（信号与信息处理专业论文）基于以太网的电子技术自动综合测试平台的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前基于网络的测试己经成为电子测量仪器领域技术发展的一个重要方 向。本文针对传统的测试仪器存在的一些不足之处，提出了一种可行的基于以 太网和u s b 技术的自动测试平台的软件设计方案。 论文设计并且实现了一个基于c s 网络结构的电子技术测试平台。通过这 个测试平台，用户能够远程操作和管理电子技术实验。测试平台中的服务器程 序根据客户端发送来的命令，利用虚拟仪器采集实验数据，并把数据传输给客 户端。处在客户端的学生可以远程做实验，并提交报告。老师可以批改实验报 告，管理实验内容。实验报告和实验内容等数据都保存在服务器端的数据库里。 论文从硬件结构和软件组成两个方面介绍了测试平台的设计和实现。其中 软件是整个设计的关键。整个软件由虚拟仪器、网络通信程序、数据库三部分 组成。论文首先详细介绍了虚拟仪器的软件设计，分析了虚拟仪器中各种功能模 块的程序设计和实现的算法，在此基础上，实现了以下几种虚拟仪器：函数发 生器，示波器，频谱分析仪以及电压表。接着，给出了在c s 网络结构下的通 信技术的实现方法。接下来，介绍了数据库开发过程，针对各种类型的数据结 构，对表的构造进行了深入的探讨。最后，进行了系统调试，并给出了对应的 调试实例。 关键词：以太网；u s b ；自动测试平台；c s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h et e s tp l a t f o r mb a s e do nn e t w o r ki st h ei m p o r t a n td e v e l o p m e n t d i r e c t i o ni nt h ef i e l do fe l e c t r o n i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n t st e c h n o l o g i e s d u et ot h e s h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lt e s te q u i p m e n t ，t h ep a p e rp r e s e n t saf e a s i b l es o f t w a r e d e s i g nm e t h o df o re t h e m e ta n du s b b a s e da u t o m a t i ct e s tp l a t f o r m i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa ne l e c t r o n i ct e c h n o l o g yt e s tp l a t f o r m b a s e do nt h ec sn e t w o r ki sg i v e n t h r o u g ht h i st e s tp l a t f o r m ，u s e r sc a nr e m o t e l y o p e r a t e a n d m a n a g et h e e l e c t r o n i ct e c h n o l o g i c a le x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h e i n f o r m a t i o nt h a tt h ec l i e n ts e n d st ot h es e r v e r , t h es e r v e rc o l l e c t e s t h ed a t au s i n gt h e v i r t u a li n s t r u m e n t ，t h e ns e n d st h em e a s u r i n gd a t at ot h ec l i e n t s t u d e n t si nt h ec l i e n t c a na c c e s st h es e r v e rt or u nt h et e s tp l a t f o r m ，t od ot h ee x p e r i m e n ta n dt os u b m i ta r e p o r t t h et e a c h e rc a nm a r kt h et e s tr e p o r t s ，a n dm a n a g et h e c o n t e n t so ft h e e x p e r i m e n t t h ed a t ai n c l u d i n gt h ee x p e r i m e n t a lr e p o r t sa n d c o n t e n t si ss t o r e di n t h ea c c e s sd a t a b a s eo ft h es e r v e r i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h