（农业机械化工程专业论文）虚拟测试系统的构建与设计.pdf

摘要 虚拟仪器是由软硬件组成的由计算机操纵的模块化仪器系统。由于建立基于虚 拟仪器的测试系统的首要任务是根据测试任务编写测试程序，这就要求用户除了会 使用仪器外还得会编写测试程序，因而加大了用户使用仪器的难度。同时，伴随着 虚拟仪器在软硬件上的发展日益成熟，出现了大量的虚拟仪器系统，因而加大了用 户选择和管理虚拟仪器系统的难度。因此。提出了“虚拟测试系统”的思想，用于 辅助测试者管理虚拟仪器并通过它组建虚拟仪器测试系统，进而完成测试任务。主 要内容如下： 1 ) 提出了“虚拟测试系统”的思想：用户通过选择、连接和装配虚拟仪器模块 形成虚拟测试系统，不需要编写测试程序就可管理和组织虚拟仪器，并最终完成测 试任务。 2 ) 在该思想的指导下，通过分析传统测试系统与基于虚拟仪器的测试系统在结 构和运行上的不同，设计了虚拟测试系统模型。根据该模型，设计了虚拟测试系统 的软件构架并详细阐述了各模块的实现方法。 3 ) 用l a b v i e w 设计了虚拟测试系统的应用软件，包括：虚拟仪器库，仪器装配 平台和控制部分及可扩展的信号回放分析系统。 关键词：虚拟测试系统：虚拟仪器；仪器管理；l a b v i e w c o n s t r u c t i o na n dd e s i g no f v i r t u a lt e s ts y s t e m a b s t r a c t av i r t u a li n s t r u m e n tc o n s i s t so fac o m p u t e re q u i p p e dw i t ha p p l i c a t i o ns o f t w a r e ， m o d u l a d z a t i o nh a r d w a r e ，a n dd r i v e rs o f t w a r e ，w h i c ht o g e t h e rp e r f o r mt h ef u n c t i o n so f t r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s b e c a u s et h ep r i n c i p a lt a s ko fc o n s t r u c t i n gt e s ts y s t e mb a s e d0 n v i r t u a li n s t r u m e n tw a sd e s i g n i n gt h et e s ta p p l i c a t i o na c c o r d i n gt ot e s ta s s i g n m e n t ，i t r e q u i r e dt h a tt h eu s e r sc o u l dn o to n l yo p e r a t et h e t e s ti n s t r u m e n t sb u ta l s od e s i g nt h et e s t a p p l i c a t i o nw h i c hi n c r e a s e dd i f f i c u l t yf o rt h ec o m m o nu s e r s a tt h es a m et i m e ，al o to f t e s t s y s t e m sb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t c a m ei n t ob e i n ga c c o m p a n y i n gw i t ht h e d e v e l o p m e n ta n ds t a n d a r d i z a t i o no fi t sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w h i c hm a k eag r e a t t r o u b l ef o rt h eu s e r st oc h o o s ea n dm a n a g et h e mc o n v e n i e n t l y t h e r e f o r e ，t h ei d e ao f v i r t u a lt e s ts y s t e m ”w a sf i r s t l yp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r , w h i c hw a su s e dt om a n a g et h e v i r t u a li n s t r u m e n t s , c o n s t r u c tt h et e s ts y s t e m , a n df u r t h e ri m p l e m e n tt h et e s ta s s i g n m