（测试计量技术及仪器专业论文）网络化、虚拟化测控实验系统的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 和网络化测控技术是现代化测 量的重要标志。随着计算机技术、虚拟仪器技术和网络通信技术的发展，2 l 世纪的仪器和测控系统将是一个开放的系统，将网络技术应用于虚拟仪器， 使信号采集、传输和处理分析一体化，已成为一种趋势。以p c 机和工作站为 基础，通过虚拟仪器和网络通信技术构成实用的测控系统，一方面可以使许多 昂贵的硬件资源得以共享，另一方面还便于测试系统的扩展和测试效率的提 高。 本文对网络化虚拟化测控系统进行了研究。首先对网络化测控系统及其 应用现状作了描述，简单介绍了虚拟仪器与l a b v i e w 语言的相关知识，对网 络化测控系统的组网模式包括c s ( c i l e n t s e r v e r ) 、b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 和c s b ( c 1 i e n t s e r v e r b r o w s e r ) 模式作了分析与比较，对实现网络化虚拟 化测控实验系统中所使用到的关键技术d a t a s o c k e t 、r e m o t ep a n e l s ( 远程 前面板) 等技术进行了分析，然后结合实际工作，利用现有资源，基于c b s 模式组建了一种由服务器、测试服务器和远程用户浏览端构成的网络化虚拟 化测控实验系统，并实现了实验系统的远程视频监视。 目前本网络化虚拟化测控实验系统实验分为四组，分别为电机转速控制 实验台实验、德普施转子实验台综合实验、德普施环形输送线实验台综合实 验、n ie l v i s 实验台实验，覆盖了控制工程基础、测试技术基础、控 制工程、机械自动控制原理、精密测控与系统、传感器原理与应用 等课程的部分实验内容。测试结果表明该系统基本实现了预期的效果。 系统集实验教学、实验操作和管理等于一体，具有良好的安全性和可扩 展性；功能丰富，使用方便，实现了对仪器的网络化控制及对被测对象的远 程测量，体现了虚拟仪器技术与网络化测控技术的优越性。 关键词：虚拟仪器；网络化测控；d a t a s o c k e t ；c s b 模型；l a b v l e w 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t m v i r t u a li n s t r u m e n t s ( v i ) a n dn e t w o r k e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t e c h n o l o g ya r es y m b o l so fm o d e r nm e a s u r e m e n t s w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u e s ，d i s t r i b u t e de x e c u t i o nt e c h n i q u e s a n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e s ，e s p e c i a l l y w i t ht h ef a s t p r o g r e s sa n dp o p u l a r i z a t i o no fi n t e r n e t ，i th a sb e e naw i d et r e n df o r v i t e c h n o l o g i e s t ob e i n c o p e r a t e d w i t hn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e s ，w h i c ht oal a r g ee x t e n tf a c i l i t a t e st h ei n t e g r a t i o no f s i g n a la c q u i r i n g ，s i g n a lt r a n s f e r r i n ga n ds i g n a lp r o c e s s i n g a tt h e s a m et i m e ，s h a r i n go fm a n ye x p e n s i v eh a r d w a r er e s o u r c e sa sw e l la s b u i l d i n gv is y s t e m sw i t hh i g hf l e x i b i l i t ya n dh i g ht e s t i n ge f f i c i e n c y b e c o m ef e a s i b l e t h i st h e s i sd o e sr e s e a r c ho nn e t w o r k e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m f i r s t l y ，t h eb a s a lc o n c e p ta n dc u r r e n ta p p li c a t i o no f n e t w o r k e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma