20世紀70年代以來，電子技術和半導體工業的發展突飛猛進，工業生產、科學研究和人民生活對測量和控制的需求不斷提高，這些帶動并促使測量和控制領域出現巨大變化，具體到測量儀器|儀表儀表，相繼產生了基于微處理器、單片機的智能儀器以及基于PC機的虛擬儀器。計算機和儀器儀表的日益緊密結合，使測量的方式方法日趨多樣化，并在與之密不可分的控制的運用廣度和深度上得以延伸。而近幾年來，以Internet為代表的網絡技術的高速發展，更是給測量和控制帶來了不可估量的發展空間。本文旨在展示現代測控技術及儀器表現出的鮮明特點，并提出，按發展的觀點和技術的實質特征看，基于Internet的測控系統當之無愧地隸屬于新一代的網絡化儀器。

1 測控網絡與信息網絡的各自發展與融合

1.1 測控網絡的發展

測控技術的進步一直受計算機和計算機網絡技術發展的制約。最初誕生的傳統測控系統是以單片機、PC機、工控機為核心的多個分散單元的集合體。當總線出現以后，一般借助S-100或PC機總線形成測控系統。但是由于連線過長和過多，用這些總線形成的測控系統的穩定性較差，抗干擾能力較弱，難以實現大范圍的有效測控。隨后出現的是集散控制系統（TDCS），它由多臺微處理機分散在現場的不同位置，彼此之間以高速數據通道進行連接。而TDCS的聯網技術較為復雜，聯網手段和網絡結構均不靈活，并明顯缺乏開放性。隨著計算機局域網（LAN）的出現，產生了基于LAN的TDCS系統。與此同時，由兩線制4“20mA標準信號發展而來的智能化現場設備和控制自動化設備之間的通信標準——現場總線與智能化測控儀器的連接，使得測控網絡得以形成。其實，現場總線網絡既是一種信息網絡，又是一種自動化系統。作為信息網絡，它所傳送的是接通電源|穩壓器、關斷電源、開閉閥門等指令和數據;作為自動化系統，與其他系統相比，其在結構上有較大變化，最顯著特征是通過網絡傳送信號進行聯絡，可由單個節點或多個網絡節點共同完成所要求的自動化功能，是一種由網絡集成的自動化系統。由于現場總線適應了工業控制系統應具有分散化、網絡化、智能化等特點的需求，所以最近一二十年有了很大發展。同時許多國際組織，例如IEC、美國儀表學會（ISA）、ISP （Interoperable System Project）、IFC、World-FIP和FINT（Field bus International）等，多年來為制定現場總線標準做了大量工作，結果出現了多種不同的現場總線標準，例如ISP、World FIP、HART、Lon works和IEC-ISA等。不可否認，現場總線技術對測控領域的技術進步起到了巨大的推動作用，但也正是由于多種不同總線標準的同時存在，給各公司、企業基于不同現場總線形成的測控網絡之間的互聯又設置了不少障礙。因此，跨地域共享、利用測控信息的需求，與這種因基于不同總線技術而不便于實現高層次集中管理、監控和決策之間的矛盾日趨明顯。

1.2 信息網絡的發展

計算機網絡出現于20世紀70年代初，20世紀90年代以來，Internet高速發展，表現出許多優越的性能口目前，在生活中，利用Internet可以比從前更經濟、更方便和更快捷地取得信息并進行信息的交流;在工作中，Internet的應用主要還限于傳遞文字、圖片和辦公信息等。但是人們一直在研究如何更充分地挖掘Internet的應用潛力，以實現“地球村”的夢想。人們已經認識到，接人Internet的不應僅限于狹義上的計算機，工業中的各種測量控制裝置、生活中的各種家用電器、社會不同領域、層面的各種公眾設備等，都應該且必將成為Intermet的客戶端。只有這樣，人類才能擁有一個無處不在、無時不在的真正的全球化網絡。

