（机械电子工程专业论文）网络化虚拟仪器及其在pda中的应用研究.pdf

中文摘要 摘要 虚拟仪器必须与i t 相关技术同步才具有生命力，正如计算机技术的出现和发 展促使了虚拟仪器技术的产生和推广应用，引发了测控界的一场革命。计算机网 络和通信网络在近二十年发展迅速，已经渗透到各行各业，和虚拟仪器结合就形 成了网络化虚拟仪器。网络化虚拟仪器在网络教学实验、远程数据采集与控制、 远程钡8 量仪器设备资源的共享、远程设备故障诊断、远程测试等领域有广泛的应 用。 随着嵌入式技术的发展，p d a ( p e r s o n a ld i g i t a l a s s i s t a n t ) 性价比也越来越高。 将虚拟仪器技术和网络化虚拟仪器技术应用到p d a 上，形成了基于p d a 的手持 式虚拟仪器。手持式虚拟仪器充分发挥了p d a 便携的特点，并利用p d a 的无线 通信功能，让测试任务变得更加方便、自由度更大。 网络化虚拟仪器和手持式虚拟仪器是虚拟仪器发展的重要方向，具有极大的 市场潜力和应用前景。对网络化和手持式虚拟仪器技术的研究和相关产品的开发 具有很重要的理论和现实意义。本文详细地阐述了以下几方面的创新性的研究工 作。 1 ) 对网络化虚拟仪器及实现技术做了深入研究。从网络化数据获取、网络化 数据管理、网络化数据分析、网络佬数据共享与发布到两络亿虚拟仪器的表现形 式，涵盖了网络化虚拟仪器的各个方面。 2 ) 将虚拟仪器和网络化虚拟仪器的概念与技术应用于p d a 上，提出了手持 式虚拟仪器的概念和技术解决方案。 3 ) 提出了基于w l a n 、蓝牙、红外线和g p r s 等无线技术的手持式虚拟仪器 开发模式和应用方案。采用这些无线技术可以增加虚拟仪器的灵活性。 4 ) 研究了将w e bs e r v i c e s 技术应用到虚拟仪器开发的方法和途径。 5 )自主开发了基于p d a 的网络化虚拟仪器开发工具包。利用组件开发方式， 开发了手持式虚拟仪器分析组件、数据呈现组件、数据传输组件等，并与v i s u a l s t u d i o n e t 平台无缝集成。可以快速的进行手持设备的网络化应用开发。 6 )自主开发了基于p d a 的数据流压缩解压组件，能够集成在应用中，对数 据流进行压缩解压处理，减小数据流的大小，缩短传输时间。 7 ) 利用基于p d a 的网络化虚拟仪器开发工具包开发了手持式数据记录仪、 移动式温度监测仪、手持式f f t 分析仪和小波变换分析仪等手持式虚拟仪器。 关键词：网络化虚拟仪器，p d a ，手持式虚拟仪器，手持式虚拟仪器开发工具包 英文摘要 a b s t r a c t t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u eh a sv i t a l i t yo n l yk c 印u pw i t ht h ep r o g r e s so f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h ei n v e n t i o na n dw i d e l ya p p l i c a t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n t w h i c hi sc a u s e db yc o m p u t e rt e c h n o l o g yh a sm a d eat e c h n i c a lr e v o l u t i o ni nm e a s u r i n g a n dc o n t r 0 1 c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd e v e l o pr a p i d l yi nr e c e n tt w o d e c a d ea n dh a sb e e na p p l i e dt oe v e r yw a l ko fl i f e n e t w o r ka n dv i r t o a li n s t r u m e n t c o m b i n et on e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n tw h i c hi sw i d e l yu s e di nr e m o t et e a c h i n ga n d e x p e d m e n ln e t w o r k e dd a t ac o l l e c t i o na n dc o n t r o l ，s h a r i n gr e m o t ei n s t r u m e n t s ，r e m o t e f a u l td i a g n o s e ，r e m o t em e a s u r e m e n t , r e m o t em o n i t o r t h ep e r f o r m a n c e c o s tr a t i oo fp d af p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) i si n c r e a s i n gw i t h