网络化测试技术浅谈

1 引 言

随着生产过程自动化控制要求的不断提高，传统测试系统的缺点越来越突出。

① 仪器间的匹配问题以及仪器间的测量精度使整个测试系统精度的提高受到限制；

② 传统测试系统由多台测量仪器组成，信号的传输速度受到限制，给被测信号的实时分析带来困难，在很多情况下，如果时间延误，测得的信号与实时信号存在很大差异，自动控制难以实现；

③ 由多台仪器组成的测试系统相对分散，体积大，不易携带，使现场实测受到限制。对此，传统测试系统的改造势在必行。

综观近年来测试技术的发展状况，现代测试技术除需要不断提高灵敏度、精度和可靠性以外，主要向着小型化、非接触化、多功能化（多参数测量）、智能化及网络化的方向发展。近年来计算机技术、微电子技术、通讯技术和网络技术的迅猛发展，为以PC机和工作站为基础的网络化测试技术的发展提供了技术保障。网络化技术应用于测试系统已成为现代测试技术发展的一大趋势。

2 网络化测试技术的特点

网络的最大特点就是可以实现资源共享，使现有资源得到充分利用，从而实现多系统、多专家的协同测试与诊断，它解决了已有总线在仪器台数上的限制，使一台机器为更多的用户使用，实现测量信息的共享，实现整个测试过程的高度自动化、智能化，同时减少了硬件的设置，有效降低了测试系统的成本。另外，网络可以不受地域的限制，这就决定了网络化测试系统可以实现远程测控，使测试人员不受时间和空间的限制，随时随地获取所需信息，同时网络化测试系统还可以实现测试设备的远距离测试与诊断，提高测试效率。正是网络化测试系统的这些优点，使得网络化测试技术倍受关注。

3 网络化测试的技术支持及网络化仪器

实际测试工作极其复杂，整个测试过程涉及试验设计、模型理论、传感器设计、信号加工处理、误差处理、控制工程、系统辩识和参数评估等。网络化测试不仅需要这些技术，还需要完备的计算机技术、微电子技术、通讯技术及网络技术等，这些技术的完备为网络化测试技术的产生与应用提供了强大的物质支持，而智能检测仪器仪表的产生加速了测试系统网络化的进程。各种可直接接入网络的网络化仪器已在实际测控领域得到了应用。

为适应需要，目前市场上出现的网络化仪器都具有标准的上网规范，如VXI总线颁布的TCP/IP仪器协议和接口变换规范，该规范为开发通用接口实现网络化自动测试系统提供了一种方法和标准，标准中规定了此协议到特定接口的变换，规范的制定使得通过网络直接控制仪器成为可能。传感器作为测试系统的一部分，它的网络化非常重要，网络化传感器是在智能传感器的基础上，把TCP/IP协议嵌入现场智能传感器的ROM中，利用局域网和广域网，使处于测控点的网络传感器将测控参数信号加以必要的处理后送入网络。另外，控制局域网络（CAN）现场总线的规范也已被制定为国际标准ISO 11898，它已广泛应用于离散控制系统中。目前市场上还出现了网络化示波器以及具有良好用户界面、可实现实时远程测控的网络化逻辑分析仪。

这些网络化仪器的出现，加快了网络化测试技术的发展，通用性更强、功能更完备的新一代网络化测试仪器还将不断涌现市场。

4 网络化测试技术中的现场总线技术

现场总线既是新型的自动化系统，又是低带宽的低层控制网络，它可以与因特网（Internet）、企业内部网（Intranet）相连，且位于生产控制和网络结构的低层，因此被称为低层网。它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通讯协议，肩负着生产运行一线测量控制的统一任务。

现场总线技术具有以下技术特点：

① 系统的开放性：开放系统是指通讯协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的公识与遵从。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需求和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

②互可操作性与互用性：这里的可互操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传递与沟通，可实行点对点、一点对多点的数字通讯；而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换，实现互用。

③现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。

④系统结构的高度分散性：由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构，从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。

⑤对现场环境的适应性：工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双胶线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。

正因为如此，特别是现场总线系统结构的简化，使得整个网络化测试系统从设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护都体现出极大的优越性，其优越性主要体现以下几个方面：

① 节省硬件数量与投资：由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号处理、转换、防腐技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

② 节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，由于一对双胶线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连接设计与接头校对的工作量也大为减少。当需要增加现场控制设备时，无须增加新的电缆，可就近连接在原有的的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的预算资料，可节省安装费用60%以上。

③ 节省维护开销：由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行、诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

④ 用户具有高度的系统集成主动权：用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统，避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。

⑤ 提高了系统的准确性与可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差，同时由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单、易于重构等优点。

