分布式网络化测试技术综述
分布式网络化测试技术综述
习友宝 古军
（电子科技大学自动化工程学院 成都610054）
摘要：计算机技术和通信技术的发展，为测试技术提供了新的技术方法，将测试技术与计算机技术和通信技术相结合，形成的分布式网络化测试技术将彻底改变传统测试系统特别是复杂综合测试系统的设计。近年来，基于以太网的工业控制网络更使测控网络和信息网络融为一体，大大丰富了系统功能，提高了系统性能，成为分布式网络化测试技术发展的一大趋势。本文结合我们一些实际工作，简要介绍了分布式网络化测试技术的发展过程、体系结构、实现方法和广泛的应用领域，对工程应用具有一定的参考价值。
关键词：分布式测试系统 网络化测试技术 以太网 国际互联网 工业自动化 即插即用
A Summarization for Technology of Distributed Networked Measurement
Xi Youbao Gu Jun
(School of Auto. Engineering, Univ. of Elec. Sci. and Tech. of China, Chengdu 610054)
Abstract: Nowadays, the fast developing technology of computer and communication results in brand-new design methods of measurement and control systems. Networked-based Distributed Measurement and Control systems (DMCs), which integrate computing, communication and control, have brought renovation into traditional measurement and control systems, especially complex systems. In the recent years, Ethernet-based DMCs, which implement the seamless integration of control network and Internet network and provide better system functionality, higher performance, become the trend of DMCs.
Based on our practice, this paper introduces the evolution, architecture, implementation and the wide application realm of the technology of DMCs, especially Ethernet-based DMCs, and provides with valuable reference for engineering application.
Key Words: Distributed Measurement and Control system (DMCs), Networked-DMCs, Ethernet, Internet, Automation, Plug and Play.
引言
测量（测试）是信息获取的基本手段，是信息技术的源头。随着数字化技术、计算机技术和微电子技术的发展，测量技术、仪器技术、数据采集技术更多的利用计算机平台或嵌入式结构，它们具有相通的共性技术，其中包括传感器技术、模拟信号处理技术、数字信号处理技术、数据传输技术及软件技术等。网络化测试技术则是在计算机网络技术、通信技术高速发展，以及对大容量分布式测量的大量需求背景下，由单机仪器、局部的自动测试系统到全分布式的网络化测试系统而逐步发展起来的。
单机测量仪器是一个自封闭系统，只能完成单一的测试功能，一般也提供RS-232或GPIB接口，可以与本地计算机或其他仪器设备互连，组成自动测试系统，完成较为复杂的测试任务。但是，这种局部的自动测试系统仍不能满足分布式远程测量要求。
随着科学技术的发展，测试任务日趋复杂，对测量的要求也越来越高，如复杂大型设备系统和工业现场，需要进行大容量的多点综合测量，有时，在获取测量结果的基础上，往往还需要进行必要的控制，从而构成闭环的综合测控系统。为满足多点分散测量需要，早期面向工厂自动化的测试系统多采用4~20mA模拟信号传输。随着数字化技术的应用，则采用RS-485总线连接各现场仪表，由于其采用差分平衡传输，具有较高的抗干扰特性，结构简单，易于实现。但由于其主-从式结构，数据传输效率和可靠性低。而对于远程数据传输，则较多的利用已有的公用电话网络实现。即使在今天，在简单应用情况下，仍不失为一种廉价的实现方案，比如电力部门的部分远程抄表系统。
