（机械制造及其自动化专业论文）工程信号分析虚拟仪器的开发.pdf

垦塑里三查兰堡主兰竺堡苎一 一一一羔 摘要 虚拟仪器是利用现有的计算机、n _ k 特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既有普 通仪器的基本功能。又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪器。 本文论述了虚拟仪器的基本概念、虚拟仪器的技术支持、信号分析与处理的基本理 论以及b h 5 1 0 9 采集板的基本原理。以此为基础，我以w i n d o w s9 8 操作系统下的v i s u a l c + + 6 0 为开发工具，开发了“一台”适用于工程信号分析的虚拟仪器v 1 2 0 0 2 。该仪器 基于b h s l 0 9 信号采集板，成功地实现了信号的采集、信号的时域分析、信号的频域分 析以及数据管理等功能。我本着以最少的程序语句完成最多的程序功能的思想，使得该 仪器具有界面友好逼真、操作简单、功能比较强大、仪器软件健壮性强、程序语句简单、 数据采集完整而且准确等优点。该仪器曾试用于实际工程的测试，以及经过专用信号分 析仪器的检验，证明：该虚拟仪器具有很好的测试效果。可信度很高。 关键词：虚拟仪器硬件软件驱动程序信号分析 昆州理工上学硕：f ：学位论文a b s t r a c 丁 a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n ti san e wk i n do fi n s t r u m e n tw h i c ht a k e sa d v a n t a g e o ft h e p r e s e n tc o m p u t e r ，i n s t r u m e n th a r d w a r ed e s i g n e de s p e c i a l l ya n d s p e c i a ls o f t w a r e b e s i d e st h eb a s i cf u n c t i o n so ft h o s ec o m m o n i n s t r u m e n t s ， i th a ss o m eo t h e r p a r t i c u l a rf u n c t i o n s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eb a s i cc o n c e p t i o na n d t e c h n o l o g i c a ls u p p o r to f v i ，t h eb a s i ct h e o r yo f a n a l y z i n ga n dd e a l i n gs i g n a la n dt h ep r i n c i p l e so f b h 510 9a dc a r d b a s e do nt h e k n o w l e d g en o t e da b o v e ，av in a m e d v 1 2 0 0 2i sd e v e l o p e d t h r o u g hv i s u a lc + + 6 0i nw i n d o w s9 8 ，w h i c hc a nb e u s e dt oa n a l y z ee n g i n e e r i n gs i g n a l t h i sv i ，b a s e do nb h 5 10 9a dc a r d ， p e r f o r m ss u c hf u n c t i o n sa s s i g n a la c q u i s i t i o n ，t i m e f i e l d a n a l y s i s o n s i g n a l ，f r e q u e n c y - f i e l da n a l y s i so ns i g n a l ，d a t am a n a g e m e n ta n ds oo n s u c c e s s f u l l y f p r a c t i c ep r o v e si t se x c e l l e n te f f e c t s b a s e do n t h ei d e at h a ti s h o u l du s et h el e a s ts e n t e n c e st or e a l i z et h em o s t f u n c t i o n s ，im a k et h ev i l o o kb e a u t i f u l ，o p e r a t es i m p l y , h a v eal o to f f u n c t i o n s ，r u ns m o o t h l y ，h a v e s i m p l es e n t e n c e sa n ds a m p l ec o r r e c t l ya n ds oo n t h ev 1w a su s e dt ot e s t s o m ee n g i n e e r i n gw o r k ，a n dt e s t e dw i t hs t a n d a r d i n s t r u m