（控制科学与工程专业论文）生物传感信号的可配置lxi仪器模块关键技术研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t p 2 1 6 学科分类号 5l o 8 0 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 l1 0 8 1 9 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名郭天宇 学号 2 0 0 8 0 0 0 81 9 获学位专业名称检测技术与自动化装置 获学位专业代码 0 8 1 1 0 2 课题来源横向项目研究方向 自动检测仪器、仪表 论文题目 生物传感信号的可配置l x i 仪器模块关键技术研究 关键词 生物传感，可配置模块，压缩传感，l x i 总线，虚拟仪器 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月2 7 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师于涛讲师 北京化工大学 评阅人l林伟国 教授北京化工大学 评阅入2王颖副教授北京化工大学 评阅人3 评阅人4 评阅人5 撇员蝴 王建林教授北京化工大学 答辩委员l赵众教授 北京化工大学 答辩委员2林伟国教授北京化工大学 答辫委员3王颖 副教授北京化工大学 答辩委员4祝海江副教授 北京化工大学 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 嘲3鲫6 啉4旧7，皤7脚8ii二im y 摘要 生物传感信号的可配置l x i 仪器模块关键技术研究 摘要 近几十年，生物传感器技术发展迅速，因其具有选择性强，准确度高， 成本低等优点，在化工过程、生物工艺监控、食品检验、环境监测等方面 得到日益广泛的应用。生物传感器种类繁多，信号类型较多，研究设计一 种适用于多类型生物传感信号的可配置变换电路模块十分必要。虚拟仪器 遵循开放的技术标准，得到了仪器设备企业的广泛支持，将可配置模块与 虚拟仪器技术相结合，研究一种适用于多类型生物传感信号的可配置l x i 仪器模块具有重要的意义。 本论文通过分析生物传感器的信号特点，提出一种适用于多类型生物 传感器的可配置变换方案，综合了不同传感信号的调理电路，给出了可配 置硬件电路的一种实现方法；在信号采集方法上，研究了基于压缩传感技 术的亚奈奎斯特频率模数转换方法，设计了一种调制宽带转换器的数据采 集电路，解决了数据采集精度与速度矛盾的问题；在仪器设计上，通过研 究l 标准，给出了l 仪器系统的软硬件构成，基于m 蝴嵌入式系 统实现了l x i 仪器模块的数据通信、i e e e l 5 8 8 精密时钟同步等关键技术， 在p c 端实现了标准的v i s a 驱动程序；最后，将所设计的仪器模块用于 发酵过程乙醇浓度检测，验证了系统功能的正确性和有效性。 实验结果表明，可配置硬件模块能够完成对不同传感信号的准确测 量，且具有较好的采样精度。基于l 纽总线的智能测量仪器软硬件设计 正确，仪器运行稳定，测量重复性好，为构建分布式测量系统提供了有力 t 北京化t 人学硕i j 学位论义 的技术支持。 关键词：生物传感，可配置模块，压缩传感，l x i 总线，虚拟仪器 a b s t r a c t k e yi m p l e m e n t a t i o n ，】1 e c h n i q u e s0 f a r e c o n f i g u r a b l el i n s t r u m e n t a li o d u l e a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b i o s e n s o rt e c h n o l o g yh a sm a d e 铲e a tp r o 铲e s s w i t ht h e a d v a n t a g e s o fg r e a t s e l e c t i v i t y h i 曲- a c c u r a c y a n dl o w - c o s t ，b i o s e n s o r t e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di n c h e m i c a l p r o c e s s ，b i o t e c l l i l o l o g