et e s tp l a t f o r mi si n t r o d u c e df r o m h a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f t w a r ec o m p o s i n g t h es o f t w a r ei st h ek e yo ft h ew h o l e d e s i g n t h es o f t w a r ei sc o m p o s e do fv i r t u a li n s t r u m e n t ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n p r o g r a m ，d a t a b a s e f i r s to fa l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ev i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r e d e s i g n i nd e t a i l b a s e do nt h e a l g o r i t h ma n a l y s i s o ft h ep r o g r a md e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o ni nt h ev a r i o u sm o d u l e s ，d e v e l o p e st h ef o l l o w i n gt y p e so fv i r t u a l i n s t r u m e n t s ，s u c ha st h ef u n c t i o ng e n e r a t o r , t h eo s c i l l o s c o p e ，t h es p e c t r u ma n a l y z e r a n dt h ev o l t a g em e t e r s e c o n d ，t h er e a l i z a t i o nm e t h o do fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nt h ec ss t r u c t u r ei sp r e s e n t e d t h i r d ，t h ep r o c e d u r eo ft h ed a t a b a s ed e s i g ni s g i v e n a i m e da ta l lk i n d so fd a t as t r u c t u r e ，t h es t r u c t u r eo ft h et a b l e si sd i s c u s s e d f i n a l l y , t h ew h o l et e s tp l a t f o r mi sd e b u g g e d a n dt h ep a p e rg i v e st h ec o r r e s p o n d i n g d e b u g g i n ge x a m p l e s k e y w o r d s ：e n t h e m e t ：u s b ：a u t o m a t i c t e s tp l a t f o r m ；c s 西南交通大学曲南艾逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：墓岛 e t 期： 如0 8 ，) 、z o 指导老师签名：互件f 职) 日期：加1 5 i 7 ，如 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本人完成了一个基于c s 网络结构的电子技术测试平台。通过这 个测试平台，客户端的用户能够远程操作和管理电子技术实验。处在 客户端的学生可以远程控制服务器端的仪器，做实验，并提交报告。 老师可以批改实验报告，管理实验内容。实验报告和实验内容等数据 都保存在服务器端的数据库里。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 引言 第1 章绪论 测试是人们取得研究对象的相关信息，正确了解被测对象特性的手段， 是人类认识客观世界的基本方法。现代科学技术的飞速发展，对测试设备在 功能、测试速度、测试精确度和测试效率等方面提出了更高的要求。同时要 求测试的领域越来越广，被测对象越来越复杂，传统测试方法己经不能适应 现代测试工作的需要。自动测试系统的出现，就是为了满足上述这些需要的。 自动测试系统是现代电子系统在线、非在线测试和故障诊断的必要设备。自 动测试系统能在计算机控制下，自动进行、测量、数据处理与显示或输出测 试结果，具有高速度、高精度、多功能、多参数和较宽的测量范围等特点。 近年来，网络技术发展十分迅猛，l a n 网络和i n t e r n e t 正在逐渐地改变人们 的生活和工作方式。