上述分布式的测试需求还可以举出很多例子，包括军事和民用两个方面，如军事应用中的武器试验、武器装备运行状态监测、数字化战场、核爆炸试验、风洞试验、航空航天测试等；民用方面如钢铁、石油、化工等工厂自动化，以及智能建筑（楼宇自动化）、城市基础设施（管道、桥梁、机场、高速公路等）监测、国家主要江河水文监测、气象监测、环境监测等。由于测量数据量巨大，地域高度分散，加之测试的实时性和可靠性要求以及远距离协同操作的要求，需要进行大量分布式综合测试和并行处理，传统的测试系统已不能胜任，因而需要对测试系统从体系结构、数据传输、数据处理、人机接口到系统的综合性能进行重新设计、评价和测试。
近年来，国内外充分利用计算机技术和通信技术的最新成果，进行分布式网络化测控技术的研究和应用[5-6][9-14]，已成为一大趋势。我国从“九五”期间开始，国家自然科学基金委和863计划都支持有相关的研究课题，特别是863计划的现代集成制造（CIMS, Contemporary Integrated Manufacturing）主题，开展面向现场应用的分布式网络化测控系统的研究，并取得了一些重要成果。
分布式网络化测试系统的体系结构及特点
测试系统的体系结构直接影响到系统的综合性能。随着Internet的普及和应用，各企业都建立了自己的企业网（Intranet），并接入到Internet，测试信息则通过企业网与外部Internet互连。因此，基于网络化的分布式测试系统的体系结构应为图1所示的多级分层的拓扑结构，即由最底层的现场级、工厂级、企业级至最顶层的Internet 级。而各级之间则参照ISO/OSI RM模型，按照协议分层的原则，实现对等层通信。这样，便构成了纵向的分级拓扑和横向的分层协议体系结构。
在图1中，各级功能简述如下：现场级总线用于连接现场的传感器和各种智能仪表，工厂级用于过程监控、任务调度和生产管理，企业级则将企业的办公自动化系统和测试系统集成而融为一体，实现综合管理。底层的现场数据进入过程数据库，供上层的过程监控和生产调度使用，以进行优化控制，数据处理后再提供给企业级数据库，以进行决策管理。
网络化测试系统可以认为由底层的现场单元和上层的通信网络构成。现场单元可以是多种多样的，差别很大。如智能传感器、执行器、智能I/O模块、智能仪表、测试仪器甚至计算机等。为了能接入现场网络，它们都需要有相应的现场网络接口功能，一旦接入现场网络，它们即成为网络上的一个节点。
企业级和工厂级网络一般采用高速以太网（Fast Ethernet），而现场级网络则有多种选择方案，如传统的RS-485（简单测试任务情况下）、专用的现场总线（Fieldbus）以及通用的以太网（Ethernet）等，因而也就有基于不同现场级网络的测试系统。现场级网络在很大程度上决定了整个测试系统的性能，因此，应根据测试任务和要求、现场测控单元类型、性价比以及后续的技术支持和维护等综合考虑。
上述网络化测试系统的分级层次化体系结构是一种开放的全分布式结构，现场单元具有自治功能，可以直接相互通信，使得测控功能分散化，并缩短了信息通路，从而提高了系统的实时性能和可靠性。各级之间也可运行不同的网络协议，通过Gateway（这里指通用的通信控制器）进行路由选择和协议转换，实现异构网络的可互操作性（Iinteroperability）、互连性（Interconnection）和互用性。
基于现场总线的测试技术
九十年代以后在北美和欧洲兴起的面向工业测试现场的现场总线技术（Fieldbus）[1]在国外已得到很好的应用，这主要因为其本身就是服务于现场的专用总线，能够满足现场应用的特殊要求，如总线供电、本质安全防爆等，并提供有专用的软件开发工具。
当然，各种不同的现场总线在性能上有所不同，如CAN总线主要用于离散控制系统，Profibus主要用于过程控制，HART用于一次仪表，而基金会总线FF和LonWorks则可适用于各种应用对象。国外许多公司都推出了具有现场总线接口的传感器、执行器和各种智能仪表，更推动了以太网控制系统（FCS，Fieldbus Control System）的应用[2][3]。
但是，底层的现场总线与上层的以太网互连时，必须经过专门的网关设备进行协议转换，一定程度上将影响网络通信效率。而且现场总线带宽一般较低，对要求较高的实时性场合难以胜任。此外，由于多种现场总线标准共存，未能实现统一标准（以后也难以统一），加之技术的复杂性以及依赖进口的价格因素，在国内的应用并不多。