t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y p o c k e tv i r t u a li n s t r u m e n ti sar e s u l to f a p p l y i n gv i r t u a li n s t r u m e n ta n dn e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yt op d a p o c k e tv i r t u a li n s t r u m e n ti s l i g h t ，s m a l l ，p o r t a b l e a n dc a ne q u i pw i t hw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h u st e s ta n dm e a s u r e m e n tt a s kb e c o m em o r ef l e ea n dm o r e c o n v e n i e n t n e t w o r k e da n dp o c k e tv i r t u a li n s t r u m e n ti st h em o s ti m p o r t a n c ed i r e c t i o ni nt h e d e v e l o p m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t ，h a v em a r k e tp o t e n t i a la n da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i t i sv a l u a b l ea n ds i g n i f i c a n c ef o r s t u d y i n gn e t w o r k e da n dp o c k e tv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n i q u ea n df o rd e v e l o p i n gv i r t u a li n s t r u m e n tp r o d u c t s t h es t u d yf o rt h i sa r es h o w e d i nd e t a i la sf o l l o w s ： 1 ) d e e p l ys t u d yn e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n ta n di t sr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g y f r o m n e t w o r k e dd a t aa c q u i s i t i o n ，n e t w o r k e dd a t am a n a g e m e n t ，n e t w o r k e dd a t aa n a l y z e ， n e t w o r k e dd a t as h a r i n ga n dr e l e a s et of o r mo f n e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n t 2 ) a p p l y i n gv i r t u a li n s t r u m e n ta n dn e t w o r k e dv i m l a l i n s t r u m e n tc o n c e p ta n d t e c h n o l o g yt op d a ，w eg i v et h ec o n c e p to fp o c k e tv i r t u a li n s t r u m e n ta n db u i l di t s t e c h n i q u es y s t e m 3 ) 1 1 1 ew a y st oa p p l yw l a n ，b l u e t o o t h ，i r d a ，g p r st op o c k e tv i r t u a l i n s t r u m e n ta r ed i s c u s s e d t h o s ew i r e l e s st e c h n o l o g i e sc a ne n h a n c ef a c i l i t yo fv i r t u a l i n s t r u m e n t 4 1s t u d yt h ew a yt h a ta p p l y i n gw 曲s e r v i c e st ov i r t u a li n s t r u m e n t 5 1t h ed e v e l o p i n gt o o l k i to fp o c k e tv i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do nv s n e tc o n s i s t s o fv i