e n t t h em a i nc o n t e n t sw e r el i s t e da sf o r o w s f i r s t ，p u tf o r w a r da l li d e ao f “v i r t u a lt e s ts y s t e m ”，t h eu s e rj u s tn e e dt oc l i c kt h e m o u s et oc h o o s et h es u i t a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s ，c o n n e c tt h e m ，a c t i v a t et h et e s ts y s t e m ， a n dt h e nc a r r yo nt h et e s ta s s i g n m e n tw i t h o u td e s i g n i n ga n yt e s ta p p l i c a t i o n ，w h i c h r e a l i z e dt h ee f f e c t i v em a n a g e m e n ta n dc o n s t r u c t i o nt ot h ev i r t u a li n s t r u m e n t s s e c o n d ，t h ep r o t o t y p eo ft h ev i r t u a lt e s ts y s t e mw a sd e s i g n e dt h r o u g hc o n t r a s t i n g t h e i rc o n f i g u r a t i o n sa n do p e r a t i n gm o d e so f t h ec o n v e n t i o n a lt e s ts y s t e ma n dt h ev i r t u a l i n s t r u m e n tt e s ts y s t e ma c c o r d i n gt ot h ei d e am e n t i o n e da b o v e f i n a l l y , t h et e s ta p p l i c a t i o no ft h i sv i r t u a lt e s ts y s t e mw a sd e s i g n e di nl a b v i e w , w h i c hi n c l u d e sv i r t u a li n s t r u m e n tl i b r a r y , i n s t r u m e n tc o n n e c t i n gp l a t f o r m ，c o n t r o lp a r t a n de x t e n d i n gs i g r l a lc a l l b a c ks y s t e m k e yw o r d s ：v i r t u a lt e s ts y s t e m ，v i r t u a li n s t r u m e n t ；i n s t r u m e n tm a n a g e m e n t d ；l a b v i e w d ir e c t e db y ：p r o f as h u o s h i p r o f p e ix i c h u n a p p i ic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：h a 0l ei 1 t l n lm e c h a m z a u ) ( c o l l e g eo f m e c h a m c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g , i n n e rm o n s o h a a g n c t f l t a t r a lu m v e r m y , h o h h o t0 1 0 0 1 8c h i n a ) 插图清单 图1 基本测试系统9 图2 基于虚拟仪器的测试系统1 0 图3 仪器分类1 0 图4 仪器类型区别1 1 图5 虚拟测试系统的模型1 2 图6v t s 模型1 2 图7 基于虚拟仪器的测试系统1 5 图8 队列、通告示意图1 5 图9 多线程的测试系统1 6 图1 0 信号的波形数组格式1 6 图1 1 仪器链表1 7 图1 2 参数链表1 8 图1 3v t s 的框架t 9 圈1 4 模拟型数字仪器的工作过程2 0 图1 5 转换型数字仪器的工作过程2 1 图1 6 数字型数字仪器的工作过程2 2 图1 7 虚拟测试系统形成的前台工作过程2 3 图1 8 虚拟测试系统形成的后台工作过程2 4 图1 9v t s 执行流程图，2 7 图2 0 虚拟测试系统y t s 盼圭界面2 8 图2 1 传感器2 9 图2 2 调理器2 9 图2 3 采集仪( 真实信号参数配置) 3 0 图2 4 采集仪( 信号发生器参数配置) 3 l 图2 5 加窗仪3 1 图2 6 数字滤波器3 2 图2 7 简易示波器。