现场总线技术适应了网络化测试系统的要求，并在其中得到了广泛的应用。

5 网络化测试系统的总体设计方案

实际测试过程要求我们从测试方案考虑，最大限度地激发所需信息，并以较明显的信息形式表现出来，用最敏捷、最合理的方法取得最有用的、表现性强的有关信息，以有效的实验方法进行设计与实施。一般测试系统的组成如图1所示。

图1 一般测试系统的结构框图

网络化测试系统面对的是空间位置分散、测试任务复杂且信息交换量大的测试系统，整个测试系统应同时具有综合信息采集、信息处理、存储、传输和控制以及数据的分析功能。要组建一个功能强大、完整的网络化测试系统必须考虑并重点解决以下几方面的问题：

① 为使现有资源充分利用，检测系统的测量装置可重定义；
② 数据采集是网络化测试过程中的重要环节，因此常用的数据采集硬件必须兼容；
③ 数据的分析、信号的处理是测试过程的最后一个环节，也是整个测试过程中较关键的一步，因此测试分析系统的信号处理过程必须可重定义；
④ 对于整个测试系统，其基本的功能单元必须智能化，带有本地微处理器和存储器，并且具有网络化接口。

一个功能齐全的网络化测试系统的开放性和互操作性也很重要，系统还应遵循可扩充性、安全性及服务器分布性原则。据此，网络化测试系统的基本框图如图2所示。

图2 网络化测试系统结构框图

系统可分为两个基本的功能结构单元，即设备的测试部分和数据信号的分析处理部分。测试部分主要完成现场设备的必要信息的检测，将被测系统的非电量信息转换成所需的电量信息，然后通过网络送入数据处理中心，对信号进行分析处理。整个测试系统以PC技术为基础，具有成本低、控制灵活、通用性强的特点，因此以高性能的PC技术为基础开发的网络化测试系统已得到广泛应用。另外，对于整个测试系统的软硬件平台的选择，在考虑其通用性的同时，又要兼顾成本，应选择目前技术比较成熟的软硬件开发平台。

由于网络自身具有灵活性，因此在实际工作中，可以根据不同的需要组建网络化测试系统：在被测系统不很复杂但相对分散的情况下，可采用单用户测试系统；在被测系统较复杂，需要多方协调测试的情况下，可采用局域网下的多用户测试系统；在被测系统复杂且相当分散的情况下，可采用广域网下的远程网络化测试系统。

6 网络化测试技术存在的难点问题

网络化测试技术虽然得到相当程度的发展，但是还不十分成熟，仍然存在着很多需要解决的难点问题，需要在实践中逐步完善，主要有以下几点：

① 网络化测试过程的实时性问题与时间的确定性问题

对某些测量过程，往往要根据测量结果对被测对象、测量条件、测量状态进行控制，这就需要对被测信号边测量边处理，根据处理结果对后序测量过程进行选择与控制，然而目前所广泛采用的网络技术难以实现数据的同步传输，使测试受到延误，从而造成不必要的损失。因此，网络化测试过程的实时性问题与时间的确定性问题的解决至关重要。

② 网络化测试系统的成本与通用性协调问题
在网络化测试系统的建造过程中，既要考虑成本，又要考虑系统的通用性，成本尽可能低而通用性尽可能强大是我们追求的最理想的状态，但是在实际中两者往往只能兼顾其一，如果为了节约成本而牺牲测试系统的通用性，则减小了系统的使用范围，就使得建造的测试系统发挥不了应有的作用；相反一味追求通用性而不顾成本，又不实际。所以，在组建网络化测试系统的过程中，成本与通用性的协调问题应予以高度重视。

③ 网络化测试系统的安全性与稳定性问题

这是每个测试工作者都比较关心的问题，它是测试能否顺利进行的保障。现代网络技术虽已相当成熟，但由于网络自身的局限性，一旦网络运行中出现故障，将会使整个测试陷入瘫痪状态。因此，网络的安全与稳定在网络化测试中显得异常重要。

④ 网络化测试系统中的总线技术和标准问题

网络测试要求现场总线具有实时性，并实现可互操作性与信息处理的现场化，这就要求在实际测试中要慎重选择现场总线。目前由于现场总线没有一个统一的标准，而现存现场总线控制系统又各具优点，它们都在各自的领域形成了独特的优势，因此，必须根据实际需要，选择具有开放性、可扩展性、兼容性强的现场总线控制系统。

7 结束语

随着测试设备智能化程度的不断提高，现代测试水平进入了一个崭新的阶段。网络化测试技术作为一种新的测试手段还将随着计算机技术、微电子技术、通讯技术和网络技术的不断发展而发展。但是，往往由于这些技术发展迅速，使一种新技术刚刚付诸使用，更新的技术就已推出，而在网络化测试中所使用的设备又比较昂贵，因此测试设备的软件化，且软件能升级以适应技术上的平滑过渡，来适应更新的网络化测试系统的要求已成为一种趋势。