r t u a li n s t r u m e n tc o n t r o l l i n gp a n e ll i b r a r y , a n a l y z i n gl i b r a r ya n dd a t at r a n s m i t t i n g i 重庆大学博士学位论文 l i b r a r yw h i c ha r es e a m l e s si n t e g r a t e dw i t hv s n e tb yp l u g - i n 1 1 1 ea p p l i c a t i o n so f n e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n tb a s e dp d ac r nb er a p i d l yd e v d o pw i t ht h i st o o l k i t 6 、t h ed a t as t r e a mc o m p r e s sl i b r a r yb a s e dp d ah a sb e e nd e v e l o p e dw h i c hc a l lb e c o m b i n ea p p l i c a t i o nt oc o m p r e s sd a t a , r e d u c es i z eo fd a t aa n dt r a n s f e rt i m e 7 ) p o c k e td a t al o g g e r , m o b i l et e m p e r a t u r em o n i t o r , p o c k e tf f ta n a l y z e r , p o c k e t w a v e l e ta n a l y z e ra r eb u i l tu s i n gt h ed e v e l o p i n gt o o l k i to f p o c k e tv i r t u a li n s t r u m e n t k e y w o r d s ：n e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n t , p d a ，p o c k e tv i r t u a li n s t r u m e n t ，p o c k e t v i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n tt o o l k i t i v 1 绪论 l 绪论 1 1 论文所属项目的来源 本项目受重庆市信息产业项目网络化软件仪器产业化资助。 1 2 研究目的及意义 纵观测试仪器的发展过程，我们可以看出计算机、微电子、通信和网络等技 术是测试仪器发展的基本保障。尤其个人计算机的出现和软件开发方法与工具的 进步，是虚拟仪器产生的必要条件。另一方面，这些技术的进步也推动了测试仪 器的发展。网络技术在近2 0 年的时间里得到飞速的发展，现在已经应用到各行各 业中。在测试领域，随着测试对象越来越复杂，测试范围越来越大，这就需要网 络化虚拟仪器来解决远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调 用、远程设备故障诊断、远程测试和网上教学实验等具体问题。网络化虚拟仪器 是2 1 世纪虚拟仪器发展的重要方向，具有极大的市场潜力和应用前景。 随着便携设备性能不断的提高、价格不断的下降、无线网络越来越普及，使 得将虚拟仪器技术应用到便携设备成为可能。手持式虚拟仪器是将虚拟仪器中关 键的个人计算机采用掌上电脑代替，将掌上电脑作为仪器统一的硬件平台，完成 数据采集、分析、存储、打印和网络共享等功能。尤其将网络化虚拟仪器技术应 用到便携设备中，借助有线或无线网络，能够应用到对时间和空间要求比较严格 地手持式信号采集、远程状态监测和现场测试系统中。由于使用了网络化虚拟仪 器技术，系统具各网络化虚拟仪器的特点，同时它还有小巧和轻便的优点，能够 广泛应用于各种测试场合。 1 3 国内外现状综述【1 - 1 0 , 2 1 , 2 2 , 2 8 】 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s 简称n i ) 予8 0 年代中期提出虚拟仪 器的概念以来已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器以及虚拟仪器开发平台， 成为这类新型仪器世界第一生产大户。在n i 公司之后，美国惠普( h p ) 公司、 w a v e t e s t 公司、r a c a l 公司等也相继推出了多种虚拟仪器开发系统。如h p 公司的 h p v e e 开发应用程序和h p b a s i c ，w a v et e s t 公司的w a v et e s tv i p ( 可视仪器编 程器) 等。 n i 公司针对l a b v i e w 和l a b w i n d o w s 提供了网络开发工具包i n t e m e t d e v e l o p e r st o o l k k ，利用该工具包可以实现各种网络通信功能，如：发送包含测控 信息的电子邮件，将文件或数据传送到f t p 服务器，利用浏览器浏览虚拟仪器， 重庆大学博士学位论文 编写c g i 程序实现服务器端操作等。