网络技术也逐渐地被应用到了测试领域，能够满足测试 系统互连、测试数据共享和提高测试系统工作的可靠性等方面的需要，从而 为数据采集、数据分析和数据表达带来了一些新的方法和途径。 1 2 自动测试系统的概述 通常把以计算机为核心，在程控指令的指挥下，能自动完成某种测试任 务而组合起来的测量仪器和其它设备的有机整体称为自动测试系统。 1 2 1 自动测试系统的发展历程 自动测试的发展经历了下面几个历程。 1 第一代自动测试系统一专用型 早期的自动测试系统多为专用系统，是针对具体的测试任务而研制的， 主要用于测试工作量很大的重复测试和高可靠性的复杂测试。 第一代自动测试系统的缺点突出表现在接口的通信和标准化方面。在组 建这类系统时，设计者要自行解决系统中仪器与仪器，仪器与计算机之间的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 接口问题。当系统比较复杂时，研制工作量很大，组建系统的时间也相应增 长。另外，由于这类系统是针对特定被测对象的，系统的适应性不强，接口 不具备通用性，改变测试内容时往往需要重新设计电路。 2 第二代自动测试系统 第二代自动测试系统是在标准的接口总线g p i b ( g e n e r a l p u r p o s e i n t e r f a c eb u s 通用接口总线即i e e e 4 8 8 标准接口) 和c a m a c ( c o m p u t e ra i d e d a u t o m a t e dm e a s u r e m e n t a n dc o n t r 0 1 ) 的基础上，以积木方式组建的系统。系 统中每台设备都配有符合标准的接口电路，组建系统时，用标准的接口总线 电缆将系统所有的设备连在一起构成系统。这种系统组建方便，一般不需要 自己设计接口电路，系统的复用性好，针对不同的要求，可以灵活的更改、 增减测试内容。主要缺点表现为：总线的传输速度不够高( g p i b 最大传输速 率为1 m b s ) ，很难组建高速、大数据吞吐量的自动测试系统。 3 第三代自动测试系统一模块化、集成型 第三代自动测试系统基于v x i 、p x i 等测试总线，主要由模块化的仪器 和设备所组成。具有数据传输率高、数据吞吐量大、体积小、重量轻、系统 组建灵活、易扩展、资源复用性好、标准化程度高等优点，是当前先进的自 动测试系统。 1 2 2 自动测试系统的分类 自动测试系统一般是按照仪器的接口总线类型分类，主要有：串行口、 并行口、g p i b 、u s b ，i e e e 1 3 9 4 、v x i 和p x i 等多种。其中g p i b 总线是目 前使用最为广泛的总线形式。 1 基于串并行口或其他工业标准总线的自动测试系统 将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。将带 有串行接口( r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口) 的仪器作为i o 接口设备，通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 串口总线与p c 计算机组成自动测试系统。目前，p c 计算机已更 多采用了u s b 总线和i e e e 。1 3 9 4 总线。 2 基于g p i b 总线的自动测试系统 g p i b 即通用接口总线，它是一种国际通用的可编程仪器的数字接口标 准。在七十年代，i e e e 4 8 8 标准的诞生致使1 9 7 5 年产生了g p i b 在电气、机 械与功能规格方面的标准，g p i b 是一数字8 位平行通讯接口，传输速率达 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 8 m b s 。总线提供的一个控制器在2 0 米的排线长度内最多可连结1 4 个仪器。 g p i b 测试系统结构简单、测量精度高，在组建小型测试系统或考虑与以往 测试系统兼容时，可以优先考虑这种总线方案。 3 基于v x i 总线的自动测试系统 v x i 总线已在航天、航空、通信、水电及工业过程检测等领域得到了广 泛的应用，具有标准开放、传输速率高、数据吞吐量大、定时和同步精确、模 块化设计、结构紧凑、使用方便灵活等优点，适合组建大规模集成化自动测 试系统。v x i 总线规范的制定，实现了v x i 硬件系统的标准化，但为了真正 实现“即插即用 ，还必须实现软件的标准化。1 9 9 3 年，n i 、泰克等5 家公 司成立了v p p ( v x i p l u g & p l a y ) 系统联盟，并且提出了v i s a ( 虚拟仪器软件结 构) 、部件知识库等一系列v p p 软件标准。其中v i s a 虚拟仪器软件结构( v i r t u a l i n s t r u m e n ts o f t w a r ea r e h i t e c t u r e ，v i s a ) 的实质就是一个标准的i o 函数库及其 相关规范的总称，一般称这个函数库为v i s a 库。这些库函数用于编写仪器 的驱动程序，完成计算机与仪器间的命令和数据传输，以实现对仪器的程控。 4 基于p x i 总线的自动测试系统 p x i 总线出现于1 9 9 7 年，是计算机p c i 总线面向测试应用的扩展，吸收 了v x i 总线的一些优点和设计思路，发展而成。