y m o n i t o r i n g ， e n v i r o i u n e n t a l m o n i t o r i n ge t c d i n e r e n th n d so fb i o s e n s o r s o u t p u td i f f e r e n ts i g n a l s t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a 巧t or e s e a r c ha n dd e s i g na r e c o n f i g u r a l b l et 啪s d u c t i o nc i r c u i tm o d u l ef o rn m l t i t y p es e n s i n gs i g n a l v i n u a li n s t m m e mf 0 1 l o w so p e nt e c l u l i c a ls t a n d a r d s b yc o m b i n i n gv i m l a l i n s t m m e n tt e c l l l l i q u et or e c o n f i g u r a 【b l em o d u l e ，t oi n v e s t i g a t ear e c o n f i g u 瑚【b l e l i n s t r u m e mm o d u l ef o rm u l t i - t y p es e n s i n gs i g n a l i so f g r e a ts i g i l i f i c a n c e as c h e m eo fr e c o n f i g u r a b l e 饷n s d u c t i o ni sp r o p o s e dt h r o u g ha n a l y z i n g t h ec h a r a c t 丽s t i c so f b i o s e n s i n gs i 弘a 1 a ni m p l e m e n t a t i o no fr e c o n f i g u a b l e h a r d w a r e c i r c u i ti sg i v e nb yi n t e r g r a t i n gc o n d i t i o l l i n gc i r c u i to fd i f f e r e n t t r a l l s d u c i n gs i g i l a l o ft h es i g n a la c q u i s i t i o nm e t h o d ，s u b 一卜蚋u i s tr a t ea d c o n v e r s i o nw h i c hi sb a s e do nc o m p r e s s i v es e n s i n gt e c l l i l i q u ei sr e s e a r c h e d d a t aa c i 扣s i t i o nc i r c u i to fm o d u l a t e dw i d e b a n dc o n v e n o ri sd e s i g l l e dt os o l v e t h ep r o b l e mo fs p e e da n da c c u r a c y o fi n s t l l l m e md e s i g n i n g ，a na r c h i t e c t u r eo f s o 小) l ，a r ea n dh a m a r eo fl x i i n s t m m e n ts y s t e mi sg i v e nt h r o u g hr e s e a r c ho f i 北京化t 人学硕l ：学位论文 l x is t a n d a r d l x im o d u l et om o d u l ed a t ac o m m u n i c a t i o na n di e e e 15 8 8 p r e c i s i o nc l o c k y n c h r o n i z a t i o na r er e a l i z e db a s e do na r me m b e d d e ds y s t e m s t a n d a r