r ei n t r o d u c e d v i r t u a l i n s t r u m e n ta n dl a b v i e wl a n g u a g ea r ed e s c r i b e ds i m p l y a n da l s oc s (c li e n t s e r v e r )、b s(b r o w s e r s e r v e r)a n d c s b ( c l i e n t s e r v e r b r o w s e r ) m o d ew h i c ha r et h en e t w o r ks t r u c t u r e so f n e t w o r k e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma r ee x p l a i n e da n dc o m p a r e d d a t a s o c k e t t e c h n i q u e 、 r e m o t e p a n e l s t e c h n i q u e a r e m a i n l y i n t r o d u c e d s e c o n d l y ，b a s e do nc l s i bm o d e ，an e t w o r k e dm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mc o m p o s e do fs e r v e rc o m p u t e r ，t e s tc o m p u t e r ，p r o g r a m c o n t r o li n s t r u m e n t ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n da p p li c a t i o ns o f t w a r ei s b u i l t a n dt h er e m o t ev i d e os u r v e i l l a n c eo ft h ee x p e r i m e n ts y s t e mi s a c h ie v e d a tp r e s e n t ，t h en e t w o r k e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo fv i r t u a l e x p e r i m e n ts y s t e mi sd i v i d e di n t of o u re x p e r i m e n t a lg r o u p s ：m o t o r s p e e dc o n t r o ll a b o r a t o r yf u r n i t u r ee x p e r i m e n t s ，t h er o t o rl a b o r a t o r y f u r n i t u r eg e n e r a le x p e r i m e n t s ，t h er i n gt r a n s m i s s i o nl i n el a b o r a t o r y f u r n i t u r eg e n e r a l e x p e r i m e n t s ， n ie l v i s l a b o r a t o r yf u r n i t u r e e x p e r i m e n t s ，c o v e rap a r to fe x p e r i m e n to ft h ec o u r s e so f b a s i c c o n t r o l e n g i n e e r i n g “6t e s tt e c h n o l o g y “。6c o n t r o le n g i n e e r i n g “。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l li 页 m e c h a n i c a lp r i n c i p l e so fa u t o m a t i cc o n t r o l 。p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e m s ，p r i n c i p l ea n da p p li c a t i o no fs e n s o r t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p e r i m e n ts y s t e mh a dt h ed e s i r e de f f e c t t h et e s ts h o w st h a tt h es y s t e mc a nr e a li z et h et e a c h i n g ，o p e r a t i n g ， a d m i n i s t r a t i n ga n dh a sg o o ds e c u r i t ya n de x t e n d i b i l i t y a n di th a st h e c h a r a c t e r i s t i co ff