e n t ，w h i c hc a n p r o v e d t h a tt h ev ih a sf a v o r a b l ee f f e c t sa n d c a nb et r u s t e d k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t h a r d w a r es o f t w a r e d r i v e r s i g n a la n a l y s i s i i y s 8 8 3 羔9 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 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 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期上口哆年岁月山日 害 垦堕望三查堂堡主兰堡堕兰! ! 坠 绪论 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 是仪器技术与计算机技术深层次结合 的产物，它是全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破。它的出现使测量 仪器与计算机之间的界线消失，开始了测量仪器的新时代，是仪器领域的一次革 命。 第一台虚拟仪器诞生于1 9 8 7 年，第二年就有五个生产厂家的3 0 多种产品销 售，到1 9 9 4 年，已有9 5 个厂家的1 0 0 0 多种产品销售。虚拟仪器之所以有如此迅 猛的发展速度，是因为： 它将传统仪器由硬件实现的数据分析处理与显示功能，改由功能强大的p c 计 算机及其显示器来完成；并配置以获取调理信号为主要目的的i o 接口设备( 如 数据采集卡d a q 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器、串口r s 2 3 2 r s 4 8 5 仪器等) ； 再编制不同测量功能的软件对采集获得的信号数据进行分析及显示。以这种方式 构成的虚拟仪器系统实质是计算机仪器系统。从某种意义上来说，“软件就是仪 器”。这意指，当硬件平台一一i 0 接口设备与计算机确定后，编制某种测量功能 的软件就可构成具有该种功能的测试仪器拶1 虚拟仪器对测量仪器发展的深刻意义更在于，测量仪器的功能可以由用户根 据需要自行设计软件来定义或扩展，两不是只能由厂家事先定义且固定不可变更。 这样，用户不必购买多台不同功能的传统仪器，不必购买昂贵的集多种功能于一 身的传统仪器，也不必不断购买新的仪器。因为虚拟仪器可与计算机同步发展， 与网络及其它周边设备互连，用户只需改变软件程序就可以不断赋予它或扩展增 强它的测量功能。这就是说，仪器的设计制造不再是厂家的专利。虚拟仪器开创 了仪器使用者可阻成为仪器设计者的时代，这将给仪器使用者带来无尽的收益。 按照虚拟仪器思想构建的测试系统提高了测量精度、测量速度，减少了开关、 电缆，系统易扩充、易升级，成本低，效率高。不仅如此，与传统仪器相比虚拟 仪器还有许多独特的优点“： 在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的 功能。 研制周期较传统仪器大为缩短。 仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需购 买新的仪器。 器将所有的程控仪器的控制信息集成在软件模块中，用户无须专门查 阅、学习仪器的程控方法与程控指令就可对仪器进行操作： 用计算机强大的图形用户界面( g u i ) 增强了仪器的显示功能； 有几乎无限的数据记录容量； 测量结果中内置多媒体操作指令； 实现自动化的测试过程； 用户可以自定义分析方式和数据接口： 利用网络技术实现多用户数据共享； 自动生成测试运行报告； 垦望里三查兰堡主堂垡篓墨一! i 鱼 提供完整的时间记录和测试说明； 实现高品质的打印功能。 决定虚拟仪器具有上述传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于；“虚拟仪 器的关键是软件”。由于虚拟仪器的上述优点，目前它的应用范围已渗透到电子测 量、振动分析、故障诊断、航天航空、军事工程、电力工程、机械工程、建筑工 程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、教学科研以及其它国民经济的各个领域， 全球虚拟仪器产品销售额在1 9 9 4 年底就达到了2 9 3 亿美元，占了整个仪器销售 额7 3 亿美元的4 ，预计本世纪初叶虚拟仪器的市场占有率将会达到电测和电控 仪器的5 0 ! 由此可见，虚拟仪器，信息时代的产物具有广阔的发展前景，也有 现实的经济意义。 为此，作者在广泛涉猎相关文献资料的基础上，用北京阿尔泰公司的b h 5 1 0 9 采集板开发出“一台”适用于工程信号分析的虚拟仪器v 1 2 0 0 2 ，本文将详细阐述 其开发原理和方法。作者认为这台虚拟仪器具有以下一些特点： 1 数据采集的高度准确性。采集的数据不丢点，而且所采集到的电压值与 实际信号的电压值相符。 2 仪器软件具有极强的健壮性。作者在开发完该仪器软件后，对该仪器的 准确性进行了检验。检验过程中。不但证实了其采集数据的准确性，而 且检验过程中从来没有出现过死机或者非法操作等现象。 