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1　引 言
　　現代測試工程在測試系統的信息獲取能力、信息融合能力和信息處理能力三個方面對測試儀器系統提出了越來越高的要求。為了提高測試系統在這三個方面的性能，人們在儀器之間、儀器和計算機之間的通訊速度、儀器接入的自由程度和儀器被操作訪問的靈活程度，以及整個測試系統的靈活性、穩健性以及自動化程度、數據處理能力這些問題上提出了更高的要求。
　　上世紀80年代美國國家儀器公司NI（NationalInstruments）提出的虛擬測量儀器（VI）概念，引發了傳統儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，從而開創了“軟件即是儀器”的先河。虛擬儀器，實際上就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統，即采用計算機開放體系結構取代傳統的單機測量儀器，對各種各樣的數據進行計算機處理、顯示和儲存。虛擬儀器的突出優點在于能夠和計算機技術結合，從而開拓了更多的功能，具有很大的靈活性，極大提高了測試系統的處理能力。與此同時，人們對于虛擬儀器系統中硬件與計算的連接方式對于測試系統整體性能帶來的影響，表現出了的關注。

2　現有儀器的通訊方式
　　目前虛擬儀器系統中硬件與計算機的連接方式主要有幾種類型：
　　（1）串、并行口：把儀器硬件集成在一個采集盒是并口傳輸的距離非常有限。目前，使用串、并口作為連接方式的做法已經趨于被淘汰。
　　（2）PC總線—插卡：這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與的軟件如LabVIEW相結合，充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足、機箱內部的噪聲電平較高、插槽數目也不多、插槽尺寸比較小、機箱內無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經淘汰，PCI的虛擬儀器價格比較昂貴。
　　（3）GPIB總線（IEEE－488標準）：典型的GPIB系統由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達14臺儀器，電纜長度可達40 m。缺點是NI公司推出的GPIB卡價格昂貴。
　　（4）VXI總線：VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領域的擴展，它具有穩定的電源、強有力的冷卻能力和嚴格的RFI／EMI屏蔽。由于它的標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優點，很快得到廣泛的應用。它的缺點是VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價高。
　　（5）PXI總線：PXI總線方式是PCI總線內核技術增加了成熟的技術規范、增加了多板同步觸發總線的技術規范和要求形成的，增加了多板總線，以適用于相鄰模塊的高速通訊的總線。具有比臺式PCI系統更高的可擴展性，通過使用PCI－PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽。然而，價格也更高。
　　（6）現場總線：目前工業現場測試系統和控制系統伴生，因而控制系統中的現場總線方式在測試儀器的通訊方式中占據了主導地位。此外，RS－485／422總線族以其較低廉的價格、較遠的傳遞距離也在工業現場儀器的通訊方式中占有一席之地。
　　由于種種*的經濟、社會與技術原因，使現場總線自身統一標準的制定非常的困難。在長期的協商、妥協之后，1999年底IECTC65（負責工業測量和控制的第65標準化技術發員會）通過了IEC61158、ControlNet、Profibus、P－Net、FFHSE、SwiftNet、WorldFIP、Interbus－S等8種現場總線標準成為IEC現場總線標準子集。因為幾種標準分別來自于各自的支持者所從事的應用領域，所以實際上并沒有一種標準能覆蓋所有的應用面。這種情況給使用現場總線作為測試系統通訊方式的用戶帶來了選擇上的混亂和困難。
　　出于商業原因，現有的現場總線標準中，異種現場總線之間是不能直接進行互操作的。使用者只能按照現場總線方所規定的方式，通過網關（gateway）通信或通過OPC（OLEfor Process Control）協議進行互操作。這種互操作只能有限的、在各自的主機間進行，不能在彼此的現場儀表間進行。（這一點，對于前面5種連接方式來說，情況更是如此。）對于RS－485／422的使用者來說，儀器的操作*取決于開發方的設置，這使得跨標準的儀器操作變得非常困難。所以，采用多種現場總線標準的測試網絡是由幾個相對自治的單一總線標準的網絡在主機層面上互連得到的網絡，而并非是在測試儀器層面上開放的網絡。
　　受到各種現場總線標準支持方有關技術保護、知識產權因素、應用領域、商業競爭因素的限制，現場總線的硬件通信單元成本通常很高。
　　此外，由于現有的虛擬儀器概念主要是以一臺PC或者工業站為核心組建的，故而儀器的接入往往受限于計算機的位置，不能實現自由的組成測試網絡。然而網絡化的測試和網絡化的數據處理是實現測試系統自動化的必經之路。儀器的工作和測試系統的數據處理工作受到測試系統通訊方式以及接入方式的靈活程度、計算機工作方式等因素所局限。現有的現場總線測試系統固然會給用戶帶來效益，但它畢竟處于企業網的zui低層，局部雖有效益，但有時卻不能為企業帶來整體效益，換言之，測試網絡尚未與企業的管理自動化（如采用ERP等技術方法）相結合。
　　綜上所述，目前儀器總線的缺陷有：1）缺乏真正統一標準；2）標準的不統一導致不能真正實現互操作性；3）價格昂貴；4）接入方式不夠靈活自由。

