机技术紧密结合，已是当今仪器与测控技术发展的主潮流。对微机化仪器作一具体分析后，不难见，配以相应软件和硬件的计算机将能够完成许多仪器、仪表的功能，实质上相当于一台多功能的通用测量仪器。这样的现代仪器设备的功能已不再由按钮和开关的数量来限定，而是取决于其中存储器内装有软件的多少。从这个意义上可认为，计算机与现代仪器设备日渐趋同，两者间已表现出全局意义上的相通性。据此，有人提出了“计算机就是仪器”／软件就是仪器”的概念。

　　2.2“计算机就是测控系统的中坚”
总线式仪器、虚拟仪器等微机化仪器技术的应用，使组建集中和分布式测控系统变得更为轻易。但集中测控越来越满足不了复杂、远程（异地）和范围较大的测控任务的需求，对此，组建网络化的测控系统就显得非常必要，而计算机软、硬件技术的不断升级与进步、给组建测控网络提供了越来越优异的技术条件。

　　Unix 、Windows NT、Windows2000、Netware等网络化计算机操作系统，为组建网络化测试系统带来了方便。标准的计算机网络协议，如OSI的开放系统互连参考模型RM、Internet上使用的TCP／ip协议，在开放性、稳定性、可靠性方面均有很大优势，采用它们很轻易实现测控网络的体系结构。在开发软件方面，比如NI公司的Labview和LabWindows／CVI，HP公司的VEE，微软公司的的VB、VC等，都有开发网络应用项目的工具包。软件是虚拟仪器开发的要害，如Labview和LabWindows／CVI的功能都十分强大，不仅使虚拟仪器的开发变得简单方便，而且为把虚拟仪器做到网络上，提供了可靠，便利的技术支持。LabWindows／CVI中封装了TCP类库，可以开发基于TCP／Ip的网络应用。Labview的TCP／IP和UDP网络VI能够与远程应用程序建立通信，其具有的Internet工具箱还为应用系统增加了E-mail、FTP和Web能力；利用远程自动化VI，还可对控制其他设备的分散的VI进行控制。Labview5．1中还非凡增加有网络功能，提高了开发网络应用程序的能力。  
 
将计算机、高档外设和通信线路等硬件资源以及大型数据库、程序、数据、文件等软件资源纳入网络，可实现资源的共享。其次，通过组建网络化测控系统增加系统冗余度的方法能提高系统的可靠性，便于系统的扩展和变动。由计算机和工作站作为结点的网络也就相当于现代仪器的网络。计算机已成为现代测控系统的中坚。

　　2.3网络技术已越来越成为测控技术满足实际需求的要害支撑
当今时代，以Internet为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善，突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分轻易，Internet拥有的硬件和软件资源正在越来越多的领域中得到应用，比如电子商务、网上教学、远程医疗、远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调用，远程设备故障诊断，等等。与此同时，高性能、高可靠性、低成本的网关、路由器、中继器及网络接口芯片等网络互联设备的不断进步，又方便了Internet、不同类型测控网络、企业网络间的互联。利用现有Internet资源而不需建立专门的拓扑网络，使组建测控网络、企业内部网络以及它们与Internet的互联都十分方便，这就为测控网络的普遍建立和广泛应用铺平了道路。

　　把TCP／IP协议作为一种嵌入式的应用，嵌入现场智能仪器（主要是传感器）的ROM中，使信号的收、发都以TCP／IP方式进行，如此，测控系统在数据采集、信息发布、系统集成等方面都以企业内部网络（Intranet）为依托，将测控网和企业内部网及Internet互联，便于实现测控网和信息网的统一。在这样构成的测控网络中，传统仪器设备充当着网络中独立节点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何领域，实时、动态（包括远程）的在线测控成为现实，将这样的测量技术与过去的测控、测试技术相比不难发现，今天，测控能节约大量现场布线、扩大测控系统所及地域范围。使系统扩充和维护都极大便利的原因，就是因为在这种现代测量任务的执行和完成过程中，网络发挥了不可替代的要害作用，即网络实实在在地介入了现代测量与测控的全过程。

