（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的多功能无纸记录仪的研究.pdf

中文摘要 摘要 虚拟仪器是测控仪器经历了模拟仪器、数字仪器和智能仪器后的重要发展方 向。它将仪器技术、计算机技术、总线技术和软件技术紧密的融合在一起，利用 计算机强大的数字处理能力实现仪器的大部分功能，打破传统仪器的框架，形成 一种崭新的仪器模式。虚拟仪器方兴未艾，伴随着计算机及相关技术的不断进步， 虚拟仪器必将迅猛发展，不断拓展其应用领域，更加深入人心。 本论文在深入研究虚拟仪器及相关技术的基础上，灵活的运用虚拟仪器于无 纸记录仪的研发，最终形成一种基于虚拟仪器的多功能无纸记录仪设计方案。该 记录仪具有多通道多参量同时采集，海量测试信息存储与管理、机械设备状态监 测、测试信号分析等功能。特别适合于机械行业机械振动、温度、应变等多种参 量的记录与监测。 本论文详细阐述了以下几个方面的研究和开发工作。 ( 1 ) 介绍无纸记录仪的发展过程，国内外现状和发展趋势。当前，虚拟仪器的 出现和迅猛发展为无纸记录仪的发展提供新的机遇和发展空间。课题组把握住这 一机遇，提出开发基于虚拟仪器的无纸记录仪的新课题。 ( 2 ) 深入探讨虚拟仪器的总线、框架结构、总线标准、开发平台以及设计模式。 根据实际情况为课题选择了v i s u a lc + + 开发环境和智能控件化虚拟仪器开发模式。 ( 3 ) 阐述了常见机械参量的采集原理，进行多通道多参量采集前端研究工作， 开发出混合总线采集前端统一的软件接口。论证了利用数据库存储管理测试信息 的可行性，并选择数据库管理系统和数据库连接方式，然后对测试信息进行建模。 分析了无纸记录仪机械状态状态监测功能需求，并尝试采用管道过滤器的软件设 计模式设计信号实时监测软件模块，实现了测试信号的幅值和窄带实时监视。 ( 4 ) 分析基于虚拟仪器的无纸记录仪的功能需求，并对其进行详尽的总体硬件 框架和软件构架设计。采用模块化方法开发了基于虚拟仪器的无纸记录仪应用软 件，接着进行现场试验。 ( 5 ) 在论文的最后对整个课题进行了总结，并提出进一步开发的网络化通用记 录监测平台的设想。 本课题是虚拟仪器在测控领域的一次成功尝试。在课题中，虚拟仪器凸显出 强大的功能、良好的灵活性。实践证明虚拟仪器是一种优秀的解决方案，能够高 效的实现各种测控任务。 关键字：虚拟仪器、记录仪、信号采集、m y s q l 、状态监测 英文摘要 a b s t r a c t v i r t u a li m t r u m e n t ( v i ) i sb e c o m i n gal e a d i n gd e v e l o p m e n td i r e c t i o no f i n s t r t m a e n t a t t e ri n s l n m l e n th a se x p e r i e n c e da n a l o gi m t r u m e n t , d i g t a li n s l r t m a e n ta n di n t e l l i g e n t i n s l r m e n te 啪v i , w l a i e l ac o m b i n e sc o m p u t e rs c i e n c e , b u st e c h n o l o g y , s o t t w a r e e n g e n e e r i n gw i t hm c a s u a c m e n ti n s t r u m e n t a t i o nt e e h o l o g y , e m p l o y e st h ec o m p u t e r s p o w e r f u ld i g t a lp r o c e s se o m p a b i l i t yt or e a l i z em a i nf u n c t i o no fi n s t r u m e n t i tb r e a k e s t h el l l a i n f l a m l 。o f t r a d i t o n a li n s t r u m e n ta n df o r g e san e wi n s t a l m a e n tp a t t e r n n o wv ii s i nt h ea s c e n d a n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n ds c i e n c e ，v 1w i l ld e v e l o l 燃 a n de x p a n d e sf a s t l ya n dl l t l l a c t 鹤m o r l ba n dm o l ea t t e n t i o n t h i sp r o j e c ti n g e n i o u s l ya p p l y e sv it e c h n o l o g yi nt h ed e v e l o p m e n to fap a p e r l e s s r e c o r d e rd e v e l o m e n ta n df i n a l l ya c h i e v e sas o l u t i