（机械电子工程专业论文）新一代虚拟仪器—智能控件化虚拟仪器系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 1 9 9 9 年1 2 月，国家自然科学基金委在广州召开的机械学科“十五”优先 资助领域研讨会会议纪要中明确指出：“测试测量仪器的发展方向是虚拟化、 控件化”，本文所研究的新一代智能控件化虚拟仪器系统正是在这一背景下 提出的。论文主要从新一代智能控件化虚拟仪器产生的思想基础、系统的软件 构架、仪器的数学建模、核心的组成单元和零编程开发系统等方面展开了深入 研究。 提出了基于秦氏模型智能虚拟控件的仪器设计与制造新概念。秦氏模型是 智能控件化虚拟仪器产生的思想基础，它是一种新的仪器模式，这一极富创造 性的思想是：将非智能虚拟控件经“功能赋予”后与仪器功能进行“测试融合” 从而形成“智能仪器单元”，通过积木式的随机拼搭，可直接在p c 机内形成成 百上千、类型用途各异的虚拟仪器并显示在屏幕上直接供用户使用。在秦氏模 型中“功能赋予”、“测试融合”和“积木式拼搭”是三个重要的概念，是设计 开发系统的理论与技术基础。文中从秦氏模型的原理、智能虚拟控件的模型要 素、基于“功能赋予”和“测试融合”的智能虚拟控件的形成原理和以框架协 议开发系统为核心的智能控件化虚拟仪器的形成原理等几方面阐述了这一思 想。秦氏模型智能虚拟控件的最大特点是使仪器中的功能模块与控件模块实现 了融合，把仪器的功能、性能、控制关系等等全部有机地融合于一个或几个部 件之中。它的实现使仪器从传统的整机演变为部件，从根本上改变了仪器的设 计与制造模式。 设计了基于层次消息总线的智能控件化虚拟仪器系统构架模式。该模式采 用统一的方式刻划智能虚拟控件和由智能控件构成的智能控件化虚拟仪器系 统，其中包括控件的接口、控件的静态结构、控件的动态行为和层次消息总线 等方面的内容，并支持系统运行时刻的动态演化，即在运行时刻进行功能修改、 扩展和剪裁，使在动态条件下：增加和删除控件、增加和删除消息响应登记和 改变消息过滤规则。基于层次消息总线的软件构架是智能控件化虚拟仪器系统 实现的蓝图，为智能虚拟控件的集成组装提供了坚实的技术基础。 研究了基于模块化建模的智能控件化虚拟仪器数学建模的方法。本文通过 对多种测试分析仪器的原理、功能、性能、精度指标、使用对象和使用环境等 研究，采用模块化建模方法，对虚拟仪器典型共性部件的模块化数学建模进行 了详细论述。建立的典型共性部件模块模型主要有：信号变换统一数学模型、 重庆大学博士学位论文 三维数据场数学模型、虚拟显示器数学模型。并以噪声倍频程分析仪和旋转机 械阶比分析仪为例，介绍了模块化建模方法在具体仪器建模中的应用。模块化 建模方法将智能控件化虚拟仪器从技术研究提升到了基础研究，为智能控件化 虚拟仪器的设计、制造提供了理论基础。 进行了基于复用的智能虚拟控件的设计与制造。智能虚拟控件是智能控件 化虚拟仪器系统中的核心组成部分，由开发系统中的仪器拼搭场拼搭出的虚拟 仪器的种类和数量，有赖于智能虚拟控件成品库的可复用控件的种类和数量的 多少。文中从控件的内聚、耦合和复用三个方面讨论了控件的优化设计方法， 介绍了基于面向对象的非智能虚拟控件的计算机表达方法，编制了非智能虚拟 控件的电子分类档案，建立了智能虚拟控件的层次结构及其描述方式，实现了 基于层次消息总线的可复用智能虚拟控件的制造，避免了系统开发时不断地重 复设计，从而大幅度地降低了开发成本，提高了生产效率和产品质量。 实现了基于柔性综合集成技术的智能控件化虚拟仪器零编程开发系统。本 文在介绍面向控制、数据和显示的综合集成技术基础上，论述了智能控件化虚 拟仪器零编程装配机理基于知识的柔性综合集成技术，研制成功了智能控 件化虚拟仪器的仪器拼搭场基于知识的柔性综合集成系统( f i s ) ，f i s 既 可实现测试仪器的功能集成和控件集成，同时又可对两种集成通过功能赋予再 实现融合，为形成拼搭式虚拟仪器提供软性操作平台，即软装配、软调试、软 修改、软测试等等；通过f i s ，实现了可复用智能虚拟控件的拼搭组装；最后 讨论了零编程开发系统的动态模拟运行和演化。利用该系统用户不需要编程就 可方便地开发和使用虚拟仪器，较之其它虚拟仪器开发系统，降低了用户开发 虚拟仪器的难度，为虚拟仪器的大众化发展提供了条件。 文章最后对本文工作进行了总结和对智能控件化虚拟仪器系统的研究进行 了展望。 本文得到了国家自然科学基金重点项目“面向机械测试的控件化虚拟仪器 系统的研究”( 批准号：5 0 1 3 5 0 5 0 ) 和重庆市科技攻关项目“新一代控件化虚拟 仪器”( 编号：2 0 0 卜6 7 0 4 ) 的资助。 