3 3 图2 8 多功能示波器3 3 图2 9x y 示波器3 3 图3 0 频率计3 4 图3 1 幅值统计表3 4 图3 2f f t 分析仪3 5 l幺&屯&色l口；m ni玩他坻坻托城吼舱孔娩勉强孤施觋组粗弧扎娩 图3 3 振动分析仪3 5 图3 4 存储器3 6 图3 5 通道选择器3 7 图3 6 控制器3 7 图3 7 表3 7 图3 8 信号回放分析系统执行流程图3 8 图3 9 信号回放分析系统3 9 图4 0 分析选择窗口3 9 图4 lf f t 分析插件4 0 鹪弘驺髂盯勰i；虬 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所敛的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：錾 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，印：研 究生在攻读学位期同论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阋学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 基 坦z ：t 黟 内蒙古农业大学硕士学位论文1 1 引言 1 1 研究的背景及意义 测试是人们认识客观世界的手段之一，是科学研究的基本方法。测试技术已渗 透到人类的科学研究、工程实践和日常生活的各个方面，测试技术已经广泛应用于 科学研究、工农业生产、国防军事、医疗卫生、环境保护和日常生活等各个方面。 测试技术属于信息科学范畴，是信息技术三大支柱( 测试控制技术、计算机技术和通 信技术) 之一。而且能否使用先进的测试技术是经济高度发达和科技现代化的重要标 志之一。 随着科学技术的不断提高和生产技术的高速发展，对工程测试技术的要求也越 来越高，传统的硬件化仪器的固有缺点( 如封闭性、缺乏灵活性、响应速度慢，功能 单一，不易维护，扩展性差等) 已使它越来越不能满足测试日益功能强大的要求，越 来越复杂的测试条件、高度自动化的工业大生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、 数据传输速度更快、系统更灵活的测试仪器。 2 0 世纪8 0 年代中期，随着计算机技术与电子技术的飞速发展，计算机硬件、 软件和总线技术与测试技术、仪器的结合，诞生了“虚拟仪器技术”。它将信号的拾 取、采集和前期信号调理用模块化硬件实现，利用成熟的总线技术，以通用计算机 为平台，用软件实现仪器的测试功能，实现后续信号的显示、分析处理及储存等功 能。在虚拟仪器系统中，测试者使用相同的硬件系统，而只需将具有一种或多种功 能的通用模块相互组合，就能设计出不同的仪器系统；同时通过友好的图形接口来 操作虚拟仪器面板就如同操作真实仪器一样方便。当然，建立的测试系统提高了测 量精度与速度，而且其灵活方便、效率高、易维护、扩展和升级等特点都是传统测 试仪器不可比拟的优点，极大的提高仪器的灵活性和生命力。同时伴随着计算机技 术的飞跃发展和个人计算机的大规模普及，以计算机为中心的自动测试系统得到迅 速发展与应用。虚拟仪器是对传统仪器的重大突破，使其成为现代测试系统发展的 主流，必将成为测控系统发展的新方向“1 。 在虚拟仪器技术发展中逐渐形成两个趋势，一种是面向虚拟仪器开发者和高级 测试用户，厂商直接向用户提供自己的硬件及测控开发平台，用户根据需要自己编 写测控软件，以国家仪器公司( n i ) 为代表；另一种是面向最终用户，厂商直接向 用户提供测控所需的软硬件，用户不需编写测控软件，软件由专业人员编写，以b k 、l m s 、北京东方振动和噪声技术研究所为代表。它们优缺点互补，都有自己生 存的环境，这两种趋势将长期并行发展。 在这样的发展趋势下，虚拟仪器的发展存在以下问题： 1 ) 对于第一种趋势下的用户来说，他们的任务不只是测试，还要编写一个用于 测试的程序，这样就要求测试者需经过一定的编程学习，熟悉开发平台的编程思路、 规则。而对于没有编程经验的测试者来说，要编写一个性能可靠的测控软件用于实 2 虚拟测试系统的构建与设计 际测试任务有时是很困难的，这样不仅使得测试周期加长，而且增加了测试成本。 但对于熟悉该软硬件的用户来说，完全可以根据自己的实际需求设计相应测试仪器， 这样反而能节约测试成本。对于第二种测试用户来说，只需关心测试的过程和结果， 不需关心测试软件的编写过程，所以能随时进行测试，方便快捷获得测试结果。虽 然这类仪器某些具有虚拟仪器库的支持，但是其软件框架已定，不能根据用户需求 改变系统的功能，而且大多只能在某一行业进行测试，所以有时这类仪器显得不够 灵活。因此如何选择虚拟仪器成为测试工作者必须面对的一个问题。 