（系统工程专业论文）基于Blackfin+DSP虚拟数字万用表的研究以及实现.pdf

西北工业大学硕士论文摘要 摘要 随着计算机技术、微电子技术和通讯技术的迅速发展，仪器工业正在经历一 场巨变。传统的测控仪器多是以硬件或固化的软件为主，这已经远远不能满足现 代科技发展的需要，为此，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u c m e n t c o r p o r a t i o n ) 率先提出了“软件就是仪器”的口号，即利用目前计算机先进快 速的处理能力，结合相应的硬件，大大突破了传统仪器的数据处理、显示、传送、 存储等方面的限制，给仪器仪表领域注入了新的活力，带来了革命性的变化。这 种以软件为基础的测试仪器具有传统仪器表面的风格，不同的是用户通过鼠标和 键盘来操纵接口上的“旋钮”和“开关”，从而达到测控的目的。虚拟仪器描述 了可编程仪器和通用计算机的结合。 本文针对虚拟万用表的测试、测量系统的设计和实现过程进行研究，并且基 于虚拟仪器理论，提出了一种可行的实现方案。 本文首先介绍了虚拟仪器的基本概念、软硬件结构以及特点，和传统仪器进 行了性能上的比较，并对虚拟仪器的发展进行了介绍。之后，设计了本系统的详 细方案。最后，本文在软件实现方案和硬件实现方案两个方面进行了展开。在硬 件实现方案中设计了基于b l a c k f i nd s p 具体的硬件电路实现方法。在软件实现 方案中研究了v d k 嵌入式操作系统和p c 上的v b 开发的控制软件系统。本系统已 经经过出厂验证，证明了系统方案的合理有效性，在实时性、可靠性、稳定性上 都有很好的表现。体现了虚拟仪器在测控领域内的技术先进性。 关键词：虚拟仪器、万用表、v d k 、嵌入式、b l a c k f i nd s p 西北工业大学硕士论文摘要 a b s t r a c t t h ei n s t r u m e n t a t i o ni n d u s t r yi su n d e r g o i n gav a r i e t yo fe x c i t i n gc h a n g ea sa r e s u l to ft h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sa r ea l m o s t c o m p o s e do fh a r d w a r eo rf i x e d - s o f t w a r e ，w h i c hh a r d l ys a t i s f i e dt h en e e d so ft h e r a p i d l yd e v e l o p m e n to fn e wt e c h n o l o g y i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m , t h e m a t i o n a li n s t r u m e n t ) c o r p o r a t i o nb r o u g h tf o r w a r dt h et e r m ”v i r t u a li n s t r u m e n t a n dt h es l o g a n ”s o f t w a r ea r ei n s t r u m e n t s ”w i t hm a k i n gu s eo ft h ep o w e r f u l c a l c u l a t i o na b i l i t yo fc o m p u t e r , a n dc o m p o s i n go fs o m en e c e s s a r yh a r d w a r e ，t h e ”v i r t u a li n s t r u m e n t ”b r o k e nt h el i m i t so f t r a d i t i o n a li n s m t m e n t sa b i l i t i e si nf i e l do f c a l c u l a t i o n , d s p ，d i s p l a ya n ds o o n i tb r o u g h ta ne n o r i l l o u bt r a n s f o r mi n i n s t r u m e n t a t i o nc o m m u n i t y ；v i r t u a li n s t r u m e n td e s c r i b e st h ec o m b i n a t i o no f p r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t sw i t hg e n e r a l - p u r p o s op c s t h em a i nb o d yo ft h et h e s i si ss t u d i e df o rd e s i g n i n ga n dr e a l i z i n gt h e m u l t i m e t e rt e s t i n g , m e a s u r i n gs y s t e m a t i c ，a n db a s e do i lv i r t u a li n s t r u m e n tt h e o r y ， o i l ek i n do f f e a s i b l es c h e m eh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d i nt h i sp a p e r , f i r s