关键词：智能虚拟控件；智能控件化虚拟仪器 层次消息总线；数学模型 零编程开发系统 英文摘要 a b s t r a c t i tw a sp o i n t e do u tc l e a r l yt h a tt h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no f m e a s u r e m e n ta n dt e s t i n s t r u m e n t sw a s v i r t u a i a n d c o n t r o l i nt h es u m m a r yo fp r o s e m i n a ro n “f i f t e e n ” p r i o r i t ys u p p o r t e dd o r a a l ni nm e c h a n i s ms u b j e c t w h i c hw a sh e l db yn a t i o n a ln a t u r e s c i e n c ef u n dc o m m i t t e ei ng u a n g z h o uc i t yi nd e c e m b e r ，1 9 9 9 t h e r e f o r e ，t h en e w g e n e r a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t ( v os y s t e mb a s e do ni n t e l l i g e n tv i r t u a lc o n t r o l ( i v c ) w a sp u tf o r w a r du n d e rt h eb a c k g r o u n d t h em a i na s p e c t so ft h er e s e a r c ha r et h e p r o c r e a n tt h o u g h to ft h en e wi v c b a s e d v is y s t e r n s y s t e m ss o f t w a r ea r c h i t e c t u r e c - b a s e d - v im a t h e m a t i c a l m o d e l i n g ,k e yc o m p o n e n t o f s y s t e m a n d n u l l p r o g r a m m i n gd e v e l o p i n gs y s t e m n e wc o n c e 口to fd e s i g na n dm a n u f a c t u r ei n s t r u m e n tb a s e do nq i n si v cw a s p u tf o r w a r d q i n sm o d e li st h ep r o c r e a n tt h o u g h to fi v c b a s e d 一、，la n di ti sn e w p a r e mo fi n s t n m a e n t t h ec r e a t i o n a r yt h o u g h ti s ：n o n - i v cc a nb et u r n e di n t o i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tu n i tw i 虹lt h ef u n c t i o no fa c t u a lm e a s u r e m e n ti n s t m m e n t sb y t h ef u n c t i o ne n d o w i n ga n dt e s tf u s i n g a n dt h e s eu n i t sc a nb eu s e da sb a s i cb u i l d i n g b l o c k sf o rav a r i e t yo fm o r ec o m p l e xv i r t u a lm e a s u r e m e n th i s t r u m e n t so nap c c o m p u t e r n l r e ei m p o r t a n tc o n c e p to fq i n sm o d e la r ef u n c t i o ne n d o w i n g t e s t f u s i n ga n da s s e m b l i n ga sb u i l d i n gb l o c k s ，a n dt h e ya r et h eb a s i so ft h e o r ya n d t e c h n o l o g yf o rd e s i g n i n gd e v e l o p i n gs y s t e m n l ep r i n c i p l eo fq i n sm o d e l m o d e l e l e m e n to fi v c ，f o r m i n gp r i n c i p l eo fi v cb a s e do nf u n c t i o ne n d o w i n ga n dt e s t f u s i n g a n df o r m i n gp r i n c i p l eo fw c - b a s e d v is y s t e mb a s e do nf l a m ea g r e e m e n t d e v e l o p i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fq i n s ci sm a t i tf u s e st h e f i m c f i o nm o d u l e sa n dt h