2 ) 目前虚拟仪器的软硬件发展越来越成熟，加快了虚拟仪器的开发速度，虚拟 仪器的种类和数量也在激增，如何有效的管理这些仪器便成为测试工作者面临的又 一个问题。 3 ) 虚拟仪器从广义说是一个测试系统，按其模块可以划分为传感部分、调理部 分、采集部分和显示、分析和储存部分，大多数虚拟仪器的采集部分和显示功能基 本相同，主要区别在于分析功能，所以如何有效的利用和管理这些模块，不做重复 性的工作，也是摆在测试者面前的一个问题。 基于这样的背景，结合实际的测试过程，因为不管进行何种测试，都需要组建 一个测试系统，而组建测试系统的过程中必然要有选择测试仪器和对仪器进行连接 过程。所以为了方便测试者组建、变换测试系统，重复利用虚拟仪器已有的模块， 本文提出“虚拟测试系统”( v i r t u a lt e s t i n gs y s t e m ) 的思想。其主要内容是：用 户通过虚拟测试系统来管理和组织其内部的虚拟仪器( 模块) ，并通过选择、连接和 装配仪器( 模块) 形成测试系统，并通过它完成测试任务。系统力图自身内部做好 大量的底层的工作，只是让用户进行一些简单的仪器选择和设置，就能进行测试， 整个过程不需要编程。虚拟测试系统提供了一个专业的虚拟仪器库和仪器连接平台， 测试者根据需求，从仪器库中选择相应的仪器，并在仪器连接平台虚拟连接，形成 虚拟测试系统，完成测试任务。因为虚拟仪器库中的仪器是相互独立的，这样在仪 器库中有限仪器数目的情况下，根据不同的测试方案，就会形成不同的测试系统， 既满足了多样化用户的需求，同时也节省了测试者开发仪器的时间，而且方便快速 获得测试结果。 1 2 研究的主要内容 基于上述构想并结合内蒙古农业大学机电工程学院测试实验室现有的软硬件条 件，构建并设计虚拟测试系统，主要研究内容有： 1 ) 虚拟测试系统硬件的配置和连接。 主要是对内蒙古农业大学机电工程学院测试实验室中现有的测试硬件 ( p c i m i o - 1 6 e 一4 、s c x i 一1 5 3 1 等) 进行开发，用虚拟测试系统软件v t s 来管理和控 制它们工件。 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 2 ) 虚拟测试系统软件v t s 的构建与设计。 根据测试系统的工作流程，对系统中的仪器进行分类并确定它在虚拟测试系统 中的作用，设计：( 1 ) 虚拟仪器间的接口及如何相互通信( 2 ) 虚拟仪器间的相互调 用方式( 3 ) 虚拟仪器问的虚拟连接方式( 4 ) 虚拟仪器间如何协调工作等模型，同 时根据测试者在使用时，软件表现为前台的测试者操作仪器和后台的系统响应测试 者操作的抽象操作过程，然后从软件的前后台的设计，分为： ( 1 )软件主体框架，操作的主界面，是软件的各模块的主容器，包涵下面的 各个模块。 ( 2 )虚拟连接平台，将用户选择的仪器按测试系统的连接方式连接、生成虚 拟测试系统。 ( 3 )虚拟仪器模块，是各种虚拟仪器模块的设计框架，以及设计常用的虚拟 仪器模块，如示波器、f f t 分析仪、存储器等。 ( 4 )信号回放分析，读取存储的数据文件并对读取的文件进行回放分析，同 时定义用户自行设计的分析插件的接口。 4 虚拟测试系统的构建与设计 2 虚拟仪器技术概述 虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测 试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面， 模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和 定时应用的需求“”。虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分 析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块 化仪器系统0 1 。其中硬件功能是获取被测的物理信号，提供信号传输的通道；软件 则是实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的一 体化环境。由于用软件实现了测试过程的显示、分析处理及储存等功能，极大的节 省了测试成本，使得虚拟仪器技术得到迅速发展。但总的来说它的发展伴随计算机 技术、电子技术、仪器技术、总线技术及软件科学的发展而逐步发展起来的新技术。 2 。1 虚拟仪器发展概况 1 9 8 1 年，美国西北仪器系统公司推出的a p p l ei i 为基础的数字存储示波器。 这种仪器与个人计算机的概念相适应，当时被称为个人仪器( p e r s o n a l i n s t r u m e n t ) 。个人仪器的设计思想代表了仪器技术与计算机技术相结合的发展趋 势，但是由于当时计算机软件发展水平的限制，编写个人仪器的驱动程序和人机交 互界面是一项专门的技术工作，须由专业厂商才能完成，这种状况使得个人仪器的 推广与应用没有形成工业标准。3 。 