dv i s ad r i v e ri sa c h i e v e do np c f i n a l l y ；t h ed e s i g n e di n s t l l j m e n t s y s t e mi su s e df o rd e t e c t i o no fe t h a n o lf e m l e n t a t i o nt ov e r i 矽t h ec o r r e c t n e s s a n de f f e c t i v e n e s so fs y s t e m 如n c t i o n s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er e c o n f i g u r a b l eh a r d w a r em o d u l e c a nm e a s u r ed i f r e r e n t 虹n d so fs e n s i n gs i g n a l a c c u r a t e l ma n ds a m p l ew i t h h i g h a c c u r a c y i n t e l l i g e n ti n s t m m e n tb a s e do nl x ib u si sv e r i f i e dt ob e c o n e c t ，a n di ts h o w ss t e a d yo p e r a t i o na n dg o o dr e p e t i t i o n k e y w o r d s ：b i o 。s e n s i n g ，r e c o n 丘g l l r a b l em o d u l e ，c o i n p r e s s i v es e n s i n g ， l b u s ，咖a li n s t m m e m 目录 目录 第一章绪论1 1 1 弓l 言1 1 2 生物传感器信号变换技术1 1 2 1 电阻测量方法l 1 2 2 小信号的调理与数采方法4 1 3 虚拟仪器与l x i 仪器总线5 1 3 1 虚拟仪器5 1 3 2 基于l x i 总线的虚拟仪器7 1 4 课题的主要研究内容及意义8 第二章生物传感器可配置硬件接口及数据采集方法研究9 2 1 引言9 2 2 可配置硬件接口关键技术一9 2 2 1 可配置硬件方案9 2 2 2 阻抗参数变换电路1 0 2 2 3 电压、电流和频率信号调理电路1 2 2 2 4 可配置电路实现方法1 3 2 3 亚奈奎斯特频率的模数转换方法1 3 2 3 1 压缩传感1 4 2 3 2 调制宽带转换器。1 4 2 4d 、结1 6 第三章基于l 总线的智能仪器设计。 3 1 引言1 7 3 2l x i 总线体系结构1 7 3 2 1 i 总线体系结构1 7 3 2 2 i 仪器系统框图1 9 3 2 3l x i 协议运行机制2 0 3 3i i 仪器模块设计2 1 3 3 1 服务器通信模块2 l v 北京化t 人学硕i ：学位论义 3 3 2l x i 数据包的传输。2 2 3 3 3i e e e l 5 8 8 时钟同步协议的实现2 3 3 4p c 端驱动栈设计2 6 3 4 1 客户机通信模块2 6 3 4 2 虚拟仪器软件结构2 7 3 5 小结2 9 第四章系统实现及实验验证3 1 4 1 引言3 l 4 2 硬件实现及测试31 4 2 1 基于a r m 的嵌入式系统设计3 l 4 2 2 可配置变换电路接口板设计3 3 4 3 驱动端程序实现及测试3 5 4 4p c 端运行实现及测试3 8 4 5 小结4 l 第五章结论与展望4 3 参考文献4 5 致谢4 7 研究成果及发表的学术论文4 9 作者简介5 1 c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n l 1 1f o r 、a r d 1 1 2t t a n s f o n n a t i o no fs e n s i n gs i g n a l 1 1 2 1m e m o d so f i m p e d a n c em e a s u r e m e i l t 1 1 2 2a d j u s t n l e n ta n dd a t aa c q u i s i t i o nm e m o do fs m a l ls i g n a l 。