3　以TCP／IP作為通訊方式的現代虛擬儀器
　　隨著互聯網技術的發展，虛擬儀器和網絡技術相結合，能夠通過網絡借助OLE、DDE技術與企業內部網Intranet聯接，與外界進行數據通信，將實時測量的數據輸送到Intranet已經成為了必然趨勢。同時，作為新的儀器總線，以態網、TCP／IP技術已經在虛擬儀器的組成中嶄露頭角。在國外，出于對已有技術和投資的保護，很多測試系統采用了比如FF、Profibus、LonWorks推出的建立在已有現場總線基礎上的互聯網和已有總線的混合體性質的解決方案。
　　法國施耐德公司，面向工廠自動化提出了基于以太網＋TCP／IP的解決方案，稱之為“透明工廠”。施耐德公司是將以太網技術引入工廠設備底層，廣泛取代現有現場總線技術，且有一批工業級產品問世和實際應用。基于以太網和TCP／IP的測試網絡正在我國的工業領域里越來越受到重視。其主要特點如下：
　　（1）實現把TCP／IP協議嵌入現場智能儀器（主要是傳感器）的ROM中，使信號的收、發都以TCP／IP方式進行。
　　（2）測控系統在數據采集、信息發布、系統集成等方面都以企業內部網絡（Intranet）為依托，以太網作為現場總線。
　　（3）在互聯網上實現網絡化的虛擬儀器，自由靈活的組成數據采集系統和數據分析、管理系統。
　　（4）將測控網和企業內部網及Internet互聯，實現測控網和信息網的統一，建立測試和管理統一的系統。

　　TCP／IP作為通訊方式的測控系統結構如圖3－1所示，其優點有：
    （1）低投入、高性能的通訊方式
　　采用高性能、帶寬在迅速增長的高可靠性、低成本的網關、路由器、中繼器及網絡接口芯片等網絡互聯設備，取代了通信速率一般都比較低的傳統現場總線方式，并且將取代通訊速度雖然高但需要特定的、價格昂貴的通信芯片的支持的總線方式。
　　利用現有Internet資源和企業內部的網絡拓撲，從而十分方便的組建測試網絡、企業內部網絡以及它們與Internet的互聯。
    （2）實現了*自由的儀器聯網的拓撲
　　使用以太網作為儀器之間、儀器與計算機之間的通訊媒介，使得儀器的接入不再受限于計算機的布局。儀器作為網絡上的節點，*獨立于計算機存在。儀器可以*靈活自由的接入以太網的任何一點，并且可以在以太網的任何一點被訪問。
　　（3）*實現單一的、開放性的總線標準和互操作性
在鏈路層上采用以太網連接，TCP／IP和以太網的標準作為測試系統通訊標準，以開放的互聯網結構作為監控系統結構，真正實現了標準的統一和開放。網絡化傳感器像計算機一樣成為了測控網絡上的節點登臨網絡，并具有網絡節點的組態性和互操作性。利用局域網或廣域網，處在測試點的網絡傳感器將測試參數信息加以必要的處理后登臨網絡，聯網的其它設備便可獲取這些參數，進而再進行相應的分析和處理。
　　在這樣構成的監測網絡中，傳統儀器設備充當著網絡中獨立節點的角色，信息可跨越網絡傳輸至所及的任何領域。實時、動態（包括遠程）的在線監測成為現實。計算機和現場儀器之間按照互聯網的標準實現了互操作。網絡實實在在地介入了現代測量的全過程。
    （4）增加了監測系統穩健性
　　在依托于互聯網的測試體系之中，主控計算機的設置不必取決于具體的物理位置，只要在局域網內的任何一臺計算機均可配置為某一組測量儀器的主控計算機，可以很方便的在局域網中實現主控計算機功能的分散和冗余。同時，因為某個節點的故障使系統無法工作的可能性大為減少。
　　（5）增強了數據處理能力、實現了管理監測的一體化
　　測試網絡位于企業信息網絡的底層，其根本任務是要完成生產現場的監測任務，提供生產過程與設備的各種信息。企業能夠做到把管理、決策、市場信息和現場監測信息結合起來，把各種應用協調為一個整體，實現現場檢測、原料供應與產品儲運、設備檢修、市場信息、企業管理、決策等過程的一體化解決方案，就需要把監測網絡與Intranet、Internet連接成為一個整體。使測量系統能夠實現跨地區的遠程處理與遠程故障診斷，人們可以在千里之外查詢現場的運行狀態；方便地實現偏遠地區生產設備的無人值守；遠程診斷生產過程或設備的故障。

4　展　望
　　傳統的采用現場總線通訊技術構成的測試系統紛紛朝著采用以太網為通訊技術的方向靠攏，有的已經進入實際應用和推廣階段。基于以太網和TCP／IP的測試網絡正在我國的工業領域里越來越受到重視。可以預見，在火電廠、化工廠、水利、交通、能源等工業現場以及環境的長期監測中，以TCP／IP作為通訊方式的虛擬儀器將有巨大的發展空間。
　　由于目前以太網采用CSMA／CD（載波監聽多路訪問／沖突檢測）機理作為其介質訪問控制方式，以太網在實時傳輸、定時控制上與傳統的現場總線相比還不具有優勢。但隨著快速以太網與交換式以太網技術的發展，以太網的通信速率不斷提高，從十兆到百兆，目前千兆以太網已在局域網、城域網中普遍應用，萬兆以太網也正加緊研制。這給解決以太網通信的非確定性帶來了很大希望。相信在不久的將來，隨著網絡技術的發展，TCP／IP將出現在各種工業實時測試現場中，甚至很有可能取代現有的現場總線技術成為統一的工業網絡標準，而以TCP／IP作為通訊方式的虛擬儀器必將成為虛擬儀器的一種標準方式。