1.3 測控網絡與信息網絡的融合

從上面的分析可以看到，一方面，人們希望更廣泛的使用Internet，試圖接入更多的設備，以便在擴充其應用模式的同時享受其帶來的更多便利;另一方面，工業化程度的加劇也給測控網絡系統的發展提出了新的問題：如何方便地組建一個高效率的、智能化的、能夠和其他高層網絡互聯的測控網絡系統。以便于統一集中監控和提高管理決策水平。為了達到這些目的，需要測控網絡和信息網絡在一定程度上能夠共享資源，并且以有效的方式交換信息。所以，從測控網絡和信息網絡各自的發展來看，它們均已表現出走向對方并相互融合的進步趨勢。為了實現這種融合，十分必要研究如何保證它們之間在一定范圍內能具有良好的交換性、各自的獨立性和安全性。下面來討論測控網絡和信息網絡互聯的具體實現。

（1）由于測控系統嵌入式的特殊性，以及它在不同應用場合和項目中所要完成的功能各異，故應將測控網絡與信息網絡有機地融合為一體。在某些應用中，可以對ISO/OSI七層模型進行簡化，只保留其核心層和TCP/IP協議。實際上，現行的各種現場總線在某種意義上可看作是對ISO/OSI模型的簡化，但它們簡化的標準各異，所以并不能直接應用于Internet接入。比如在大多數情況下，嵌入式單元只是在調試時才需要應用層，并且由于嵌入式操作系統和應用程序的一體化，會話層、表示層和應用層可在一定意義上合并。這種保留核心層和TCP/IP協議的測控系統可方便地實現網絡互聯。

（2）客戶/服務器（Client/Server——C/S）工作模式。C/S工作模式作為分布式應用程序之間通信的一種有效方式，在近些年得到了非常廣泛的應用，其特點是運行在服務器上的進程能為發出請求的客戶提供所需的信息。正是由于有一套通用的標準，服務器和客戶總是能運行于通過某種網絡互聯的不同平臺、不同操作系統上。如果從分層體系的角度出發，C/S僅僅是一種應用層的標準。Internet上流行的網絡/瀏覽器（Web/Browser——W/B）模式屬C/S中的一種，它以http協議的html標記語言為通用標準。W/B模式為在測控系統中集成各種功能提供了一種發展方向，即客戶端可以是瘦客戶（在三級網絡體系結構中，Web服務器既作為一個瀏覽服務器，又作為一個應用服務器。在這個中間服務器中，可以將整個應用邏輯駐留其上，而只有表示層存在于客戶機上。這種結構被稱之為“瘦客戶機”），但絲毫不會影響它的網絡功能。

（3）數據庫管理系統。它是測控網絡的一個核心部分，為各種用戶提供訪問和修改數據庫中存儲的數據。

（4）網絡管理。由于網絡的復雜性和開放性，要保證測控系統的持續性、穩定性和安全性，必須有一套嚴格的管理方法和程序。與普通的Internet系統相比，測控信息網絡的管理有其特殊性，具體有不同的配置管理和嚴格的安全管理。對于網絡管理，目前也有幾種不同的協議對應于不同的應用，其中基于TCP/IP的簡單網絡管理協議（SNMP）是最為流行的。SNMP主要用于OSI七層模型中較低層的管理，具體采用輪詢的監控方式。

隨著Internet應用范圍和空間的不斷拓展以及控制網絡本身發展的需要，一種新的基于Internet的測控信息網絡的產生己勢不可擋。目前，測控系統的發展落后于信息網絡的進步。信息網絡發展中積累的經驗和出現的先進技術，將為測控網絡與信息網絡的互聯提供有益的參考。但也要看到，當前信息系統中也有不適合測控系統發展的地方。只有認真考慮各方面的問題并積極著手加以解決，實現測控網絡與信息網絡更好的融合，才可能得到一個全新的、有著更強大功能的測控信息網絡。