o nw h i c hc a np r o v i d em a n yf u n c t i o n s i n c l u d i n gm u l t i - c h a n n e la n dm u l t i - p a r a m e t e rs i g n a la c q u i s i t i o n , h u g em c a s t t r c m c n t i n f o r m a t i o ns t o r a g ea n dm a n a g e m e n t , e q u i p m e n ts t a t em o n i t o r i n ga n df a m i l i a fs i g n a l a n a l y s i s t h i sp a p e rs l a o w e st h er e s e a e ha n dd e v e l o m e n to f t h er e c o r d e ri nd e t a i la sf o l l o w s ： ( 1 ) f i r s t l yi tp r e s e r l t st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n ta c t u a l i t yo fr e c o r d e r a n dd e t e c t e st h a tv ii st h el e a d i n gd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fr e c o r d e r s o w eh o l dt h i s o p p o r t u n i t ya n dp u tf o r w a r dt h i sp r o j e c tt od e v e l o par e c o r d e rb a s e d0 1 3 v it e e l m o l o g y ( 2 ) s t u d ya n dr e s e a e l ad e e p l yv i sc o n c e p t , h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r e a r e h i t e e h t u r e t h e ni n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n da p p r o a e l a ( 3 ) r e s e a e hd e e p l yt h r e ek e yp r o b l e m e si n c l u d i n gm u l t i - c h a n n e lm u l t i - p a r a m e t e r s i g n a la c q u i s i t i o n , m e a s u r e m e n td a t as t o r a g ea n dm a n a g c m o n t , m e c h a n i c a le q u i p m e n t s t a t em o n i t o r i n g ，一 ( 4 ) l a s t l ya n a l y s ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to ft h i sr e c o r d e r , t h e np r e s e n ti t sg e n e r a l h a l d w i l l - i ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r eo u t l i n e t h e np r o g r a mi t ss o f t w a r eb yt h eh a n d o f m o d u l a r i z a t i o nd e s i g na p p r o a c ha n dd o 扰e x p e r i m e n tt ot e s t i f yt h es o l u t i o n t h i sp r o j e c ti sas u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fv ii nm 删e m e n td o m a i n , w h i c h t e s t i f i e st h a tv ii sa na v a i l a b l ea n de f f e c t i v es o l u t i o na n dc 觚b ee m p l o y e dt o a c c o m p l i s hm a j o r i t yc o m p l i c a t e dm e a s u r e m e n tt a s k k e y w o r d l s ：v m u a li n s l r u m e n t , r e c o r d e r , m u l t i p a r a m e t e ra c q u i s i t i o n , m y s q l , s t a t