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4數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信關(guān)鍵技術(shù)研究 基于Internet組建數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)目前主要有兩種基本的模式：C/S和B/S模式。兩種通信模式各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，本章將對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的比較。同時(shí)在LabVIEW環(huán)境下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的也有多種方式，在本章中會做一一比較。數(shù)據(jù)的存儲與訪問也是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的關(guān)鍵，在本章最后會進(jìn)行Web數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)和LabVIEW平臺下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫的訪問技術(shù)方面的分析與研究。 4.1 B/S結(jié)構(gòu)與C/S結(jié)構(gòu)的比較 本文提出的基于Internet組建網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)目前主要有兩種基本的模式：C/S和B/S模式，性能和功能場合上各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)做如下分析對比。 (1)C/S模式：(客戶/服務(wù)器模式) C/S模式模型是網(wǎng)絡(luò)通信中常用的一種模型，通常集散控制系統(tǒng)多采用這種結(jié)構(gòu)，它一般有多個(gè)客戶端來采集數(shù)據(jù)，而且通常有一個(gè)服務(wù)器來充當(dāng)數(shù)據(jù)庫的角色，客戶端通過通信協(xié)議把測試數(shù)據(jù)寫入遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。這種模型的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：客戶端采集程序和遠(yuǎn)程發(fā)布的程序設(shè)計(jì)以及客戶端數(shù)據(jù)的接收程序的設(shè)計(jì)。在LabVIEW環(huán)境下，專門為測試數(shù)據(jù)的安全快速的傳輸設(shè)置了DSTP協(xié)議。 C/S模式的優(yōu)點(diǎn)： �、儆捎诳蛻舳藢�(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的直接相連，沒有中間環(huán)節(jié)，因此響應(yīng)速度快。 �、诓僮鹘缑嫫痢⑿问蕉鄻�，可以充分滿足客戶自身的個(gè)性化要求。 �、跜/S結(jié)構(gòu)的管理信息系統(tǒng)具有較強(qiáng)的事務(wù)處理能力，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程。 C/S模式的缺點(diǎn)： �、傩枰獙ｉT的客戶端安裝程序，分布功能弱，針對點(diǎn)多面廣且不具備網(wǎng)絡(luò)條件的用戶群體，不能夠?qū)崿F(xiàn)快速部署安裝和配置。 �、诩嫒菪圆�，對于不同的開發(fā)工具，具有較大的局限性。若采用不同工具，需要重新改寫程序。 �、坶_發(fā)成本較高，需要具有一定專業(yè)水準(zhǔn)的技術(shù)人員才能完成。 (2)B/S模式：(瀏覽器/服務(wù)器模式) B/S模型是為了方便用戶在Web下發(fā)布數(shù)據(jù)。通常用戶端只需要安裝一個(gè)瀏覽器，直接訪問該測控網(wǎng)站的地址，就可以監(jiān)視遠(yuǎn)程測控點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化情況。它的主要工作就是在服務(wù)器端程序的開發(fā)，不存在客戶端程序的開發(fā)和維護(hù)。在B/S模式下，一般采用HTTP協(xié)議。B/S組網(wǎng)模式的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器如圖4.1所示。 B/S模式的優(yōu)點(diǎn)： ①具有分布性特點(diǎn)，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理。 �、跇I(yè)務(wù)擴(kuò)展簡單方便，通過增加網(wǎng)頁即可增加服務(wù)器功能。 �、劬S護(hù)簡單方便，只需要改變網(wǎng)頁，即可實(shí)現(xiàn)所有用戶的同步更新。 �、荛_發(fā)簡單，共享性強(qiáng)。 B/S模式的缺點(diǎn): ①個(gè)性化特點(diǎn)明顯降低，無法實(shí)現(xiàn)具有個(gè)性化的功能要求。 �、诓僮魇且允髽�(biāo)為最基本的操作方式，無法滿足快速操作的要求。 �、垌撁鎰�(dòng)態(tài)刷新，響應(yīng)速度明顯降低。 ④無法實(shí)現(xiàn)分頁顯示，給數(shù)據(jù)庫訪問造成較大的壓力。 ⑤功能弱化，難以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)模式下的特殊功能要求。 綜上所述，B/S模式建立在廣域網(wǎng)上，面向不同的用戶群，分散地域，這是C/S模式無法作到的。與操作系統(tǒng)平臺關(guān)系最小。C/S模式多是建立的Window平臺上，表現(xiàn)方法有限，對程序員普遍要求較高，B/S模式建立在瀏覽器上，有更加豐富和生動(dòng)的表現(xiàn)方式與用戶交流。。并且大部分難度減低，降低開發(fā)成本。鑒于兩種結(jié)構(gòu)模式優(yōu)缺點(diǎn)性能的比較和筆者的論文實(shí)現(xiàn)難以上考慮，本文的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)采用B/S模式。 4.2 LabVIEW實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的方法研究 數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)有多種實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的方法。 