ec o n t r o l sm o d u l e ss ot h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e f u n c t i o n sa n dc o n t r o l so fa ni n s t r u m e n ti si m b e d d e di no n eo rm o r eu n i t s t h e i m p l e m e n t a t i o no fq i n si v ce v o l v e si n s t r u m e n t 丹o mw h o l et op a r t a n dc h a n g e r a d i c a l l yt h em o d eo f d e s i g na n d m a n u f a c t u r ei n s t r u m e n t i v c - b a s e d v is y s t e m ss o f t w a r ea r c h i t e c t u r a lp a t t e r nb a s e do nh i e r a r c h i c a l m e s s a g eb u sf h m b ) i sd e s i g n e d n eh m bp a t t e m d e s c r i b e si v ca n d i v c b a s e d v is y s t e mw i 也u n i f o t i nm o d e ，a n di tc o n s i s t so fe x t e r n a li n t e r f a c e s ， s t a t i cs t r u c t u r e d y n a m i cb e h a v i o ra n dh i e r a r c h i c a lm e s s a g eb u s t h eh m bp a t t e m s u p p o r t sd y n a m i ce v o l u t i o no fs y s t e mo nr u n n i n gt i m e , n a m e l yt h ef u n c t i o no f s y s t e mc a nb em o d i f i e d ，a p p e n d e da n dd e l e t e d f o re x a m p l e ，i tc a na p p e n da n d d e l e t e c m e s s a g er e s p o n s er e g i s t e r , a n dc h a n g er u l eo fm e s s a g ef i l t e r t h eh m b b a s e ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r a lj sb l u e p r i n to f i m p l e m e n t a t i o nf o r c - b a s e d v is y s t e m 。 a n da f f o r d si n t e g r a t i o na n da s s e m b l i n go fi v cw i t hs t a b i l i t yt e c h n o l o g yb a s i s t h em o d u l a rm a t h e m a t i c a lm o d e l i n gm e t h o do fi v c - b a s e d v ii ss t u d i e d b y s t u d y i n gt h ep r i n c i p l e ，f u n c t i o n ，p e r f o r m a n c e ，p r e c i s i o ni n d i c a t o r , w o r k i n gc o n d i t i o n ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fv i sr e p r e s e n t a t i v ec o m m o nc o m p o n e n t si sd i s c u s s e d i n d e t a i lt h r o u i g hm o d u l a rm o d e l i n gm e t h o d t h em o d u l a rm o d e lo fr e p r e s e n t a t i v e i i i 重庆大学博士学位论文 c o q 3 l _ q o nc o m p o n e n t si n c l u d e s s i g n a l t r a n s f o r l t lu n i f o r mm a t h e m a t i c a lm o d e l t h r e e d i m e n s i o n sd a t af i e l dm a t h e m a t i c a lm o d e la n dv i r t u a ld i s p i a