e m o n i t o r i n g h i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是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，也不包含为获得重麽太堂 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 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 弩、疽仝 签字日期： 学位论文版权使用授权书 年r 月和日 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：低藿 导师签名： 签字日期呷年j 月日 签字日期叩年f 膨。日 1 绪论 1 绪论 1 1 论文所属项目来源 本课题是科技部8 6 3 高技术计划“虚拟仪器关键技术的研究及其产业化”科研 项目( 项目编号：2 0 0 5 a a 4 2 0 3 5 0 ) 的子项目。 1 2 课题研究的背景、目的和意义 1 2 1 无纸记录仪发展现状1 - 1 5 】 g h 3 3 】 记录仪是工业中常用的二次仪表，尤其在机械、化工、炼油、制药等行业中 应用相当广泛。记录仪是获取、转换、记录、处理各种实时数据从而实现过程实 时监测和事后分析的必备工具。在工业现场，存在大量需要处理的原始参量，如 机械振动、温度、压力、流量、湿度、转速等。如何将这些原始参量转换成可测 量的电量，以及如何对这些信号进行记录、监视、控制和处理，这将直接影响工 业生产的效率和现代化水平。换言之，记录仪表的水平可以衡量企业的自动化水 平。 工业生产对记录仪表的强劲需求驱使记录仪表迅猛发展。纵观记录仪的发展 过程，大致可以分为三个阶段：机械记录仪、智能无纸记录仪和基于虚拟仪器的 记录仪。机械记录仪随着智能化记录仪的出现迅速退出市场。智能记录仪取而代 之成为主流产品。当前，虚拟仪器和网络技术在测试领域的运用，给记录仪的发 展提供了新的机遇和空间。记录仪开始向着虚拟仪器和网络化方向发展。 9 0 年代以前，人们主要使用模拟的机械式记录仪。它的核心是电子电位差计， 通过模拟信号驱动记录笔运动，从而在记录纸上绘制出相应的波形。由于机械式 记录仪内部结构复杂，活动部件较多，可靠性差，易出现机械故障。在机械式记 录仪的使用过程中，需定期更换记录纸和记录笔，使其长期运行费用较高。另外， 模拟式记录仪的记录结果以图纸方式保存，不便于检索和共享，给生产过程带来 很多的麻烦。 进入9 0 年代，市场上出现了智能无纸记录仪。智能无纸记录仪以工业上广泛 运用的微处理器为核心，利用微处理器实现对仪表系统的控制，利用高精度的采 样量化芯片采集信号，利用现代的存储介质进行数据存储，能实现对多种工业常 用信号的自动测量。由于使用了微处理器、大容量存储介质和液晶显示屏等先进 技术，它部分的解决了机械式记录仪存在的问题，具有可靠性高、长期运行费用 低、可对记录数据进行简单的分析处理等优点，因而迅速被广大用户所接受。 智能无纸记录仪具有以下的特点：无纸，无机械机构，以微处理器为核心； 从而实现了高性能，多通道多参数的巡回检测系统；使用r a m ，f r a m 或者硬盘 重庆大学硕士学位论文 来保存数据，数据以数据文件的方式存储；检测通道数一般小于3 2 通道；显示方 式多样化，有棒图，趋势图和数字等方式；针对特定记录需求专门设计，通用性 差。这种将计算机技术和仪表技术结合的智能记录仪己成为当前记录仪的主流产 品。但是这种无纸记录仪的功能模块主要还是硬件和固化的软件，就整体而言它 还是硬件的或者说是以硬件为主的仪器，因此仍然具有一定的封闭性和缺乏灵活 性等传统仪器的缺点。 随着微电子技术、计算机技术、软件技术和网络技术的高度发展及其在电子 测量领域的应用，记录仪表开发技术不断发生变革，功能不断得到完善和加强。 具体体现在以下两个方面。 网络化：在工业现场领域，由于环境恶劣、条件复杂、场地分散、需要测 量记录的物理量种类多，性质各异，需要一台高性能的计算机作为中心机( 上位机) ， 与多台仪表通过通讯接口组成网络，形成一种分散测量集中管理的系统，在这个 系统中，各智能记录仪表一方面独立完成测量记录任务，另一方面将数据传给上 位机，上位机进行分析处理，并且控制各智能记录仪表。 虚拟化：随着p c 机的普及和价位下调，计算机越来越广泛地应用于工业 控制领域，美国n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司于8 0 年代末推出了虚拟仪器( v 曲1 a l h s t r u m c n t ) ，它是仪器仪表发展史上的又一场革命。所谓虚拟仪器是指在以计算机 为核心的硬件平台上，由用户设计定义的具有虚拟面板、测试功能由测试软件实 现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器模拟传统仪器的 控制面板，以多种形式输出检测结果，利用计算机软件实现信号数据的运算、分 析和处理；利用i o 接口设备完成信号的采集、测量和信号调理，从而完成各种测 试功能的一种计算机自动测试系统。 主流的无纸记录仪大多基于嵌入式微处理系统，针对特定的需求专门设计， 还是以硬件为主的，软件为辅的仪器构架。其研发成本高，系统换代成本高，数 据共享难以在较广的范围内实现，根本不能满足生长过程自动化，企业管理现代 化的迫切需要。