t , t h eb a s i cc o n c e p to f v i r t u a li n s t r u m e n t ，s o f th a r d w a r ea n d h a r d w a r es t r u c t u r e sa n dc h a r a c t e r i s t i c ，t h ed 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 th a v e b e e ni n t r o d u c e d , a n dt h ef u n c t i o nb e t w e e nt r a d i t i i n s t r u m e n ta n dv i r t u a l i n s t r u m e n th a sc o m p a r e d a f t e r w a r d s ，t h i st h e s i sd e s i g n e dd e t a i l e ds y s t e m a t i c d e s i g np l a n f i n a l l y ，t h et h e s i sd e t a i l e dd e s c r i b e dt h ed e v e l o p m e n ts c h e m eo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nh a r d w a r er e a l i z a t i o ns c h e m et h ec i r c u i tr e a l i z i n gm e t h o d b a s e do nb l a c k f i nd s ph a r d w a r eh a v eb e e ni n t r o d u c e d i nt h es c h e m eo fs o f t w a r e w e d e s i g n e dt h ev d k e m b e d d e ds y s t e ma n dt h es y s t e mw h i c h d e v e l o p e db yv bi n p c t h es y s t e mh a sb e e nv e r i f i e di nt h ef a c t o r y , w h i c hp r o v e dt h a tt h es c h e m eh a v e v e r yg o o db e h a v i o r so i lr e a lt i m en a t u r e , r e l i a b i l i t y ，s t a b i l i t y i th a v ee m b o d i e dt h e a d v a n c e do f v i r t n a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi nm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gf i e l d k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，m u l t i m e t e r , v d k ，e m b e d d e ds y s t e m , b l a c k f r o d s p 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：童亟茎1 2 矿一7 年3 月3 ，日 指导教师签名乙主乳 伊矽年力膨。日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 名 年 糍7 姊 矿 蹴 学 西北工业大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 虚拟仪器的产生 测试测量仪器的发展经历了4 个阶段 1 ) 模拟仪器 1 8 纪末2 0 世纪初科学家在发现描述物理现象的定律之后，发明了基于 物理定律的模拟式仪器。早期的基于物理定律的模拟仪表，最典型的有伏特表、 安培表、功率表、压力表、和测量仪以及随后发明的电桥、点位差计等电磁式模 拟仪表。这些仪表虽然简单但是都解决了当时的许多物理量的测量问题。 2 0 世纪初至5 0 年代测量仪表的材料以及零件的性能有了很大的发展，出 现了电子管、离子管这类全新的电子器件。同时，测试测量的理论和方法与新兴 的电子技术控制技术相结合，又出现了电子仪器仪表，产生了以记录仪、电子示 波器、信号发生器等为代表的模拟电子仪器。 2 ) 数字仪器 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成功的应 用。2 0 世纪5 0 至6 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、记忆示波器等是第二代数字测量仪器的典型代表。 数字式仪器的特点是将模拟信号的测量转变为数字信号的测量并以数字型 式显示和输出测量结果。这类仪器特别适用于要求快速响应和高精度的测量领 域。 3 ) 智能仪器 在数字式仪器中置入微处理器，将计算机技术与仪器仪表技术紧密结合，使 仪器具有数字存储、数字处理、逻辑判断、自动选程、自动补偿、仪器自检等功 能，从而部分取代人脑的工作。这类仪器称为智能仪器，这类把计算机技术和仪 器技术结合的智能仪器，已经成为现代仪器仪表的主流。但是应该看到智能仪器 的功能模块主要还是硬件和固化封闭性和缺乏灵活性等传统仪器的缺点，为此， 一种新的仪器模式不仅成为仪器仪表领域中的需要，而且呼之欲出。 