基于工业以太网的测试技术
九十年代中后期，国内外利用业已成熟的以太网技术，对基于以太网的工业测试系统进行了大量研究和实践[5][6][13]，国外对现场级高速以太网的研究则大约始于1997年。尽管对以太网测控系统有不同的看法，但一般认为应是一种较好的解决方案，并具有很好的发展前景，是未来现场总线发展的方向。原现场总线厂家如FF(Foundation Fieldbus)、Profibus、ControlNet等都在组织研究基于以太网的现场总线协议，其中，基金会现场总线H2(Foundation Fieldbus H2)标准引人注目。另外，1998年底成立的美国IAONA组织（Industrial Automation Open Networking Alliance）主要研究以太网在工业自动化领域的应用。
正如文献[4]指出的，“以太网无处不在”(Ethernet Everywhere)，可以应用于企业的各级网络。
4．1 以太网测试技术的优势
采用以太网作为工厂底层的现场级网络，具有许多独特的优点。首先，由于以太网技术成熟，实现起来比较容易，丰富的以太网产品如10M/100M集线器、交换机，接入设备的以太网卡，互连设备的网关、路由器、网桥、中继器等可以直接选用。另外，以太网比现场总线具有更高的带宽，而且还可以较容易地升级到100M甚至1000M高速以太网，其可靠性也较高，因而底层网络可以采用不可靠的UDP协议通信，进一步提高了网络效率。
将现场以太网、企业内部网Intranet与Internet集成，非常方便测试系统的维护，因为连接在底层以太网的智能仪表等具有即插即用（PnP）功能，而且用户可以在任何时间、任何地点直接操作它，从而通过FTP、SMTP、HTTP等真正实现远程设置、远程测量、远程控制、远程校准、远程故障诊断和远程报警等，真正实现测控网络和信息网络的无缝接口以及测试系统的远程操作。
另外，以太网测试技术可以及时吸取以太网技术的最新成果，从而促进其发展。
4．2 以太网测试技术的实时性
尽管以太网的突出优势，还是有人提出以太网不适合于现场级网络的反对意见，这主要是针对以太网在工业控制中的实时性和可靠性。关于以太网测试技术的实时性研究，可以见诸国内外的大量报道[7][12]。
确实，由于以太网采用的数据链路层协议CSMA/CD的非确定性，不能满足响应时间的严格实时性要求，但采用交换式以太网和相应的改进措施，可以满足绝大多数应用要求。实际上，实时性只是一个相对概念，应根据具体对象加以分析，确定真正所需要的采样时间，以兼顾网络性能（QoS,network Quality of Service）和控制性能（QoP, control Quality of Performance）[9]， 比如，若采样时间较快，可以提高控制性能，但是由此产生的数据量则很大，加大了网络通信负荷，降低了网络性能，而网络性能的下降最终又影响控制性能，甚至使整个测控网络瘫痪。因此，根据需要，选择合适的采样时间非常重要。
实际上，对于一些高速测量场合，由于试验过程非常短暂，一般由测量（数据采集）系统的硬件将试验数据存储下来后，再通过网络进行数据传输。比如，一个50MHz采样的高速测量系统，若分辨率为8bit，如果要实时传输，则将产生400Mbps的数据流，即使是一对一的网络传输，其要求的网络带宽也要高于400M，这是难以实现的，因此也不存在绝对的实时测量。而对于工厂自动化，一般为较低速的闭环测控系统，以太网是完全可以满足要求的。
4．3 以太网测试系统的安全性
以太网测试系统开放性也带来了安全性问题，由于通过Internet可以直接操作底层以太测控网，应避免其从Internet上的有意或无意的攻击和破环。考虑到以太网测试系统的分级结构，其安全性设计也应是分级进行的。首先，测试网是企业内部网的子网，受企业网保护，企业网则通过防火墙与Internet隔离，其次，在工厂级和现场级也有相应的保护措施。这些措施包括：用户身份验证、密码、过滤技术、实时监控等。
另外，对于远程的数据传输，一般则需要经过数据加密处理。
4．4 嵌入式TCP/IP应用
基于以太网测试系统的开发与应用关键是，首先要设计具有以太网接口的现场智能仪表，国外这类产品已较多，而且针对分布式测控系统中的智能仪表、智能变送器也有专门的接口标准，即IEEE1451[12]。将集成了以太网数据链路层的网络接口芯片与智能仪表的CPU接口，即可赋予智能仪表的以太网接口功能。而国外一些大的公司则往往将CPU与网络接口芯片及大容量存储器集成为专用器件(ASIC)，并封装TCP/IP等协议和小型嵌入式操作系统，如日本计算机工业株式会社(JCI)采用了其自行开发的32位RISC ASIC芯片Falcon，设计出小巧、高速(10/100BASE)、高性能的打印服务器[17]，该芯片的设计技术也可应用于工业智能仪表。而Iotech公司则开发有带以太网的数据记录仪[18]。