4 1 3 r t u a l i n s 饥i i l l e i l ta i l dl x ib u s 5 1 3 1 r t u a li n s t 九l m e n t 5 1 3 2 、，i r t u a li n s t n l m e n tb a s e do nl x ib u s 。7 1 4m a j o rc o n t e n t sa l l ds t u d ym e 锄i n go f t l l i sd i s s e r t a t i o n 8 c h a p t e r2 r e s e a r c ho f c o n f i g u r a b l e h a r d w a r ei n t e r f a c ea n dd a t a a c q u i s i t i o n 。9 2 1f o r w a r d 9 2 2k e yt e c l l l l o l o g ) ro fc o n f i g u r a b l ei n t e r f a c e 9 2 2 1s c h 锄eo f c o n f i g u r a b l eh a r d w a r e 9 2 2 2a d j u s t i l l e n tc i i to fi m p e d a n c es i 髓a l 1o 2 2 3a d j u s t i l l e n tc i r c u i to f v o l t a g e c l m e ：i l t 疳e q u e n c ys i g n a l 1 2 2 2 4h n p l e i t l e n t a t i o no fc o n f i g u r a b l ec i r c u i t 13 2 3a 仍c o n v e r s i o na ts u b - n y q u i s t 丘蜘u 饥c y 13 2 3 1c o m p r e s s i v es e r l s j n g 1 4 2 3 2m o d u l a t e d ，i d e b a i l dc o n v e r t c r 1 4 2 4s 1 0 l m m a l y l6 c h a p t e r 3d e s i g no fi n t e l u g e n ti n s t r u m e n tb a s e do nl b u s 。1 7 3 1f o 刑a r d l7 3 2a r c h i t e c t u r eo fl = ( ib u s 17 3 2 1a r c l l i t e c t u r eo f l x ib u s 。1 7 3 2 2b l o c kd i a 掣a mo f l i i l s t r i 珊e i l t 1 9 3 2 3o i ，e r a t i o n a lm e c h a i l i s mo fl x ip r o t o c o l 2 0 3 3d 岱i g no fl x ii i l s 慨e n tm o l u l e 2l v i i 北京化r 丁人学坝f j 学位论义 3 3 1c o m m u n i c a t i o n m o d u l eo ns e e r 2 l 3 3 2t 眦s m i s s i o no fl x id a t ap a c k a g e 2 2 3 3 3l i n p l 锄e n t a t i o no fi e e e l5 8 8 p r o t o c o l 2 3 3 4d e s i 印o f d r i v eo nc l i e n t 2 6 3 4 1c o m m u n i c a t i o n m o d u l eo nc l i e n t 一2 6 3 4 2 r t u a li n s 咖m e n t a t i o ns o r w a r ea r c h i t e c t u r e 2 7 3 5s u m m a r y 2 9 c h a p t e r4s y s t e mi m p l e m e n t a t i o na n de x p e r i m e n t 。