该总线内核是基于p c i 总线 的，不适合组建一些高性能的仪器模块。 1 2 3 自动测试系统的发展方向 自从2 0 世纪8 0 年代中期，美国国家仪器公司( n i 首先提出了“虚拟仪 器 ) 这一概念，其基本思想就是在同一硬件环境下，通过编写和运行不同的 虚拟仪器软件，来构成不同的仪器，实现多种不同的测试功能。传统的自动 测试系统为每一个仪器功能开发一个软件，每个软件都具有独立的数据采集 功能，但多个软件不能同时使用。虚拟仪器库技术解决了这个矛盾，多个软 件可以共享虚拟仪器的硬件资源。所以虚拟仪器有不可取代的地位。 随着网络技术的发展和普及，网络正在走进人们的工作、学习和生活。通 过网络引擎技术及网络传输协议，远程数据采集成为可能。而远程数据采集使 对被测设备的远程测试、远程监控、远程故障诊断、远程控制得以实现。在 有些测试过程中，受现场测试条件或是某些测试仪器笨重不易携带等的限制， 现场测试往往是不方便或是有危险的。通过网络进行远程测试则是一种有效 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 而可靠的办法。自动测试系统可以利用互联网传输数据，实现远距离测量、 计算和分析，利用互联网的强大功能和无线通信技术，实现远距离控制仪器 设备。这就是网络化仪器与远程测控技术。网络化仪器是计算机技术、网络 通信技术与仪表技术相结合所产生的一种新型仪器，将测量数据转换为遵循 t c p i p 协议的数据形式，然后上传到i n t r a n e t i n t e r n e t 网，而基于t c p i p 的 网络化智能仪器则通过嵌入式t c p i p 软件，使现场变送器或测量仪器直接 具有i n t r a n e t i n t e r n e t 功能，它们与计算机一样，成了网络中的独立节点，能 很方便的与就近的互联网直接连接，将现场测试数据传输到网上。通过网络， 用户能够远程监控测试过程和实验数据，实时性非常好。一旦测试过程中发 生问题，也能立即显示在用户面前，以便采取相应措施，可靠性大为增强。 而在近十年又提出了虚拟实验室概念n 引，因其广阔的应用前景均受到了 各国的重视，己经取得了一些进展。通过应用虚拟实验室，无论是学生还是 教师，都可以自由地进入虚拟实验室操作仪器，进行各种实验，为实验类课 程的教学改革及远程教育提供了条件和技术支持。许多国内外从事实验室工 作的研究者以他们的实践从不同的层面实现了虚拟实验室。 1 印地安那州立大学的m b l 化学实验室 该实验室在给新生开化学实验课时用计算机辅助做一些事情：用计算机 采集与分析实验数据，用计算机展示实验在网上发布相关的实验指导材料。 2 芝加哥伊利诺伊大学数字化有机化学实验室 该实验室充分利用网络资源，在网上提供了一系列的实验教学指导，在 线实验教材，实验教学时间表，实验测评方法，他们还用计算机进行实验教 学的教务管理。 3 卡罗莱纳州立大学的l a a p ( l e a r na n y t i m ea n y w h e r ep h y s i e s ) 主要有以下几个模块：基于j a v a a p p l e t 的虚拟实验设备和实验设施，相 关的实验课程模块，实验学习结果评价模块，协作学习模块。 4 美国卡耐基梅隆大学的虚拟实验室 该实验室提供了视频器，学生在远程控制仪器设备的同时，还能看到真 实现场的情况。 在国内，虚拟实验室的建设也得到了应有的重视。目前，已有部分高校 初建立了虚拟实验室。例如：清华大学利用虚拟仪器构建了汽车发动机检测 系统；华中理工大学机械学院工程测试实验室将其虚拟实验室成果在网上公 开展示，供远程教育使用；北京邮电大学远程教育学院的网络课程中就包括 了虚拟物理实验、虚拟电子电路实验等。这些实验是用f l a s h 和h t m l 等技 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 术建设的，因此可以在网络上传播；淮海工学院电子工程系建立了用于辅助 实验教学的虚拟实验室等。 在国内还没有由计算机、智能仪器、u s b 组成的，面向学生且可远程做 电子实验的电子技术实验室。 1 3 课题背景 在电工及电子类课程中，实验是一种重要的教学手段，学生通过做实验， 可以加深对所学知识的理解，增强学习的兴趣，提高动手能力。 根据高校实验室的需求和实际情况，研制开发可实现远程控制的实验自 动测试系统是必要的，也是可行的。该系统具有以下特点： 1 实验结果直观，利于学生观察和分析结果。 2 学生可以实现通过调用模块来组成想要实现的测试系统，然后根据自 己的想法去对理论进行验证，能启发学生的创新，也能提高理论联系实际的 能力。 3 连成测试系统的仪器可随时单独使用，提高了设备的利用率；也充分 发挥数字化程控仪器的优势。 4 可在网络环境下远程测控系统，客户端可访问多个测试系统中的任何 一个服务器端。 1 4 论文的组织结构 本文一共分为六部分。 第一章绪论提出了课题背景和意义，对本课题完成的工作及论文的组织 结构进行了介绍。 第二章在根据要构建的自动测试平台的功能和要求，确定总线及仪器连 接方式，给出系统结构图，并对测量仪器和开发工具简单介绍。 第三章介绍了虚拟仪器的设计。 第四章介绍了网络通信技术。 