其中，基于虛擬儀器LabVIEW實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信有四大類方法： (1)使用網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議編程實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，可以使用的通信協(xié)議類型包括TCP/IP協(xié)議、UDP、串口通信協(xié)議、無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、Socket等; (2)使用基于TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議DSTP的DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信; (3)使用共享變量實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信; (4)通過遠(yuǎn)程訪問來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。 本節(jié)將簡單地分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場合。 4.2.1 TCP與UDP通信技術(shù) TCP與UDP，這些協(xié)議在絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)上都有安裝，因此他們的使用更為普遍，但是正是由于這些協(xié)議更加基礎(chǔ)，因此針對它們的編程要更加復(fù)雜，用戶需要考慮如何建立連接、分配端口號、進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換等。LabVIEW為用戶提供了封裝好的VI函數(shù)，大大簡化了TCP與UDP編程。 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)中傳遞、管理信息的一些規(guī)范，是計(jì)算機(jī)之間相互通信需要共同遵守的一些規(guī)則。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議通常被分為多個(gè)層次，每一層完成一定的功能，通信在對應(yīng)的層次之間進(jìn)行。LabVIEW中支持的通信協(xié)議類型包括TCP/IP、UDP、串口通信協(xié)議、無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和郵件傳輸協(xié)議。TCP/IP協(xié)議體系是目前最成功，使用最頻繁的Internet協(xié)議，有著良好的實(shí)用性和開放性。它定義了網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)際互連協(xié)議IP，傳輸層的傳輸控制協(xié)議TCP、用戶數(shù)據(jù)協(xié)議UDP等。 選擇采用C/S模式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用構(gòu)架時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通信利用Socket編程。Socket是TCP/IP協(xié)議傳輸所提供的接口，一般對于軟件開發(fā)主要使用兩種類型的套接字： (1)流式套接字 流式套接字為應(yīng)用程序提供可靠的通信連接和無邊界限制的雙向數(shù)據(jù)流，能夠提供有序、無重復(fù)的傳輸，適用于處理大量數(shù)據(jù)，并適用于要求得到響應(yīng)的應(yīng)用程序。流式套接字是基于直接連接的，建立在TCP基礎(chǔ)上。TCP三次握手——使用TCP協(xié)議的流程圖如圖4.2所示 (2)數(shù)據(jù)報(bào)套接字 支持雙向數(shù)據(jù)流動(dòng)，但不能保證數(shù)據(jù)的順序和不重復(fù)性，同時(shí)也不十分可靠。數(shù)據(jù)報(bào)是無連接的，由UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)支持，幾乎是直接建立在IP層上，傳輸速度比較快。UDP即用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，它是一種無連接協(xié)議，因此不需要像TCP那樣通過三次握手來建立一個(gè)連接。同時(shí)，一個(gè)UDP應(yīng)用可同時(shí)作為應(yīng)用的客戶端或服務(wù)器端。由于UDP協(xié)議并不需要建立一個(gè)明確的連接，因此建立UDP應(yīng)用要比建立TCP應(yīng)用簡單得多。它比TCP協(xié)議更為高效，也能更好地解決實(shí)時(shí)性的問題。使用UDP協(xié)議的流程圖如圖4.3所示。 其中Socket信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)程序如下： struct sockaddr { unsigned short sa_family; /*地址族*/ char sa_data[14]; /*14字節(jié)的協(xié)議地址，包含該socket的IP地址和端口號。*/ }; struct sockaddr_in { short int sa_family; /*地址族*/ unsigned short int sin_port; /*端口號*/ struct in_addr sin_addr; /*IP地址*/ unsigned char sin_zero[8]; /*填充0以保持與struct sockaddr同樣大小*/ }; LabVIEW中為網(wǎng)絡(luò)通訊提供了基于TCP/UDP的通訊函數(shù)供用戶調(diào)用。這樣用戶可直接調(diào)用TCP模塊中已發(fā)布的TCP VI及相關(guān)的子VI來完成流程的編寫，而無需過多考慮網(wǎng)絡(luò)的底層實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)上采用C/S(客戶端/服務(wù)器)通信模式，VI程序分為兩部分：處理主機(jī)工作在Server模式，完成數(shù)據(jù)接收，并提供數(shù)據(jù)的相關(guān)處理;數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算機(jī)工作于Client模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。