3 仪器软件的面板美观而且比较逼真。该仪器的每个按钮旁边都有一个能 基本反映其功能的图标：该仪器的控件丰富，而且有立体感：鼠标指针 也很逼真，能适应各种不同的控件。 4 软件的操作简单，完全可以只用鼠标不用键盘就可完成所有操作。操作 期间不弹出对话框( 除文件操作外) 。 5 仪器软件的功能比较多。特别是针对b h 5 1 0 9 采集板所能提供的功能开 发得比较全面，譬如d a 模拟输出功能，该仪器能输出一5 v 一一+ 5 v 的模 拟电压以供工程中使用。 6 仪器软件在实现打印波形功能方面采用了比较巧妙的方法。原本在 v i s u a lc + + 中开发基于对话框的应用程序( 作为虚拟仪器软件为了使其 面板逼真必须使用基于对话框的应用程序) ，要实现打印图形的功能是 很困难的，该软件采用了暗渡陈仓之计实现了此功能。 7 程序代码比较简单，作者在编程时尽量考虑用最简单的程序代码完成最 复杂的功能。作者在完成该软件设计后与其它仪器软件作了比较，发现 该软件功能上比别的软件稍强，而代码只有别的程序的一半稍多一点。 由于时闻关系，该仪器软件中作者在数字信号分析与处理以及故障诊断方面 的编程没能尽善尽美，譬如数字滤波、三维谱、谱平均等等。应该说这是其中的 一大遗憾。 由于作者学识浅薄，特别是专业知识不够扎实，文中错误之处难免，恳请各 位专家、读者批评指正，谢谢1 2 昆明理工大学硕士学位论文 第一章虚拟仪器的基本理论 第一章虚拟仪器的基本理论 测试技术与科学研究、工程实践密切相关。科学技术的发展促进测试技术的 发展，测试技术的发展反过来又促进科学技术的提高。测量仪器发展至今，大体 经历了四代发展历程。 第一代模拟仪器是以电磁感应基本定律为基础的模拟指针式仪表。当2 0 世纪 5 0 年代出现电子管，6 0 年代出现晶体管时，便产生了以电子管或晶体管为基础的 第二代测试仪器一一分立元件式仪表。2 0 世纪7 0 年代集成电路的出现，诞生了以 集成电路芯片为基础的第三代仪表一一数字式仪表。随着微电子技术的发展和微 处理器的普及，2 0 世纪8 0 年代以微处理器为核心的第四代仪器一一智能式仪表迅 速普及。目前微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机深层次的 结合正引起测试仪器领域里一场新的革命，一种全新的仪器结构概念导致新代 仪器一一虚拟仪器的出现，它的出现使得人类的测试技术进入了一个新的发展纪 元【8 1 。 第一节虚拟仪器的基本概念 1 1 1 什么是虚拟仪器 。 2 0 世纪8 0 年代末美国研制成功了虚拟仪器。虚拟仪器的发展标志着自动测试 与电子测量领域技术发展的一个崭新方向。所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机 为核心的硬件平台上，由用户设计定义、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【8 1 。使用者用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系 统硬件平台，就如同使用一台专用电测量仪器。虚拟仪器的出现，使测量仪器与 个人计算机的界线模糊了。 虚拟仪器是利用p c 计算机显示器( c r t ) 的显示功能模拟传统仪器的控制面 板，以多种形式表达输出检测结果，利用p c 计算机强大的软件功能实现信号数据 的运算、分析、处理，由i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成 各种测试功能的一种计算机仪器系统。“虚拟”二字主要包含两方面的含义： 第一，虚拟仪器的面板是虚拟的。 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仅器面板上的各种“器件”所完 成的功能是相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现仪器电源的“通”、 “断”；被测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置；测量结果的“数值 显示”、“波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”、“触摸”来进行 操作的，而虚拟仪器面板控件是外形与实物想象的“图标”，“通”、“断”、“放 大”等对应着相应的软件程序。这些软件已经设计好了，用户不必设计，只需 选用代表该种软件程序的图形“控件”即可，由计算机的鼠标“键击”来对其 进行操作。 昆明理工大学硕士学位论文 第一章虚拟仪器的基奉理论 第二，虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的。 在以p c 计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程设计来实现 仪器的测试功能，而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 试功能，因此有在硬件平台确定后“软件就是仪器”的说法。它体现了测试技 术与计算机深层次的结合。 1 1 ，2 虚拟仪器的构成及其分类 虚拟仪器由通用仪器硬件平台( 简称硬件平台) 和应用软件两大部分构成。 1 1 2 1 通用仪器硬件平台 构成虚拟仪器的硬件平台有两部分【8 l ： ( 1 ) 计算机：一般为一台p c 机或者工作站，它是硬件平台的核心。 ( 2 ) i o 接口设备：主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换。可根 据不同的实际情况采用不同的i o 接口硬件设备，如数据采集卡板 ( d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串口仪器等等。虚拟仪 器的构成发生主要有五种类型，如图1 1 框图所示。 i o 接口设备 图1 - l 虚拟仪器的构成方式 p c d a q ( d a t a a c q u i s i t i o nq u a n t i z e r ) 系统：是以数据采集板、信号调理 电路和计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。采用p c i 或者i s a 计算机本身的总线，故将数采卡板( d a q ) 插入计算机的空 槽中即可。 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n s t r u m e n tb u s ) 系统：以g p i b 标准总线仪器与 计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 v x i ( v m e e x t e n s i o n sf o r i n s t r u m e n t ) 系统：以v x i 标准总线仪器模块与 计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 p x i ( p c i e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t ) 系统：以p x i 标准总线仪器模块与计 算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统。 串口系统：以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟 仪器测试系统。 无论上述哪种v i 系统，都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合。 其中，p c d a q 测量系统是构成v i 的最基本的方式，也是最廉价的方式。 1 1 2 2 软件结构 虚拟仪器软件结构由两大部分构成。 4 垦堕里三苎兰堡主兰堡笙苎 墨二主垦型堡墨堕墨! ! ! ! 鱼 ( 1 ) 应用程序。它包含两个方面的程序： i 实现虚拟面板功能的前面板软件程序。 沌定义测试功能的流程图软件程序。 ( 2 ) i 0 接口仪器驱动程序。这类程序用来完成特定外部硬件设备的扩展、驱动 与通信。开发虚拟仪器，必须有合适的软件工具。目前已有多种虚拟仪器的 软件开发工具。 文本式编程语言：如c 、v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等。 图形化编程语言：如l a b v i e w 、h p v e e 等。 第二节虚拟仪器的标准总线 随着工业生产过程的现代化，需要测试的数据量越来越大，同时，各计算机 之间也可能进行数据交换，某些场合还需要进行异地或远程控制与测量，所有这 些技术要求，如果没有高速率、高精度的信号传输装置，要想完成测试任务显然 是不可能的。虚拟仪器的先锋及其支持者从一开始就充分意识到信号传输装置特 殊的地位和作用，因而在虚拟仪器技术十余年的探索过程中，他们直十分重视 仪器总线技术的研究和开发，目前已形成多种标准规范的仪器总线口。下面就针 对在虚拟仪器组建过程中运用最为普遍的g p i b 总线、v x i 总线和p x i 总线作概 略介绍。 t 1 2 1g p i b 总线 g p i b 总线( 即i e e e 4 8 8 总线，其全称为通用接口仪嚣总线g e n e r a lp u r p o s e i n s t r u m e n tb u s ) 是一种并行外总线，是h p 公司于1 9 7 8 年制订的总线标准，后被 定义为g p i b 总线。g p i b 技术可以说是虚拟仪器技术发展的第一阶段，它的出现 使电子测量由独立的单台手动操作向大规模自动测试系统发展。g p i b 总线主要用 于连接测试仪器和计算机。它往往用来连接特定的系统或功能模块，因而应用起 来很不灵活。g p i b 总线采用非同频传送方式，数据传输速度相对较慢，最高只有 l m b ，s ，如果采用高速h s 4 8 8 交握协议，可以利用标准g p i b 电缆，使g p i b 系统 的传输速率提高到8 m b s 。 典型的g p i b 系统由一台p c 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的仪 器通过g p i b 电缆连接而成。在标准情况下，一块g p i b 接口卡可带多达1 4 台仪 器，电缆长度可达2 0 米。 g p i b 技术利用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式， 排除了人为因素造成的测量误差，可以很方便遗把多台仪器组合起来形成大规模 自动测量系统，开辟了从传统仪器迈向虚拟仪器的道路。 