ys c r e e n m a t h e m a t i c a lm o d e l u s i n gn o i s eo c t a v ea n a l y z e ra n do r d e ra n a l y z e rf o rr o t a t i n g m a c h i n ea se x a m p l e ，t h ea p p l i c a t i o no f m o d u l a rm o d e l i n gm e t h o di si n t r o d u c e d t h e m o d u l a rm o d e l i n gm e t h o dp r o m o t e si v c - b a s e d v if r o mt e c h n o l o g yr e s e a r c ht o t h e o r yr e s e a r c h ，a n da f f o r d sd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fi v c - b a s e d v 1w i t ht h e o r y b a s i s t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fr e u s a b l ei v ch a v eb e e nd o n e i v ci st h ek e y c o m p o n e n to f t h ei v c - b a s e d v is y s t e m a n d 血ek i n d sa n da m o u n t so f v ia s s e m b l e d b yt h ei n s t r u m e n ta s s e m b l a g es i t eo ft h ed e v e l o p i n gs y s t e md e p e n do nh o wm a n y r e u s a b l ec o n t r o l si nt h ei v cb a s e o p t i m i z i n gd e s i g nm e t h o do fc o n t r o li sd i s c u s s e d t h r o u g hd i s c u s s i n gt h ec o h e s i o n ，c o u p l i n ga n dr e u s eo fc o n t r 0 1 t h eo b j e c to r i e n t e d e x p r e s s i o no fn o n w ci si n t r o d u c e d ，a n dt h ee l e c t r o n i c a lc l a s s i f i c a t i o nf i l e so f n o n i v ci se d i t e d t h eh i b e r a r c h ya n de x p r e s s i o no fi v ca r ea l s ob e e ns e tu p ，a n d t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fr e u s a b l e cb a s e dh m bi sr e a l i z e d t h er e p e a t i n g d e s i g ni s a v o i d e dd u r i n gt h es y s t e md e v e l o p m e n t ，w h i c hr e d u c i n gt h ec o s to f d e v e l o p m e n t ，a n di m p r o v i n gt h ep r o d u c t i v ee f f i c i e n c ya n dt h eq u a l i t yo f t h eo u t p u t t h en u l l p r o g r a m m i n gd e v e l o p i n gs y s t e mo fi v c - b a s e d - v ih a sb e e nr e a l i z e d b yt h ef l e x i b i l i t yi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y t h ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yi n c l u d i n g c o n t r o lt e c h n o l o g y , d a t at e c h n o l o g ya n dd i s p l a yt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d t h e p r i n c i p l eo fn u l l - p r o g r a m m i n ga s s e m b l a g eo fi v c - b a s e d v ii