TCP傳輸數(shù)據(jù)過程如下：首先由發(fā)送端發(fā)送連接請求，接收端偵聽到請求后回復(fù)并建立連接，然后開始傳輸，數(shù)據(jù)傳輸完成后關(guān)閉連接，傳輸過程結(jié)束。 (3)利用TCP協(xié)議通信實(shí)例 以下通過C/S(客戶端/服務(wù)器)通信模式實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸模式。 在服務(wù)器端，用“TCP Create Listener”節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建偵聽，“TCP Wait on Listener”節(jié)點(diǎn)等待客戶機(jī)連接，通過循環(huán)產(chǎn)生100個(gè)正弦信號數(shù)據(jù)，用兩個(gè)“TCP Write”節(jié)點(diǎn)來發(fā)送數(shù)據(jù)，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)用來發(fā)送波形數(shù)據(jù)的長度，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送波形數(shù)據(jù)，最后，用“TCP Close Connection”節(jié)點(diǎn)結(jié)束連接。程序框圖如圖4.4所示： 在客戶端，用“TCP Open Connection”節(jié)點(diǎn)打開TCP連接，用兩個(gè)“TCP Read”節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，第一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收波形長度作為第二個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)接收波形數(shù)據(jù)，最后，用“TCP Close Connection”節(jié)點(diǎn)結(jié)束連接。程序框圖如圖4.5所示： 運(yùn)行TCP客戶端程序，顯示結(jié)果如下圖4.6所示。 4.2.2 DataSocket技術(shù) 在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的最簡單方法就是DataSocket.由于DataSocket可以應(yīng)用于任何編程環(huán)境，而且支持多種協(xié)議(PSP、DSTP、OPC、LOOKOUT、HTTP、FTP和文件訪問)。DataSocket是一種編程技術(shù)，它簡化了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)之間尤其是現(xiàn)場數(shù)據(jù)的交換。DataSocket技術(shù)是一種面向測控領(lǐng)域的網(wǎng)上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換編程技術(shù)，DataSocket技術(shù)基于Microsoft的COM和ActiveX技術(shù)，對TCP/IP協(xié)議進(jìn)行高度封裝，它包括了通用資源定位符URL (UNIform Resource Locator)和文件格式等技術(shù)規(guī)范。它能大大簡化Internet網(wǎng)上計(jì)算機(jī)之間測控?cái)?shù)據(jù)交換的編程工作。DataSocket也可用于一臺計(jì)算機(jī)內(nèi)或局域網(wǎng)中多個(gè)應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換，DataSocket的體系結(jié)構(gòu)如圖所示。 (1)DataSocket邏輯構(gòu)成DataSocket包括DataSocket Server Manager(以下簡Manager)，DataSocket Server和DataSocket API一部分。 Manager是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的程序，主要功能有：設(shè)置DataSocket Server連接的客戶端程序的最大數(shù)目和創(chuàng)建數(shù)據(jù)項(xiàng)的最大數(shù)目：創(chuàng)建用戶組和用戶;設(shè)置用戶創(chuàng)建和讀寫數(shù)據(jù)項(xiàng)的權(quán)限;限制身份不明的客戶對服務(wù)器進(jìn)行訪問和攻擊。例如，將Manager中的Default Reader設(shè)置為everyhost，則網(wǎng)中的每臺客戶計(jì)算機(jī)都可以讀取服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。Manager對DataSocket Server的配置必須在本地計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，而不能遠(yuǎn)程配置或通過運(yùn)行程序來配置。 DataSocket Server是一個(gè)必須運(yùn)行在服務(wù)器端的程序，負(fù)責(zé)監(jiān)管Manager中所設(shè)定的具有各種權(quán)限的用戶組和客戶端程序之間的數(shù)據(jù)交換。DataSocket Server通過內(nèi)部數(shù)據(jù)自描述格式對TCP/IP進(jìn)行優(yōu)化和管理，簡化Internet.通信方式，提供自由的數(shù)據(jù)傳輸，可以直接傳送虛擬儀器程序所采集到的布爾型、數(shù)字型、字符串型、數(shù)組型和波形等常用類型的數(shù)據(jù)。它可以和測控應(yīng)用程序安裝在同一臺計(jì)算機(jī)上，也可以分裝在不同的計(jì)算機(jī)上，以便用防火墻進(jìn)行隔離來增加整個(gè)系統(tǒng)的安全性。DataSocket Server不會占用測控計(jì)算機(jī)CPU的工作時(shí)間，測控應(yīng)用程序可以運(yùn)行得更快。 DataSocket API提供獨(dú)立的接口，用于不同的語言平臺內(nèi)部多種數(shù)據(jù)類型的通讀。在LabVIEW中，DataSocket API被制作成ActiveX控件和一系列功能VI(Virtual Instrument)，用戶可以方便地使用。