　　基于Web的信息网络Intranet，是目前企业内部信息网的主流。应用Internet的具有开放性的互联通信标准，使Intranet成为基丁TCP／IP协议的开放系统，能方便地与外界连接，尤其是与Internet连接。借助Internet的相关技术，Intranet给企业的经营和治理能带来极大便利，已被广泛应用于各个行业。Internet也已开始对传统的测控系统产生越来越大的影响。目前，测控系统的设计思想明显受到计算机网络技术的影响，基于网络化、模块化、开放性等原则，测控网络由传统的集中模式转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化。智能化的测控系统。网络的节点上不仅有计算机、工作站，还有智能测控仪器仪表，测控网络将有与信息网络相似的体系结构和通信模型。比如目前测控系统中迅猛发展的现场总线，它的通信模型和OSI模型对应，将现场的智能仪表和装置作为节点，通过网络将节点连同控制室内的仪器仪表和控制装置联成有机的测控系统。测控网络的功能将远远大于系统中各独立个体功能的总和。结果是测控系统的功能显著增强，应用领域及范围明显扩大。

　　1999年2月，Jini软件技术问世。Jini软件技术旨在使各种电器设备、测量仪器及采用java芯片的各种装置能连接上网，Jini软件连同以Java语言编写的简单程序，可使联网的任何仪器设备实现其自身功能的同时，还能为其他仪器设备加以利用。

　　网络技术的出现，正在并将极大地改变人们生活的各个方面。具体到计量测试、测控技术及仪器仪表领域，微机化仪器的联网，高档测量仪器设备以及测量信息的地区性、全国性乃至全球性资源共享，各等级计量标准跨地域实施直接的数字化溯源比对，远程数据采集与测控，远程设备故障诊断，电、水、燃气、热能等的自动抄表，等等，都是网络技术进步并全面介入其中发挥要害作用的必然结果。

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3. 网络化仪器初见端倪

　　3.1测量与仪器定义的新拓展---网络化仪器的初步定义
　　（1）以测量观念的拓展为基础
　　现代自然科学的发展，多学科技术的创新与融合，测量仪器与计算机及通信的互动，使测量、测试过程、测量目的、测试结果的治理等观念均发生了改变。今天，测量作为信息技术的源头和基础，已很难再找到其以纯原始的方式出现：人们似乎已不大关心某个测量需求是属于电测量范畴还是属于非电测量领域，因为各种传感器的出现和日益完善，已使非电量测量与电量测量几乎就是一回事；测试、数据采集、控制三者之间的界限已模糊不清；测量、维护、诊断、修理、数据处理／治理一体化的需求日趋迫切；对测试的现场化、远地化、网络化要求不断升温；自校准、自诊断和自预估，已成为评定测试系统性能的必备指标；测量与控制高度融合并相互渗透，测量为控制提供更准确可靠的信息，控制也不断为测量的发展注入新的活力，出现了状态监测、系统可控性判别、状态猜测、智能控制、模式识别、对不可直接测量对象的间接测量、对非凡预知对象的测量以及信号滤波，等等；与此同时，测量反映在对被测对象的描述和表示上，也根据实际的需要从传统的数值加带方向的误差值，扩展为还可以由自然语言以及高度抽象的文字或符号来表征，出现了所谓“符号化测量”的概念。传统意义上的十大测量门类中不包含软件测试，而今，软件已成为现代新型仪器即各种微机化仪器设备中的重要组成部分。因此，为了保证软件的安全性能和质量，国外几年前就已开始着手制定测试软件的规范或标准。由此可见，依托于这些现代测试与测控技术的飞速发展，传统意义上的测量的含义、目的和作用等均得到了丰富和拓展。这种丰富和拓展自然而然地预示着网络技术向测量领域的注入和渗透，也必将导致测量观念上新的思想和概念的产生。

　　（2）以不断拓宽的仪器概念为借鉴
现代高新科学技术的迅速发展，有力地推动了仪器仪表技术的不断进步。仪器仪表的发展将遵循跟着通用计算机走、跟着通用软件走和跟着标准网络走的指导思想；仪器标准将向计算机标准、网络规范靠拢。依托于智能化、微机化仪器仪表的日益普及，联网测量技术已在现场维护和某些产品的生产自动化方面实施，还必将在仪器仪表出厂校验。现代化工业生产等越来越多的领域中大显身手。继“计算机就是仪器”和“软件就是仪器”概念之后，“网络就是仪器”的提法也已出现。具备网络功能的多种最新型现代测量仪器的相继问世，正急切地期待着人们对“网络就是仪器”的提法赋予更科学的描述。