第五章介绍了实验系统应用程序的设计。这部分应用程序包括教师端和 学生端软件，是直接面向用户的前台程序。它主要负责同数据库交互，实现 从数据库调出实验项目，将实验报告传送到数据库等功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第六章介绍一下系统的总的调试问题。 最后，本文对开发过程进行总结，指出已取得的研究成果和需要改进的 环节。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章自动测试平台的构建 2 1 自动测试平台的功能要求 1 要有模块化的特征，要实现一个功能一个模块，便于学生自己组建测 试系统。根据已有的程控函数发生器和示波器设计虚拟的函数发生器，示波 器，频谱分析仪和电压表。 2 能方便地根据不同的需求添加或减少仪器，或能在整个测试平台中添 加或减少测试系统。 3 各个测试系统要方便单独使用，各个测试系统中的程控仪器方便单独 使用。可在网络环境下远程测控系统，客户端可访问多个测试系统中的一个。 4 客户端的学生可以通过访问任何一个测试系统，做实验，并提交报告， 在实验数据库服务器端的老师可以批改实验报告。整个实验系统的实验内容 以及得到的实验数据都存储在服务器数据库里。做实验不受时间和场地的限 制。 2 2 测试平台的硬件构成 2 1 1 程控仪器介绍 1 a f g 3 0 2 1 a f g 3 0 2 1 函数任意波形发生器能通过u s b 、g p i b 和l a n 连接其他设 备。a f g 3 0 2 1 函数任意波形发生器用直接数字合成( d d s ) 技术建立稳定、 精确的输出信号，可生成纯净和低失真的正弦波。能提供1 2 种不同的标准 波形，同时以高采样速率生成长达1 2 8 k 的任意波形。在脉冲波形上可以单 独设置上升沿和下降沿时间。可以将外部信号连接，并叠加到输出信号中。 双通道型号输出可生成两个完全相同或截然不同的信号。 特点与优点 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 带宽：2 5 m h z 、1 0 0 m h z 或2 4 0 m h z 正弦波形 任意波形：1 4 位垂真分辨率 采样速率：2 5 0 m s s 、1 g s s 或2 g s s 高达4 个1 2 8 k 存储深度 多语言和直观操作可节省设置时间 脉冲波形边沿时间可调整 2 t e k t r o n i xt d s2 0 1 4 b 该数字存储示波器为带宽1 0 0 m ，最高采样速率达1 g s s ，4 条独立通道， 记录长度所有通道2 5 k 点，时基范围5n s 到5 0 s d i v ，快速傅立叶变换( f f t ) 和波形加、减、乘数学运算功能，能对1 1 种波形参数测量。通过前面板u s b 端口支持可移动数据存储设备。通过u s b 设备端口及o p e nc h o i c 和n i s i g n a le x p r e s s 软件，可无缝连接p c 。还有高级触发功能( 包括脉宽触发和 选行视频触发) 和具有友好的中文用户界面和上下文菜单。 2 2 2 硬件构成设计 我们首先要试验单台计算机控制两台仪器( 函数发生器和示波器) ，这就 需要组成一个测试系统，以计算机为核心，在程控指令的指挥下，完成测试 任务。在单机试验完以后，我们还要试验在同一个局域网内的客户端计算机通 过访问服务器，对程控仪器进行实时控制，做实验，并提交实验报告。 首先我们要完成的是如何选择总线，总线一般分为两大类：一是独立总 线，如g p i b 和p c 标准总线( u s b 、r s 2 3 2 和i e e e1 3 9 4 ) 。二是模块化总线 ( 将接口总线合并到仪器中) ，包括p c i p c ie x p r e s s ，v x i 和p x i 。 在设计的自动测试平台中：服务器端的计算机连接了一台t e k t r o n i x a f g 3 0 2 1 函数发生器和一台t e k t r o n i xt d s 2 0 1 4 b 示波器，函数发生器配有 l a n ，u s b 以及g p i b 接口，示波器也有l a n ，u s b ，g p i b 接口，考虑到u s b 支持热插拔，即插即用，易扩展等优点，我们选择了u s b 2 0 总线。使用了 u s b 2 0 总线后，我们用u s b 线把程控仪器与计算机连接起来，并且安装好 t e k v i s a 的情况下，就可以直接使用该自动测试平台。在拔下u s b 线的情况 下，程控仪器又能单独使用。这样就体现出该自动测试平台的灵活性。单台 p c 连接程控仪器的方式如下图2 ，1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 - 1 单台p c 连接程控仪器 接下来，我们要确定：各台计算机在局域网内各自处于什么地位。我们选 择了服务器客户机结构。其硬件构成的结构图2 2 所示。 测试系统l 测试系统2 测试系统3 u s b 总线 u s b 总线 u s b 总线 p 实验数据库 计算机l 计算机2 计算机3 ( 服务器) ( 服务器) ( 服务器) ( 服务器) 驻8j 网线 局域网 e e 客户端l 客户端2客户端3 图2 2 测试平台的结构图 它由服务器、客户机、实验数据库服务器以及测量仪器组成。