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，本章將對兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的比較。同時在LabVIEW環(huán)境下實現(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)計和LabVIEW平臺下實現(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，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)，它一般有多個客戶端來采集數(shù)據(jù)，而且通常有一個服務(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)計包括兩個方面：客戶端采集程序和遠(yuǎn)程發(fā)布的程序設(shè)計以及客戶端數(shù)據(jù)的接收程序的設(shè)計。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：

　　①由于客戶端實現(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。

　　②操作界面漂亮、形式多樣，可以充分滿足客戶自身的個性化要求。

　　③C/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，能實現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)流程。

　　C/S模式的缺點：

　　①需要專門的客戶端安裝程序，分布功能弱，針對點多面廣且不具備網(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。

　　②兼容性差，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。

　　③開發(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：

　　①具有分布性特點，可以隨時隨地進(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理。

　　②業(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。

　　③維護(hù)簡單方便，只需要改變網(wǎng)頁，即可實現(xiàn)所有用戶的同步更新。

　　④開發(fā)簡單，共享性強(qiáng)。

　　B/S模式的缺點：

　　①個性化特點明顯降低，無法實現(xiàn)具有個性化的功能要求。

　　②操作是以鼠標(biāo)為最基本的操作方式，無法滿足快速操作的要求。

　　③頁面動態(tài)刷新，響應(yīng)速度明顯降低。

　　④無法實現(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)缺點性能的比較和筆者的論文實現(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)有多種實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的方法。

　　其中，基于虛擬儀器LabVIEW實現(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)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；

　　（3）使用共享變量實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；

　　（4）通過遠(yuǎn)程訪問來實現(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，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)報套接字

　　支持雙向數(shù)據(jù)流動，但不能保證數(shù)據(jù)的順序和不重復(fù)性，同時也不十分可靠。數(shù)據(jù)報是無連接的，由UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(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連接。同時，一個UDP應(yīng)用可同時作為應(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，也能更好地解決實時性的問題。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)的底層實現(xiàn)。在設(shè)計上采用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)點計算機(jī)工作于Client模式，實現(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)議通信實例

　　以下通過C/S（客戶端/服務(wù)器）通信模式實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸模式。

　　在服務(wù)器端，用“TCP Create Listener”節(jié)點創(chuàng)建偵聽，“TCP Wait on Listener”節(jié)點等待客戶機(jī)連接，通過循環(huán)產(chǎn)生100個正弦信號數(shù)據(jù)，用兩個“TCP Write”節(jié)點來發(fā)送數(shù)據(jù)，第一個節(jié)點用來發(fā)送波形數(shù)據(jù)的長度，第二個節(jié)點發(fā)送波形數(shù)據(jù)，最后，用“TCP Close Connection”節(jié)點結(jié)束連接。程序框圖如圖4.4所示：

　　在客戶端，用“TCP Open Connection”節(jié)點打開TCP連接，用兩個“TCP Read”節(jié)點讀取數(shù)據(jù)，第一個節(jié)點接收波形長度作為第二個節(jié)點的輸入，第二個節(jié)點接收波形數(shù)據(jù)，最后，用“TCP Close Connection”節(jié)點結(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)上實時數(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)上計算機(jī)之間測控數(shù)據(jù)交換的編程工作。DataSocket也可用于一臺計算機(jī)內(nèi)或局域網(wǎng)中多個應(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是一個獨立運(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算機(jī)上，也可以分裝在不同的計算機(jī)上，以便用防火墻進(jìn)行隔離來增加整個系統(tǒng)的安全性。DataSocket Server不會占用測控計算機(jī)CPU的工作時間，測控應(yīng)用程序可以運(yùn)行得更快。

　　DataSocket API提供獨立的接口，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)需要將測量地數(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)時為源地址，寫數(shù)據(jù)時為宿地址。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)使用這個協(xié)議時，VI與DataSocket Server連接，用戶必須為數(shù)據(jù)提供一個附加到URL的標(biāo)識Tag，DataSocket連接利用Tag在DataSocket Server上為一個特殊的數(shù)據(jù)項目指定地址，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）；

　　③FTP（File Transfer Protocol，文件傳輸協(xié)議）；

　　④OPC（OLE for Process Control，操作計劃和控制）；特別為實時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)而涉及，例如工業(yè)自動化操作而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。要使用該協(xié)議，須首先運(yùn)行OPC Server；

　　⑤Fieldpoint，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；

　　⑥File（local file servers，本地文件服務(wù)器）；可提供一個到包含數(shù)據(jù)的本地文件或網(wǎng)絡(luò)文件的連接。

　　（3）DataSocket網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)途徑

　　在LabVIEW中運(yùn)用DataSocket技術(shù)實現(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)。這樣就實現(xiàn)協(xié)同工作的基本流程。整個應(yīng)用分成“寫”和 “讀”兩個模塊。

　　寫模塊的核心時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，寫端計算機(jī)的DataSocket Server會實時監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳送情況。“寫”模塊選擇條件為“True”時的程序，詳見圖4.8.

　　讀模塊起核心作用的時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。“讀”模塊程序詳見圖4.9.

　　有時網(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)置等待時間（ms），本應(yīng)用寫端和讀端分別設(shè)計為1000和100.在實際現(xiàn)場應(yīng)用時，應(yīng)盡量有專用的傳送線路，一面網(wǎng)絡(luò)擁塞時發(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。