嵌入式应用的另一关键问题是，对TCP/IP协议的适当裁剪，由于TCP/IP协议族非常庞杂，因此只能有选择性的裁剪。另外，对TCP和UDP的选择，通过实验测试，我们认为，在现场级以太网中，特别是实时性要求较高的情况下采用UDP更好。
4．5 现有仪器的网络化实现
对于大量的现有智能仪表（不具备以太网接口），虽然不能直接应用于以太网测试系统，但是，它们一般都具备RS-232/422/485或4~20mA标准接口，因此，只要设计一块协议转换模块，将这些原来的标准接口转换成以太网接口即可。比如，我们采用386DX CPU和RTL8019开发的RS-232与以太网的转换接口模块[8]，已成功实现了与HP34420A数字多用表的连接。因此，这种转换模块不仅可以扩展工业现场仪表的以太网络接口，也可应用于实验室，实现现有仪器的网络化应用。
分布式网络化测试系统软件设计
网络化测试系统的软件开发当然离不开网络操作系统和开发环境，网络操作系统主要有：Windows NT、UNIX、LINUX、NetWare、MacOS等，对于开发环境，现成的组态软件是一种方便的选择，可以很好的工作于现场测控环境，但一般与外部连接的功能较差。对于自行开发，如现场总线系统则需要采用其专用的开发工具。而NI公司的虚拟仪器开发平台LabWindows/CVI和LabVIEW也是一种较好的选择，它们都具有相应的网络通信功能。
在分布式异构环境下的测试系统，特别是集成制造系统中，通常采用分布式软件组件方式，实现各集成平台上对数据的透明访问（不依赖于操作系统和数据格式），目前，较流行的分布式软件组件对象标准有：CORBA(Common Object Request Border Architecture)、DCOM(Distributed Component Object Model)、RMI(Remote Method Invocation)，其中，CORBA应用最多。采用CORBA技术将已有的测试系统按功能划分并进行封装，封装后的测试系统即成为一组可供调用的CORBA服务对象。在CORBA对象上，则通过具有CORBA接口的智能代理Agent构建分布式测试系统，各CORBA与Agent之间通过ORB(Object Request Broker，对象请求中介)编程接口。这种以软件组件代替硬件设计，实现分布式异构环境下的测试系统的可重用、可移植、可互操作性和即插即用，已成为一个重要的研究和应用方向。
结束语
在广泛的测试领域，分布式网络化测试技术必将得到更广泛深入的应用。我国经过多年的实践证明，现场级的底层网络舍弃专用的现场总线，而更多的采用以太网技术，发展工业以太网测试系统更符合我国国情。
通过Internet实现远程数据通信，并实现电子商务、企业办公自动化和制造自动化的集成，从而全面提高企业的设计、生产、销售和服务的效率。
随着无线通信技术的发展，无线数据通信也逐渐得到广泛应用，它可以不受Internet接入条件的限制。比如法国Wavecom公司开发的无线通信模块[19]可通过RS-232与各种数据终端DTE（计算机或智能仪表）连接，通过GSM900M/1800M网络以短信(Short Message)的方式发送和接收数据，使用非常方便。该公司还提供有GPRS通信模块。
为适应网络化测试技术发展和工业应用的需要，国外许多大学都开始在本科高年级和研究生中开设相应的新的课程[15]，我们认为这是十分必要的。
分布式网络化测试技术是一项应用面非常广的综合技术，涉及信息收集、信息处理、信息传输等方面，如网络化测量、网络化仪器、网络化控制、网络化制造、遥测、遥控、遥信以及大学的远程实验教育[16]等，此外，网络化家电产品也必将走向千家万户，新一代IPv6协议将得到广泛应用，因此，该技术有着广阔的应用前景。
参考文献：
阳宪惠主编，现场总线技术及其应用，清华大学出版社，1999.6
沈学东，王蔚然，现场总线技术综述，东北电力技术，No.5,pp.9-13,1999
刘曙光，现场总线技术的进展与展望，自动化与仪表，Vol.15,No.3,pp.1-6,2000
Harrold, D., “ Ethernet Everywhere”, Control Engineering, vol.46, No.6 p.46-8, 50, 52, Jun.1999
徐皑冬等，基于以太网的工业控制网络，信息与控制，Vol.29,No2,pp.182-186,2000.4