1 2 2 v x i 总线 一概述 v x i ( v m e e x t e n s i o n s f o r i n s t r u m e n t ) 总线是高速计算机总线v m e 在仪器领 域的扩展。自1 9 8 7 年提出v x i 总线技术规范以来，v x i 技术取得了迅速的发展， 昆明理工火学硕士学位论文 第一章虚拟仪器的基本理论 在国际自动测试系统领域得到了普遍认可，并成为电子测量仪器技术发展的一个 主要方向。v x i 规范于1 9 9 3 年被正接纳为i e e e l l 5 5 标准。1 9 9 3 年1 1 月，由美 国g e n r a d 、n i 、r a c a l 、t e k t r o n i x 和w a v e t e k 等公司共同发起成立了v x i 即插即 用系统联盟( v x ip l u g & p l a ya l l i a n c e ) 。它的宗旨是促进v x i 产品在系统层面上更 具易用性、开放性和互用性。现在，世界上有几百家厂商和公司生产近1 3 0 0 种的 v x i 产品，真正成为多供应商的、开放的工业标准化产品。 二v x i 总线的机械尺寸 v x i 总线模块有a 、b 、c 、d 四种尺寸，a 和b 尺寸模块实际上是v m e 总 线单高度和双高度扳。c 和d 尺寸模块是具有插槽间隔1 2 英寸的大“欧洲插卡” 标准尺寸。模块可以是一块印制电路板或是一个包括几块印制电路板的封闭机盒 部件。如果仪器需要超过1 2 英寸，在v x i 总线机箱中可以多占几个插槽。 三v x i 总线特点【2 8 】 f 1 ) v x i 总线技术向所有厂商开放，并与现有工业标准兼容，这种公开系统规 范在相同插件底板中提供不同厂商产品的互连与操作。作为一种开放的仪器结构， v x i 总线满足了高精度、高性能模块仪器的市场需求，用户可广泛选择许多厂家 的自动化测试设备并获得长期产品支持。目前，全世界有超过1 0 0 多家公司制造 v x i 产品，这就意味着v x i 产品种类将不断增加，使之对现有及今后的新应用更 具吸引力。 ( 2 ) v x i 背板最初可实现4 0 m b s 的理论数据传输速率，这个数据传输速率已被 p c i 及其它的计算机总线所超越。现在的v x l 2 0 修订版采纳了v m e 6 4 技术规范 ( a n s i v i t a 一1 9 9 4 ) 的部分容易提高速度和增加可靠性，理论上的数据传输率提高 到8 0 m b s 。当然，实际的数据传输速率要远远低于理论数据。 ( 3 ) 可在一个v x i 机架上插入多达1 3 块插卡，同时v x i 允许把机架连接到一 起，构成数千个通道的数据采集系统。v x i 模块有a b c d 四种尺寸，其中d 尺寸 模块除装有p 1 、p 2 连接器外，还装有p 3 连接器。p 3 上包括1 0 0 m h z 时钟和同步 信号，更多的e c l 触发线以及菊花链局部总线的2 4 条附加线。重要的是p 3 还定 义了一个由两条星型线组成的星型触发系统，作为交叉点开关通过0 槽传送精确 的e c l 触发信号，不管模块位置如何，模块间的触发器定时匹配均十分精确。 ( 4 ) 为了满足测控模块的需要，v x i 总线通过p l 连接器提供了1 6 m h z 的系统 时钟，通过p 2 连接器提供了1 0 m h z 的系统时钟、t t l 与e c l 触发总线、模拟相 加总线以及1 2 引脚的局部总线。这样同步、触发和时钟等功能的信号线均可直接 从v x i 总线上获得，而不需要过去那种繁多的连线和电缆。 四v x i 总线的系统配置 v x i 总线系统的配置方案是影响系统整体性能的最大因素之一。根据控制器 的物理位置v x i 总线系统的控制方案可分为内部控制器配置和外部控制器配置。 内部控制器配嚣指作为控制器的计算机也象v x i 模块化仪器一样做成v x i 模块， 插在v x i 机箱内，直接通过v x i 背板总线控制各个v x i 模块仪器。外部控制器配 置是指作为控制器的计算机处于v x i 机箱之外，通过某种转换接口控制v x i 背板 总线达到控制v x i 模块化仪器的目的。由于外部控制器需要通过一种接口与v x i 机箱连接，因此，其具体实现又有多种形式。最早的外部控制器配置方式是g p i b 6 昆明理工大学硕士学位论文 第一章虚拟仪器的基本理论 - - v x i ，后来又出现了m x i ( m u l t i s y s t e m e x t e n s i o ni n t e r f a c eb u s ) - - v x i ，新近又依 据计算机i o 接口的发展而出现了i e e e l 3 9 4 - - v x i 。随着科学技术的发展，外部 控制器采用的接口仍可能不断地提高性能，更趋完美。 1 2 3p x i 总线 一概述 1 9 9 7 年9 月1 日，n i 公司发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范 p x i 。