摘 要： 基于DataSocket的虛擬儀器技術是計算機技術、網絡通信技術和儀器儀表技術相結合的產物。闡述了虛擬儀器和LabVIEW的一些概念，針對現階段基層部隊裝備型號多樣、分布廣泛等特點而導致的維修保障難度增大的現狀，提出了基于DataSocket的虛擬儀器技術在設備遠程狀態監測與故障診斷中的應用，對DataSocket的性能、結構和工作原理進行了分析。通過開發一套設備遠程狀態監測與故障診斷系統，驗證了使用該技術可以實現實時數據的現場監控和故障排除。
關鍵詞： 虛擬儀器；DataSocket；狀態監測；故障診斷
0 引言
近年來，隨著科學技術的進步以及國防信息化建設步伐的加快，裝備基層部隊的新裝備越來越多，并具備型號多樣、分布廣泛、科技含量高等特點。新的特點給裝備的狀態監測和故障診斷帶來新的挑戰，由于受空間和時間的限制，僅依靠經驗豐富的專家親臨現場進行指導維修是不現實的。而基于網絡的遠程故障診斷技術可以提供顯著的技術支持，通過建立在現場設備上的狀態監測點，可以監測和采集設備狀態的信息數據，并發送到遠端專家診斷平臺，繼而對設備運行的狀態進行監控并對故障及時診斷。數據采集、傳輸和分析是遠程診斷的重要組成部分，基于DataSocket的虛擬儀器技術不僅改變了傳統儀器在數據采集、處理、顯示和存儲方面的舊有觀念，而且還為設備的遠程監控和故障診斷提供了豐富的現場資源，給故障的遠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
由于計算機技術和微電子技術滲透到測量與控制技術領域，信號在被采集并被轉換成數字形式后，更多的信號分析與處理工作都在計算機中完成，儀器與計算機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算機與儀器功能硬件結合起來，將傳統儀器的數據采集與控制、數據分析與處理和結果的輸出顯示三大功能集成到計算機軟件當中，使整個測試過程自動進行。用戶通過友好的圖形界面來操作計算機，如同操作自己設計的儀器一樣，就能完成所有數據的采集、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的本質特征，虛擬儀器結構圖如圖1所示。
1.2 LabVIEW
虛擬儀器以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測試能力相結合，這樣的結合通過虛擬儀器開發軟件LabVIEW實現。它是美國國家儀器NI公司開發的一種圖形化編程工具，使用圖形化的編程語言編寫程序，即使不熟悉計算機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功能強大的函數庫，用戶都可以直接調用現成函數，包括基本的功能函數到高級分析庫，基本涵蓋了一起設計的所需要的全部函數。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據結果顯示在前面板上，可模擬傳統儀器儀表的操作方式以實現多種測試功能。目前，LabVIEW的開發環境已經在數據采集、儀器控制和自動測試領域得到廣泛的應用。
2 DataSocket技術
測試數據的網絡發布與實時共享是設備遠程監控和故障診斷系統開發的關鍵技術之一，現有的TCP/IP和DDE等技術常因為編程的復雜性使用不便，在實時傳輸大量現場數據時，無法滿足實際需要。同時，日益廣泛和復雜的網絡應用也給網絡編程開發人員帶來極大的工作負擔。為此，NI公司便針對現實需求開發了一種面向測量和網絡數據實時交換的新技術——DataSocket。
2.1 DataSocket簡介
DataSocket是建立在TCP/IP協議基礎上的網絡實時傳輸技術，其對網絡底層協議進行了高度封裝，隱藏了數據傳輸細節，網絡編程人員不需要進行底層復雜的TCP編程，也避免了為不同的數據格式和通信協議編寫程序代碼，只需通過統一的API編程接口，就可以實現網絡原始數據的傳輸。DataSocket技術通過資源定位符（URL）定位數據源，URL的前綴表示寫入數據的類型和使用的傳輸協議，例如file是本地文件，ftp是文件傳輸協議，用于讀取文件中數據；http為超文本協議，用于提供數據的網頁鏈接；opc表示過程過程控制的OLE，專門用于共享實時生產數據，該協議在運行OPC服務器時使用；dstp則表示來自DataSocket服務器的實時數據。DataSocket技術通過使用與協議無關、與語言無關、與操作系統無關的API接口，因而具有很強的通用性，它基于URL，可以使用在任何編程環境中，也可與分布于任何地方的客戶終端進行通信[2]。其體系結構如圖2所示。
2.2 DataSocket結構組成
DataSocket由DataSocket Server Manager、DataSocket Server和DataSocket API 3部分組成，同時包括了Dstp（DataSocket Transfer Protocol傳輸協議）、通用資源定位符（URL）和文件格式等規程。其中，DataSocket Server Manager是一個獨立運行的程序，可以設置DataSocket Server可連接的客戶程序的最大數目和可創建的數據項的最大數目，并可創建用戶組和用戶，設置用戶創建數據項和讀寫數據項的權限；而DataSocket Server也是一個獨立運行的程序，它負責監督DataSocket Server Manager中所設定的各種權限和客戶程序之間的數據交換[2]。在網絡通信時，必須同時運行在服務器和客戶端；DataSocket API是一個與協議無關、與語言無關、與操作系統無關的最底層的通信接口，可將現場采集的數據變成數據流，在多種編程環境下與多種數據類型通信，進行數據發布和共享。DataSokcet API包含4個動作：Open、Read、Write和Close，通過這些節點就可以完成DataSocket通信[3]。