赵伟等，网络化——测量技术与仪器发展的新趋势，电测与仪表，Vol.37,No415,pp.5-9,2000.7
杜承烈等，分布式测试环境下的实时通信研究，航空学报，Vol.20,No.1,pp.83-85,1999.6
杜文华，网络化测试的基本通信技术研究和实现——USB通信和以太网通信，电子科技大学硕士学位论文，2002.6
Feng-Li Lian, James Moyne, and Dawn Tibury, “Network Design Consideration for Distributed Control System”, IEEE Trans. Contr. Syst. Technol., Vol.10,No.2,pp.297-306,Mar.2002.
Matteo Bertocco,Franco Ferraris,Carlo Offelli,and Marco Parvis, “A Client-Server Architecture for Distributed Measurement Systems”, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol.47,No.5,pp.1143-1147,Oct.1998
Loredana Cristaldi,Alessandro Ferrero,and Vincenzo Piuri, “Programmable Instruments,Virtual Instruments,and Distributed Measurment System:What is Really Useful,Innovative and Technically Sound?”, IEEE Instrum.&Meas. Magazine, Sept.1999,pp.20-27
Kang B Lee and Richard D.Schneeman, “Distributed Measurment and Control Based on the IEEE 1451 Smart Transducer Interface Standards”, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol.49,No.3,pp.621-627,Jun.2000
Lee, K.B.*; Schneeman, R.D.*, “ Internet-based distributed measurement and control applications”, IEEE Instrum.&Meas. Magazine,Jun.1999,pp.23-27
Ali Iraqi,Morawski,Andrzej Barwicz,and Wojtek J.Bock, “Distributed Data Processing in a Telemetric System for Monitoring Civil Engineering Constructions”, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol.48,No.3,pp.773-777,Jun.1999
Kenzo Watanabe, “Instrumentation Education in Japan: Despair and Expectation”, IEEE Instrum.&Meas. Magazine, Mar.1999,pp.14-19
Alessandro Ferrero and Vincenzo Piuri, “A Simulation Tool for Virtual Laboratory Experiments in a WWW Environment”, IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol.48,No.3,pp.741-746,Jun.1999
JC-CONNECT Print Server, http://www.jci.co.jp/china/products/printserver/external.html#3100
“Distributed Ethernet Data Logging”, http://www.iotech.com/scanware/4
http://www.wavecom.com/applications/index.php
分布式网络化测试技术综述.doc