u l l yf u n c t i o na n de a s i l yo p e r a t i o n ，c a nc o n t r o l t h ei n s t r u m e n t ss u c c e s s f u l l ya n dm e a s u r e st h em e a s u r a n d sb yn e t w o r k c o r r e c t l y ，a n dm a n i f e s t st h ea d v a n t a g e st a k e nb yv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g ya n dn e t w o r k e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ； n e t w o r k e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ； d a t a s o c k e t ；c s bm o d e l ：l a b v i e w 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： 本文结合实际工作，利用现有资源，基于c b s 模式组建了一种由服务 器、测试服务器和远程用户浏览端构成的网络化虚拟化测控实验系统，实现 了对仪器的网络化控制及对被测对象的远程测量，并实现了实验系统的远程 视频监视，体现了虚拟仪器技术与网络化测控技术的优越性。 学位论文作者签名：弓l 乏h 翰， 日期： m 。7 职z 西南交通大学 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 不保密口彼用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：弓k h 翻产 指导老师签名： 日期：湘7 v ，_ 日期： 胁搁赶 洲夕。华 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 网络化测控系统概述 第1 章绪论 计算机网络技术的迅速发展和广泛应用正在改变人们的工作和生活方 式，对计算机控制领域和自动控制领域的发展也产生了巨大的影响。在计算 机技术、网络通信技术、仪器技术和自动测试技术不断发展的推动下，网络 化测控技术的研究和应用也日益受到关注，测控仪器的概念逐渐从“软件就 是仪器 转变为“网络就是仪器。网络化测控为测控和仪器技术带来了前所 未有的发展空间和机遇，已成为现代测控技术发展方向之一1 1 。 网络化测控系统是将测控系统中地域分散的基本功能单元( 计算机、测 控仪器、测控模块或智能传感器) ，通过网络互联起来，构成一个分布式的测 控系统，这类基于计算机网络通信的分布式测控系统称为网络化测控系统。 测控系统网络化的思路就是把测控系统与计算机网络相结合，构成信息 采集、传输、处理和应用的综合信息网络，这符合信息化发展的要求，是具 有信息时代特点的新思路。 网络化测控系统包含以下两大部分： 组成系统的各基本单元，如测控仪器、测控模块和计算机等； 连接各基本单元形成系统的传输介质通信网络。 系统以网络为基础，将分布于各地的各种不同设备挂接在网络上，进行 数据传输，实现资源共享，协调工作，共同完成测控任务。 利用计算机网络设施进行网络化测控，可以有效降低组建测控系统的费 用，实现资源共享。通过网络进行测控和数据采集，可以实现远程状态监测 和故障诊断，使得测控跨越空间和时间的界限，与传统仪器和测控系统相比， 这是一个质的飞跃。同时，网络化测控可以使测试人员不受时间与空间的限 制，随时随地获取所需的信息，同时可以实现对测控设备的远距离测试与诊 断，提高测控效率，减少测控人员的工作量。 计算机技术、网络技术、通信技术与测量技术、控制技术的结合，使得 网络化分布式测控系统的组建更加方便。以i n t e r n e t 为代表的计算机网络技 术的迅猛发展以及相关技术的不断完善，使得计算机网络的规模更大、应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 更广。在国防、航空、航天、通信、气象、制造等领域，对大范围的网络化 测控将提出更迫切的要求，网络技术也必将在测控领域得到更广泛的应用， 网络化仪器很快会发展并成熟起来，从而有力地带动和促进现代测控技术的 进步。与各行各业一样，测控技术也必将在网络时代发生革命性的变革n 吨1 。 1 2 网络化测控技术的应用现状 测控系统的发展方向是远程化和网络化，以及以管理集中化和控制分散 化为特征的测控管一体化。融合网络技术、软件技术和测量技术的网络化测 控系统可以应用于大范围区域的测量与控制。网络化测控系统包含大量相互 交换信息的设备，具备信号处理、优化决策和控制操作等，控制器可以分散 在网络中的不同节点，管理功能则可以集中于一点，因此网络化测控系统有 着广泛的应用前景n 1 。 国内外已积极地开展了网络化测控的应用与研究，并取得了良好的效益。 1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e r n e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学 和麻省理工学院联合主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。 