此外l a b v i e wr e m o t ep a n e l s 技术可以通过 简单的配置利用m 控制l a b v i e w v l s 。 安捷伦公司的v e e 是其推出的具有代表性的虚拟仪器开发平台，其中提供了 大量的网络开发工具，如t c p i p 、a c t i v e x 功能等。由于安捷伦公司的强项在于成 套的自动化测试仪器，因此，它们的网络功能侧重于测试仪器设备的远程调用。 在便携式和手持式仪器方面，有多家公司生产的多种产品。这方面的厂商有 f l u k e 、r a y t e k 、v a i s a l a 、n t i 、安立、r o h d e & s c h w a r z 等，产品有数据记录仪、 温度检测仪、音频分析仪、频谱分析仪、心电监测仪等。这些仪器分为两类：一 是在笔记本电脑的基础上开发的仪器，这类仪器实际上和传统的虚拟仪器相同， 因为笔记本电脑的结构、操作系统、接口方式等同p c 机没有什么区别；另一类是 采用单片机或嵌入式技术开发，这类仪器功能单一、成本较高。 而采用通用的p d a 软件硬件平台，可以使用虚拟仪器技术构建手持式虚拟仪 器。在体积、成本和无线连接等方面都占优势。n i 公司的l a b v i e wp d a 模块可 以以图形化的方式开发基于p d a 的虚拟仪器，但该模块必须依托l a b v i e w 平台， 软件成本较高。此外还有许多基于p d a 的测试应用，但功能都比较单一。 我国虚拟仪器的发展起步虽较晚，但目前已有不少公司、学校和科研机构在 进行虚拟仪器的研究开发。在秦树人教授的领导下，重庆大学的虚拟仪器研究和 开发取得了一系列成绩，提出了“虚拟仪器框架协议”，“智能虚拟仪器控件”理论， 并开发出一系列的虚拟仪器产品。目前正在进行的网络化虚拟仪器和手持式虚拟 仪器研究延续和拓宽了以往的研究工作。 1 4 本文主要工作、研究方法和创新 1 4 1 本文研究的主要内容 1 ) 介绍网络化虚拟仪器、p d a 技术、n e t 技术。 2 ) 研究网络化虚拟仪器的数据获取、传输、存储、分柝、共享和发布技术。 3 ) 研究w e bs e r v i c e s 技术在网络化虚拟仪器中的应用。 4 ) 碜 究手持式虚拟仪器相关技术。 5 ) 开发基于p d a 的网络化虚拟仪器开发工具包。 6 ) 进行了手持式数据记录仪、移动式温度监潮仪、手持式f f t 分析仪等具体 项目的开发研究工作。 1 4 2 本文研究的主要方法 本论文主要对网络化虚拟仪器基本理论及实现与基于p d a 的手持式虚拟仪器 的研制展开楣应研究。基本研究步骤如下：理论研究、功能设计、算法设计、工 具包开发、实例应用。 2 1 4 3 本文的主要创新 本文主要在以下方面进行了创新性研究： 1 ) 对网络化虚拟仪器及实现技术做了深入研究。从网络化数据获取、网络化 数据管理、网络化数据分析、网络化数据共享与发布到网络化虚拟仪器的表现形 式，涵盖了网络化虚拟仪器的各个方面。 2 ) 将虚拟仪器和网络化虚拟仪器的概念与技术应用于p d a 上，提出了手持 式虚拟仪器的概念和技术解决方案。 3 ) 提出了基于w l a n 、蓝牙、红外线和g p r s 等无线技术的网络化虚拟仪器 开发模式和应用方案。采用这些无线技术可以增加虚拟仪器的灵活性。 4 ) 提出了将w e bs e r c i c e s 技术应用到虚拟仪器开发的方法和途径。 5 ) 自主开发了基于p d a 的网络化虚拟仪器开发工具包。利用组件开发方式， 开发了手持式虚拟仪器分析组件、数据呈现组件、数据传输组件等并与v i s u a l s t u d i o n e t 平台无缝集成。可以快速的进行手持设备的网络化应用开发。 6 ) 自主开发了基于p d a 的数据流压缩解压组件，能够集成在应用中，对数 据流进行压缩解压处理，减小数据流的大小缩短传输时间。 据流进行压缩解压处理，减小数据流的大小，缩短传输时间。 3 2 网络化虚拟仪器及p d a 技术概述 2 网络化虚拟仪器及p d a 技术概述 2 1 引言 本章首先阐述了虚拟仪器及其发展和开发平台并介绍了网络化虚拟仪器的概 念、原理和实现方法。p d a 技术是最近几年随着嵌入式系统发展起来的掌上电脑 系统，它和计算机有着相似的结构：拥有处理器、存储器、显示屏、各种i o 接口 等，同时它还有轻便、小巧便于携带的优点。将虚拟仪器和网络化虚拟仪器技术 应用到p d a 上，是虚拟仪器技术发展的个新方向。论文中涉及的编程部分，是 采用微软公司推出的一整套网络解决方案：m i c r o s o f t n e t 。m i c r o s o f t n e t 是一项 革命性的技术框架。n e t 的核心技术包括分布式计算、x m l 、组件技术、即时 编译技术等。n e t 中最关键的技术在两方面，一方面是用于数据交互方面的x m l 技术：而另方面则是开发的平台，以m i c r o s o f t 提出的c 拌语言为主，并可以使用 v b n e t 、v c 十+ n e t 和脒n e t 。，n e t 中的网络开发技术极大的简化了基于网络 的应用程序的开发，为网络化虚拟仪器提供了很好的开发平台。 