sk n o w l e d g eb a s e d f l e x i b i l i t yi n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y t h ei n s t r u m e n ta s s e m b l a g es i t eo fi v c - b a s e d v i i sf l e x i b i l i t yi n t e g r a t i o ns y s t e m 俾i s ) f i sm a k e si tp o s s i b l et oi n t e g r a t ef u n c t i o na n d c o n t r o l s ，a n dm a k e si ta v a i l a b l et of u s et h et w ok i n d so fi n t e g r a t i o nt h r o u g hf u n c t i o n e n d o w i n g ，a n do f f e r s s o f t o p e r a t i n gf l a t f o rt h ea s s e m b l i n gv is u c ha ss o f t a s s e m b l i n g ，s o f td e b u g g i n g ，s o f tm o d i f y i n ga n ds o f tt e s t i n ga n ds oo n u s i n gf i s m a k ei tp o s s i b l et oa s s e m b l et h er e u s a b l ei v c t h ed y n a m i cs i m u l a t i n gr u n n i n ga n d e v o l v e m e n to ft h en u l l p r o g r a m m i n gd e v e l o p i n gs y s t e ma r ed i s c u s s e di nt h ee n d c o m p a r e d w i t ho t h e rv i s d e v e l o p i n gs y s t e m ，u s i n g t h en u l l p r o g r a m m i n g d e v e l o p i n gs y s t e mm a d et h eu s e ro p e r a t ea n dd e v e l o pv i m o r ec o n v e n i e n tw i t h o u t p r o g r a m m i n g ，w h i c hd e c r e a s e st h ed i f f i c u l t yo fd e v e l o p i n gv ia n dm a k e s i tp o s s i b l e f o rt h ev it ob ep o p u l a r t h e r ea r e t h es u m m a f i z a t i o no f t h ea r t i c l ea n de x p e c t a t i o no f t h e1 v c - b a s e d v i d e v e l o p m e n ti nt h ee n do f a r t i c l e t h ea r t i c l ei ss u p p o r t e db yt h ek e yp r o j e c to fn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef u n d ，a n d t h ep r o j e a ti s “s t u d yo nm e c h a n i c a lm e a s u r e m e n to r i e n t e ds y s t e mo fi v c b a s e d v i ( n o 5 0 1 3 5 0 5 0 ) ”i ta l s os u p p o r t e db yc h o n g q i n g s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i t t e e ， a n dt h ep r o j e c ti s n e wg e n e r a t i o no f i v c - b a s e dv if n o 2 0 0 1 6 7 0 4 ) ” k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tv i r t u a lc o n t r o l ( i v c ) ，i v c - b a s e d v i ，h i e r a r c h i c a lm e s s a g e b u s ( h m b ) ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，n u l l - p r o g r a m m i n gd e v e l o p i n g s y s t e m i v 1 绪论 1 1课题来源 本课题是国家自然科学基金重点项目“面向机械测试的控件化虚拟仪器系 统的研究”( 批准号：5 0 1 3 5 0 5 0 ) 和重庆市科技攻关项目“新一代控件化虚拟仪 器”( 编号：2 0 0 1 6 7 0 4 ) 的子项目。 