每台服务 器( 计算机) 中用u s b 线和测量仪器相连接，可以进行多种数据传输，也可 根据需要添加多台仪器。多台客户机通过局域网与服务器相连，组成一个完 整的分布式自动测试系统。客户端可以访问任意一个测试系统，但是，如果 测试系统1 正被客户端1 使用，那么客户端2 就不能访问测试系统1 ，但可 以选择访问测试系统2 ，3 等。这样可以提高测试系统的利用率。本系统中的 服务器程序负责与测量仪器进行通信，根据客户端发送来的信息，对测量仪 器进行相应的操作，再把操作结果或测量数据传输给客户端。客户端程序主 要提供用户操作界面，并完成测量数据的显示，不直接与测量仪器进行通信。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 3 测试平台的软件构成 2 3 1 软件开发环境的选择 1 操作系统 自动测试平台上包括了示波器、函数发生器等测量仪器，测试操作较为 复杂，信号的生成和数据的传输、处理及存储等须并行进行，所以我们应该 选择采用具有多任务处理能力的操作系统。基于视窗操作系统的人性化界面 和易操作性，我们选择了w i n d o w sx p 。 2 编程语言 对于仪器编程的软件开发技术而言，目前常用开发技术是图形编程技术 、和面向对象的编程技术，两者在测试系统软件开发中都有应用。图形编程技术 比如：美国n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 、l a b v i e w 和惠普公司的h pv e e 。 比如l a b v i e w ，它的最大的特点在于，它使用图形化编程语言在流程图中创 建源程序，而非使用基于文本的语言来产生源程序代码。l a b v i e w 提供了直 观的仪器软面板和灵活的直接输入输出方式，从而用户在编程时可以将更多 的精力放在测量的定义、程序的结构、仪器的使用等方面。 而对于面向对象的编程语言：有我们熟悉的v i s u a lc + + ，v i s u a l b a s i c ，d e l p h i 等通用程序设计语言，还有现在比较流行的n e t 框架下的 c 撑n e t 。这些编程语言，都有一个特点：它们都有通用性，并不是专门用于 一个行业或者领域的。在这里我们可以通过表2 1 ，来体现它们的优缺点。 表2 1 编程语言比较 编程语言技术特点使用范围 图形化编程，逻辑简单，测试仪器，仪表开 l a b v i e w 但需要大量通用仪器驱发实时控制等 动提供了仪器通信驱动 通用性好，开放性强，应用于操作系统， v c + + ，v b ，但对于硬件操作的控件测试系统，图象处 c 群 资源比较少理等 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 我们从中选择了c 舞语言，是考虑到它是出自c 语言的，但它又具有v b 的界 面的易操作性，能够在源码级、类级、控件级等多个级别上重用，而且在网络 通信领域尤其有突出优点。 3 数据库 现在经常用到的数据库，有s o l ，o r c a l e ，a c c e s s 等。考虑到我们比 较常用的到a c c e s s ，它有简单以及易操作性等特点，我们选择了a c c e s s 。 2 3 2 测试平台的软件模型 本综合测试平台包含以下几个模块：数据库系统模块和、虚拟实验模块 和网络服务模块。测试平台的软件模块结构如图2 3 所示。 综合测试平台 数据库系统i虚拟实验l网络服务 删陲 用 户 登 陆 虚 拟 仪 器 操 作 实ll 模il 实 验ll 块ii 验 管li 管ii 选 理 i 理ii 择 图2 3 测试平台的软件模块结构 1 数据库系统：主要负责创建学生和老师用户的信息，以及修改用户信 息等。同时存储管理实验报告，存储实验项目的内容 2 虚拟实验模块：实验模块是实验室系统的核心，它负责搭建虚拟实验 环境、提供具体实验设计的界面，并负责解析从服务器接收到的实验数据， 从而以曲线或者图形等直观形式反馈给用户。采用n e t 控件技术开发虚拟仪 器 3 网络服务：实验管理部分负责实验数据的处理，实验结果的保存以及 服务塔上实验状态的检索；模块管理部分负责从服务器下载实验模块，装载 实验模块到客户端程序，从客户端程序卸载实验模块以及实验模块间的切换 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 等；实验者可以恿过实验选择功能，任意选择实验项目。 2 3 3 测试平台用户的详细设计 通过实验室系统的总体设计，我们根据实验室面向对象的不同，将系统 分成面向学生、面向教师和面向系统管理员三部分的详细设计 1 面向学生的详细设计 学生是本测试平台的主要用户，平台的设计目标就是使学生能通过本测 试平台能达到在真实实验环境下达到的效果。学生使用本平台可以实现如下 功能：实验项目，包括实验操作、实验报告提交及查看老师给的成绩。学生 操作的流程如图2 4 所示。 图2 4 学生程序流程图 2 面向教师的详细设计 教师在本测试平台中的角色是批改学生提交的实验报告，把成绩和评语 反馈给学生，以便学生能分析原因总结经验，同时还负责实验项目的添加、 删除和修改。