西北工业大学硕士论文第一章绪论 4 ) 虚拟仪器 早在2 0 世纪8 0 年代，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 sc o r p 简 称n i ) 首先提出虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) ，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、过程通讯及图形用户界面的软 件组成的测控系统，是以计算机作为仪器的统一硬件平台，充分利用计算机独立 的运算、存储、调用、显示、以及文件管理等智能化的功能，同时把传统仪器的 专业化功能和面板控制软件化，使之与计算机融为一体，这样便构成了一台从外 观到功能都与传统硬件仪器相同，同时又充分利用了计算机智能资源的全新的仪 器系统。 虚拟仪器的研究和开发在国内尚属起步阶段。从9 0 年代中期开始来，我国 的测试仪器科研工作者根据各自研究的方向和特点才对虚拟仪器的概念、软硬件 平台、设计方法等进行了研究和探讨。 1 2 研究背景 目前电子行业伴随着很高的发展速度，测试测量仪器更是走在行业的尖端， 虚拟仪器作为仪器领域内的生力军更是发挥了巨大的作用，并且显示了无比的潜 力。它可以取代测量技术在传统领域内的各类仪器，它在组成和改变仪器的功能 和技术性能上具有很大灵活性和经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展 和科学技术不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。 在国外虚拟仪器技术发展很快，以美国国家仪器公司( n i ) 为代表的一批厂 商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术的商品化仪器产品。在美国虚拟仪器系 统及其编程语言，已作为各大学理工科学生的你们必修课。 在国内己有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，上海复旦大学、上海交 通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、两年来这些学 校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科研。其中，华 中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。四川朕合大 学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试仪”将多台 仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学汽车系利用虚 拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验。主要检测 西北工业大学硕士论文第一章绪论 发动机的功率特性、负荷特性等。一合发动机检测完后，就可打印出完整的检测 报告。此外，国内已有几家企业在研制p c 虚拟仪器，哈工大仪器王电子有限资 任公司就是其中之一，它的产品己经达到一定的批量。其主要产品有数字存储示 波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列。国内 专家预测：未来的几年内，我国将有的仪器为虚拟仪器。国内将有大批企业使用 虚拟仪器系统对生产设用的运行状况进行实时监测。随着微型计算机的发展，虚 拟仪器将会逐步取代传统的测量测试仪器而成为仪器行业的主流。虚拟仪器技术 的提出和发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域发展的一个重要 方向。 1 3 选题意义 随着社会的发展，科学的进步，电子产业也会发展到一个新的阶段，电子技 术的提高代表了一个国家的整体实力，高精尖的电子产品根新换代的周期越来越 短，每一款电子产品的设计生产都需要更精密的电子测量仪器与之相配合，这样 更先进的测量仪器将成为电子产品开发的必备条件，那么精密的测量仪起将是电 子行业发展中的重中之重。 而虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成 各种测试、测量和自动化的应用。它可以适应各种测量场合，适应各种恶劣的测 量环境，并且在p c 的平台上提供各种大量的运算，大量的数据存储，计算的精 度可以很大的提高。这也是测量仪器领域内的新的变革和发光点。 并且随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术在仪器领域也将 获得广阔的发展空间。美国著名未来学家尼葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时预言，4 5 年后嵌入式智能( 电脑) 工具将是p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌 入式系统专家沈绪榜院士1 9 9 8 年1 1 月在武汉全国第1 1 次微机学术交流会上发 表的计算机的发展与技术一文中，对未来1 0 年以嵌入式芯片为基础的计算 机工业进行了科学的阐述和展望。进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开， 目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向 虚拟测量仪器技术和嵌入式技术都是现代广泛采用的高端技术，它们的结合 产生高性能的智能仪器，我们对它的研究符合时代发展的潮流，本文就是在这样 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 的背景下，展开对虚拟数字万用表的研究。 