1 2问题的提出测试测量仪器的三种模式 测试与测量是人类认识自然界客观事物并对这些事物的若干现象迸行量化 从而取得深入认识其本质的必不可少的手段，而用以实现量化的基本工具是测 试溅量仪器。测试测量仪器发展至今，大体可分为三种模式：模式之一为传统 硬件化仪器、模式之二为现在流行的以软件为主体的虚拟仪器、模式之三为即 为本文研究的新一代智能控件化虚拟仪器【j 卜h 。 1 2 1 传统硬件化仪器 从2 0 世纪3 0 年代初，美国斯坦福大学( s t a n f o r du n i v e r s i t y ) 的两名年轻 讲师h e w l e t ta n dp a c k a r d 在现在的硅谷内研制出第一台信号产生器并建立了现 今板富盛名的“h p ”公司至今，传统硬件化测试测量仪器已走过了大半个世纪， 并且自身也经历了模拟一数字一智能的发展过程： 1 ) 模拟式仪器。1 8 世纪到2 0 世纪初，科学家们在发现描述物理现象的定 律之后，发明了基于物理定律的模拟仪表，典型的仪表如伏特表、安培表、功 率表、压力表和测温仪等，随后又发明了电桥电位差计等磁电式模拟仪表。这 些仪表虽很简单但确实解决了当时很多物理量的测量问题。自2 0 世纪初至5 0 年代，测量仪器仪表材料的性能进一步得到改善，并出现了电子管、离子管这 样的全新型电子元器件。同时，测量理论和方法与新兴的电子、控制技术相结 合，出现了电子仪器仪表，产生了记录仪、电子示波器、信号发生器等为代表 的电子式模拟仪器。 2 ) 数字式仪器。随着晶体管与集成电路的出现，数字技术在测试测量仪器 中获得了成功的应用。2 0 世纪6 0 至8 0 年代出现的数字式仪表如数字电压表、 数字电流表、数字频率计、数显表、记忆示波器、逻辑分析仪等是数字式测试 测量仪器的典型代表。 3 ) 智能仪器。在数字式仪器中置入微处理器，使数字式仪器具有了自动测 控和数据处理功能从而部分地取代了人脑的工作，因此称为智能仪器。如今， 智能仪器在计算机人工智能技术的推动下大大地扩展了它的智能化功能，如可 重庆大学博士学位论文 在仪器系统内实现自组织、自学习、自适应、自修改等等功能，将计算机技术 与仪器技术进行了充分的结合，成为现存硬件化仪器仪表的主流。 就总体而言，传统硬件化仪器是由决定仪器功能、性能和技术指标的电子 板卡、带有插槽的底盘、装有各类控件的面板、显示器和机箱等五部分构成。 图1 1 为传统硬件化动态信号分析仪的实物图。由图1 1 可以看出，传统硬件化 仪器是以硬件或以硬件为主的仪器，即使智能仪器中固化了一些软件，但这些 软件的作用也只是辅助性的。对这种全部由硬件或以硬件为主体构成的仪器系 统称为传统硬件化仪器。 图1 1 传统硬件化动态信号分析仪 f i g i 1t r a d i t i o n a lh a r d w a r ed y n a m i cs i g n a la n a l y z e r 硬件化测试测量仪器是一个封闭系统，所谓“封闭”是指这种仪器系统一 经制造完毕便不能随意改动，这样它就失去了灵活性和用户的参与性，导致的 最终结果是无论对技术的进步还是对市场的需求其响应速度都比较慢，这在很 大程度上阻碍了仪器科学和仪器行业的快速发展。 1 2 2 虚拟仪器恻 【j 现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，引起了测量仪器和测试技术的巨 大变革。传统的测量仪器和测试技术已经不能满足人们日益增长的需要，测试 测量仪器出现了从模拟化到数字化再到智能化的几次转变，各种新的思想观念 不断涌现，为测试仪器的发展注入了新的活力。观念的进步主要表现在以下一 些方面： 1 ) 硬件功能软件化。随着微电子技术的发展，微处理器的速度越来越快， 价格越来越低，已被广泛应用于仪器仪表中，使得一些实时性要求很高，原本 由硬件完成的功能，可以通过软件来实现。甚至许多原来用硬件电路难以解决 2 1 绪论 或根本无法解决的问题，也可以采用软件技术很好地加以解决。数字信号处理 技术的发展和高速数字信号处理器( d s p ) 的广泛应用，极大地增强了仪器的 信号处理能力。数字滤波、f f t 、相关、卷积等是信号处理的常用方法，其共 同特点是，算法的主要运算都是由迭代式的乘和加组成，这些运算如果在通用 微机上用软件完成，运算时间较长，而数字信号处理器通过硬件完成上述乘、 加运算，大大提高了仪器性能，推动了数字信号处理技术在仪器仪表领域的广 泛应用。 2 ) 仪器功能集成化、模块化。大规模集成电路技术发展到今天，集成电路 的密度越来越高，体积越来越小，内部结构越来越复杂，功能也越来越强大， 从而大大提高了每个模块进而整个仪器系统的集成度。模块化功能是现代仪器 仪表的一个鲜明的特征，它使得仪器更加灵活，仪器的组成更加简洁。比如在 需要增加某种测试测量功能时，只需增加少量的模块化功能硬件，再调用相应 的软件来使用此硬件即可。 3 ) 仪器参数修改实时化。