会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及 对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望。由斯坦福大学和麻省理工 学院合作开发基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊断示范系统，这项工作同时 也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。之后，由这些公司共同推出了一个验 性的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 初步形成在i n t e r n e t 范围内的信息监控和诊断推理。 另外，许多国际组织，如m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t o p e n s y s t e ma l l i a n c e ) 、s m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o n t e c h n o l o g y ) 、c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t i o na n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等，也纷纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了 一些信息交换格式和标准。许多大公司也在他们的产品中加入了i n t e r n e t 的功能，如b e n t l y 公司的计算机在线设备运行监测系统d a t am a n a g e r2 0 0 0 可以通过网络动态数据交换( n e td d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态 信息：著名的n a ti o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它的产品l a b w i n d o w s c v i 以及 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 l a b v i e w 中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过w w w 、f t p 、e m a i l 方式 在网络范围内进行监控数据的传送。法国“a l a r m ”研究组对生产过程的智能 报警和测控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应用2 1 。 中国科学院等离子体物理研究所的h t 一7 超导托卡马克装置规模大、参数 多，整个系统采用不同类型的计算机，操作系统也不同，而且各个子系统的 控制计算机分布在不同的实验现场，相距甚远。实验的特殊性要求控制系统 能完成实时控制，而且各功能子系统间的数据传输量也大。为实现整个系统 的实时监控及诊断保护，系统采用了基于交换式快速以太网的网络技术，利 用基于t c p i p 协议的s o c k e t 网络编程，不仅实现了数据共享、高速可靠的 数据传输，而且系统具有组网简单、升级方便和高的性能价格比等优点。由 西安交通大学开发的基于i n t e r n e t 的快速成型和快速加工技术，只要用户安 装w w w 浏览器，就可以通过h t t p 获得远程服务部t s b ( t e l e s e r v i c eb u r e a u ) 在线技术支持和数据交换。 现在网络化测控系统已投入到实际应用领域，并取得很好的经济效益， 其应用前景十分广阔。在广泛的工业领域中，可实现数据网络和控制网络的 集成，即现场总线和计算机网络融为一体，实现真正的虚拟工厂和虚拟制造。 在电力系统监控、工厂生产自动化、异地联合实验、实验室自动测试、教学、 卫星发射、智能大厦、智能小区安全技防监控管理、海洋探测等众多领域， 网络化测控系统都将发挥重要作用2 3 1 。 1 3 本论文研究的目的及意义 实验是高等院校工科教学的重要环节，是提高学生动手能力、培养创新 精神和综合素质的一个有效手段。实验条件也是反映办学水平和科研水平的 重要标志之一。近年来，由于高等院校的大规模扩招，造成了高校实验室设 备和规模都难以满足其实验需要。同时，随着远程教育的不断发展和普及， 网络实验教学也成为其中的薄弱环节，因而构建一个突破传统局限的网络化 虚拟化实验环境成为迫切需要解决的重要课题。 建立网络化虚拟化测控实验系统，一方面可以最大限度的共享实验资源， 降低实验成本，提高实验的使用效率，解决因本科扩招造成设备的台套数相 对学生人数偏少的矛盾：另一方面学生可以突破时空的限制在计算机上完成 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 各种实验，获得与真实实验一样的体会，从而丰富感性认识，加深对教学内 容的理解；而且从某种意义上来说，可以让学生在进行实验的同时能够对网 络化测控系统的结构、实现原理及虚拟仪器技术等进行最基础的认识，一举 三得。 1 4 本论文主要工作 本课题对虚拟仪器技术、网络化测控技术进行了较为系统的研究，对网 络化测控系统的模型与结构进行了分析，同时利用现有资源，给出了这种测 控系统的一种具体实现。 