1 9 8 5 年，北京东方振动和噪声技术研究所提出了p c 卡泰仪器( c o m p u t e r a c q u i s i t i o nt e s ta n a l y s i si n s t r u m e n t s - - 计算机采集测试分析仪器，简称卡泰 c a t a i ) 。成功开发出东方科卡和达世普( d a t aa c q u i s i t i o n s i g n a lp r o c e s s i n g 简称d a s p ) 软件的虚拟仪器测试系统，并提出“把实验室拎着走”的口号和目标m 。 1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s 简称n i ) 推出了l a b v i e w 直观的流程图编程风格的开发和运行程序平台，提出了“虚拟仪器”的概念及“软 件即仪器”的著名口号。随后美国a g i l e n t 公司、k e i t h l e y 公司以及h e md a t a 公 司分别推出的h p v e e 、t e s t p o i n t 、d tm e a s u r ef o u n d r y 等虚拟仪器开发系统及相 关硬件设备，进一步推动虚拟仪器技术向前发展。 从1 9 8 8 年虚拟仪器产品陆续在国际市场上面市，当时h p ，t e k t r o n i x ，n i ， k e i t h e i y ，l o t e c h 五家制造商推出3 0 种产品。此后，虚拟仪器产品成倍增加，到 1 9 9 4 年底，虚拟仪器制造厂达到9 0 余家，共生产1 0 0 0 多种虚拟仪器产品。销售额 达2 9 3 亿美元。占整个仪器销售额7 3 亿中的1 4 。“。 进入9 0 年代后，国内的一些大学和高科技企业开始消化并吸收国外先进的虚拟 仪器技术，开始自行研究、开发虚拟仪器产品。具有代表性的就是重庆大学秦树人 教授依托国家自然基金重点资助项目一“面向机械测试的智能控件化虚拟仪器系统 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 的研究”，在借鉴国内外现有技术基础上，采用组件开发技术，设计了基于智能控件 的虚拟仪器开发平台v m i d s 虚拟仪器开发系统m 。 2 2 虚拟仪器的总线 所谓总线，就是在模块与模块之间或者设备与设备之间传送信息的一组公用信 号线，是系统在主控制器( 模块或设备) 的控制下，将发送器( 模块或设备) 发出的信 息准确地传送给某个接收器( 模块或设备) 的信号通路。一般测试系统的总线主要分 为两类：外部总线即分立仪器总线，如g p i b 、r s - 2 3 2 、u s b 、i e e e l 3 9 4 等和内部总 线模块化仪器总线，如p c i 、p c i e x p r e s s 、v x i 、p x i 、p x l e x p r e s s 等旧。 虚拟仪器按照采用总线的不同向两个趋势发展： 1 ) 以g p i b 、v x i 、p x i 等为代表的大型高精度集成系统方向。 2 ) 以p c 插卡式、并口式、串口式等为代表的普及型的廉价系统方向。 2 3 虚拟仪器的软件体系 虚拟仪器是以通用硬件平台为壳体，以测试软件为核心的集成系统，软件完成 整个测试过程的显示、运算分析、储存。软件系统是虚拟仪器的一个重要组成部分， 它逐渐代替传统仪器，实现并扩展了传统仪器的功能，许多过去传统上由测试系统 硬件完成的功能，现在都可以用软件模块来替代或扩展。软件的可靠性直接决定了 整个测试系统的可靠性。 虚拟仪器发展过程中的几个软件标准体系。 1 ) s c p i 程控仪器标准命令 可编程仪器标准命令s c p i 是为解决程控仪器编程进一步标准化而制定的标准 程控语言，目前已成为重要的程控仪器软件标准之一。1 9 7 5 年，在职公司提出的 船一i b 仪器接口基础上，i e e e 制定了程控仪器接口标淮6 p i b 。该标准定义为 i e e e 4 8 8 1 ，它严格定义了g p i b 硬件接口，却并未定义任何控制仪器的标准语法， 仅说明可以使用a s c i i 和二进制数据格式。1 9 8 2 年，i e e e 公布了一个使用i e e e 4 8 8 1 的推荐应用码和格式，称为i e e e7 2 8 。该文件仅是一种推荐用法，并未为访问仪器 定义语法和协议。1 9 8 7 年，i e e e 推出了i e e e4 8 8 2 标准。i e e e4 8 8 2 定义了使用 g p i b 总线时编码、句法格式、信息交换控制协议和公用程控命令语义，但并未定义 任何仪器相关命令，使器件数据和命令的标准化仍存在很大困难。1 9 9 0 年，由仪器 制造商国际协会提出的s c p i 语言是在i e e e4 8 8 2 基础上扩充得到的。s c p i 的推出 与g p i b 、i e e e 4 8 8 2 的公布样，都是可程控仪器领域的重要事件d 3 。 