p x i ( p c i e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t ) 总线是p c i 总线在仪器领域的扩展，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同步的触发总线和参考时钟、用于精确定 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测试用户的要 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 tw i n d o w sn t 和 m i c r o s o f t w i n d o w s 9 5 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 ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，虚拟仪器软件结构) 规范编写 的w i n 3 2 设备驱动程序，使p x i 成为种系统级规范，保证系统的易于集成和使 用，从而进一步降低最终用户的开发费用。 = p x i 模块机械尺寸 ； 与v x i 规范的要求相似，p x i 规范定义了一个包括电源系统、冷却系统和安 插模块槽位的一个标准机箱。p x i 在机械结构方面与c o m p a c t p c i 的要求基本相同， 采用了a n s l 3 l o c 、i e c - - 2 9 7 和i e e e l l 0 1 1 等在工业环境下具有很长应用历史 的e u r o e a r d 规范，支持3 u 和6 u 两种模块尺寸，它们分别与v x i b u s 的a 尺寸和 b 尺寸相同。 p x i 规定系统槽( 相当于v i x 的零槽) 位于总线的最左端，主控模块只能向左 扩展自身的扩展槽，而不能向右扩展占用仪器模块插槽。p x i 仪器模块安装在右 边余下的七个槽内，同时用户可以在第一个外围插槽( 系统插槽的相邻槽) 安装一个 可选的星形触发控制器，为其它外围模块提供非常精确的触发信号。 三p x i 总线电气结构 p x i 总线规范是在p c i 规范的基础上发展丽来的，具有p c 的性能和特点， 包括3 2 6 4 位数据传输能力以及分别高达1 3 2 m b y t e s s 和2 6 4m b y t e s s 的数据传输 速度，另外还支持p c i - - p c i 桥路扩展和即插即用。p x i 在保持p c i 总线所有这些 优点的前提下增加了专门的系统参考时钟、触发总线、星形触发线和模块间的局 部总线，以此来满足高精确度的定时、同步与数据通信要求。所有这些总线位于 p x i 总线背板，其中星形总线是在系统槽右侧的第1 个仪器模块槽与其它6 个仪 器槽之间分别配置了一条唯一确定的触发线形成的。 四p x i 总线特点 ( 1 ) p 总线是p c i 总线的增强与扩展，并与现有工业标准c o m p a e t p c i 兼容， 昆明理= = = 入学硕卜学位论文 第一章虚拟仪器韵基本理论 它在相同插件底板中提供不同厂商产品的互连与操作。作为一种开放的仪器结构， p x i 提供了在v x i 以外的另一种选择，满足了希望以比较低的价格获得高性能仪 器模块的顾客要求。自n i 公司推出p x i 技术后，从事v x i 产品开发的中小公司 纷纷响应，但象h p 等这样的大公司至今仍保持沉默，从而形成p x i 产品种类不 如v x l 产品丰富的局面，这将对现有及以后的新应用产生一定的影响。 ( 2 ) p x i 最初只能使用内嵌式控制器，最近n i 公司发布了m x i 一3 接口，扩展 了p x i 的系统控制，包括直接p c 控制、多机箱扩展和更长的距离控制，扩大了 p x i 的应用范围。 ( 3 ) 可在一个p x i 机架上插入8 块插卡( 1 个系统模块和7 块仪器模块) ，而且可 以通过n i 公司的多系统扩展接口m x i 一3 ，以星形或菊花链连接多个p x i 机箱。 当然，此时星形触发总线就无法发挥其作用了。 r 4 ) 为了满足测控模块的需要，p x i 总线通过儿连接器提供了3 3 m h z 的系统 时钟信号，通过j 2 连接器提供了i o m h z 的t t l 参考时钟信号、t t l 触发总线和 1 2 引脚的局部总线。这样，同步、触发和时钟等功能的信号均可直接从p x i 总线 上获得，而不需要繁多的连线和电缆。p x i 也定义了一个星型触发系统，与v x i 不同的是，它通过1 槽传送精确的触发信号，用于模块间精确定时。 五p x i 总线的系统配置 p x i 总线系统由p x i 机箱、p x i 系统控制器及若干p x i 仪器模块组成。系统控 制器是p x i 系统的核心，它实际上是一台高性能计算机，而p x i 仪器模块均为3 u 尺寸( 1 0 0 1 6 0 m m ) ，每个模块后部有j l 和j 2 两个连接器，与p x l 背板总线相连。 第三节虚拟仪器的开发平台 虚拟仪器的开发平台有专用开发平台与通用开发平台之分。专用开发平台是 指n i 公司推出的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 以及h p 公司推出的v e e 等专门用于 虚拟仪器开发的平台，而通用开发平台则是指v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等可视 化编程语言。 1 3 1 专用开发平台 l a b g i e w 让我们设想一下，如果有这样一种仪器开发工具，在这种开发环境中，用户 可以从自己的需求出发，随心所欲地组织仪器的控制面板，然后通过简单的连线 操作。一台功能复杂的测试系统设计工作便可大功告成，真要是这样，该是多么 的惬意! l a b v i e w 就能完成这样的任务。 