如何以LabVIEW建立分散式量测与控制系统

LabVIEW 提供有效的整合与管理功能，协助建立一个松散式耦合（loosely coupled）的分散式量测与控制系统；不但可支援标准资料库和报告工具的整合、产生及读取XML格式的资料、整合于网路中的掌上型 PDA，亦可下载程式码进行FPGA设定与开发工作。
分散式系统的特性
分散式系统是利用软件将一系列自主运算的计算元件连结以达到使一整套元件成为整合性的系统。对于需要把一个程式分拆到若干运算元，或者要把来自不同测试单元的资讯结合起来分析资料的话，这种整合系统就能非常有效的进行测试应用。使用者可能需要一个测试站与控制系统同步。分散式系统还可以帮助您按位置监控分散式智能 I/O，此 I/O 不仅能对节点进行测控，还可以对监控所有独立节点的高阶监控电脑进行资料记录。

使用者可以利用「松散式耦合」（loosely coupled）或「紧密式耦合」（tightly coupled） 这些分散特性来描述一个分散式系统。松散式耦合系统一般执行于发布/订阅或客户/伺服器模组，其将资料从一个节点传输到另一个。图一是一个松散式耦合系统的结构图——执行软件的处理节点彼此连结。松散耦合分散式系统的实例包括：

．利用 PDA 接收从嵌入式装置传输的资料
．传输资料至中央伺服器的测试单元 （Test cells）
． 将资料无线传输至 PC 的感测器
　

图一：以乙太网路为基础的 PC 和其他计算节点的网路
　

紧密耦合分散式系统涵盖资料通信的硬件，或是以高速保持同步或同一时间的控制 I/O。紧密耦合分散式系统的实例包括：

．与微处理器通信的FPGA
．即时匯流排上的控制节点组

此外，如图二所示，您还可以建立混合系统，在此系统中您可以在即时运算系统内部的FPGA上执行逻辑运算，并可以与以广域乙太网路为基础的网路进行通信。
　

图二：混合乙太网 与I/O网路
　

处理节点网路
松散耦合分散式系统的佈局可被应用于多种环境，包括研究性实验室和制造业工厂。无论是执行粒子加速器试验还是一个高效生产线，都会涵盖以下大多数的关键因素：

◆节点层面的即时量测和控制
◆管理层面的检测，资料记录和系统控制
◆将标准分散式系统协定 （如EPICS和OPC） 与现有节点的整合能力
◆使用标准通讯匯流排如乙太网路和 CAN 的能力
◆开放式的程式设计的弹性可使设备整合，如第三方的软件，多种作业系统，不同厂商生産的PLC，相机以及其他软硬件。

根据您不同的应用需要，分散式系统可以组成不同的元件— PC，高速VME/VXI/PXI即时系统，PLC，坚固的 FieldPoint 装置，或这些处理节点的其他结合体。

无线网路技术，如无线乙太网路及蓝芽，使执行一个分散式系统不再那麽繁琐。从根本上来说，强大的软件是整合系统的关键。如果要随着时间衡量系统效率，此软件还必须具有足够的开放性，以便新技术的加入不会严重影响或破坏系统。
利用 LabVIEW 整合与管理分散式系统
透过 LabVIEW 平台，使用者可以更快的开发这种类型的分散式系统，并且保持长期适应性。LabVIEW的图控环境提供以下关键特色使这些系统的开发更方便：

◆在各种平台上（从 Windows 到Linux，Solaris，Mac OS X 和 RTOS）均相容的开发范例。
◆提供 TCP/IP、UPD、ActiveX、透过 .NET 网路服务等各种网路的介面。
◆各种建立网路化应用的生産工具，包括：
．TCP/IP基础上的客户端/伺服器协定的 DataSocket 流动资料传输
．不需另外程式设计的内建网页伺服器
．可以产生程式码让即时系统与桌上型系统通信的通信精灵
◆利用硬件优势整合输入/输出系统的定时和同步功能
　

图三：TCP/IP 伺服器应用结构图
　

LabVIEW 的应用已经从桌上型电脑扩展到其他新的平台。在这样的应用环境下，使用者所需要建立改良的整合性分散式系统工具将得到持续快速的改进和发展。

核心的开发系统可以整合来自许多厂家数以千计不同类型的 I/O 系统。同时它涵盖数百个分析和视觉化的功能。LabVIEW 针对监测、预警、操作安全、资料记录都有专门的工具，藉以加快大型分散式应用程式的开发。此外，LabVIEW 还具有针对高性能即时控制的专门的工具。最后，LabVIEW 是一个开放的开发环境，它可以整合第三方的程式码，也可以在其他系统产生 LabVIEW DLL 和共用函式库。