老师的操作流程如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 返回 图2 5 教师程序流程图 3 面向系统管理员的详细设计 系统管理员是本测试平台的管理者，主要负责数据库管理和用户管理。 数据库管理主要是表的增加删除，数据的备份还原。用户管理主要是用户信 息的管理，包括用户密码的找回，用户信息删除等等。管理员的操作流程如 图2 6 所示。 图2 - 6 管理员的操作流程 返回 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章虚拟仪器的软件设计 3 1 计算机与程控仪器的通信 本文通过程控仪器a f g 3 0 2 1 和t d s 2 0 1 4 b 设计虚拟的仪器：函数发生器， 示波器，频谱分析仪和电压表。虚拟仪器是指具有虚拟仪器面板的个人计算 机仪器。在虚拟仪器系统中，用计算机灵活强大的软件代替传统仪器的某些 部件，用人的智力资源代替许多物质资源，通过一组软件和硬件，形成既有 普通仪器的基本功能，又有一般仪器所不具备的特殊功能的新型仪器。 设计虚拟仪器的前提，是计算机与程控仪器进行通信。文中利用计算机 通过u s b 线与程控仪器通信，这需要硬件驱动程序支持。程控仪器提供了一 套标准t e k v i s a 函数库，通过利用t e k v i s a ，可以实现对u s b 设备的通信。 3 1 1 t e k v i s a 函数库简介 t e k v i s a ( 泰克公司的虚拟仪器软件体系结构) 是标准化的i 0 函数库及 其相关规范的总称。一般称这个i o 函数库为t e k v i s a 库。它驻留于计算机 系统中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之间的软件层连接，可实 现对仪器的操作( 如图3 - 1 所示) 。 自动测试应用程序 t e k v i s a li u s a r 器g p i b 仪器其它仪器 图3 1 t e k v i s a 在自动测试系统中所处的位置 t e k v i s a 有以下特点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 1 t c k v i s a 的i o 控制功能适用于各种类型仪器，如v x i 仪器、g p i b 仪器、r s 2 3 2 仪器、u s b 仪器等。 2 与仪器硬件接口无关的特性，即利用t c k v i s a 编写的模块驱动程序 既可以用于嵌入式计算机v x i 系统，也可以用于通过m x i ，g p i b v x i 或1 3 9 4 接口控制的系统中。当更换不同厂家符合v p p 规范的v x i 总线嵌入式计算 机或g p i b 接口、1 3 9 4 接口时，模块驱动程序无须改变。 3 t e k v i s a 的i o 控制功能适用于多网络机制。 t e k v i s a 函数库中主要有三大类的函数：资源管理类，基本输入输出类， 控制管理类等。下面对这些类中主要的功能函数加以介绍： 1 资源管理类函数 此类函数通过资源管理和建立会话的方式，来达到查找u s b 设备、与设 备建立逻辑连接和管理资源的目的，使用户无需再关心具体的硬件操作，使 资源管理更加方便。 v i o p e n d e f a u l t r m ( v i p s e s s i o ns e s n ) ：实现计算机中所有可以连接的接口 资源和设备资源的扫描。在用户编程中应当首先调用该函数，启动t e k v i s a 系统，然后才能使用t e k v i s a 的其他函数。 v i o p e n ( v i p s e s s i o ns e s n ，v i r s r c r r c n a m e ，v i a c c e s s m o dc c e s s m o d e ，v i u i n t 3 2 t i m e o u t ，v i p s e s s i o nv i ) ：用来打开特定资源的会话通道，建立与仪器的逻辑连 接。 v i c l o s e ( v i s c s s i o nv i ) ：关闭特定的资源会话通道、仪器连接，调用此函 数后，v i 所声请的资源将被释放。 2 基本输入输出类 此类函数用来与程控仪器进行最基本的读写操作。数据在读写操作过程 中不经任何转换，以a s c i i 码的形式输入输出。 ( a ) v i r e a d ( v i p s e s s i o nv i ，v i b u fb u f ，v i u i n t 3 2t o u t ，v i p u i n t 3 2r e t c o u n t ) ： 用于从仪器同步读取数据。 ( b ) v i w r i t e ( v i i s e s s i o nv i ，v i b u fb u f ，v i u i n t 3 2c o u n t ，v i p u i n t 3 2r e t c o u n t ) - 用于将数据同步写入到仪器中。 ( c ) v i c l e a r ( v i s e s s i o nv 0 发送仪器清除指令。 ( d ) v i s e t b u f ( w i s e s s i o nv i ，v i u i n t l 6m a s k , ，v i u i n t 3 2s i z e ) ：用于设置格式化 i o 缓冲区的大小。 ( e ) v i p r i n t f ( v i s e s s i o nv i ，v i s l r i n gw r i t e f m t ，a r g l ，a r 9 2 ，) ：按照格式字符串 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 w r i t e f m t 的指令对参数a r g l ，a r 9 2 ，中的数据进行格式化，并发送给指定 的设备。此函数多用于少量数据传输或发送设备命令。由于不同设备命令其 所带参数的数量、数据格式不尽相同，所以使用带有不确定参数的v i p r i n t f 函数可以更好的解决此类问题。 3 控制管理类 此类函数完成对u s b 接口或设备的属性进行读取和设置操作，同时可以 得到设备的状态数字，可为使用者了解函数的执行状态提供便利。 ( a ) v i g e t a t t r i b u t e ( v i s e s s i o nv i ，v i a t t ra t t r i b u t e ，v i a t t r s t a t ea t t r s t a t e ) ：获取 t e k v i s a 和u s b 控制器资源属性状态值。 ( b ) v i s e t a t t r i b u t e ( v i s e s s i o nv i ，v i a t t ra t t r i b u t e ，v i a t t r s t a t ea t t r s t a t e ) ：设置 t c k v i s a 和u s b 控制器资源属性状态值。 ( c ) v i s t a t u s d e s c ( v i s e s s i o nv i ，v i s t a t u ss t a t u s ，v i s t r i n gd e s c ) ：针对t e k v i s a 函数返回的状态数字，获取状态数字对应的描述字符串，可以了解函数执行 状态。 3 1 2 计算机与程控仪器的通信实现方法 在本文中，先在v c 环境中先编写一个t e s t p l a t f o r m d l l ，t e s t p l a t f o r m d l l 包括了常用的t c k v l s a 功能函数，然后在c 舞程序编写中通过外部函数的形式 调用t e s t p l a t f o r m d n 的各个功能函数，来控制程控仪器。这样就可以实现与 各个u s b 设备通信。用户不需要了解u s b 的具体内容，只需熟悉控制的基 本命令函数和仪器的程控指令。 为了让仪器完成相应的操作，我们可以使用s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n d s f o rp r o g r a m m a b i ei n s t r u m e n t s ) 程控仪器标准命令集来实现。s c p i 为各类 编程仪器提供了通用的语言和语法规则，它可以使用任何一种编程语言发出， 用户不再需要为开发不同的仪器应用而学习不同的命令和语言。仪器的测量 功能与仪器内部操作都可以通过s c p i 命令由计算机来实现。它不但可用在 基于u s b 接口的仪器设备中，也可以用在r s 2 3 2 ，g p i b ，l a n 连接以及其 他接口的通信中。在本文中，我们就使用s c p i 来实现u s b 接口仪器的各种 功能和内部操作。 要操作程控仪器，就必须知道程控仪器的地址。为了查询仪器的地址，我 们利用用了t e k v i s a 的函数v i o p e n d e f a u l t r m ，通过编写一个r e a d l d d l l 来实 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 现，然后在黜调用这个r e a d l dd l l 的外部函数r e a d l d 0 束读出程控仪器的地 址。下圈3 - 2 ，就是搜索程控仪器地址的操作界面。搜索到程控仪器地址后， 程控仪器的测量功能与仪器内部操作就可以通过相应的s c p i 命令由计算机 来实现了。 图3 - 2 搜索程拄仪器的地址 32 函数发生器的设计 为了便r 后面程序的编写，在c # 中编写了函数发生器类c l a s s a f g 。在类 c l a s s a f g 中通过调用t e s t p l a t f o r m d l l 编写了函数发乍器常用的功能函数。这些 功能函数通过c l a s s a f g 类的对象柬使用。 袤3 1 列出，函数发生器类的丰要功能函数，嵌3 - 2 a f g 3 0 2 1 函数发生 器的s c p i “ 表31函数发生器类的主要功能函数 函数发生器类的功能函数j功能函数说明 v o i ds e t a u t o s c a | e ( ) v o i di n i t ( s t r i n ga d d r e s s ) v o i d w r i