l a b v i e w 是n i 公司推出的图形化软件开发平台，各个专业领域的工程师、科 学家通过定义和连接代表各种功能模块的图标，就可方便迅速地建立起只有高超 编程技巧的程序员才能编制的高水平应用程序。因此，它又被称为“面向工程师 和科学家的编程平台”。 l a b v i e w 具有如下特点”3 ： 1 图形化的仪器编程环境 昆明理工大学硕士学位论文 第一苹虚拟仪器的基本理论 l a b v l e w 使餍“所见即所得”的可视化技术建立人机界面。针对测试测量和过 程控制领域，l a b v i e w 提供了大量仪器面板中的控制对象，如表头、旋纽、图表等， 用户还可以通过控制编辑器将现有的控制对象修改为符合自己工作领域的控制对 象。 2 直观明了的前面板用户接口及流程图式的编程风格 l a b v l e w 用国标表示功能模块，用图标间的连线表示各功能模块间的数据传 递，使用为大多数工程师和科学家熟悉的数据流程图式语言书写源程序代码，这 就使得编程过程与思维过程非裳近似。 3 灵活的程序调试手段 用户可以在源代码中设置断点单步执行源代码：在源代码中的数据流上设置 探针，观察程序运行过程中数据流的变化；在数据流程固中以较慢的速度运行程 序；根据连线上显示的数据值检查程序运行的逻辑状态等。 4 内置的程序编译器 l a b v i e w 采用编译方式运行3 2 位应用程序，这就解决了其它以解释方式工作 的图形化编程平台程序运行速度偏慢的问题，其运行速度与编译c 的速度相当。 5 功能强大的函数库 l a b v i e w 提供大量的函数库供用户调用。从底层的v x i 、g p i b 、串口及数据采 集板的硬件控制子程序到6 0 0 多个仪器驱动程序，从基本的数学函数、字符串处 理函数、数组运算函数和文件i 0 函数到高级分析库( 包括信号处理、窗函数、滤 波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合等) ，涵盖了仪器设计中几乎 所有需要的函数。 6 。支持多种系统平台 l a b v i e w 支持多种系统平台，如m a c i n t o s h 、p o w e rm a c i n t o s h 、h p - u x 、s u n s p a r c 、w i n d o w s 3 x 、w i n d o w s 9 x 、和w i n d o w sn t 等；在以上任何一个操作系统平 台上开发的乙曲v i 跏应用程序均可直接移植到其它平台上。 7 开放式的开发平台 l a b v i e w 提供d l l 库接口和c i n 节点，使用户能在l a b v i e w 平台中调用由其它 软件平台编译的模块，从而在l a b v i e w 环境下可以控制用户自己开发的专用仪器 硬件；l a b v i e w 提供了与l a b w i n d o w c v l 源代码相互调用的接口，提供对o l e 的支 持，可与其它应用软件仪器构成功能更为强大的应用程序开发环境。 8 网络功能 l a b v i e w 支持t c p i p 、动态数据交换( d d e ) 、i a c 等网络功能。 9 d a t as o e k e t d a t as o c k e t 用统一的高层a p i 封装了底层的t c p i p 通讯协议，用户无须编 写大量的代码，便可利用d a t as o c k e t 在不同的网络接点之间进行数据或信息的 传输、共享，极大地简化用户的工作。用户可以用d a t as o c k e t 建立一个智能远 程测试节点，实现网络测试，并可以通过d a t as o c k e t 把测试结果发布给本地p c 。 或者可以在本地建立一个测试节点，通过d a t as o c k e t 把测试结果发布给任何一 个远程网络p c 节点。 9 昆明理工大学硕士学位论文 第一章虚拟仪器的基本理论 1 0 v is e r v e r l a b v t e w 提供了功能强大的企业级互连工具，包括s o l 工具、s p c 工具和 i n t e r n e t 工具。利用这些工具用户可以实现对数据库的操作和对s p c 的质量控制。 1 1 l a b v i e wr t l a b v l e w 在实时领域的扩展，是一种性能价格比非常高的实时测试控制方案， 它是l a b v i e w 和基于p c 的数据采集分析和处理系统在各种应用领域中的推广。对 于实时处理或有精确的时延要求的系统，由于w i n d o w s 操作的非实时性，无法在 w i n d o w s 环境下使用。l a b v i e wr t 采用一种全新的解决方案，即使在实时性要求 非常严格的应用场合都能够用l a b v i e wr t 来解决。 l a b v i e wr t 符合世界标准，这使其具有极大的灵活性和升级能力，并且将图 形化的编程风格贯穿其中。同时，在实时系统运行时，l a b v i e wr t 利用独立的在 板处理器进行实时运算，完全不需要主机c p u 和操作系统的任何干预。 用户构建系统时，在主机的l a b v l e wr t 上进行编程，一旦调试完毕开始运行 时，l a b v i e wr t 将执行代码下载到在板处理器中执行。 l a b v i e wr t 包括两个部分：开发环境和r t 引擎。