一般由服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)需要將測量地?cái)?shù)據(jù)寫入DataSocket數(shù)據(jù)公共區(qū)，然后客戶端通過網(wǎng)絡(luò)充數(shù)據(jù)公共區(qū)讀取所需地測量數(shù)據(jù)。DataSocket API包含有Open、Read、Write和Close等函數(shù)，其中的Read和Write函數(shù)又分為單個(gè)或數(shù)組形式的字符串型、布爾型、數(shù)值型和波形等多種類型。DataSocket技術(shù)可在C語言、VB和LabVIEW等多種開發(fā)環(huán)境中應(yīng)用。 (2)DataSocket資源定位 DataSocket對外提升資源定位接口和功能調(diào)用接口，通過同意資源定位符(URL)對數(shù)據(jù)的傳輸目的地進(jìn)行定位，讀數(shù)據(jù)時(shí)為源地址，寫數(shù)據(jù)時(shí)為宿地址。在資源定位符中標(biāo)明數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)變量。DataSocket支持多種數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，不同的URL前綴表示不同的協(xié)議或數(shù)據(jù)類型。主要包括： ①DSTP(DataSocket Transfer Protocol)：DataSocket的專門通信協(xié)議，可以傳輸各種類型的數(shù)據(jù)，當(dāng)使用這個(gè)協(xié)議時(shí)，VI與DataSocket Server連接，用戶必須為數(shù)據(jù)提供一個(gè)附加到URL的標(biāo)識Tag，DataSocket連接利用Tag在DataSocket Server上為一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)項(xiàng)目指定地址，目前應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)組建的測量網(wǎng)絡(luò)大多采用該協(xié)議; ②HTTP(Hyper Text Transfer Protocol，超文本傳輸協(xié)議); �、跢TP(File Transfer Protocol，文件傳輸協(xié)議); �、躉PC(OLE for Process Control，操作計(jì)劃和控制);特別為實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)而涉及，例如工業(yè)自動(dòng)化操作而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。要使用該協(xié)議，須首先運(yùn)行OPC Server; �、軫ieldpoint，Logos，Lookout：分別為NI FieldPoint模塊，LabVIEW數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控(DSC)模塊及NI Lookout模塊的通信協(xié)議; �、轋ile(local file servers，本地文件服務(wù)器);可提供一個(gè)到包含數(shù)據(jù)的本地文件或網(wǎng)絡(luò)文件的連接。 (3)DataSocket網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)途徑 在LabVIEW中運(yùn)用DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信有兩種途徑：前面板控件屬性直接連接和利用DataSocket VI編程。具體實(shí)現(xiàn)方式見下圖4.8所示： 用DataSocket在數(shù)據(jù)發(fā)送端首先形成具有一定規(guī)律的數(shù)據(jù)流，再用DataSocket控件的寫操作把這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻ataSocket服務(wù)器，在各客戶端用讀操作從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)流，然后對數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析并恢復(fù)為原始信息在客戶端形成的響應(yīng)。這樣就實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的基本流程。整個(gè)應(yīng)用分成“寫”和“讀”兩個(gè)模塊。 寫模塊的核心時(shí)DataSocket write vi.它在工作前需要用戶指定數(shù)據(jù)宿的URL地址。 VI每次從上一步程序接收數(shù)據(jù)后形成數(shù)據(jù)包并送到目標(biāo)地址。在數(shù)據(jù)傳送過程中，寫端計(jì)算機(jī)的DataSocket Server會實(shí)時(shí)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳送情況�！皩憽蹦K選擇條件為“True”時(shí)的程序，詳見圖4.8. 讀模塊起核心作用的時(shí)DataSocket Read vi，其數(shù)據(jù)源的URL地址須與數(shù)據(jù)宿的URL地址相同，要注意接收的數(shù)據(jù)類型與寫端輸出的數(shù)據(jù)類型一致。讀端計(jì)算機(jī)也會運(yùn)行DataSocket Server來監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)接收和數(shù)據(jù)接收情況�！白x”模塊程序詳見圖4.9. 有時(shí)網(wǎng)絡(luò)擁塞會使數(shù)據(jù)傳送周期變長，可以在程序的循環(huán)中設(shè)置等待時(shí)間(ms)，本應(yīng)用寫端和讀端分別設(shè)計(jì)為1000和100.在實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量有專用的傳送線路，一面網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。DataSocket Server讀取的數(shù)據(jù)可以做進(jìn)一步的處理，并存儲起來以供調(diào)用。 |