当前，虚拟仪器技术和网络技术如火如荼的迅猛发展，已经成为 仪器仪表发展的重要方向，并不断向很多领域渗透和拓展。无纸记录仪经历了数 字化记录仪和智能化记录仪的发展阶段，现在正处于向虚拟式网络化无纸记录仪 发展的阶段。本课题把握住这一机遇，灵活运用虚拟仪器技术、数据库技术、网 络技术开发基于虚拟仪器的多功能无纸记录仪，旨在为满足现实需要而开发一种 中小型的多通道多参数监测记录仪。 1 2 2 课题的目的及意义 9 0 年代以来，采用嵌入式技术研制和开发的各类智能型记录仪表呈迅猛发展 趋势，并逐渐进入工业生产领域。其相对卓越的性能、良好的人机交互平台深受 2 1 绪论 人们喜爱。然而，随着虚拟仪器技术、网络技术的发展，企业信息化水平愈来愈 高，基于硬件的或者说以硬件为主的无纸记录仪的缺点在实际应用中逐渐暴露出 来。如开放性差，缺乏灵活性，系统数据处理能力不够，软件升级困难等。课题 根据工业现场的实际需要设计并实现一种基于虚拟仪器技术的多功能海量无纸记 录仪。该记录仪基于工业p c 机平台，功能齐全，记录精度高，性能优良，安全可 靠，操作界面友好。适用于机械、石油、化工等行业的温度、压力、振动等多种 参量的监测和记录。 本文开发的基于虚拟仪器的多功能无纸记录仪将具有以下特点： 多通道多参量数据采集。记录仪采用通用的信号调理模块，能够采集经信 号调理模块调理成适合采样的电压信号的所有物理量。模数转换后，运用软件转 换和修正的方法把采样所得的电压值转换并修正为被测物理量。这样，整个仪器 只有软件转换和修正与前端配置相关，而上层软件具有更高层次的抽象和独立性。 海量数据记录。采用数据库存储数据，所有的测试信息存储在硬盘上，测 试信息的大小不再受到操作系统的文件大小限制，而只受物理存储器容量的限制。 当前，大容量存储器不断涌现，成本下降，这大大降低了海量数据记录的成本， 给海量记录仪以更大的发展空间和应用前景。 完备的测试信息。测试信息采用关系数据库存储，数据冗余少，不仅可以 存储测试对象的信息，而且可以完整的保留它们的关系。这给测试任务的管理和 检索带来方便。 可扩展的机械设备状态监测功能。课题针对记录仪的机械设备状态监测功 能的实现进行深入的研究，采用巡回采集离线人工分析和实时在线监视的两种监 测途径。开发了人工分析所需的信号分析平台，同时采用基于管道过滤器软件模 式实现了可扩展的实时状态监测模块。 强大的信号分析功能。课题针对设备状态监测离线分析的需要，开发了功 能强大的信号处理平台，包括时域统计分析、相关分析、谱分析、传递函数分析、 时频分析以及曲线拟合。 基于虚拟仪器技术，具有低成本，高性能，易于升级等优点。虚拟仪器是 仪器领域的高新技术。它与其它的技术对比，具有很大的比较优势和良好的应用 前景。它是记录仪发展的主流方向。 本课题的研究涵盖虚拟仪器技术、智能测试技术、设备状态监测技术、数据 库技术、软件工程等几个方面。将在深入学习研究这些先进技术的基础上，将虚 拟仪器技术引入到无纸记录仪的研发领域，革新无纸记录仪开发技术。缩短其开 发周期，增强可靠性，灵活性，为企业信息化提供可靠的灵活的监测记录平台。 从另一个角度看，本课题是虚拟仪器在机械工程测试领域的实际应用。课题 3 重庆大学硕士学位论文 将尝试多通道多参量数据的采集融合，实现多通道多参量同时采集显示记录。构 建信号采集、显示、记录的通用软件框架，研究虚拟仪器开发的方式方法。探讨 设备状态监测在虚拟仪器中的具体实现，提出采用管道过滤器模式实现设备状态 监测的不同需求。这些都是虚拟仪器的实际应用和发展，必将为以后的虚拟仪器 开发工作奠定基础和积累经验。 1 3 本课题的主要工作 本课题跟踪国内外无纸记录仪的最新发展动态和最先进技术，把握无纸记录 仪的发展趋势，吸取国内外相关技术的精华，研究开发出一个高精度，高可靠， 人机界面友好的多功能海量无纸记录仪。这将使企业实时监测各类生产参数，生 产过程的无人值守得以轻松实现，降低生产成本，提高生产效率，从整体上提升 企业的信息化水平。课题的主要研究内容包括： 考查了无纸记录仪的发展过程及国内现状，探讨了无纸记录仪的发展趋势。 把握住无纸记录仪向虚拟仪器方向发展的趋势，提出开发基于虚拟仪器的无纸记 录仪这一课题。 介绍了机械振动、温度、压力和应变的采集和调理原理。针对当前混合总 线采集系统这一现状，构造混合总线采集前端软件标准接口的框架，开发了混合 总线采集前端的标准软件接口。 分析了记录仪需要记录的测试信息的特点，对比操作系统文件管理系统和 数据库两种信息管理方式的性能。根据记录仪测试信息管理的特点选择m y s q l 数 据库管理系统存储测试信息以及数据库c i c + + 应用程序接口这一直接的连接方式。 接着对需要管理的测试信息建立了数据模型。 注意到工业生产对机械设备状态监测功能的需求，尝试在无纸记录仪上增 加设备状态监测功能。介绍了设备状态监测常用的特征参量以及相关的信号处理 方法。接着探讨无纸记录仪设备状态监测功能的具体实现途径和软件结构，开发 了幅值和窄带监测模块。 在深入探讨虚拟仪器的概念、硬件配置、软件结构、开发平台和设计方式 的基础上，将虚拟仪器灵活应用于无纸记录仪的开发。开发过程中，首先对无纸 记录仪的功能需求作了详尽的分析，绘制了数据流图，接着对无纸记录仪进行硬 件配置和软件层次结构设计，接着编写了无纸记录仪应用软件。开发工作结束后， 到工业现场进行了现场验证。