3l 4 1f o 刑a m 3 1 4 2i m p l e m e n t a t i o na n dt e s th 莉w a r e 3l 4 2 1d e s i 印o fe i r l b e d d e ds y s t e mb a u s e do na ：r m 3l 4 2 2d e s i 印o fc o n f i g u r a l ) l ec i r c u i t 3 3 4 3i m p l e m e n t a t i o na i l dt e s to f s e r v e r 3 5 4 4h i l p l e i l l e n t a t i o na 1 1 dt e s to f c l i e n t 3 8 4 5s u m m a r y 4 1 c h a p t e r5c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 。4 3 r e f e r e n c e 4 5 a c k n o w l e d g e m e n t s 4 7 l k s e a r c hr e s u l t sa n d p u b l i s h e da c a d e m i cp a p e r s 。4 9 b r i e fi n t r o d u c t i o no fa u t h o r 。5 1 v i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 生物传感器( b i o s e i l s o r ) 是利用生物物质( 如酶、蛋白质、d n a 、抗体、抗原、生 物膜、微生物、细胞等) 作为敏感材料【l 】，将生化反应转变成可定量的物理、化学信 号，从而能够快速进行生命物质和化学物质检测和监控的装置，是生物技术发展过程 中必不可少的一种先进的检控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。近年 来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展成果的推动，生物传感器技术飞速发展。 随着微电子技术的不断发展，以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结 合在一起，组成了“智能化测量控制系统 ，也就是智能仪器。随着应用水平的不断 提高，智能仪器的发展呈现出以下趋势： ( 1 ) 智能仪器的虚拟化设计。智能仪器与虚拟仪器技术相结合，可以通过客户 机软件程序的改变使同一个硬件系统实现不同的测量功能，增强仪器的通用性、可扩 展性； ( 2 ) 网络化发展。将i n t e m e t 技术用于智能仪器仪表系统极大地提高其通信及数 据传输能力，使智能仪器的远程升级维护、功能配置得以实现； ( 3 ) 集成化、微型化； ( 4 ) 人工智能化。 智能仪器具有操作自动化和自测功能，强大的数据处理和误差修正能力，友好的 人机对话能力，自检及故障监控功能等功能特点，是现代测量系统的发展趋势。 1 2 生物传感器信号变换技术 1 2 1 生物传感信号 生物传感器的发展始于酶传感器，1 9 6 2 年，美国的c l a r k ，lcj r 教授最先提出了酶 传感器的概念并研制成第一支“酶电极【2 】。1 9 6 7 年，u p d i k es j 和h i c k sg p 采用了更 有效的固定化酶方法，研制成了酶传感器【3 l 。之后经过3 0 年的发展，至2 0 世纪9 0 年代 以后，生物传感器的发展取得了显著成绩，在化工过程分析、生物工艺过程监控、医 学生物工程、食品科学、环境质量检测等方面得到广泛应用。李丽等人利用分子印迹 技术制备以青霉素为模板分子的生物电化学传感器【4 】，有效地避免了类似物对青霉素 测定的干扰，建立高选择性检测青霉素的分析方法。李莎等人以明胶包埋法作为乙醇 氧化酶的酶固定化方法，通过加入多壁纳米碳管提高灵敏度，制备出一种高灵敏度电 1 北京化_ t 人学硕l ：学位论义 流型乙醇生物传感器【5 】op 觚d e y 等研究了n a d h 在碳糊电极表面的电化学氧化，采用 二甲基二茂铁修饰电极和醇脱氢酶a d h ，制成了乙醇传感器【6 1 。s e n o l 等把a d h 固定 在甲基胺蓝醋酸纤维素修饰玻碳电极表面，得到了线性响应范围为1 0 4 0 0 u m o l l 的 乙醇生物传感器【7 1 。医学上的免疫传感器用来检测体液中的各种化学成分，监测多种 细菌、病毒及其毒素。s o j u n gp 盯k 等用两种e c o l i0 1 5 7 ：h 7 的抗体组建了一个三明治 形的生物传感器来检测食品中的大肠杆菌【8 1 。