2 ) v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 软件体系 v i s a 虚拟仪器软件体系结构是v p p 系统联盟制定的i o 接口软件标准及其相关 规范的总称。一般称这个i o 函数库为v i s a 库。它驻留于计算机系统之中执行仪器 6 虚拟测试系统的构建与设计 总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，以实现对仪器的程控。它对 于仪器驱动程序开发者来说是一个个可调用的操作函数集。1 。 v i s a 函数模型建立在设备资源无关性模型之上，它是采用面向对象的编程思想 来实现的，规定了三种层次的资源：i o 资源层、仪器资源层、用户定义资源层。 这三层表示了一种高层资源使用低层资源的能力。一般说来，v i s a 允许任意资源使 用系统中的其它资源。在这三层中，第一层i o 资源层用于控制所有g p i b 、v x i 和 串行设备的功能，并可被扩展用于控制任意其它类型的接口；第二层仪器资源层用 于通过一个资源的同一通道控制任意多个仪器控制资源，以及用于控制具体物理设 备的所有资源；第三层用户定义资源层( 或称虚拟仪器) 包括前两层资源再加上用 户在前两层资源的基础上创建的任何资源。v i s a 模型的最高层是用户层应用程序， 它利用若干个v i s a 资源来完成特定的任务，应用程序本身不是v i s a 资源。应用程 序利用v i s a 资源管理器创建与v i s a 系统资源相连的通道。v i s a 资源管理器为系统 中的所有v i s a 资源提供了一个通用接口n 1 。 3 ) i v i ( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t s ) 体系 v x i 即插即用仪器驱动器标准建立的初衷是提供仪器驱动器的高层编程接口， 代替低层的g p i b 和v x i 仪器命令，所以，按照这个标准设计的仪器驱动器没有考虑 仪器控制器的执行效率。许多仪器驱动器将仪器设置和操作等多个动作组合为一个 函数，使得冗余的i o 命令重复配置和处理操作占用了许多时间。为了解决这个问 题，1 9 9 8 年美国n i 公司最先提出了一种新的基于状态管理的仪器驱动器体系结构， 即可互换虚拟仪器驱动器i v i 模型和规范，并开发了基于虚拟仪器软件平台的i v i 驱动程序。i v i 规范比v p p 规范又向前迈进了一步，新的可互换式虚拟仪器规范给 出的驱动程序结构模型，在v p p 的基础上为仪器驱动程序制定新的编程接口，可以 实现应用程序独立于硬件，而不管其是何种总线接口，并增加了仪器仿真、状态缓 存、量程检查等机制，使仪器执行效率大大提高，把互操作性的概念推广到仪器级， 成为新的开发虚拟仪器驱动程序的标准规范“圳。 对用户而言，i v l 仪器驱动器作用方式与传统的v x ip n p 驱动器一样，但两者的 内部结构是完全不同的。i v i 仪器驱动器内部结构包括源代码本身和状态管理库两 部分。i v i 仪器驱动器的核心是仪器属性和状态缓存两个模型“”。 i v i 系统结构由i v l 分类驱动程序、i v i 具体仪器驱动程序、i v l 引擎、i v l 配 置实用程序、i v l 配置信息文件五部分组成。应用测试程序中调用分类驱动程序， 每个分类驱动程序调用具体仪器驱动程序来控制仪器，系统中的仪器及其驱动可以 更换，而采用分类驱动程序的测试代码不会受到影响1 。 2 4 虚拟仪器的开发系统 软件在现代自动测试系统构成与开发费用中所占比例越来越大，测试软件编程 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 对测试工程师和科学家编程能力的要求也越来越高，带来的负担也越来越重，研究 开发适合广大测试工程师和科学家使用的测控软件编写工具，节省花费在烦琐的程 序编制与调试中的时间和精力，提高测试软件生成与维护效益，一直是测试领域中 倍受关注的技术问题0 1 。 虚拟仪器开发系统目前主要有三大类：第一类是图形化的编程语言，代表性的 有l a b v i e w 、h p 、，e e 、d a s y l a b 、t e s t p o i n t 等；第二类是文本式的编程语言，代表性 的有c 语言、v i s u a lc + + 、l a b w i n d o w s c v i 、b o r l a n dc + + 、v b 等；第三类是最近 新发展起来的零编程开发系统，代表性的是v m i d s 。图形化编程语言具有结程简单、 直观、开发效率高的特点；文本式编程语言具有编程灵活、运行速度快等特点；零 编程开发系统进行开发时，不需要程序设计就能构建自己所需的仪器，但不能设计 有自己算法的仪器。下面对几种虚拟仪器开发系统作一些简单介绍。 1 ) l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) l a b v i e w 是美国n i 公司于1 9 8 6 年推出的图形化虚拟仪器开发系统，主要包括 数据采集、控制、数据分析、数据显示等功能。