2 2 网络化虚拟仪器概述 2 2 1 虚拟仪器 2 , 3 , 8 , 1 1 1 9 】 虚拟仪器m m l a li n s t r u m e n t s 简称v i ) 技术发展非常迅速，所有测量测试仪器 的主要功能可由数据采集、数据攫4 试和分析、结果输出显示等三大部分组成，其 中数据分析和结果输出完全可由基于计算机的软件系统来完成，因此只要另外提 供一定的数据采集硬件，就可构成基于计算机组成的测量测试仪器。基于计算机 的数字化测量测试仪器就称之为虚拟仪器( v 】) 。虚拟仪器是指以计算机作为仪器的 硬件支撑，充分利用计算机独具的运算、存储、回放、调用、显示以及文件管理 等智能式的功能，把传统仪器的专业化功能软件化，使之与计算机结合起来，用 户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义，自己设计 的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存 储等。它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分 析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。它由 计算机、应用软件和仪器硬件组成。无论哪种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭 载到笔记本电脑、台式p c 或工作站等各种计算机平台加上应用软件而构成的。 虚拟仪器可使用相同的硬件系统，通过不同的软件就可以功能完全不同的各 种测量测试仪器，即软件系统是虚拟仪器的核心，软件可以定义为各种仪器，因 此可以说“软件即仪器”。 5 重庆大学博士学位论文 虚拟仪器的体系结构如图2 1 所示。它由被测对象、信号调理、信号采集与控 制、通用或工控计算机、虚拟仪器软件、网络等软硬件单元有机组成。模块化的 硬件是虚拟仪器系统的关键，它们主要实现信号的调理、传输、采集和控制等； 功能强大的软件是虚拟仪器的核心，它们主要实现信号的处理、分析和呈现等。 在实际应用中，硬件和软件是有机结台起来共同完成测控任务的。 叫信号调理 叫数据采集卡 叫g p i b 接口仪器hg p l b 接口卡 测 f串行口仪器伊l c卜 - p c e e 作站 控 寺 对 _ 叫v x l 仪器卜呻 虚拟仪器软件 象 叫现场总线( f i e l d b t l s ) 设备l 哼 叫其他计算机硬件卜叫 图2 1 虚拟仪器系统构成 f 遮2 is t r u c t u r e o f v h - t u a li n s t r u m e n t s 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为以下几种类 型： 第一类：p c 总线式插卡型虚拟仪器 根据p c 的总线，又可以分为：i s a 、e i s a 、p c i 和c o m p a c tp c i 等数据采集 卡，数据采集卡与专用的软件褶结合，就形成了插卡型虚拟仪器。 i s a ( i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e e t u r e - i s a ) ，早期的一种p c 总线，制定子1 9 8 4 年。是一种8 t 6 位的非同步数据总线，工作频率8 m h z ，数据传输率为i m b s ( 8 位) 或2 m b s ( 1 6 位) 。i s a 总线虽未被标准化组织正式定为标准，但由于应用广泛 己成为事实上的标准，在测试领域内以p c 为基础的数据采集应用中曾占据着主导 地位。 s a 总线虽然扩展了对微处理器的支持能力，但仍存在着许多不足之处，如 o 扩展能力差，边缘式印制插头( 座) 接触不良，耐振动、冲击能力差，对温湿度 比较敏感而不适应工业现场工作等，在速度上己成为系统的瓶颈，己逐渐被p c i 、 c o m p a c tp c i 总线所取代。 e i s a ( e x t e n d e di n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 扩展工业标准结构总线是在i s a 1 6 位总线基础上发展的3 2 位总线，它包含1 6 位的i s a 总线，而1 6 位的i s a 线 又包含了8 位的x t 总线。e i s a 总线采用特殊的插座引脚结构，傈留原a 、b 、c 、 6 2 网络化虚拟仪器及p d a 技术概述 d 面的9 8 引脚，新扩展e 、f 、g 、h 面9 0 个达到1 8 8 个，并且新扩展的引脚夹 在原9 8 引脚中间，使原来的p c a t 的i s a 总线和x t 保持向下的兼容性，不同的 数据总线宽度不同，但是可以进行板间的相互访问。 p c i 总线是一种先进的高性能的局部总线，针对整个系统。它以3 3 m h z 的时 钟频率工作，带宽为3 2 b i t ，最高数据传输率可达1 3 2 m b s ，比i s a 总线快7 8 倍， 并且总线时钟频率最高可达5 0 m h z 。p c i 总线有严格的规范来保证高度的可靠性 和兼容性，完全兼容i s a 、e i s a 、m a c 总线：支持多台设备，可以带相对较多的 负载( 多达l o 台) 且运行更为可靠；不受制子处理器，为c p u 和高速外设提供了一 条高吞吐量的数据通道，非常适用于网络适配器、磁盘驱动器、视频卡、图形加 速卡及各类高速外设：支持即插即用的结构：采用多路复用技术等一系列优点更 受到了众多厂家地支持，成为市场的主流。