2 基于Internet的測控系統即網絡化儀器——測量儀器概念的延拓

2.1網絡化儀器的特點和發展

測量是為了確定量值而進行的一組操作。在早期，測量的范圍主要局限于對各種現實存在的物理量的計量測試，但隨著科學技術的進步和人類生產、管理模式的發展變化，測量早已突破了傳統意義上的范疇，甚至己擴展到人文與社會科學領域;且近幾年又正在發展形成一些新的測量領域，如軟件測試、生物測試、符號法測量等。在各種測量結果上形成的形形色色的控制系統、反饋系統以及信息傳播，已經成為現代化生產、管理的基本手段。按照傳統定義，測量儀器是指單獨或連同其他設備一起用以實現對被測對象進行測量的裝置。隨著測量范圍、內容、技術及其特點的不斷發展，測量儀器技術同樣在飛速進步。本質上講，測量儀器主要完成三個基本功能：信號采集與控制、信號分析與處理、測得結果表達與輸出。在測量儀器發展的不同階段，實現這三方面功能的具體模塊有著很大的區別。

智能儀器實現信號采集與控制、信號分析與處理功能的核心是微處理器。虛擬儀器完成信號采集與控制功能的是處于被測現場的各種測量單元;其信號分析和處理功能由運行在PC，機上的軟件完成;測得結果信號的傳輸，則是通過各種總線實施的。由于虛擬儀器的測量模塊只負責信號的輸入和輸出，而測量、信息處理等主要功能是借助軟件在微機上實現的，所以就有“軟件就是儀器”的說法。現在的虛擬儀器發展正在走標準化和互操作性的道路，它帶來的好處是顯而易見的。

計算機和軟件的發展成為測量儀器進步的巨大推動力。而近幾年水平迅速提升的信息技術、網絡技術及它們在測量領域的應用，又正在促使人們更新對測量儀器的傳統看法。

測量與控制早已密不可分。既具有測量又帶控制功能，已成為某個系統是否先進的主要標志之一。有測量和控制功能的系統被稱為測控系統。測控系統本身當然具備測量儀器的三個基本功能，但它又在性能、特點上豐富了這三個方面的能力。首先，基于Internet的測控系統中實現信號采集與控制的前端模塊具有虛擬儀器不可比擬的強大功能，它不僅僅完成信號的采集和控制，在一定程度上還兼顧實施對信號的分析與傳輸。這主要是因為它以一個功能強大的微處理器和一個嵌入式操作系統為支撐。在這個平臺上，使用者可以很方便地實現各種測量功能模塊的添加、刪除以及不同網絡傳輸方式的選擇。而微電子技術的發展已為實現嵌入式計算機的小型化鋪平了道路。再者，基于Internet的測控系統最為顯著的特點，是信號傳輸的方式發生了改變。用傳統儀器進行測量，不存在信號的傳輸問題;用智能儀器實施測量，測得結果信號的傳輸也較為容易;由虛擬儀器完成的測量過程中的信號傳輸，是依靠專用網絡實現的;而基于Internet的網絡化測控系統對測得信號、控制信號等的傳輸，則是建立在公共的Internet上的。有了前端的嵌入式模塊，系統的測量數據安全、有效的傳輸便成為可能。再有，基于Intemet的測控系統對測得結果的表達和輸出也有了較大的改進。一方面，不管身在何處，使用者都可以通過瘦客戶機方便地瀏覽到各種實時數據，了解設備現在的工作情況;另一方面，在客戶端的控制中心，所擁有的智能化軟件和數據庫系統，都可被調用來服務于測得結果的分析，以及為使用者下達控制指令或做決策提供幫助。

由于基于Internet的測控系統能夠實現傳統儀器儀表的基本功能，同時又具備傳統儀器儀表所沒有的一些新的特點，所以從系統的觀點考慮并根據網絡化儀器的定義，基于Internet的測控系統無疑也屬于網絡化儀器。網絡化儀器的概念是對傳統測量儀器概念的突破，是虛擬儀器與網絡技術相結合的產物。基于Internet的測控系統這一類網絡化儀器利用嵌入式系統作為現場平臺，實現對需測數據的采集、傳輸和控制，并以Internet作為數據信息的傳輸載體，且可在遠端PC機上觀測、分析和存儲測控數據與信息。可以看到，這種服務于隨時隨地獲取測量信息的智能化、網絡化、具有開放性和交互性的網絡化測控系統，正在成為新一代網絡化儀器及其系統的發展趨勢。