开发系统运行于主机上，提 供了与l a b v l e w 相同的图形编程界面。同时可将代码下载到r t 系列的d a q 板上。 r t 引擎运行于r t 系列d a q 板的处理器上，负责执行下载来的代码以保证系统的实 时性。对用户来讲，构建一个实时系统，只需在开发系统下和平常一样编程，再 从下级菜单上选择一个命令就可以了。 当实时系统开始运行时，l a b v l e wl i t 的开发系统与实时系统不再有任何关系， 而需要与实时系统间相互传送信息的l a b v i e w 应用程序仍然可以通过直接访问嵌 入式r t 系列d a q 的共享内存方式与实时系统保持通讯，无论是本地传送、通过 t c p i p 或是通过v is e r v e r 传送执行命令都可以。 二、l a b w i n d o w s c v i l a b w i n d o w s e v i 是美国n i 公司提供的另一套开发平台。它以a n s ic 语言为 核心，将功能强大、使用灵活的c 语言平台和用于数据采集、分析和表达的测控 专业工具有机地结合起来。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能 面板和库函数大大增强了c 语言的功能，为熟悉c 语言开发人员建立检测系统、 自动测量环境、数据采集系统、过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。 l a b w i n d o w s c v i 具有以下特点f 1 4 j ： 1 集成开发平台 l a b w i n d o w s c v i 将源码编辑、3 2 位a n s ic 编译、联接、调试以及标准a n s ic 库等集成在一个交互式开发环境中，因此，用户可以快速方便地编写、调试和修 改应用程序，形成可执行文件在w i n d o w s 和s u ns o l a r i s 等操作系统中运行。 2 交互式编程方法 l a b w i n d o w s c v i 编程技术采用事件驱动和回调函数方式，对每一个函数都提 供一个函数面板，用户可以在函数面板上交互式输入函数的各个参数，在脱离主 程序的情况下直接在函数面板中执行函数操作，并能方便地把函数语句嵌入c 源 代码中，用户还可以通过变量声明的方式声明面板交互式变量。由于采用这种交 互式编程技术，大大减少了源码语句的键入量，减少了程序语法错误，提高了工 昆明理工大学硕士学位论文 第一章虚拟仪器的基本理论 程设计的效率与可靠性。 3 简单直观的图形用户界面设计 l a b w i n d o w s c v l 支持“所见即所得”的可视化交互技术，通过弹出式菜单定 义界面对象与程序c 代码的通信属性和自身属性。人机交互界面存储在后缀名 为u i r 的文件中，c v i 自动生成源代码头文件、声明界面对象常量及相关的回调 函数。 4 完善的兼容性 借助于l a b w i n d o w s c v i ，有经验的c c + + 语言开发人员可以采用他们所熟悉 的c 编程环境，如v i s u a c + + ，b o r l a n dc + + ，s y m a n t e cc + + 和w a t c o mc 等，开 发自己的虚拟仪器系统。另外，l a b w i n d o w s c v l 可将仪器库函数及子程序编译成 3 2 一b i td l l ，以用于任何3 2 b i tc c + + 环境中，以及v i s u a lb a s i c 或l a b v i e w 中。 5 灵活的调试手段 l a b w i n d o w s c v i 提供变量显示窗口，以便观察程序变量和表达式值的变化情 况，同时还具备单步执行、断点执行、过程跟踪、参数检查、运行间内存检查等 多种调试手段。 6 功能强大的函数库 l a b w i n d o w s c v i 针对测控领域的应用提供了功能强大、使用方便的库函数， 如a n s ic 库函数、高级数据分析库函数、数据采集、g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 硬件驱 动函数库、仪器驱动函数库、d d e 和t c p i p 网络函数库等。 7 网络功能 ， l a b w i n d o w s c v l 支持t c p i p 、动态数据交换( d d e ) 等网络功能。 三、v e e v e e 是美国h p 公司提供的可视化编程语言，可用于管理仪器控制、测量处理 和测试报告等日常编程任务。它通过连接功能图标或对象的方法加快了测试程序 的开发，所产生的类似于框图的程序运行质量与用c c + + 或v i s u a lb a s i c 编写的 程序一样好。 h pv e e 具有以下性能和特点： 1 控制仪器。它的仪器管理器进行总体扫描，并自动配置仪器地址，提供仪 器和p c 插卡问的接口，使用v x l 即插即用驱动程序或a c t i v e x 控制，可直接控制 任何仪器，包括用户自行制造的仪器。 2 采集和处理数据。提供2 0 0 种以上的数学运算和分析功能，从基本的数学 运算到微积分、数字信号处理和回归分析，遇到复杂数学公式时，可用公式框简 化，提供1 4 种灵活的数据类型。 3 可视化数据显示。通过多种多样的用户界面对象，能方便地生成操作界面 和软面板，提供各种可视化显示，通过标记、颜色、点线类型和标尺自行定义显