试验证明课题成功，达到了预期的研究目的。 4 2 虚拟仪器技术 2 虚拟仪器技术 2 1 虚拟仪器的概念1 h 1 0 】 在迅速发展的计算机、微电子和软件等技术的推动下，同时也是为了适应现 代化工农业甚至军事的需要，测试技术与仪器也在不断的发展和进步，相继诞生 了智能仪器、虚拟仪器及网络化仪器等微机化的仪器和自动测试控制系统。仪器 技术与计算机技术密切融合，已经是当今仪器和测控技术的发展主流，计算机技 术的迅速发展给测试技术的进一步提高带来更为广阔的发展空间。 虚拟仪器是利用软件在计算机屏幕上构建的虚拟仪器面板，在系统硬件的支 持下对现场信号进行采样，在离线条件下，用软件处理得到测量结果。当通过友 好的图形界面来操作这台计算机时，好似在操作自己定义、自己设计的一台传统 仪器，从而完成原来由传统测量仪器实现的同样工作。图2 1 是虚拟仪器示意图， 图2 2 是一台虚拟仪器的面板。 图2 1 虚拟仪器示意图 f i 9 2 1v i r t u a li n s t r u m e n ti l l u s l r a t i o n 虚拟仪器的“虚拟”二字主要体现在如下两个方面。 虚拟仪器的操作面板是虚拟的，但虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪 器面板上的各种按键、开关等器件所完成的功能是相同的，即外观虚拟化。传统 仪器面板上的器件都是实物的，而且是由“手动”或“触摸”进行操作的，而虚 拟仪器面板上的控件“控件”是外型与“实物”相像的“图像”。用户通过键盘或 鼠标对其操作，完成仪器定义的功能。 虚拟仪器的测试功能是由软件控制硬件来实现的，即测试功能软件化。在以 计算机为核心的硬件平台的支持下，通过软件编程设计来实现仪器的功能，所以 通过组合不同的测试功能模块来实现多种测试功能。美国n i 公司提出了一句著名 5 重庆大学硕士学位论文 的口号：“软件就是仪器”，这充分体现了测试技术与计算机技术的深层次结合， 也可以看出软件在虚拟仪器测试系统中的核心地位。 图2 2 一个虚拟仪器面板 f i 9 2 2ap a n e lo f av i r t u a li t m t r u m e n t 虚拟仪器系统通常是由计算机、应用软件和接口硬件三大要素组成。软件是 整个系统的关键，硬件的作用是解决信号的输入输出，使用者可以通过改变软件 模块的配置，方便地改变或增减仪器系统的功能和规模。虚拟仪器从内部功能看 和传统仪器一样，同样可以分为信号传感、转换和测量结果的显示分析三部分， 其中信号的传输与转换功能是由计算机和各种硬件( 如传感器、变送器、a d 转换 器、数字f o 接口或带标准总线接口的仪器) 组成的硬件平台实现的。而测量结果 的显示分析功能则是充分利用计算机资源通过软件实现，使结果图形化显示。 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 功能由用户自定义功能由仪器厂商定义 可方便的与网络、计算机相连与其它仪器的互联十分有限 图形化的操作界面，直观，信息量大实物面板，信息量小 数据和图片可编辑、存储、打印数据无法编辑，更无图片输出 软件是核心硬件是核心 价廉物美价格昂贵 遵循互联标准，扩展性好系统封闭，功能固定，扩展性差 技术更新快，升级容易技术更新满，升级难，成本高 以硬件复用的形态出现独立仪器的形态出现 6 2 虚拟仪器技术 与传统仪器相比，以计算机为基础的虚拟仪器有更强大的数据分析处理能力，它 对测量结果的表达和输出也有多种方式，这是传统仪器所不能及的。相比之下， 虚拟仪器有着巨大的优势。表2 1 详细列举了虚拟仪器对传统仪器的比较优势 2 2 虚拟仪器总线2 h 5 】 虚拟仪器是基于计算机的仪器，计算机在虚拟仪器中处于核心的地位。计算 机与采集硬件是通过计算机总线直接相连。总线是仪器内部硬件的数据纽带。总 线好似虚拟仪器的灵魂，统领着虚拟仪器的所有硬件设备。纵观虚拟仪器的发展， 每一种计算机总线面世，虚拟仪器技术很快就会将这种总线技术融入其中而形成 新型的类型。因此我们可以根据虚拟仪器的总线类型把虚拟仪器大致划分为g p i b 、 v x i 、p x i 、l x i 、p c - - d a q 形式的虚拟仪器。下面对这些仪器总线作简要介绍。 ( d g p i b 仪器总线 g p l b 标准接口系统是h p 公司于1 9 7 2 年提出的一套标准接口总线系统，后来 被i e e e 所接受。g p i b 总线是一种并行方式的外总线。它采用8 位数据总线并行 传输，因此其传速速度高，可达8 m b s 。典型的g p m 系统由一台计算机、一g p i b 接口卡和若干台g p i b 总线的测试仪器组成。系统内的仪器数目最多不超过1 5 台， 电缆总长度不超过2 0 m 。它符合工业标准可以在工业环境中使用。凡是符合g p i b 标准的电子测量设备，均可用g p i b 总线连接，在总控制器作用下构成虚拟仪器测 试系统。它的出现使测试由单台手工测量向大规模自动化测试发展。g p i b 总线标 准是现代测试技术与计算机技术相结合的一个经典范例，它成功地将仪器和计算 机紧密的下联系起来。g p i b 标准一问世就得到业界的重视，g p i b 系统的应用为 测试技术的发展铺开了道路。 v x i 仪器总线 v x i 总线是基于v m e 总线的开放性模块化仪器总线标准。