2.2網絡化儀器體系結構及實現

網絡化儀器是電工電子、計算機硬件軟件以及網絡、通信等多方面技術的有機組合體，以智能化、網絡化、交互性為特征，結構比較復雜，多采用體系結構來表示其總體框架和系統特點。網絡化儀器的體系結構，包括基本網絡系統硬件、應用軟件和各種協議。根據前述的分析，可以將信息網絡體系結構內容（OSI七層模型），相應的測量控制模塊和應用軟件，以及應用環境等有機地結合在一起，形成一個統一的網絡化儀器體系結構的抽象模型。該模型可更本質地反映網絡化儀器具有的信息采集、存儲、傳輸和分析處理的原理特征。圖1是網絡化儀器體系結構的一個簡單模型。該模型將網絡化儀器劃分成若干邏輯層，各邏輯層實現特定的功能。

首先是硬件層，主要是指遠端的傳感器信號采集單元;包括微處理器系統，信號采集系統，硬件協議轉換和數據流傳輸控制系統。硬件層功能的實現得益于嵌人式系統的技術進步和近年來大規模集成電路技術的發展，硬件協議轉換和數據流傳輸控制功能可依靠FPGA/CPLD實現，如此使硬件具有可更改性，為功能拓展和技術升級留有空間。

網絡化儀器的另一個邏輯層是嵌入式操作系統內核。該層的主要功能是提供一個控制信號采集和數據流傳輸的平臺。該平臺的前端模塊單元已不是原始意義上的單片機應用系統。它要完成的功能較多，控制起來較復雜，且在儀器中異常重要，所以，需要有一個操作系統來管理各種軟硬件資源、合理調度和分配作業，以實現進程控制并提供安全服務。其前端模塊單元的主要資源有處理器、存儲器、信息采集單元和信息（程序和數據）；主要功能是合理分配、控制處理器，控制信號的采集單元以使其正常工作，并保證數據流的有效傳輸。該邏輯層主要由鏈路層、網絡層、傳輸層和接口等組成。根據應用的不同，本層的具體實現方式可能不同，且可在一定程度上簡化。

除上述兩邏輯層外，網絡化儀器還不可缺少嵌入式操作系統的服務層和應用層——根據需要，提供http、FTP、TFTP、SMTP等服務。其中，http用以實現Web儀器服務；FTP和TFTP用于實現向用戶傳送數據，從而形成用戶數據庫資源;而SMTP則用來發送各種確認和告警信息。如此，就可很容易地組成不同使用權限的系統。低級用戶無需自己再安裝任何應用軟件，直接利用Internet explorer或Netscape等瀏覽器瀏覽數據，就可實現對測量數據的觀測。高級用戶可經由網絡修改配置來控制儀器在不同儀態下的運行；經網絡傳來的數據，可交由專門數據處理軟件分析，以實現最優化的決策和控制；并且還可利用一些專門軟件分析傳來的數據，以實現MIS應用等。

基于Internet的測控系統這類網絡化儀器的規模可大可小，可用于城市污水處理監測，水文監測，電、水、燃氣、熱量等的綜合計量管理，智能住宅不區監控，家用電器的網絡化管理，大型工業企業的MIS，等等。目前，有些公司已經推出了多種以不同方式連接Internet的網絡化儀器和設備，例如Agilent公司1999年就研制出了具有Web瀏覽器遠程接人功能的邏輯分析儀;Cisco公司已開始銷售具備Web管理界面的交換機等。

3 結束語

信息技術和網絡技術已經被公認是新世紀最具活力的技術。如何在新的條件下發展測量和儀器技術，從而更快捷、準確地實現控制，如何更好地利用這些新技術為測量和儀器技術的進步注入新的力量，是所有測量儀器應用工程技術人員和專家的責任。隨著現代傳感技術的發展，測量已無處不在。現代工業中出現了“芯片人”，現代生活中出現了“機器寵物”，現代戰爭中出現了“未來戰士”，這些新生事物無一例外地都利用了現代測控技術和網絡傳輸技術。不難發現，測量作為促進人類一切進步的基本支撐要素之一，將隨著科學技術的飛速發展與前進，不斷被賦予新的內涵。人們應該更多、更快地并在更廣泛的領域中利用各種新技術，以更好地為網絡化儀器的發展和更新換代服務。