随着各种现场可编程器件和在线编程技术的发展， 仪器仪表的参数甚至结构不必在设计时就确定，而是可以在仪器使用的现场实 时置入和动态修改，从而使仪器仪表更灵活地适应现场的实际测试测量环境。 4 ) 仪器硬件平台通用化。现代仪器仪表强调软件的作用，选配一个或几个 带共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台，通过调用不同的软件来扩展 或组成各种功能的仪器或系统。一台仪器或一个仪器系统大致可分解为三个部 分：数据的采集；数据的分析与处理；存储、显示或输出。传统硬件化 仪器是由厂家将上述三类功能部件根据仪器功能按固定的方式组建，一般一种 仪器只有一种或数种功能。而现代仪器则是将具有上述一种或多种功能的通用 硬件模块组合起来，通过编制不同的软件来构成任何一种仪器。 上述四个特征是对现代测试测量仪器系统发展的要求，也是对一种新的仪器 模式的呼唤。最近1 0 余年，由测试测量仪器技术、计算机软件技术和总线技术 共同孕育出的虚拟仪器正是一种符合上述要求、具备上述特征的新的仪器模式。 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t i ) ) 是通过应用程序将计算机资源( 微处理器、 存储器、显示器) 和仪器硬件( a d 、d a 、数字i o 、定时器、信号调理器) 的 测量功能结合起来，形成的测量装置或测试系统。用户通过友好的图形界面( 称 为虚拟面板) 操作计算机，就像操作传统仪器一样，通过库函数实现仪器模块间 的通信、定时、触发以及数据分析、数据表达，并形成图形化接口。 虚拟仪器的出现和发展是仪器技术及计算机技术相互渗透的结果。由于计算 机处理能力的迅速发展已具有仪器所需的强大数据处理能力、显示存储功能、高 分辨力的图形显示，从而使仪器的发展可搭上计算机发展的高速列车，使其形成 3 重庆大学博士学位论文 全部处理功能和面板控件均可实现编程的虚拟仪器。可以认为虚拟仪器的出现在 仪器仪表的发展中引起了一次飞跃，它标志着仪器发展中一个新的阶段的到来。 虚拟仪器由计算机、仪器软件和仪器硬件组成，其系统结构框图如图1 2 所 示。虚拟仪器系统按照系统硬件的构成方式可分为四种类型：p c d a q 系统、 、0 ( i 系统、标准总线仪器系统及p x i 系统。p c d a q 系统是以数据采集板( d a t a a c q u i s i t i o nb o a r d ，简称o a q 板) 和信号调理器为仪器硬件，以插卡形式直接插 在p c 机内总线插槽上形成的系统，如图1 3 所示。v x i 系统是以v x i ( v m e b u s e 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 ) 总线仪器为硬件组成的系统。标准总线仪器系统 是以具有g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 、串口和现场总线( f i e l db u s ) 的 标准仪器为基础构建的系统。p x i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ( p c i ) e x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 标准是美国国家仪器公司( n i ) 在1 9 9 7 年8 月公 布的开放性标准，它包括机械结构标准、电气结构标准和软件结构标准，根据该 标准生产的仪器产品和系统称为p x i 系统。 图1 2 虚拟仪器系统结构框图 f i 9 1 2s t r u c t u r ed i a g r a mo f v i r t u a li n s t r u m e n t 图1 3p c d a q 虚拟仪器系统 f i 9 1 3p c d a qv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m 虚拟仪器是一种全新的仪器概念，与传统硬件化仪器相比，具有以下特点1 4 h 1 7 ： 1 ) 高度集成。虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融为 4 l 绪论 一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合起 来，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储 以及分析处理，又进一步缩小了仪器硬件的体积，给仪器的使用带来了很大的 方便。传统仪器体积相对庞大，特别对多种对象测量时常常繁复纷乱。然而在 集成的虚拟仪器测量系统中，我们见到的是整洁的桌面，有条不紊的操作，测 量人员从繁复中走了出来。 2 ) 更新较快。虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，计算机技术的飞 速发展带来的是虚拟仪器性能的直接提高。由于计算机性能以摩尔定律( 每1 8 个 月提高一倍) 飞速发展，虚拟仪器自始至终都能自然享用这一很高的技术更新速 率，从而将传统仪器远远抛到后面。 3 ) 扩展性好。相对于传统仪器而言，功能扩展是虚拟仪器的大特点。新 的仪器功能对于虚拟仪器而言，往往只是意味着软件模块的追加以及硬件插卡 的扩充，而不必修改整个仪器框架。 