v x i 总线标准的建 立使高密度、高效率、高性能、高可靠性的模块式测试仪器系统走上了标准化的 道路，为自动测试技术的发展提供了新的技术支持。v x i 总线系统或者其子系统 由一个v x i b u 8 主机箱、若干v x i b u s 器件、一个v x i b u s 资源管理器和主控制器 组成，零槽模块完成系统背板管理，包括提供时钟源和背板总线仲裁等，当然它 也可以同时具有其它的仪器功能。资源管理器在系统上电或者复位时对系统进行 配置，以使系统用户能够从一个确定的状态开始系统操作。在系统正常工作后， 资源管理器就不再起作用。主机箱容纳咖s 仪器，并为其提供通信背板、供电 和冷却。 v x b u 8 可以提高测试和数据采集系统的总体性能，提供一个更先进的平台。 另外，v b 瑚规范定义了几种通信方法，以方便v ( i b 瑚系统与现存的、，l 呱b 璐 产品、g p i b 仪器以及串口仪器的混合集成。开放式系统互联物理硬件和通信系统 7 重庆大学硕士学位论文 发展到今天，测试总线通常不是孤立存在的，而是多种总线混合组成的系统。利 用v x i 总线的转换技术可以将它们互联在一起并使用同一种编程语言形成庞大的 混合型自动测试平台，从而完成复杂而宏大的测试任务。 p 仪器总线 1 9 9 7 年9 月1 日，n i 发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范p 。 p x i 是p c i 在仪器领域的扩展( p c ie x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) ，它将 c o m p a c t p c i 规范定义的p c i 总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应 用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构。制订p x i 规范 的目的是为了将台式p c 的性能价格比优势与p c i 总线面向仪器领域的必要扩展完 美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。 p x i 这种新型模块化仪器系统是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规 范和要求形成的。它通过增加用于多板卡同步的触发总线和参考时钟、用于进行 精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通讯的局部总线来满足试验 和测量用户的要求。p x i 规范在c o m p a c t p c i 机械规范中增加了环境测试和主动冷 却要求以保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。p x i 将m i c r o s o f t t m w i n d o w sn t t m 和m i c r o s o f t t mw 协d o w s9 5 t m 定义为其标准软件框架，并要求所有的 仪器模块都必须带有按v i s a 规范编写的w i n 3 2 设备驱动程序，使p x i 成为一 种系统级规范，保证系统的易于集成与使用，从而进一步降低最终用户的开发费 用。 基于c o m p a c t p c i 工业总线规范发展起来的p x i 系统可以从众多可资利用的 软、硬件中获益，如运行在p x i 系统上的应用软件和操作系统就是最终用户在通 常的台式p c i 计算机上所使用过的软件。p x i 通过增加坚固的工业封装、更多的仪 器模块扩展槽以及高级触发、定时和边带通讯能力更好地满足了仪器用户的需要。 目前，由于p x i 总线测试系统卓越的性能和较低的价格，使得越来越多的自 动测试技术人员关注p x i 总线的发展。由于p x i 测试系统的数据传输速度更高， 在某些高频段的自动测试，已经广泛采用p x i 测试系统。 l x i 仪器总线 l a n 作为一种成熟的技术，在数年前就已经被广泛的应用于各种测试系统， 如远程的网络分析仪和数据记录仪等，并特别适用于分布式的系统和远程监控， 填补了传统仪器原来在这方面的空白。作为b u s 规范的一部分，当时的v x i 1 1 规范就定义了网络仪器通过t c p i p 进行控制器和设备之间通讯的一系列标准。 l x i ( l a ne x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线规范源于美国军方应用的需求， 它重新定义了一系列基于l a n 的仪器类，其中包含基于现成的i e e e1 5 8 8 技术的 定时指标和可选的l x i 触发总线。但归根结底，l x i 的仪器还是一种基于l a n 的 8 2 虚拟仪器技术 分立式仪器，只是将多种现有的技术( 如l a n ，i e e e1 5 8 8 等) 重新整合成一种新的 标准，并没有太多技术上的革新。此外，l x i 目前主要还是针对美国军方的一些 高端测量应用，还没有在工业界得到普及，市场上真正可供选择的l x i 仪器也很 有限。 