本论文的主要工作包括以下几个方面： 1 研究网络化测控系统，比较网络化测控系统的3 种结构模式，选择适合 本实验系统的结构模式； 2 研究虚拟仪器技术，虚拟仪器开发工具l a b v i e w ，及l a b v i e w 提供的各种 网络通信技术： 3 设计本网络化虚拟化测控实验系统的方案： 4 研究德普施测控实验系统、交流电机调速系统、n ie l v i s ( n i 教学实验 室虚拟仪器套件) 实验台，并开发各实验系统的实验； 5 以l a b v i e w 为平台开发，利用d a t a s o c k e t 技术，r e m o t ep a n e l s ( 远程 前面板) 技术，实现基于i n t e r n e t 的c b s 模式的远程测控； 6 实现远程视频监视； 7 对网络编程技术进行研究，建立个人服务器、网站，保证远程浏览器端 及时安全地登陆网页，对虚拟仪器前面板操作，进行远程测控。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章网络化虚拟化测控实验系统开发基础 2 1 网络化测控系统的组网模式 2 1 1c i e n t s e r v e r 结构 客户机服务器( c 1 i e n s e r v e r 简称c s ) 是出现较早、应用范围很广的一 种两层的体系结构，c s 结构将任务合理分配到客户端和服务器端，前台计算 交由客户端完成，后台计算由服务器承担，从而降低了系统的通讯开销，可以 充分利用两端硬件环境的优势。由于这种二层的计算模型将交互性和业务规 则转移到了客户机上，故存在一定的局限性，安装、升级、维护困难，系统维 护和升级的工作量大，客户端软件的维护费用高，这种计算模型不能满足大 型监控系统的要求，使用不方便，培训费用高，系统建设质量难以保证。服务 器的数据库必须与每一个活动的客户保持连接，运算资源难以得到充分合理 的利用，随着客户数目的不断增加，系统性能会不断下降。在多用户、多数 据库的环境下，可能会造成用户长时间的等待，甚至将导致系统锁死或崩溃。 基于这种二层c s 计算模型而开发的应用系统的生命周期短，可扩充性、可 维护性及安全性都较差，软件建设周期长，升级困难及适应性差，这在分布 式系统开发中是一个严重缺陷h 1 。 c s 网络拓扑结构如图2 - 1 所示。 图2 1c s 网络拓扑结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 1 2b r o w s e r s e r v e r 结构 浏览器服务器( b r o w s e r s e r v e r ，简称b s ) 是一种基于w e b 的三层体系 结构。它由浏览器、w e b 服务器和数据服务器组成。客户端是标准的浏览器， 服务器端为标准的w e b 服务器协同应用服务器响应浏览器的请求。浏览器 服务器体系结构利用超文本传输协议h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 的消息传递机制，客户端通过浏览器访问服务器并发出服务请求，服务器进 行相应的处理后将响应结果返回给客户端。 基于w e b 的b r o w s e r s e r v e r ( b s ) 体系结构彻底解决了c 1i e n t s e r v e r 结构的所有弊端，可以给系统开发者、管理者、使用者带来很多好处。 在b s 结构中，客户端只需安装操作系统和w e b 浏览器，数据的查询、 处理和表示都由服务器完成，系统版本的升级及维护也是在w e b 服务器端进 行的，用户需要访问时才动态下载，这就保证了用户每次使用的都是最新版 本：b s 是一种瘦客户模式，用户只要掌握了浏览器的使用，几乎不再需要 其他软件，大大降低了培训费用；b s 系统效率高，开发周期短，见效快， 系统的开发一般分为w e b 页面制作和w e b 应用开发，w e b 页面制作比较简单， 可以使用工具而无需编程；w e b 应用开发采用可视化开发工具和标准组件， 减少了开发难度，加快了开发速度；平台无关性，一点对多点或多点对多点 的应用软件结构，可以透明地跨不同的网络和计算机平台，无缝联合使用数 据库、超文本等多种形式的信息；开放性，采用公开的标准和协议，系统资 源的冗余度小，由于采用i n t e r n e t 技术实现的，本身就具备i n t e r n e t 的开 放性和扩充性1 4 1 。 b s 网络拓扑结构如图2 - 2 所示。 图2 - 28 s 网络拓扑结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 3b s 结构与c s 结构的比较 从本质上讲，b s 结构与传统的c s 结构都是以同一种请求和应答方式 来执行应用的，区别主要在于：c s 是一种两层或三层结构模式，其客户端 集中了大量应用软件，而b s 是一种基于超链接( h y p e r l i n k ) 、h t m l 、j a v a 的三级或多级c s 结构，客户端仅需单一的浏览器软件，是一种全新的体系 结构，解决了跨平台问题。到目前，这两种结构在不同方面都有着广泛的应 用。虽然c s 结构在i n t e r n e t 环境下明显不如b s 结构具有优势，但它在局 域网环境下仍具有优势，而b s 结构常建立在广域网的基础上。 