　　（3）网络化仪器的初步定义
服务于人们从任何地点、在任意时间都能够获取到测量信息（或数据）的所有硬、软件条件的有机集合，已远远超出了传统的单个式独立仪器的范畴，且也不是传统单个式独立仪器的简单组合，而一定少不了电子化的信息传输媒介，即电子化的信息载体。没有了电子化信息载体的介人，在任意时间、从任何地点获取测量信息就根本不可能实现。信息的载体越来越电子化，以及测量结果需要通过电缆、光纤Internet、移动通信、电视等媒介传输和显示（输出）的发展变化过程，正是一种含盖范围更宽、应用领域更广的全新现代测量技术――网络化测量技术逐步形成并日渐清楚的过程。网络技术已开始逐渐成为仪器控制与测量的主要工具。从进一步拓展仪器设备定义的角度出发，并根据网络化测量技术的特点，我们试将服务于人们从任何地点、在任意时间都能够获取到测量信息（或数据）的所有硬、软件条件的有机集合称为“网络化仪器”。

　　传统测试（测量）仪器或系统一旦联网，即一旦与某种合适的电子化信息载体结合在一起组成了网络化仪器，便正像电信服务运营商今天已能进行远程测试一样，就可以做到从地球上的任何地点、在任意时间，能获取到任何地方的他所需要的测量信息。

　　仪器仪表及现代化测量技术的发展及其相应传统概念的突破和延拓，是网络化仪器概念产生的必然和前提。网络化仪器概念的确立、可能更有助于人们尽早明确今后仪器仪表的研发战略，促进并加速现代测量技术手段的更快、更广泛普及和发展。

　　3．2网络化仪器初见端倪
网络化仪器的概念并非建立在虚幻之上，而已经在现实广泛的测量与测控领域初见端倪。以下是现有网络化仪器的几个典型例子。

（1）网络化流量计
　　流量计是用来检测流动物体流量的仪表，它能记录各个时段的流量，并在流量过大或过小时报警。现在已有商品化的、具有联网能力的流量计。按照上述定义，它也可称为网络化流量计。使用它，用户可以在安装过程中通过网络浏览器对其若干参数进行远程配置。在嵌入FTP服务器后，网络化流量计就可将流量数据传送到指定计算机的指定文件里；STMP(简短消息传输协议）电子邮件服务器可将报警信息发送给指定收信人（指定的信箱或寻呼机）。技术人员收到报警信息后，可利用该网络化流量计的互联网地址做远程登录，运行适当的诊断程序、重新进行配置或下载新的固件，以排除障碍，而无需离开办公室赶赴现场。

　　（2）网络化传感器
　　传感器是一种以一定的精确度将被测对象转化为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。随着工业现代化的飞速发展和测控系统自动化、智能化技术的不断进步，传统的传感器已不能满足要求。与计算机技术和网络技术相结合，传感器从传统的现场模拟信号通信方式转为现场级的全数字通信方式成为现实，即产生了传感器现场级的数字网络化---网络化传感器。网络化传感器是在智能传感器基础上，把TCP／IP协议作为一种嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的ROM中，从而使信号的收、发都以TCP／IP方式进行，如此，网络化传感器像计算机一样成为了测控网络上的节点登临网络，并具有网络节点的组态性和互操作性。利用局域网和广域网，处在测控点的网络传感器将测控参数信息加以必要的处理后登临网络，联网的其他设备便可获取这些参数，进而再进行相应的分析和处理。

　　网络化传感器应用范围很大，比如在广袤地域的水文监测中，对江河从源头到入海口，在要害测控点用传感器对水位乃至流量、雨量进行实时在线监测，网络化传感器就近登临网络，组成分布式流域水文监控系统，可对全流域及其动向进行在线监控。在对全国耕地进行的质量监测中，也同样可利用网络化的传感器，进行大范围信息的采集。随着分布式测控网络的兴起，网络化传感器必将得到更广泛的应用。

