TCPIP协议进行数据传输

摘要：阐述了在NI LabView平台上结合TCP/IP协议进行数据传输的工作方法，并给出对工业现场数据采集传送与监控的仿真实例。

关键词：TCP/IP；虚拟仪器；LabView

1、引言

在现代仪器系统中，计算机已经与仪器结合得非常紧密，已成为整个系统的核心，许多传统仪器正在逐渐被计算机部分、甚至全部取代。粗略地说这种结合有两种方式：一种是将计算机装入仪器;另一种方式是将仪器装入计算机，即以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要是指这种方式，其实质就是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。美国NI公司的LabVIEW就是目前在这一领域内使用较为广泛的计算机语言。

随着计算机网络的发展，虚拟仪器与Internet技术的结合为虚拟仪器网络化、工业现场远程测控提供了更好的实现平台[1]。本文介绍在LabView开发平台上结合TCP/IP技术实现远程数据采集传输系统。

2、LabView简介

LabView广泛应用于数据采集与控制、信号处理以及数据表达等方面，它提供了一种全新的编程方法，即对软件对象“虚拟仪器（VI）”进行图形化的组合操作[2] [3]。LabView 程序的执行顺序是按数据流的方式确定的，可以实现多任务的并行。

LabView的程序由前面板（frontpanel）和流程图（blockdiagram）两部分组成，整个程序是基于多线程的设计，前面板和流程图各占用一个线程。前面板是LabView程序的图形用户接口，此接口集成了用户输入，并显示程序的输出，相当于传统仪器的面板。流程图包含虚拟仪器程序的图形化源代码，编程控制和定义在前面板上的输入和输出功能。在虚拟仪器设计中，从控制模板中选取所需的控制及显示对象构建出仪器的操作面板;在功能模板中选取适当的功能模块并进行必要的连接与设置，制作控制流程图，完成所设计仪器应具有的功能，程序的模块化与层次化更为直观。

3、TCP技术

TCP/IP协议体系是目前最成功、使用最频繁的Intranet/Internet协议[5]。作为一个流行的工业标准，TCP/IP技术有着良好的实用性和开放性。它定义了网络层的网际互连协议IP，传输层的传输控制协议TCP、用户数据协议UDP，等等。基于TCP/IP技术可以架构各种Web服务，如邮件传输SMTP、文件传输FTP，以及利用超文本传输协议HTTP实现动态网页发布[5]和网络浏览。

在数据传输中，TCP/IP网络通过提供通用网络服务，使得具体网络技术对用户或应用程序透明，从而将具体通信问题从网络细节中解放出来，使网络应用更加灵活方便。体现到Labview应用中，我们可以直接调用TCP模块完成流程编写，而无需过多考虑网络的底层实现。

协议结构上，TCP/IP体系利用基于无连接传输的IP协议，具体表现为IP地址，来区分网络中不同的数据站点。同时提供了两种传输方式：传输控制协议（TCP）为典型的传输大量数据或需要接收数据许可的应用程序提供面向连接和可靠的通信;用户数据协议（UDP）提供无连接的通信，典型的即时传输少量数据的应用程序使用UDP。

根据IP协议内容和TCP的报文格式（图1），数据传输需确定各主机的IP地址及通信的源端口号、目标端口号，也即通常所称套接字Socket，从而实现端口对端口基础上的面向连接的数据通信。

相对于其他网络协议，TCP/IP这种端对端的传输具有两大优点。第一， TCP/IP跟其它协议相比，显得简洁清晰。利用通用接口，实现方便。第二，TCP/IP的效率相当高。TCP/IP 的IP协议是“尽力传递”方式，只有TCP层为保证传输可靠性而做必要的工作，这样的工作模式在物理网络可靠的环境下传输效率相当高，同时TCP实现的端对端连接也有效的保证了传输的正确率。

本文利用TCP、IP协议实现各数据采集点与处理主机的连接。

4、Labview中TCP传输的实现

在Labview中可以利用已发布的TCP VI及相关子例程设计实现TCP通信[4]。此前需要在通信的计算机正确安装TCP/IP协议簇。在已接入Internet/Intranet的Windows/Unix 系统中，TCP/IP协议是内置的;若是新接入的计算机系统，须确保TCP/IP正确的安装和设置，同时保证通信所需的源端口/目标端口开放。

由于实现的是把各数据点的数据汇总到处理主机，设计上采用服务器/客户端通信模式，VI程序分成两部分：处理主机工作在Server模式，完成数据接受，并提供接口用于数据的相关后续处理;数据点计算机工作于Client模式，实现数据传送。

设计其工作模式：

（1） Server主机处于工作状态，并监听通信端口，等待Client发送的连接请求;

（2） Client计算机开启TCP连接;

（3） Server主机响应并建立数据传输通道;

（4）连接过程判断网络错误，若有则中断连接;

（5）数据传输，利用VI模块TCP read/write完成;

（6）传输完毕中断连接。

设计过程调用到LabView提供基于TCP连接的VI函数模块如图2所示，可以在blockdiagram中直接应用。

以下为根据此工作模式设计的数据传输实例。为通用起见，Client端所用数据为正弦波发生器产生。通信过程引入错误检测机制，可以对传输过程的错误进行判断，方便管理，也可以针对不同应用屏蔽相关网络错误。

（图3 Server 端流程图）

（图4 Client端流程图）

从工作情况看，Server端能够正确接收Client端的数据并能实时输出，工作延时只受网络条件影响，说明本方法成功实现数据TCP传送，完全可以应用到分布式的现场监控中。

（图5 Client工作过程面板显示）

（图6 Server工作过程面板显示）

5、总结

在远程测控中，由于存在数据采集点多级分散，数据的采集与传输通常需要专用的网络，花费较大。本方法利用现存的Intranet/Internet网络可以有效提高资源的使用率、削减应用成本，而实现采用面向连接的传输模式，更能保证数据传送的正确性。由于采用开放性的协议，应用中可以利用LabView的内嵌的Web Server发布[3]，方便各地工程师了解处理结果