它提供一种新颖的编程方法，即以 图形方式组装软件模块，生成专用仪器。l a b v i e w 由面板、流程方框图、图标连接 器组成，其中面板是用户界面，流程方框图是程序源代码，图标连接器是调用接口。 流程方框图包括输入输出( i o ) 部件、计算部件和子v i 部件，它们用图标和数据流 的连线表示；i o 部件直接与数据采集板、g p i b 板、或其它外部物理仪器通信。它 的主要优势是不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析 工具以及方便设计仪器的仪表控件，而且l a b v i e w 程序还非常容易和各种采集硬件 集成，可以和多种主流的工业现场总线通讯以及大多数通用标准数据库链接，是目 前较为流行的虚拟仪器开发平台。 2 ) l a b w i n d o w s l a b w i n d o w s 是美国n i 公司开发的3 2 位面向计算机测控领域的软件开发平台， 其功能与l a b v i e w 相似，它以a n s ic 为核心，将功能强大、使用灵活的c 语言平台 与数据采集、分析和表达等测控专业工具有机地结合起来。通过交互式的开发环境 可以编辑、编译、联接、调试c 程序。在这种环境中，通过l a b w i n d o w s c v i 函数库 中的函数来写程序。另外，每个库中的函数有一个称为函数面板的交互式界面，可 用来交互运行函数，也可直接生成调用函数的代码。函数面板的在线帮助有函数本 身及其各控件的帮助信息。l a b w i n d o w s c v i 的威力在于它强大的库函数，这些库函 数几乎包含了所有的数据采集各阶段的函数和仪器控制系统的函数，能让程序员快 速开发出测控系统m ，0 3 ) v i s u a lc + + v i s u a lc + + 是微软公司开发的基于w i n d o w s 操作系统的可视化软件开发平台， 由于和操作系统w i n d o w s 同出一家，因此有着w i n d o w s 环境下开发软件的天然优势。 8 虚拟测试系统的构建与设计 它以a n s ic + + 为基础，并在此基础上进行了大量的扩展，以适应开发各种w i n d o w s 应用程序的需要。它采用一种巧妙的方法将w i n d o w s 的编程复杂性( 多线程、事件 驱动、消息循环等) 封装起来，编程者可以比较轻松地进行w i n d o w s3 2 应用程序的 设计。到目前为止，绝大多数w i n d o w s 应用程序都是用它开发而成的，它己成为在 w i d o w s 环境下进行大型3 2 位程序软件开发的首选编程语言哺。 使用v i s u a lc + + 作为虚拟仪器的开发平台，一般有四个步骤。第一，开发数据 采集器的驱动程序，完成数据采集功能。第二，开发虚拟仪器的面板，以供用户交 互式操作。第三，开发虚拟仪器的功能模块，完成虚拟仪器的各项功能。第四，有 机的集成前三步功能构建出一个界面逼真、功能强大的虚拟仪器油1 。 4 ) v m i d s v m i d s 是重庆大学研制的一种基于层次消息总线的零编程框架协议的虚拟仪器 开发系统，它的核心是秦氏模型。基本思想是：将一些非智能虚拟控件经“功能赋 予”后与仪器功能进行“测试融合”形成“智能仪器单元”，通过“积木式拼搭”， 可直接在p c 机内形成各种类型的虚拟仪器并显示在屏幕上供用户使用。它包含了一 个测控仪器功能库和一个控件库，在框架协议中将功能和控件进行软设计、软连接、 软调试形成智能虚拟控件成品，用户在仪器拼搭场中调用智能虚拟控件进行组装， 生成自己所需要的虚拟仪器。v m i d s 开发系统主要是面向非专家类的使用者，相对 其它编程语言而言，降低了对用户的要求。它力图在系统自身内部做好大量的专业 性的工作，留给用户的只是进行一些简单的选择，以及其它的一些相当轻松的任务， 通过系统的帮助，也能很快构造出所需的仪器。1 。 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 3 虚拟测试系统及其建模方法 虚拟测试系统由测控硬件和测试软件两部分组成，它从测试需求出发，对用到 的仪器进行功能模块划分、组合和连接，形成一个在计算机上表达的测试系统，利 用现有的虚拟仪器技术，实现操纵计算机进行完成测试任务的一种虚拟仪器系统。 虚拟测试系统旨在提供一个虚拟仪器模块搭建平台，让测试者根据测试系统框图能 够快速建立起测试平台，获得测试结果。对于测试者而言，他需要做的工作只是进 行一些虚拟仪器的选择、虚拟仪器参数的配置和测试系统的连接，然后便能进行测 试。 虚拟测试系统是以组建测试系统为核心思想，所以先从测试系统开始，对测试 系统进行建模，确立测试系统的主要对象以及它们之间的关联方式及定义方式，从 而为下一步的软件框架及数据结构设计提供原型。 