具体说，有以下几方面的区别比较： ( 1 ) 硬件环境不同：c s 结构一般建立在专用的网络上或小范围里的网络 环境，局域网之间再通过专门服务器提供连接和数据交换服务：b s 结构建 立在广域网之上，不必是专门的网络硬件环境，信息自己管理，有比c s 结 构更强的适应范围，一般只需要操作系统和浏览器。 ( 2 ) 对安全要求不同：c s 结构一般面向相对固定的用户群，对信息安全 的控制能力很强；b s 结构对安全的控制能力相对较弱，面向的是不可知的 用户群。 ( 3 ) 对程序架构不同：c s 结构中程序可以更加注重流程，可以对权限多 层次校验，对系统运行速度可以较少考虑；b s 结构对安全以及访问速度的 多重考虑，建立在需要更加优化的基础之上。 ( 4 ) 软件重用不同：c s 结构中程序不可避免的需要进行整体性考虑、构 件的重用性差；b s 结构的多重性，要求构件具有相对独立的功能，能够较 好的重用。 ( 5 ) 系统维护不同：c s 结构中程序整体性强，必须进行整体考察，处理 出现的问题以及系统升级比较难，有时甚至需要重新做系统；b s 结构由构 件组成，仅更换个别的构件，就可实现系统的无缝升级，系统维护开销较小。 ( 6 ) 处理问题不同：c s 结构中程序的用户面固定，并且在相同区域，安 全要求高，与操作系统相关；b s 结构建立在广域网上，面向不同的用户群， 地域分散，与操作系统平台关系最小。 ( 7 ) 用户接口不同：c s 结构多建立在操作系统平台上，表现方法有限； b s 结构建立在浏览器上，用更加丰富和生动的表现形式与用户交流5 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 4c li e n t s e r v e r b r o w s e 结构 以上两种结构虽然能够满足大多数情况的要求，但是对于大型集散控制 系统的发布和远程控制，还是存在一些不足。为弥补这种不足，以适应虚拟 仪器测控系统信息化和网络化的需要，自然出现了客户机服务器浏览器模 型，它是c s 结构和b s 结构的结合和扩展“1 。b s 模式用于发布c s 模式 中的客户端程序，而用c s 模式实现客户端对象和服务器端对象之间的直接 通信。这种模式既保留了b s 模式的易于发布的特性，又在客户端对象和服 务器端对象之间采用c s 模式的直接通信，保证了系统的实时性6 1 。其网络 结构如图2 - 3 所示。 2 2 虚拟仪器技术 2 2 1 虚拟仪器的概念 图2 - 3c b s 结构 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，v i ) 是美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s c o r p ，n i ) 于1 9 8 6 年提出的概念，是现代计算机技术、测控技 术、仪器仪表技术深层次结合的产物。虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件 设备为主体的模式，实际上是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。经过 二十多年的发展，虚拟仪器的内涵不断丰富，外延不断扩展，在军事和民用 的各个领域均得到了广泛的应用。 所谓虚拟仪器，是以通用计算机为核心，根据用户对仪器的设计定义， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 用软件实现虚拟控制面板设计和测试功能的一种计算机仪器系统。用户可以 通过鼠标、键盘等操作计算机上的虚拟仪器面板，就如同使用一台专用测量 仪器一样，实现需要的测量测试目的。 虚拟仪器是将现有的计算机技术、软件设计技术和高性能模块化仪器硬 件结合在一起而建立的功能强大又灵活易变的仪器。在虚拟仪器系统中，硬 件仅仅是为了解决信号的输入、输出和调理，软件才是整个仪器系统的关键， 使用者可以通过修改软件，方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以 说“软件就是仪器一。 从实质上讲，虚拟仪器利用硬件系统( i o 接口设备) 完成信号的采集、 测量与调理，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理， 利用计算机的显示器模拟传统仪器的控制面板，并以多种形式输出测量结果， 从而完成所需的各种测试功能。 虚拟仪器中的“虚拟一主要指以下两方面： ( 1 ) 控制面板是虚拟的 虚拟仪器面板上的各种“控件 和“指示器 与传统仪器面板上的各种 “器件”和“显示屏 所完成的功能是相同的。但是传统仪器面板上的部件 都是实物，由手动或触摸进行操作，而虚拟仪器面板控件是外形与实物相同 的图标，通过键盘、鼠标等计算机外设进行操作，实际功能是通过相应的软 件程序来实现的。 ( 2 ) 测量测试与分析功能是虚拟的 传统仪器通过设计具体的模拟或数字电路实现仪器的测试测量及分析处 理功能，而虚拟仪器是在以计算机为核心组成的硬件平台支持上，通过软件 编程设计来实现这些功能的，并且可以通过不同测试功能的软件模块的组合 来实现多种测试。当用户的测试需求变化时，可以通过修改软件，方便地改 变、增减仪器系统的功能与规模以满足新的测试要求。 可见，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、 过程通信及图形化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3 1 。 