2.3 DataSocket工作原理
DataSocket通過DataSocket函數庫實現網絡通信，DataSocket發布數據需要Publisher（發布器）、DataSocket Server和Subscriber（訂閱器）3個要素。發布數據時，發布器利用DataSocket API接口將數據寫到DataSocket Server中，接收數據時，客戶端再通過訂閱器利用API接口從DataSocket Server讀取數據。通信過程如圖3所示[4]。
DataSocket技術實現數據傳輸有面板控件直接相連和編寫基于DataSocket協議程序兩種方式。通過面板控件直接相連方式實現數據的實時通信只需要設置數據顯示控件的DataSocket Connection對話框，在本地和異地的數據顯示控件的DataSocketConnection對話框上填寫相同的URL即可，本地控件的數據便可實時地傳輸到相同URL的異地控件中，無需編程，簡單實用[5]。
而需要透明的數據傳輸并可對數據進行處理時，就需要編寫DataSocket協議程序，DataSocket函數庫的Write和Read動作直接表明了對數據的寫入和讀取操作，數據可以是單個字符或字符串、布爾量或數據量都行，數據接收端可以對接收的數據進行處理和分析。
3 遠程狀態監測與故障診斷系統
3.1 系統構成
遠程監控與故障診斷系統結構上由現場測試系統、服務器和遠程故障診斷客戶端3部分組成。
現場測試系統位于最前端，是對設備的直接執行體，由現場儀表、控制設備和硬件接口等組成，它主要負責對現場數據采集和執行功能的控制。現場智能傳感器拾取原始信息，通過信號調理電路調理后將采集信號提供給數據采集卡，計算機則選擇PXI、USB、GPIB等總線方式與外置數據采集設備和儀器功能硬件連接，實現數據采集和儀器的控制[6]。
服務器端在整個平臺中處于核心地位，服務器端采用高性能的工控機。作為現場與遠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行環境，完成對現場數據的采集、儀器的控制與管理；另一方面又要向遠程故障診斷中心提供數據和網絡服務，并接受遠端發出的控制指令完成對現場設備相應的控制操作。通過安裝在工控機上的儀器硬件接口，服務器上由LabVIEW開發的虛擬儀器軟件就可以控制數據采集卡DAQ采集原始信號，實現現場設備模擬量輸入輸出、數字I/O和定時計數。同時，利用DataSocket技術，服務器端控制設備采集數據后，將原始數據傳輸到遠程診斷客戶端[7]。
遠程故障診斷客戶端提供監控與診斷的人機窗口，利用DataSocket讀取現場數據，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，并結合專家多年的診斷維修經驗，完成故障診斷。系統結構如圖4所示。
3.2 系統實例
為進一步驗證DataSocket技術在遠程監測與故障診斷中的應用，以在服務器端采集混有白噪聲的正弦波為例。電源故障是設備常見的故障之一，設備的電機也通常由交流電供電，針對交流電源故障的診斷問題，通過遠程診斷客戶端對混有白噪聲的正弦交流信號進行檢測和分析診斷，從而判斷為何種故障。
服務器端使用LabVIEW編寫虛擬儀器程序，通過自帶的DAQ等功能板卡驅動程序，控制設備采集待測信號，并保存至計算機內的數據庫中。在服務器的LabVIEW程序面板上的URL上輸入DataSocket Server所在的計算機地址，服務器端默認地址為localhost，通過DateSocket Writer節點寫入數據，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節點將數據從URL指定的位置讀出，實時顯示在客戶端示波器上，如圖7所示。
為分析接收的數據，先通過LabVIEW提供的信號分析子模塊，對接收信號進行頻譜分析，可以得到正弦信號的特征頻率，再通過濾波器（這里使用反-切必雪夫濾波器）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，再對比已經建立的故障特征曲線數據庫，便可以實現對設備狀態的監測和故障診斷，如圖8、圖9所示。
4 結論
綜上所述，基于網絡的虛擬儀器技術充分利用了自身的軟硬件優勢，針對基層部隊的設備狀態監測和故障診斷現狀，提供了一種經濟、有效的設備保障手段。使用DataSocket網絡傳輸方式，克服了舊有方式在底層網絡編程效率低、數據傳輸實時性差等缺點，真正實現了網絡編程的簡單快捷和測試數據的實時傳輸。通過傳輸混有白噪聲的正弦波的實例表明，專家不用親臨現場就可在遠端實時地監測現場設備狀態，并可對現場傳輸的故障信號進行分析處理，繼而達到故障診斷的目的。
參考文獻
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