它从一开始就作为一种长期的总线标 准加以制定，有广阔的发展前景。目前，p c 机市场绝大多数的奔腾机都以p c i 为 系统总线。 c o m p a c t p c i 总线由多家厂商于1 9 9 4 年提出，是p c i 总线的1 2 种规范之一， 也是p c i 总线的增强和扩展，在电气上完全与p c i 总线兼容，具有抗振颤和利于 教热等，更适合于工业测控的应用。其数据宽度同p c i ，最高传输速率可达 5 2 8 m b s 。 第二类：并行口式虚拟仪器 可连接到计算机并行口的测试装置。标准并口是采用2 5 线的并行通讯总线， 由于是用于计算机与打印机或绘图仪外设的连接总线，因此，传输速率较高，传 输距离较短( 最长为2 m ) 。 第三类：串口式虚拟仪器 r s 一2 3 2 c ( r e e o m m e n d e ds t a n d a r d r s ) 串行接口是计算机与外设之间以及计算 机与测试系统之间最简单、最普遍的连接方法，采用2 5 线连接器。其最高单向数 据传输率为2 0 k b s ，此时的最大传输距离为1 5 米。适当降低速率，其最大传输距 离可达6 0 米。但它只是一对一的传输，仅用于简单或低速的系统，在实际应用中 还有一定的市场。 r s 一4 2 2 a 串行总线也是一种常用的接口总线，开始支持一点对多点的通信。 它在传输速率、传送距离及抗干扰性能等方面均优于r s 2 3 2 c ，采用差动( 差分) 收发的工作方式，利用双端线来传送信号，最高数据传输率为1 0 m b s ，此时的传 输距离为1 2 0 米，可连接3 2 个收发器。如适当降低传输率，可增加其通讯距离。 例如在l o k b s 时距离可达1 2 0 0 米。 r s 4 8 5 是一种典型的串行总线，支持一点对多点的通信，采用多绞线连接， 可连接3 2 个收发器，其他特性与r s 4 2 2 a 总线接近，在测控系统中得到较为普遍 7 重庆大学博士学位论文 的应用，但不能满足高速测试系统的应用要求。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 即通用串行总线接口，它是由c o m p a q 、d i g i t a l 、 i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e t 和n o r t h e r nu n i v e r s a ls e r i a lb u st e l e c o m 七家公司联 合提出的外部输k 输出接口的新标准。它有1 5 m b s 低速、1 2 m b s 全速和高速 4 8 0 m b s 传送方式，可以最多支持1 2 7 个设备，真正支持“即插即用”，接入和断开 时主机均会做出调整，并且操作系统支持u s b ，w i n d o w s9 8 将u s b 作为它的一 种关键部件，全面支持u s b ；a p p l e 的平台也已提供了对u s b 的支持。 u s b 总线接口是4 “针”方型的，其中2 根电源线，2 根为信号线，接电脑端为 大口，接外设端为小口。u s b 信号线在高速模式下必须使用带有屏蔽的双绞线， 而且最长不能超过5 m ；在低速模式中可以使用不带屏蔽的双绞线，但最长不能超 过3 m 。这主要是由于信号衰减的限制。为了保证提供一定的信号电压，以及与终 端负载相匹配，在电缆的每一端都使用了不平衡的终端负载。这种终端负载也保 证了能够检测外设端口的连接或分离，并且可以区分高速与低速设各。 i e e e l 3 9 4 串行总线( 又叫火线- f i r e w k e ) 是由苹果公司于8 0 年代提出的，1 9 9 5 年被i e e e 接受。它有两对信号线和一对电源线，在无h u b 时可用任意方式连接 6 3 个装置。i e e e 1 3 9 4 具有廉价、占用空间小、速度快、开放式标准、支持热插 拔、可扩展的数据传输速率、拓扑结构灵活多样、完全数字兼容、可建立对等网 络、同时支持同步和异步两种数据传输模式等优点。这是一种应用前景非常广阔 的串行总线，和u s b 总线工作于不同的频率范围，可相互配合使用，适用于动画 等视频信号的传输，可用于连接计算机的高速外部设备，如硬盘、打印机、扫描 仪、c d r o m 和多媒体设备，也可用于连接数字电视、d v d 等消费类电子设备以 及作为测试仪器的数据传输总线。最近完成的i e e e1 3 9 4 b 规范的传输速度则可以 达到最大8 0 0m b p s 的传输速度。在测控系统中，需要使用s c s i 接口的很多设备 都将转而使用i e e e1 3 9 4 ，因为i e e e1 3 9 4 具有热交换能力，它可作为机箱底板总 线的备份总线，以及用计算机与高速数据采集系统的互连总线。 第四类：g b i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 技术是i e e e 4 8 8 标准的虚拟仪器早期阶段所采用的技术。它的出现使电 子测量独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。