法国的a r k h y p o v a 等人研制了可用于检测 自然水体中的有毒物质的集成生物传感器【9 1 ，这种生物传感器集生物成分固定系统和 数据处理系统为一体的新型生物传感器，实现了对水体中的有毒金属和杀虫剂进行定 量和半定量分析，检出限达到了1 0 “m 。 未来生物传感器的发展趋势是微型化、多功能化、智能化和集成化。 对生物传感器的研究重点一方面是生物敏感材料的研究，另一方面是传感信号的 高精度处理。对微生物发酵等生物工艺过程中常用的生物传感器，如何完成快速、稳 定、高精度的传感信号测量尤为重要。 生物传感器的换能器【1 0 l 主要有四种类型： ( 1 ) 电位测定 测量一个电池在零电流状况下的电动势，该电动势与待测定物质浓度的对数成正 比。 ( 2 ) 伏安测定 在电池上逐步增加( 或减少) 电位直至待分析物质发生氧化( 或还原) ，而后电 流出现一个陡增( 或降) 的峰值电流，该峰值电流的高低与电活性物质的浓度直接成 正比。这种方式称为电流型测定法。 ( 3 ) 电导测定 多数化学反应包括溶液中组成的变化，这通常会引起溶液电导的改变，这样就可 以用电导测量法。 ( 4 ) 场效应晶体管传感器 有时可以将上述几种电化学传感器小型化，方法是在硅片基场效应晶体管上制 作。这种方法主要用于电位型传感器，也能用于伏安 或电导测定传感器。 1 2 2 电阻测量方法 目前，工业中应用的阻抗测量( h p c d 锄c e m 翻盯锄c 1 1 t ) 方法众多，每一种方法有各自的优缺点。 选择合适的测量方法应当考虑包括测量范围、量程精 度、操作性等测量需求及条件。测量方法的选择需要 2 o s c 图1 1 伏安法原理图 f i g 1 li vm e t l l o d 第一章绪论 均衡各方面需求。常见的测量方法有以下几种。 ( 1 ) 伏安法：图1 1 所示为伏安法电阻测量电路。通过测量电路中的电压来计算 待测电阻互。利用已知的精密电阻两端的电压可计算相应的电流，再结合测得的回路 电压巧可得待测电阻为：乙= h 玎= r k 圪。 ( 2 ) 电桥法：图1 2 所示为惠斯通电桥电阻测量电 路。它由桥臂上的四个电阻以及检流计、电压源组成。 通过调节可调电阻使检流计所在支路电流为零，此时电 桥平衡，利用已知电阻可计算被测电阻：乙= z l z 3 z 2 。 对于不同的应用可以有不同的电桥电路，电桥法还 可以测量电阻、电感、电容的任意组合。 ( 3 ) 自平衡电桥法【1 1 】：图l 一3 所示为自平衡电桥法 电阻测量电路。电路中使用运算放大器组成的反馈环路 使l 点始终保持零电势，同时运放将流过待测电阻的电 流转换为电压完成输出端的电压测量。 图1 2 电桥法原理图 f i g 1 - 2b d d g em e t h o d 运放输入端虚地使l 端保持零电势，流经待测设备的电流和流经已知电阻r 的电 流平衡，从而通过测量h 端和r 上的电压可以计算乙。 o s c 图l - 3 自平衡电桥法原理图 f i g 1 - 3a u t 0b a l 锄c i n g b r i 趣em e m o d ( 4 ) 谐振法：用电流源和可调电容的串联电路来测量未知电路的等效电阻和电 感。通过调节可调电容使电路达到谐振状态，利用谐振频率、电容值和品质因数可计 算未知阻抗l 和r 。由于谐振状态下电路的能量损耗很低，该方法可以测得高达1 0 0 0 的品质因数。对于大范围的阻抗测量，串并联方式都可以用于谐振法。 ( 5 ) 交流伏安法：通过电压和电流的测量来计算待测设备的阻抗。流经待测设 备的电流可以通过已知的低值电阻r 和其两端测得的电压求得。交流伏安法和伏安法 的基本原理都是欧姆定律，交流伏安法使用了阻抗匹配测量电路和精密同轴测试端 口。对于高阻抗和低阻抗的测量有不同的电压计和电流计使用方法。 ( 6 ) 网络分析法：通过测量入射信号与反射信号的比值得到反射系数。用定向 耦合器检测反射信号，网络分析器产生并测量信号。 上述几种电阻测量方法的优缺点及适用范围如表1 1 所示： 北京化r t 人学硕i j 学位论义 电桥法 伏安法 自平衡电桥法 谐振法 高精度，低成本，通过改变电 桥可刚丁宽频率范嗣 可用于接地设备的测量，可用 于探头类测试需求 宽频率范围，宽测量范围内都 能达剑高精度，接地设备测量 高品质冈数时具有高精度 交流伏安法精度高，高频时有宽测量范围 频率范围宽，待测阻抗与特征 网络分析法 阻抗接近时有高精度 需要手动调平衡，每种电桥直流； 只能有很窄的频率范闱低丁3 0 0 m h z 的交流 频率范嗣有限 直流5 l o k h z 1 0 0 m h z 交流 直流： 不适于高频 2 0 h z 1 0 0 m h z 交流 需要调谐振，精度低1 0 k h z 7 0 m h z 交流 频率范围取决下测试前端 ，。 