4 ) 用户参与性强。传统仪器的功能由仪器厂商在设计时确定好，旦仪器 生产出来，用户便不可能根据自己的需要进行修改，虚拟仪器的功能可由用户 自行定义。 5 ) 操作简便。虚拟仪器采用完全图形化界面，形象逼真，符合传统设备的 使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程。 6 ) 经济实用。性能优秀的传统仪器产品开发周期长，成本高，则意味着高 价格和要求较高的日常维护和保养。由于计算机软硬件技术的发展，特别是可 视化编程语言的出现使虚拟仪器的开发更加容易，周期极大地缩短；从用户的 角度来看，软件部分基本不需要什么维护，各种硬件卡也和微机显卡、声卡一 样，保管和使用都非常方便。 7 ) 绿色环保。保护环境和节省能源是2 l 世纪人类共同的战略任务，制造 业对消除污染、保护环境、节约能源和资源负有不可推卸的责任。当仪器设备 的制造从硬加工转变为软加爰后，其在硬件加工中消耗的大量能源和原材料( 资 源) ，以及在制造、包装、运输、使用过程中生产的一切污染( 废物、废气、废 水和噪声) 都将被大大降低或消除，从而使虚拟仪器成为一类典型的绿色化产 品。 1 2 3 新一代智能控件化虚拟仪器 1 9 9 9 年1 2 月，国家自然科学基金委在广州召开的机械学科“十五”优先 资助领域研讨会会议纪要中明确指出：测试测量仪器的发展方向是“虚拟化”、 “控件化”，本文所研究的内容正是在这一背景下提出的。 智能控件化虚拟仪器的核心组成部分是“智能虚拟控件”，它是一种被仪器 5 重庆大学博士学位论文 功能“激活”了的，有“生命”的虚拟部件。通过“功能赋予”和“测试融合” 技术使仪器的功能与这些部件相应的结构融为一体，这样在这些部件的相应结 构上便自带了仪器的功能。在这里，控件己变成了具有多种仪器功能的“组合 仪器单元”，用户只需将这些显示在屏幕的仪器单元按自己的要求在拼搭场中进 行积木式的拼搭，便能“制造”出各种用途的测试测量仪器。显然，仪器在这 里变成了零部件( 智能虚拟控件) ，而p c 机则成了生产仪器的加工工厂。 智能虚拟控件是本文作者的导师秦树人教授首先提出并作了详细阐述卜 j ，故称秦氏模型。秦氏模型既是仪器的一种新概念，又是一种新模式。它的 出现使仪器的概念延伸了，仪器的资源扩大了，仪器的操作简便了，仪器的价 格降低了，在这一模式下产生的仪器有一个全新的面貌，与传统硬件化仪器和 现在流行的虚拟仪器都有很大的区别，从而使测试测量仪器从“硬件化”发展 至“虚拟化”进而发展至本文所述的“智能虚拟控件化”，仪器的发展到了一个 崭新的阶段。图1 4 表示一台智能控件化的虚拟式小波分析仪，它是在本课题 研制的零编程装配系统中开发的。 图1 4 智能控件化虚拟小波分析仪 f i g l - 4i n t e l l i g e n tc o n t r o lv i r t u a li n s t r u m e n tf o rw a v e l e ta n a l y s i s 1 3 虚拟仪器开发系统的研究现状【1 8 】 2 3 】 目前，虚拟仪器的开发系统大致有二类：一是文本式的编程语言，如c 、 s u a l c + + 、l a bw i n d o w s c v i 等；第二类是图形化的编程语言，代表性的有 l a b v i e w 和h p v e e 。文本编程语言具有编程灵活、运行速度快但编程复杂等 特点；图形化编程语言的特点是编程简单、直观、开发效率高。下面对常用的 虚拟仪器开发系统作一介绍： 1 ) v i s u a lc + + 。v i s u a lc + + 是微软公司开发的可视化软件开发系统，由于 和操作系统同出一家，因此有着天然的优势。使用v i s u a lc + + 作为虚拟仪器的 开发系统，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 6 1 绪论 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，有机地集成前三步功能， 构建出一个界面逼真、功能强大的虚拟仪器。 2 ) l a b v i e w 。l a b v i e w 是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t m m e m c o r p o r a t i o n ，u s ) 公司研制的图形编程虚拟仪器系统，主要包括数据采集、控 制、数据分析、数据表示等功能。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，流程方框图是虚拟仪器源代码，图标连接器是调 用接i s i ( c a l l i n gi n t e r f a c e ) 。流程方框图包括输入输出( i 0 ) 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、或其他外部物理仪器通信；计算部件完成数学或其他运算与操作；子v i 部件调用其他虚拟仪器。 3 ) h p v e e 。美国h p 公司也在虚拟仪器方面进行了开发研究，它的可视 化图形编程软件包h p v e e ( v i s u a le n g i n e e re n v i r