2 2 2 虚拟仪器技术特点 与传统仪器相比，虚拟仪器有以下特点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 功能方面：融合计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、 显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。 2 灵活性和交互性方面：利用计算机丰富而专业的软件资源，实现部分仪 器硬件功能的软件化，节省硬件投资，增加了系统的灵活性；通过软件 技术和相应数值算法，可实时地对测试数据进行各种分析与处理；通过 图形用户界面技术( g u i ) ，真正实现界面友好、人机交互。 3 模块化、系列化方面：基于计算机总线和模块化仪器总线，仪器硬件实 现了模块化、系列化，大大缩小了系统尺寸，可方便地构建模块化系统。 4 网络化方面：基于计算机网络技术和接口技术，虚拟仪器系统可实现方 便、灵活的互联，广泛支持诸如c a n 、f i e l d b u s 、p r o f i b u s 等各种工业 总线标准。因此，利用虚拟仪器技术可方便地构建自动测试系统，实现 测量、控制过程的网络化和自动化。 5 构建仪器更方便：基于计算机的开放式标准体系结构，虚拟仪器的硬、 软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户 可根据需要，选用不同厂家的产品，是仪器系统的开发更灵活、效率更 高，缩短了系统的组建时间。 总的来说，虚拟仪器具有灵活性、可扩展性、易维护性、高性价比、易 组建、高可靠性的特点，能够更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问题。虚 拟仪器与传统仪器的比较见表2 - 1 3 1 。 表2 - 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器 。 传统仪器 系统构成软件和通用硬件，软件是关键硬件是关键 开发周期与开发技术 开发周期短、系统通用性强 开发周期长、系统功能专一 开发与维护费用软件节省了开发与维护费用开发与维护费用高 技术更新技术更新周期短( 1 - 2 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 价格价格低，可复用与可重配置性强价格昂贵 功能可扩展性用户自定义仪器功能厂商定义仪器功能 系统开放性开放、灵活，与计算机技术同步发展封闭、固定 构建复杂系统的可能方便与网络及其他周边设备互联功能单一的独立设备 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 2 3 虚拟仪器的组成 虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。 虚拟仪器的硬件平台 虚拟仪器的硬件平台包括计算机和i o 接口设备两部分。 计算机。计算机是硬件平台的核心。 i o 接口设备。i o 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放 大和模数转换。根据i o 接口设备的不同，虚拟仪器主要分为 以下五种类型，如图2 - 4 所示。 - p c - d a qk - 4 g p mt 义m 1 li 由锄i 拮f 1i皇n 伸墨 i ，l - “ l l ，1 一一 i 丌再可。 ，1v 。l 一p 模块i 图2 - 4 虚拟仪器的构成方式 p c - d a q 系统：它是以数据采集板、信号调理电路及计算机为硬件平台 组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系统采用p c i 或i s a 计算机本身的 总线，只需将数据采集卡板( d a q ) 插入计算机机箱内的空槽中即可 使用。 g p i b 系统：它是以g p i b 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的仪 器测试系统； 串口系统：它是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为硬件平台组成的仪 器测试系统； v x i 系统：它是以v x i 标准总线仪器模块与计算机为硬件平台组成的 仪器测试系统； p x i 系统：它是以p x i 标准总线仪器模块与计算机为硬件平台组成的 仪器测试系统。 无论是哪种v i 系统，都是通过应用软件将仪器硬件与计算机相结合，其 中p c - d a q 测量系统是最廉价的方式，它是构成v i 系统的最基本的方式。 虚拟仪器的软件结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 软件是虚拟仪器的关键，通过运行在计算机上的软件，一方面实现虚拟 仪器图形化仪器界面，给用户提供一个检验仪器通信、设置仪器参数、修改 仪器操作和实现仪器功能的人机接口。另一方面使计算机直接参与测试信号 的产生和测量特征的分析，完成数据的输入、存储、综合分析和输出等功能。 虚拟仪器的软件一般采用层次结构，它包含以下三部分。虚拟仪器软件框架 结构如图2 - 5 所示。 