g p i b 即通用接口总线， 是一种国际通用的可编程仪器的数字接口标准，采用8 位数据并行传输，因此其 传输速度较高，达8 m b y t e 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。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。如果使用者若使用g p i b 扩增器与延长器 便可以突破这两个限制，而g p i b 排线与连接器是一种多方面适用并符合工业标 准的产品，可在任何环境内使用。利用g p i b 技术可以用计算机实现对仪器的操 8 2 网络化虚拟仪器及p d a 技术概述 作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时， 由于可以预先编制好测试测量程序，实现自动测试，提高测试测量可靠性和效率。 利用g p i b 技术，可以很方便地将多台仪器组合起来，形成较大的自动测量测试 系统，高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。利用g p i b 技术，还可以 很方便地扩展传统仪器的功能。 第五类：v x i 总线方式虚拟仪器 v x ( v e m b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在v i 领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽等特性。虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。由于其标准开放、 传输速率高、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块化设计、使用方便灵活， 众多仪器厂商支持等优点，已越来越受到人们的重视。在近十年时间内，随着v x i 总线规范的不断完善和发展，v x i 即插即用系统联盟的不懈努力，v x i 系统的组 建和使用越来越方便。其应用面也越来越广，尤其是在组建中大规模自动测量测 试系统，以及对速度、精度要求较高的场合，有着其他仪器系统无法比拟的优势， 是仪器发展的一个方向。 第六类：p x i 总线方式虚拟仪器 p x i 总线方式是p c i 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。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。它增加了多板同步触发总线 的技术规范和要求。同时增加了多板触发总线和参考时钟、用于进行精确定时的 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试验和测量用户 的要求。p 将m i c m s o f tw i n d o w sn t 和m i c r o s o f tw m d o w s9 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 规范编写的w i n 3 2 设备驱动 程序， 使p x i 成为一种系统级规范，保证系统的易于集成与使用，从而进一步降 低最终用户的开发费用并且使系统具有高度的可扩展性。 2 2 2 虚拟仪器开发系统口，3 ，2 0 2 9 虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技术结合，从而开拓了更多的功能， 具有很大的灵活性，由于虚拟仪器的设备利用率高、维修费用低、能够获得较高 的经济效益。用户购买了这种虚拟仪器，就不必再担心仪器会永远保持出厂时既 定的功能模式，用户可以根据实际生产环境变化的需要，通过对软件的不同应用， 拓展v i 功能，以便适应实际生产的需要。目前用户使用虚拟仪器有两种方式：第 一种是利用虚拟仪器中间开发平台开发适合的虚拟仪器。另一种由厂家提供丰富 9 重庆大学博士学位论文 的虚拟仪器库或智能控件，用户只需进行选择或简单的拼搭即可，不需要进行程 序开发。 1 ) 虚拟仪器中间开发平台。用户需要利用虚拟仪器中间开发平台经过二次开 发，将外部硬件通过驱动程序连接到计算机上，根据需要开发相应的数据分析或 仪器控制功能。这样的中间开发平台有属于传统文本式的开发语言c ，c + + 、可视 化编程工具v i s u a ls t u d i o6 0 和v i s u a ls t u d i o n e t 及相应的软件包、图形开发环境 n i 的l a b v i e w 和a g i l e n t 的v e e 等。由于c c + + 对开发人员的编程能力和对仪器 硬件的掌握要求很高，使用的人越来越少。下面主要对后两种进行说明。 v i s u a ls t u d i o6 0 是常用的一种工具，它为程序开发者提供了一套功能强大 的可视化开发环境，在这个环境中可以用v b 或v c + + 开发w i n d o w s 应用程序、 w e b 应用程序或组件。但是单纯依靠该平台开发虚拟仪器是十分困难的，首先需 要设计仪器硬件与应用程序的接口，考虑对它们的控制；其次需要将采集或处理 后的数据显示出来；还有对数据进行各种处理分析；最后还要考虑数据的存储、 回放等。