l x i ( l a n 对仪器的扩展，l a ne x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 是继机架堆叠 式g p i b 仪器、咖虚拟仪器之后的新一代基于以太网l a n 的自动测试系统 模块化构架平台标准。l x i 总线的模块化测试标准规范融合了g p i b 仪器的高性能、 v x i p x i 卡式仪器的小体积以及l a n 的高速吞吐率，并考虑了定时、触发、冷却、 电磁兼容等仪器要求。 除了以上这些，还有以s e r i a l 或f i e l db u s 等标准总线仪器与计算机为硬件平 台组成的串口自动测试系统和现场总线自动测试系统。无论上述哪种虚拟仪器， 都是以软件为核心，通过总线将仪器硬件与计算机结合起来，其中基于数据采集 卡的测试系统是构成虚拟仪器的常见方式，是构成各标准总线仪器的基础。 2 3 虚拟仪器的硬件组成 虚拟仪器是仪器技术和计算机技术深层次结合的基础上产生的一种新的仪器 模式。虚拟仪器是指采用通用计算机和必要的仪器硬件模块，利用计算机强大的 数字处理能力代替原来需要硬件才能实现的数据处理功能和人机交互功能，使用 户操作虚拟仪器就像操作一台专门为自己设计的传统仪器一样。虚拟仪器不强调 每一个功能模块就是一台虚拟仪器，而是强调在同一计算机平台上选配一组带共 性的基本仪器硬件和软件模块组成一台多功能的仪器，通过不同的软件模块实现 多种功能，而整个测试平台没有多大变化。即虚拟仪器强调多功能，测试硬件标 准化通用这一特征。 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、通讯控制 及图形化人机交互界面软件组成的测控系统，是一种以软件为核心，计算机为中 心的模块化仪器系统。其功能模块与传统仪器一样包括信号的采集与控制、信号 的分析与处理、人机交互。硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。 计算机硬件平台可以是各类计算机。计算机在整个虚拟仪器系统中处于中心的位 置，它统领着虚拟仪器的所有硬件资源，是虚拟仪器的硬件基础。图2 3 是虚拟仪 器的硬件构成。虚拟仪器通过总线把这些硬件模块组合在仪器，应用虚拟仪器应 用软件对硬件模块进行控制实现测试所需的多种功能。 当前，许多公司已研制出多种用于构建虚拟仪器的数据采集模块。通常每个 模块都能实现a d 转换，d a 转换、数字输入输出的功能等功能，配以通用的信 号调理电路，即可组成满足多种测试要求的虚拟仪器硬件平台。 9 重庆大学硕士学位论文 l 振动传感器l ll i 力传感器i ii 嚣爿 l 声学i 感器i ir i 温度传感器l ii l 扭矩传感器l ll 压力传感器i i 图2 3 虚拟仪器的硬件配置 f i g2 3h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no f v i r t u a li n s m m u m t 2 4 虚拟仪器软件的层次结构【1 4 】 虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬件和软件资源，使本来需 要硬件实现的电路软件化( 虚拟化) ，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的 功能和灵活性。虚拟仪器的整个软件系统设计从底层到顶层可划分为：输入输出 ( ) 接口、功能模块和测试应用软件。 输入输出( i o ) 接口软件存在于仪器和仪器驱动程序之间，是一个完成对仪 器内部寄存器单元进行直接存取数据操作，对仪器总线和器件作测试和控制、并 为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件层，是实现开放的、统一的虚拟 仪器系统的基础和核心。 功能模块层的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集，是完 成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集。对于应用程序来说，它对仪器的操 作是通过仪器驱动程序来实现的；仪器驱动程序对于仪器的操作和管理，又是通 过输入输出( i o ) 软件所提供的统一基础与格式的函数库( v i s a 库) 的调用来实 现的。它是连接上层应用程序底层输入输出( i o ) 的纽带和桥梁。每个仪器模块 都有自己的仪器驱动程序，仪器厂商通常随仪器一起提供给用户。 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，主要实现整个测试 仪器系统的人机接口功能，数据分析和处理功能，存储打印功能，与外设通信功 能，甚至远程测控功能等一切用户所需要的功能。通常这一部分是最复杂的。 1 0 2 虚拟仪器技术 2 5 虚拟仪器的开发及平台1 】【2 】 虚拟仪器系统的核心技术就是软件技术，一个虚拟仪器系统性能的优劣很大 程度上取决于虚拟仪器软件的设计。随着自动测控技术、计算机技术和软件技术 的发展，软件的开发和变成在自动测试系统的组建和开发的费用中所占的比例越 来越大，对测试人员的编程能力要求越来越高，带来的负担越来越重。因此，研 究和开发适于广大测试技术人员使用的测试软件开发平台，节省花费在繁琐的程 序编码和程序调试中的时间和精力，一直是测试领域所关心的重要技术问题。因 此，选择合适的软件开发平台对于提高开发效率、产品质量都具有重要的意义。 