l 应用程序 仪器驱动程序 i i o 接口软件 图2 5 虚拟仪器软件框架结构 输入输出( i 0 ) 接口软件 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 寄存单元进行直接存取数据操作，为仪器驱动程序提供信息传递的底层软件， 是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础和核心。 仪器驱动程序 仪器驱动程序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。对于应用程序，它和仪器硬件的通信、对仪器硬件的控制是通过仪器驱 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调用i 0 软 件所提供的统一基础与格式的函数库来实现的。仪器驱动程序是连接顶层应 用软件和底层i 0 软件的纽带和桥梁。 应用软件 顶层应用软件主要包括仪器面板控制软件和数据分析处理软件，完成的 任务有：利用计算机强大的图形功能实现虚拟仪器面板，给用户提供操作仪 器、显示数据的人机接口，以及数据采集、分析处理、显示和存储等。v p p 规范要求应用软件具有良好的开放性和可扩展性。常见的有h p 公司的v e e 、 n i 公司的l a b v i e w 等2 1 。本实验系统采用的是美国n i 公司的l a b v l e w 软件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 3 虚拟仪器开发工具l a b v l 酬 2 3 1l a b vl 酬简介 l a b v l e w 是n i 公司的创新软件产品，其全称是实验室虚拟仪器工程平台 ( 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 ) ，是一种基于 g 语言( g r a p h i cl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的测试系统软件开发平台。 l a b v i e w 广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的 数据采集和仪器控制软件，已经成为测控领域应用最广泛和最有前途的软件 开发平台之一。 l a b v i e w 基于测控与自动化领域而产生，包含了大量的工具与函数用于 数据采集、分析、显示与存储，同时还提供了大量常用于自动化测试领域的 图形控件。因此在测试、测量、仪器控制和自动化等领域具有更大的应用优 势。同时，作为一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，使 用l a b v i e w 时，设计人员不用编写任何文本代码，只需要把对象拖放到面板 上，然后在框图中进行连线，就能完成整个程序的设计工作，其图形化的源 代码又被称作程序框图代码。l a b v i e w 尽可能利用了技术人员、科学家、工 程师所熟悉的术语、图标和概念，是一个面向最终用户的工具。使用它进行 原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率2 1 。 l a b v i e w 设计的程序叫做虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) ，因为从 外面来看，v i 就像实际中使用的仪器面板，正如常见的示波器一样。一个虚 拟仪器主要由以下三个部分组成 1 4 1 。 ( 1 ) 前面板( f r o n tp a n e l ) 前面板对应于电子仪器的控制面板，是图形化的用户界面，主要用于输 入量的设置和输出量的观察。 用户输入通过被称为控制件( c o n t r 0 1 ) 的输入控件来完成，输出则由被 称为显示件( i n d i c a t o r s ) 的输出控件来完成，面板上按钮的操纵、参数输 入由鼠标和键盘完成。 前面板完成了虚拟仪器与用户之间的人机交互，用户所面对的是计算机 仪表的外在形式。 ( 2 ) 框图( b l o c kd i a g r a m ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 框图是完成程序功能的图形化源代码。通过在框图中对信号数据输入 输出的指定，完成对虚拟仪器所具有的信号采集、分析处理功能的操作与控 制。 框图包含图形编程源代码，定义虚拟仪器的功能。 ( 3 ) 图标和连接器( i c o na n dc o n n e c t o r ) 图标和连接器用来标识一个虚拟仪器，定义子v i 等。 图标和连接器是子v i 被其他v i 调用的接口。图标是子v i 在其他程序框 图中被调用的结点表现形式；连接器则表示结点数据的输入输出口，就像函 数的参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和显示一一对应。 2 3 2l a b vi 酬的特点 l a b v i e w 为测控系统设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。利用它， 设计者可以像搭积木那样，轻松构造自己的仪器面板和组件测量系统，而无 需进行繁琐的机器代码编写工作。l a b v i e w 具有以下特点： 图形化编程语言( g 语言) 的开发环境 图形化编程开发环境可大大缩短用户的整个学习过程，且符合工程师和 科学家们的原始设计理念，加快开发速度。 连接功能和仪器控制 l a b v i e w 带有现成即用的函数库，用户可以用它集成各