l m h z 3 g h z 交流 的变压器 频率改变时需要重新标定 窄测量范围 3 0 0 k h z 以上的交流 1 2 3 小信号的调理与数采方法 信号调理电路【i2 】将待测信号经过放大、滤波等操作转换成数据采集设备能够识别 的标准信号，高质量的信号调理能够极大地提高数据采集系统的总体性能和精度，据 估计，信号调理部分成本几乎占整个系统硬件成本的4 0 左右。 生物传感器的输出信号一般具有小信号【1 3 】的特征：信号幅度小，噪声大，有用的 被测信号被大量噪声淹没。如何提高原始信号信噪比是小信号调理电路的关键环节， 同时还要减少调理电路中引入的二次噪声。 在高频电路及高速数字电路中，如果有一条线就会形成电感成分( 寄生) ，如果 有两条线则在线间就会形成寄生电容成分及互感成分( 寄生) ，所形成的电感、电容 成分是很微小的，在低频时几乎不成问题，但是在高频领域却不能忽略该c 、l 成分的 影响。对于三电极或四电极的电阻测量方法，在加载交流驱动信号时，寄生杂散电容 产生的泄露电流会对测量精度产生明显的影响。 仪器发展的趋势是智能化、数字化、微型化、网络化，数字技术在以微控制器为 核心的智能仪器中有重要作用。测量仪器通过采样将模拟信号转换为数字信号，对数 字信号进行处理获得被测量。 传统的采样过程遵循奈奎斯特定理，即要使信号采样后能够不失真还原，采样频 率必须大于信号最高频率的两倍。实际应用中通常会选择信号最高频率的5 1 0 倍作为 采样频率。若被测信号为高频信号，要达到测量精度就需要很高的采样频率，这对硬 件提出了更高的要求。 4 第一章绪论 1 3 虚拟仪器与l 仪器总线 1 3 1 虚拟仪器 虚拟仪器( r t u a li n s t m m e n t ) 是指功能化硬件通过应用程序连接到计算机，用户通 过在计算机友好图形界面上的操作，控制系统完成被测量的数据采集、信号处理、显 示、存储等。 虚拟仪器并非一种具体的仪器，它可以有各种各样的形式，取决于实际的物理系 统和构成仪器数据采集单元的硬件类型。其特点【1 4 】表现在以下几个方面： ( 1 ) 打破传统仪器的测量方法，充分利用计算机技术强大的软硬件资源来完成 各种测试功能； ( 2 ) 强调“软件就是仪器 的概念，根据用户需求由软件来定义仪器功能，完 成传统仪器难以完成的硬件测试功能； ( 3 ) 图形化的用户界面，使传统仪器的控制面板在虚拟仪器中由相应的软面板 所取代，且结果显示更简便、直观； ( 4 ) 采用模块化结构，系统具有良好的开放性和可扩展性，并大量运用动态链 接库、数据库和函数库； ( 5 ) 基于计算机网络技术和接口技术，具有方便、灵活的互联能力。 与传统仪器相比，虚拟仪器在各方面都具有明显的优势，主要表现如表1 2 所示。 表l - 2 虚拟仪器与传统仪器的比较 7 i h b l e1 2v i r n l a li n s t n l m e n ta n dt r a d i t i o n a li n s t n l m 朗t 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发、维护费用降低 关键是软件 价格低、可复用 用户定义仪器功能 开放、灵活，与计算机技术保持同步发展 与网络及其他周围设备方便互联 开发、维护费用高 关键是硬件 价格昂贵，仪器间资源难共享 厂商定义功能 封闭、固定 功能单一，互联能力有限 总的来说，基于计算机的虚拟仪器具有以下优点：显示个性化、数据存储能力强 大、功能可扩展性、信息系统及数据库间的通讯、时间标记及测量注释、测量关联及 数据输出、测试报告自动生成、高质量打印等【1 5 1 。 总线是系统中各个功能部件之间进行信息传输的公共通道。在测控领域，总线为 各测试硬件提供一种统一的接口标准，简化系统组建时的软硬件设计，使系统的扩展 与升级更方便。随着g p m 总线、v x i 总线、p 总线等相继出现并快速发展，总线 技术在工业、军事、航空航天【1 6 】中的作用越来重要，应用范围越来越广。 