于是就出现了许多第三方的控件和相关的软件包，例如专门用于波形显 示的组件、信号处理与分析组件、各种虚拟仪器面板上的控件等。其中应用最多 的是n i 公司的m e a s 咖e n ts t u d i o 软件包，它以l a b w i n d o w s d c v i 为基础，结合 专为v i s u a lb a s i c 及v i s u a lc + + 设计的各种测量工具组合而成。它包括 c o m d o n e m w o r k s 和c o m p o n e n t w o r k s + + 。为v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 用户提供建 立自动化测试系统，监控系统或实验室应用所需的各种测试、测量工具包。利用 v i s u a ls t u d i o6 0 的可视化编程环境与各种数据采集、分析和显示功能组件，可以 大大提高文本编程语言的工作效率。轻松构建独立的测量系统或基于网络的分布 式测量系统。 l a b w i n d o w s c v i 是为c 程净员开发的环境。它有着交互的程序开发环境 和可用于创建虚拟仪器程序的函数库。这些库函数包含了标准a n s ic 库、数据采 集各阶段豹函数、仪器控露9 系统和产生g u i s 豹尾户界西编辑器及控制它街的瑟数。 l a b w i n d o w s c v i 还包含了数据采集、分析和实现的一系列软件工具。通过交互式 的开发环境可以编辑、编译、联接、调试a n s l c 程序。在这种环境中，透过 l a b w i n d o w s c v l 函数库中的函数来写程序。另外，每个库中的函数有一个叫做函 数面板的交互式界蘧，可建来交互的运行函数，也可直接生成调用涵数的代码。 v i s u a ls t u d i o n e t 是微软公司最新的软件开发平台。作为微软的下一代开 发工具，它和n e t 开发框架紧密结合，是构建下一代互联网应用的优秀工具。 v i s u a ls t u d i o n e t 通过提供一个统一的集成开发环境及工具，大大提高了开发者 的效率；集成了多种语言支持：简化了服务器端的开发；提供了离效地创建葶使 用网络服务的方法等等。同样，单独利用v i s u a ls t u d i o n e t 来开发虚拟仪器也是 1 0 2 网络化虚拟仪器及p d a 技术概述 一件很困难的事。借助第三方的软件包，可以将v i s u a ls t u d i o n e t 的优势充分发 挥出来。目前基于该平台的软件包有安捷伦( a n g i l e n t ) t & m 软件包和n i 公司的 m e 舢e m e ms t u d i of o rv i s u ms t u d i o n e t 。 t & m 工具包可以在v i s u a ls t u d i o n e t 环境下更容易地控制仪器硬件并且提供 了向导功能。仪器管理器可以自动地寻找仪器，并且可以更好的管理仪器和驱动 程序。添加的仪器在v i s u a ls m d i o n e t 环境下，显示成图标形式，可以把它当成控 件使用，方便了编程。有各种数据处理分析、波形显示等组件。具有y o 端口检测， 可以查看仪器的连接，并且以利用n e t 的调试器对i ，o 端口进行跟踪。 m e 姗e m e n ts t u d i of o rv i s u ms t u d i on e t 将采集、分析和可视化功能集成到 用微软v i s u a ls t u d i o n e t 创建的测量和控制应用系统中，加快了虚拟仪器的开发速 度。m e a s u r e m e n ts t u d i o 汲取了低层编程和i o 配置方法并将这些通用编程语言转 化为专用于测量应用系统的有效工具，从而扩展了v i s u a lb a s i c n e t 、v i s u a lc 拌 与v i s u a lc + + n e t 的开发功能。m e 娜e m e ms t u d i o 提供了一个新的代码生成工 具仪器i o 助理，配置他们的仪器系统并与之通信，而这中间几乎不需要编程； 通过应用程序编程界面( a p i ) 使用基于对象的仪器连接功能，简化了设备间复杂的 通信过程。此外，d a t a s o c k e t 组件可以在网络间发送实时测量数据。 图形开发系统l a b v i e w 和a g i l e n t v e e 。图形化软件开发系统是用工程人 员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，界面友好，操作简便， 可大大缩短系统开发周期。 l a b v w ( 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 ) 是一种可以用 图形来建立程序的软件开发工具。在基于文本的编程语言中，程序的执行依赖于 文本所描述的指令，而l a b v i e w 使用数据流编程方法来描述程序的执行。 l a b v l e w 用图形语言( g 语言) 、图标和连线代替文本的形式编写程序。它为用户 提供了简单、直观、易学的图形编程方式，把复杂、烦琐、费时的语言编程简化 成用菜单