利用 LabVIEW 网路化的特性，您可以利用T CP/IP或UPD 作低阶资料传输，也可以使用高阶 DataSocket 客户/伺服器技术，进行跨节点与资料的通信。远端控制可透过使用 ActiveX实现，您也可以浏览 .NET 网路服务进行远端唿叫。此外，利用 LabVIEW 内建的网页发佈工具在网路浏览器上呈现资料和其他节点，这样节点本身也就启动了网路化特性。如图6所示，节点也可透过网路浏览器将其应用程式呈现到指定的可靠机器上面。
　

图4：开放式网路发佈工具
　

图5 ：配置将被发佈在网页上的应用程式
　

图6 ：任意一台可以上网的机器都可透过网路浏览器存取应用程式
　

资料库、报表产生和 XML
标准资料库和报告工具的整合对于分散式应用程式来说非常重要。LabVIEW 还包含以SQL 爲基础的工具，应用于 ODBC 和 ADO 资料库连结性。报表产生工具能帮助使用者动态的从量测资料中建立Microsoft Word，Excel 或 HTML 格式的报告。LabVIEW 还能够产生及读取 XML 格式的资料，使 LabVIEW 应用程式在网路上能更妥善地与其他软件整合。
整合于网路中的掌上型 PDA
网路上处理节点的一个特例就是掌上型PDA。假如您的嵌入式设备没有本地的操作介面，一旦出错就很难纠正。要解决这个问题，您需要有使用者介面的掌上型元件，在上面运行可与内置式系统进行资料和诊断通信的软件。这些元件无论在使用中还是给工厂的技术人员，都可以简单且经济的进行应用。

通过虚拟仪控和LabVIEW，您可以对现有执行Palm或PocketPC作业系统且使用LabVIEW 应用程式进行监控和输入输出的 PDA 进行客制化应用。要把同一个图形化程式应用到系统其他部分，您可以建立一个应用程式使 PDA 通过 IrDA（红外线）、802.11b无线乙太网路、RS-232 序列埠通信或蓝芽跟其他设备进行通信。
　

图7：PDA监测应用程式和显示 IrDA VIs 的结构图
　

总而言之，掌上型设备可当作可携式的量测和自动化处理平台，无论它是应用于分散式系统还是独立单元。LabVIEW 的功能在于您不需要成爲某个特定平台的程式设计专家。图控开发环境已经将您的程式调整到新平台的适用范围。

紧密联结分散式系统
紧密耦合分散式系统的特色是包含定时、计时以及通信匯流排和不同 I/O 设备间的低阶同步。内置开发保持高速增长；晶片元件现在拥有更强性能，可使用较高阶工具提高附加价值。一旦进入专业的领域，这些元件上的开发则将成爲另一种商业科技，同样适用于LabVIEW 平台。
用 LabVIEW 进行 FPGA 开发
内LabVIEW 可以下载程式码，在 NI 可重新设定 I/O模 组上对 FPGA 进行设定。您可以使用你所建立的同一个图形化程式爲客制化控制、计时、数字协定、触发控制或其他 I/O 应用。此应用的执行速度与硬件相关而不是取决于软件。然而，此应用的适应性还可利用 LabVIEW 重新配置。图形化程式本质上是一种平行语言，因此 LabVIEW可以很方便的以直觉方式把 FPGA 的执行情况传输给开发者。图8是数字和模拟 I/O 平行操作的一个例子，迴圈速度是50µs。
　

图8：LabVIEW FPGA 上的同步类比和数位I/O
　

这一技术提出了可置于单台电脑上的紧密耦合分散式系统的管理需要。随着技术的发展，您将需要一张具有两个或更多晶片的介面卡，晶片之间可通过图形化程式进行通信。

但即使没有多块晶片的冲突，您可能也早已发现需要一种相容语言沟通紧密耦合系统和松散耦合结系统。如图8结构表所示，开发者的软体元件运行于一个启动了FPGA的物件模组，该模组中插入须与网上的分散式系统进行通信的即时处理节点。

NI的图形化软件LabVIEW可以在不同平台间进行自动调整，以直观的方式使您对系统加深瞭解，帮助您方便地构建复杂的分散式应用程式。（本文由NI美商国家仪器提供）