3 1 虚拟测试系统的模型 3 1 1测试系统和虚拟测试系统的硬件 3 1 1 1 测试系统 测试是通过对研究对象进行具有试验性质的测量以获取研究对象有关信息的 认识过程，也就是用变换元件将被测信号转换成可被测量的信号，并对其进行后续 处理的过程。为了实现这一过程，就需要将功能不同的仪器连成一个系统，把这个 系统称为测试系统匠。 测试系统的一般构成如图l 所示，它由三大部分组成。其中传感部分是测试系 统信号的获取部分，主要将被测物理量转换成以电量为主要形式的可被测量的信号； 信号变换部分对传感部分所输出的信号进行加工、传输，以便后续仪器处理；显示、 分析、记录部分则是将被测信号变换为能为人们感觉所理解的形式，以供人们观测 和分析。 围1 基本测试系统 基于虚拟仪器的测试系统构成如图2 所示，它是基本测试系统的一个子集，由 四部分组成。其中传感部分的功能与基本测试系统中所起的功能一样；信号调理部 分所起的作用是对传感器输出的信号进行前期处理，以便后续仪器处理；信号采集 部分是将模拟信号转换成能被计算机处理的数字信号，或将数字信号转换成模拟信 号；显示、分析、记录部分是基于数字信号处理并用软件实现的虚拟仪器。 1 0 虚拟测试系统的构建与设计 图2 基于虚拟仪器的测试系统 3 1 1 2 虚拟测试系统的硬件 虚拟测试系统的硬件是能完成信号获取、信号调理、信号采集的设备以及能运 行虚拟仪器的计算机组成，如图2 所示，各模块所表示的实体。 3 1 2 仪器分类 为了后续软件框架的建立，首先需要对测试系统中的仪器进行分类，以便设计 仪器的数据结构和传递数据方式。仪器的分类方法很多，这里是以基于虚拟仪器的 测试系统的数据流向和处理信号的方式来分的，如图3 所示。 模拟仪器就是流经仪器的信号是模拟信号或处理的信号是模拟信号，如传感器、 信号放大器等设备，包括各种与采集卡配合用的模拟信号调理模块：转换仪器主要 是指能将信号进行模数或数模转换的仪器，如采集卡、采集仪等；数字仪器在这里 是指只接受数字信号，且能在计算机上运行的“虚拟仪器”，也就是能完成传统仪器 功能的虚拟仪器程序。 麓 繁l 爨 数据流向 图3 仪器分类 内蒙古农业大学硕士学位论文 翼 也一 防案文俐 2 ) 方案装载 方案装载是方案的逆过程，但稍比保存复杂一些。系统把方案文件的字符串读 入后，x m l 语法翻译函数把它翻译成仪器链表数据，仪器链表函数将其读入，虚拟 仪器库先清空当前的己选择的仪器，然后开始读取仪器链表，并根据链表中的仪器 打开相关虚拟仪器模块，同时各虚拟仪器形成自己的数据流向标志；虚拟连接面板 根据仪器链表绘制测试系统框图。 防案文俐一 x 虬一 l 仪器链铡 3 6 本章小结 本章先描述了虚拟测试系统的概念，然后通过分析传统测试系统与基于虚拟仪 器的测试系统在结构和运行上的不同，设计了虚拟测试系统的模型。对测试系统中 的仪器从虚拟测试系统的角度进行分类，确定其在虚拟测试系统中的作用，然后根 据仪器类型设计了仪器间传递的数据结构，进一步论述了虚拟仪器库的建立方法。 接着构建了整个系统的框架及三种虚拟仪器模块的设计模型，并论述了如何通过各 个虚拟仪器模块在虚拟连接面板上组成虚拟测试系统的方法。 2 6 虚拟测试系统的构建与设计 4 虚拟测试系统的实现 虚拟测试系统由测控硬件和测试软件v t s 组成。硬件完成前期信号拾取、调理 及转化，软件负责硬件的管理和控制以及后期信号的分析处理。 4 1 测控硬件的实现 测控硬件是传感设备、调理设备、采集设备和计算机。在本系统中，所用的硬 件是内蒙古农业大学机电工程学院现有的硬件设施。包括采集设备p c i - m i o 一1 6 e - 4 、 调理设备s c x i - 1 5 3 1 等。 4 2 测试软件v t s 的实现 4 2 1 编程软件的选择 前面已介绍过目前开发测试系统的软件大体可分为三种：文本式编程语言、图 形化编程语言和零编程开发系统。 v t s 采用目前比较流行的图形化编程语言l a b v i e w 8 0 开发实现的。具体原因是： 1 ) 实验室中现有的硬件是n i 的产品，这样用同一公司的产品有着天然的优势。 2 ) l a b v i e w 是图形化的编程风格，能够快速形成系统框架，而且内部集成了许 多专业的信号分析函数。 3 ) l a b v i e w 集成了n i 硬件产品的底层驱动。 4 ) l a b v i e w 很容易设计一个高度并行的应用程序。 但在开发中也发现了它的不足，具体表现在： 1 ) 由于它是图形化的编程风格，所以如果程序很大时，程序界面将变的很大， 给调试带来很多不便。 2 ) 对操作系统底层的编程需要其它语言来补充开发。 3 ) 有时编程显得不够灵活。比如在递归以及面向对象的结构方面。 4 2 2v t s 的主界面 v t s 是虚拟测试系统的测试软件，是根据v t s 框架模型设计的系统主框架。它 的由三部分组成，分别为控制部分、虚拟仪器库、仪器装配面板。如图2 0 所示。 控制部分是主界面最上面的那排按钮，包括测试系统的控制( 开始、停止、装 配、修改、新建方案、保存方案、装载方案) ，系统控制( 设置、帮助、退出) ；虚 拟仪器库是指在主界面左边显示的仪器，供测试者选择调用