为了保证虚拟仪器软件具有较高的可靠性和可用性及良好的可移植性和兼容 性，在进行软件设计时，应按照软件工程学提出的软件设计过程和方法进行，具 体地应注意以下几点。 采用自顶而下的软件设计方法，首先完成软件的需求分析、系统功能分析和 结构分析，通过逐层分解和逐级抽象，建立软件的层次化结构框图，确定各部分 的功能及相互关系，然后根据软件的结构框图，划分程序模块，最后再开始具体 的编程工作。 在软件系统分析和具体编程过程中，应注意采用模块化和面向对象的软件设 计方法，特别要重视一些可重用的基本软件模块，以提高系统软件的灵活性、移 植性和可维护性，降低系统的复杂程度。 虚拟仪器软件应具有较高的可靠性。系统不能因测试人员的操作失误而导致 崩没，也小能因环境干扰或其他问题导致故障蔓延和丢失信息。在系统软件设计 与实现过程中，应对此给予充分的重视。 采用图形化用户界面设计技术和可视化编程技术，提供切合实际需要和友好 的人机交互界面，提供完善的帮助信息和快捷简便的帮助信息访问手段，提高软 件的可用性。 采用自顶而下和自底而上相结合的方法进行软件调试。将整个软件调试过程 分为模块调试、子系统调试、系统联调、试运行五个步骤，对所设计的软件进行 完全的测试和诊断，发现和纠止编程和设计错误，生产出合格的软件产品。 目前能够用于虚拟仪器系统软件设计开发的软件开发平台主要有两大类。 2 5 1 通用软件开发平台 通用软件开发平台包括各种版本的c ，c + 吖包括v i s u a lc + + 、b o r l a n dc _ h b u i l d e r 等) 、v i s u a lb a s i c 、f o t r a n 、j a v a 等。其中以m i e r o s o r 的v i s u a lc + + 应用最 为广泛。这是由v i s u a lc 阡的比较优势所决定的。 v i s u a lc - 叫简称v c ) 是m i c r o s o f t 公司推出的目前使用极为广泛的基于 重庆大学硕士学位论文 w m d o w s 平台的c + + 可视化开发环境。可视化的编程界面和应用程序开发向导， 为快速高效的开发出功能强大的w i n d o w s 应用程序提供了极大的方便。另外， v i s u a lc h 和w m d o w s 操作系统同出自于m i c r o s o f t 公司，在内部设计上具有很好 的融合性，避免了不兼容问题的存在。 使用v i s u a lc + + 这个虚拟仪器开发平台。开发虚拟仪器一般分为四个步骤。第 一，开发数据采集器的驱动程序，完成数据采集存储功能。第二，开发虚拟仪器 的输入输出控件和操作面板，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。最后，集成前三步的模块融合生成一台界面逼 真、功能强大的虚拟仪器。 应用通用软件开发平台开发虚拟仪器有如下的特点。第一，通用开发平台可 以直接操纵底层硬件，开发者可以灵活的方式完成各项功能，并且能够保证响应 速度。第二，通用平台没有现存的模块可以使用，开发者必须从最底层的开发做 起，开发周期长，开发难度大。第三，文本化编程复杂、繁琐、费时，对商业开 发单个虚拟仪器来说不实际，但对于开发虚拟仪器系统来说则是上佳的选择。 2 5 2 专用软件开发平台 目前世界上最具代表性的三个专用的虚拟仪器开发平台为美国的n i 公司的 l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 和a g i l v n t 公司的v e e 。其中l a b w i n d o w s c v i 属于 可视化的文本型开发平台，而l a b v l e w 、v e e 属于图形化的软件编程平台。在它 们中又以l a b v i e w 应用最为广泛和成功。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yx r l m m 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 ) l i p 实验室虚拟仪 器工程平台是美国n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司推出的一种高效的图形化软件开发平 台。它是一种图形化编程语言，只需要通过定义和连接代表各种功能模块的图标， 就能方便迅速的建立起通常只有编程技巧的程序员才能编制出的高水平应用程 序。同时它支持与多种总线接口系统的通信连接，提供数据采集、仪器控制、数 据分析和数据显示等与虚拟仪器系统相关的功能，是面向测量与自动化领域工程 技术人员软件开发平台。 这些专用的开发平台为虚拟仪器开发者提供了简单、直观、易学的图形化编 程方式，把复杂、繁琐、费时的文本编程简化为直观的图形化可视化的简单的连 接方式。与通用的软件开发平台相比，可以节省时间。但其采用了统一的软件构 架，相当于在应用程序和操作系统置入了一个转换中间件，在一定程度上影响了 虚拟仪器软件的运行速度。 3 多通道多参量信号采集 3 多通道多参量信号采集 3 1 机械参量的采集原理 机械行业涉及的参量很多。当前机械参量测试的主要方法是利用传感器感知 被测参量并转换成电参量，接着利用调理模块对信号进行调理，然后采用电测法 进行测量。传感器的功能