　　（3）网络化示波器和网络化逻辑分析仪
　　安捷伦科技有限公司遵循“对网络看得越清楚，问题就能越快地解决”的宗旨，几年前就将联网功能作为其Infinium系列数字存储示波器的标准性能；并且在最近又研制出了具有网络功能的16700B型逻辑分析仪--网络化逻辑分析仪。这种网络化逻辑分析仪可实现任意时间、任何地点对系统的远程访问，实时地获得仪器的工作状态；通过友好的用户界面，可对远程仪器的功能加以控制，状态进行检测；还能将远程仪器测得的数据经网络迅速传递给本地计算机。

　　（4）网络化电能表
　　按上述网络化仪器的定义不难发现，电能自动抄表系统也在一定意义上相当于一种用于测量电能数据的网络化仪器--网络化电能表。因为利用电能自动抄表系统，经电缆或电话线或无线电或电力线路，用电治理部门便可完成对异地用电信息的测取和监控。当然，与前几者相比，现有网络化电能表的技术含量相对较低。

　　此外应该注重到，不仅国外闻名仪器厂商、大的公司已在积极研制和开发新型网络化仪器，国内也不乏有识之士，成都前锋电子仪器厂为自己提出的2000年新产品研发方向，就是仪器的数字化、网络化和多媒体化。

　　3．3使用网络化仪器可能带来的好处
　　使用网络化仪器，人们从任何地点、在任意时间获取到测量信息（或数据）的愿望将成为现实。与传统的仪器、测量、测试相比，这的确是一个质的飞跃！

　　在网络化仪器环境条件下，被测对象可通过测试现场的普通仪器设备，将测得数据（信息）通过网络传输给异地的精密测量设备或高档次的微机化仪器去分析、处理；能实现测量信息的共享；可把握网络节点处信息的实时变化的趋势；此外，也可通过具有网络传输功能的仪器将数据传至原端即现场。

　　采用自动抄表系统，可提高抄表的准确性；能减少因估计或誊写而可能出现的帐单错误；（供用电、水、燃气”热能等）治理部门因此能及时获得准确的数据信息；用户也不再需要与抄表员预约上门抄表时问，还能迅速查询帐单。

　　在带来上述诸多好处的同时，采用网络测量技术、使用网络化仪器，无疑能显著提高测量功效，有效降低监测、测控工作的人力和财力投入，缩短完成一些类型计量测试工作的周期，并将增强测量需求客户的满足程度。

4. 测量技术与仪器发展趋势展望

　　随着计算机技术、网络通信技术的进步而不断拓展，21世纪的仪器概念将是一个开放的系统概念。以PC机和工作站为基础，通过组建网络来形（构）成实用的测控系统，提高生产效率和共享信息资源，已成为现代仪器仪表发展的方向。从某种意义上说，计算机和现代仪器仪表已相互包容，计算机网络也就是通用的仪器网络，假如在测控系统中有更多不同类型的智能设备也像计算机和工作站一样成为网络的节点联入网络，比如各种智能仪器、虚拟仪器及传感器等，它们充分利用目前已比较成熟的Internet网络的设施，不仅能实现更多资源的共享、降低组建系统的费用，还可提高测控系统的功能，并拓宽其应用的范围。“网络就是仪器”的概念确切地概括了仪器的网络化发展趋势。

　　目前，以Internet为代表的计算机网络正迅猛地发展，随着网络信道容量的扩大，网络速度将不再成为网络应用的障碍。利用现有的Internet网络设施，网络化传感器已应用到分布式测控系统中，简化了系统建设和设备维护，降低了费用并提高了系统的功能，随着测控网络的发展，测控网络和信息网络的互联技术也将日臻完善，最终实现大规模对等的范围和广度，一定将以更快的速度扩大。

　　计算机技术、传感器技术、网络技术与测量、测控技术的结合，使网络化、分布式测控系统的组建更为方便。以Internet为代表的计算机网络技术的迅猛发展及相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更大，应用更广。在国防、通信、航空、航天、气象、制造等领域，对大范围的网络化测控将提出更迫切的需求，网络技术也必将在测控领域得到广泛的应用；网络化仪器很快会发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代测量技术即网络测量技术的进步。

　　有专家预计，在不久的将来，地球将披上一层由大量各种各样电子测量仪器设备组成的“通讯外壳”，它们将负责监控城市、公路甚至整个环境，并会随时将测得的数据信息直接输入网络。与各行各业一样，测量技术与仪器也必将在网络时代发生革命性变化。