5 北京化t 人学硕 ：学位论文 g p i b 总线发展最早，技术成熟，操作简便，但其仪器多为台式仪器，体积、重 量大，成本高，数据传输速度慢，成本高；v 总线结合了g p i b 易于操作和v m e 高吞吐量的优点，是能够“即插即用”的插卡式设计，体积小，配置灵活，但是需要 用v x i 机箱、零槽控制器以及1 3 9 4 p c i 接口卡等，成本比较高，主要应用在高科技 领域；相比于v x i 仪器，p x i 仪器体积更紧凑，成本更低，速度更快，在低端市场占 有较大份额，但p x i 总线仪器种类较少，功能有限，通道数和电磁兼容性差，限制了 p x i 总线仪器的广泛应用。 在用g p i b 仪器、v x i 仪器、p x i 仪器各自构建测试系统时，都需要专门的电缆、 机箱，不能充分利用计算机技术的发展。另一方面，现有的测试系统面临系统模块间 距离受限制的问题，难以实现测量端与控制端的远距离分布式测量。随着网络技术的 发展，测试界致力于研究如何将网络用于连接仪器。2 0 0 4 年，基于l a n 的新一代仪器 总线l x i ( l a ne x t e l l s i o n sf o ri n s t m m e n t a t i o n ，局域网在仪器领域的扩展) 总线 应运而生f 1 7 1 。l x i 总线与其他测试总线的技术性能比较如表1 3 所示。 表1 - 3l x i 总线与其他测试总线的技术性能比较 t a b l el - 3t e c l l | l i c a lc h a m c t l 嘶s t i c so fl x ib u sa n do t h e rt c s tb u s 与传统的v x i 、p x i 卡式仪器相比，l 模块化仪器具有明显的优势：由于不需要 专用的机箱和零槽控制器使得集成更方便；仪器具有w 曲浏览器接口，可以直接利用 网络浏览器进行操作；可以利用通用的软件进行系统编程，连接和使用更简便；容易 实现计量校准及故障诊断；灵活性强，可以单独使用，同时模块化特点使其能够组成 功能强大的测试系统；可以保留使用已开发的功能，方便进行功能升级；可以实现与 旧的开发平台的集成，实现标准机架安装；分布局限小，可以存在于世界任何位置， 通过以太网进行访问；测试对象改变时，l x i 在局域网中的连接不需要改变，缩短了 测试系统的组建时间；连接在局域网中的l x i 模块通过工作时间的管理，同时被不同 的测试项目调用；可实现分布式测量，多个测试项目可以共享功能强大、结构复杂的 l 模块，充分发挥各模块的功能优势和特点，提高模块的利用率，降低测试系统成 本；跚仪器系统生命周期长。此外，由于l x i 仪器模块本身带有处理器、l a n 接口、 电源供应器和触发输入，因此它不像模块式卡槽必须使用昂贵的电源供应器、背板、 控制器及m 插卡和接线【1 8 】。 6 第一章绪论 1 3 2 基于l x i 总线的虚拟仪器 2 0 0 4 年，a 西1 e 1 1 t 公司和v x i 科技公司联合推出了新的仪器总线l x i 。l x i 总线融合 了g p i b 总线的性能优势、v x i p x i 总线的体积优势以及l a n 的吞吐率优势，并考虑了 定时、触发、电磁兼容等要求，是基于工业以太网( e m 锄e t ) 的新一代自动测试系 统模块化构架平台标准【1 8 】。 目前，测控系统正向着高效、高速、高精度和高可靠性方向【1 9 】发展，结合l x i 总线和虚拟仪器技术两大方面的技术优势构建基于l x i 总线的虚拟仪器技术受到越 来越多的重视，并逐渐实现应用。基于l x i 总线的网络化虚拟仪器的优点【2 0 】主要体现 在以下几个方面： ( 1 ) l x i 总线系统基于工业以太网进行通信，使仪器端能更靠近被测对象，通 过网络在客户机对测量过程进行实时监控，实现分布式测量，减少了系统成本，降低 了噪声干扰的影响，提高了测试精度： ( 2 ) 以太网提供了一种仪器连接到网络的实现方法，组成网络化测量系统，它 通过以太网标准来定义如何通过网络访问仪器； ( 3 ) 通过标准的网络服务器，方便对测量仪器端进行访问，有利于远程监控和 测试的实现； ( 4 ) 在触发上具有更多的灵活性，允许基于时间或者基于事件触发的测量同步。 利用基于时间的i e e e1 5 8 8 触发可以实现分布式系统中不同地理位置的仪器同步； ( 5 ) 仪器系统客户机允许通过一个标准的w r e b 浏览器对仪器进行访问。 旨在推广l x i 标准的非营利性组织l x i 联盟现在有5 4 家会员单位，包括安捷伦、泰 克等国际知名测试测量厂商和研究单位，国内有北京航天测控公司，陕西海泰电子有 限责任公司，哈尔滨工业大学等。l x i 仪器主要应用于电气测试，工业控制，远程数 据采集等方面。安捷