1 4 研究内容 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成，硬件主要完成信号的采集，软件完成对 硬件的控制以及数据的处理，本文软件部分包括嵌入式软件和上位机控制软件。 所以本文主要针对万用表硬件以及软件部分的实现来展开。 本文选用b l a c k f i n d s p 芯片并且植入v i ) k 嵌入式操作系统，上位机通过、，b 编写控制程序来实现一款虚拟万用表，该方案较传统方案相比有较大的测量精 度，多量程选择等多种优点。研究内容包括两部分：硬件和软件。 1 ) 整体方案的设计 a ) 按照需求制定虚拟万用表的功能，指标，以及软硬件的整体框架。 b ) 按照硬件需求指标，研究硬件实现的框架结构，以及模块划分。 c ) 软件分为两部分，嵌入式软件和上位机界面，嵌入式部分按照功能需求 设计自己的多线程结构，上位机设计合理的可视化界面。 2 ) 硬件模块的研究内容 a ) 硬件部分的研究内容 参考安捷伦的3 4 4 0 1 数字万用表，对万用表的测量功能和结构进行研究， 完成基本硬件模块的设计。该模块可分为模拟部分和数字部分。 模拟部分完成对前端信号的采集并且转化为相应电压量。模拟部分设计 内容分为以下几部分： 功能切换模块：主要完成各测量模块之间的切换。 i v 模块：主要完成电流到电压的转换。 欧姆电流源模块：主要可以提供一个高精度的电流源。 d c v 放大模块：主要完成直流电压的放大。 a c v 放大模块：主要完成交流电压的放大。 交流变直流转化模块：主要完成交流转化为直流量。 电源模块：完成对模拟器件和数字器件的供电。 数字部分完成对信号的采集和处理还有控制的功能。数字部分主要由 d s p 、a d 、f l a s h 、s d r a m 、u s b 接口等部分组成。 西北工业大学硕士论文第一章绪论 b ) 硬件功能 硬件需要完成的功能主要包括：可测量直流电压，交流电压，直流电流， 交流电流，电阻，并且可以完成数据的存储。 c ) 硬件性能指标 数据的存储深度为8 m 。最高的采集速度为5 0 k 。 电流的量程范围l o m a 到3 a ，最高分辨率i o n a ( 在l o m a 分辨率上) 。 电压的量程范围1 0 0 m v 到1 0 0 0 v ，最高分辨率l o o n v ( 在l o o m y 量 程上) 。 电阻测量量程1 0 0 欧到1 0 0 m 欧，最高分辨率l o u 欧( 在1 0 0 欧量程 上) 。 测量的精度为6 位半。 3 ) 软件部分的研究内容 软件部分主要包括下位机嵌入式软件的设计和p c 软件设计。 a ) 下位机嵌入式软件设计 嵌入式软件要实现对上位机的实时响应，所以采用v d k 多线程实时操作 系统。本文采用四个线程来完成对下位机的控制，以及实现所有功能，实现 采用c 语言完成，具体设计参考第五章详细介绍。 下位机软件需要完成的功能： 完成对硬件系统的控制，如功能的切换，量程的切换； 完成数学的运算，数据的存储，并且可以把数据上传到p c 上； 完成对万用表的自动巡检以及高速数据采集。 b ) p c 机软件设计 p c 机软件采用、，b 面向对象可视化编程完成。具体实现可以参考第六章 详细介绍。 p c 机软件要实现的功能有： 编写完成图形化的控制界面及数据存储。 控制下位机测量动作，从下位机得到数据，并且分析得到的数据。 完成数据的显示界面。 西北工业大学硕士论文第一章绪论 本文在第三章主要介绍了系统的总体功能实现方案，在第四章介绍了系统硬 件的设计方案，第五章介绍了嵌入式软件的实现方案，第六章介绍了p c 软件的 设计方案。最后总结展望。 西北工业大学硕士论文第二章虚拟仪器及嵌入式概论 第二章虚拟仪器及嵌入式概论 2 。1 虚拟仪器的基本概念 虚拟仪器的概念是为了适应p c 卡式仪器而提出的。众所周知，传统仪器主要 包括了三个部分：数据采集与控制、数据分析、数据显示。面p c 卡式仪器由于自 身不带仪器面板，有的甚至不带微处理器，必须借助于p c 机作为其数据分析和显 示的工具。利用p c 强大的图形环境和在线帮助功能，建立图形化的虚拟仪器面板， 完成对仪器的控制、数据的分析和显示。在虚拟仪器中硬件不再是系统的主体， 它只是在其中实现信号的输入输出，而对信号资料的分析、计算和统计等繁杂的 工作都交由系统的软件处理。利用计算机处理器高速的运算，可以很快得到结果。 并且，任何用户都可以随时根据需求更改软件，使之具有新的功能。这就避免了 传统仪器那种一旦成型、功能就固化、不易再更改的缺陷。 v i 通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好的图 形界面( 通常叫做虚拟前面板) 操作这台计算机，就象在操作自己定义、自己设计 的一台单个传统仪器一样。v i 以透明的方式把计算机资源( 如微处理器、内存、 显示器等) 和仪器硬件( 如d 、数字i 0 、定时器、信号调理等) 的测量、控制能 力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以及图形化用户接口，虚 拟仪器功能结构见图2 - 1 所示。 采集与控制数据分析数据习葫左 插入式数据! “ “嘲 数字信号处 网络 采集板理 t j n ；二z a 日b 仪器数字滤波一- 硬拷贝输出 、n 2 ，7 l q s - 2 3 2 f 义统计文件i 0 u 瞅器数字分析 图形用户接 口 犍 图2 - 1 虚拟仪器功能结构 西北工业大学硕士论文 第二章虚拟仪器及嵌入式概论 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、y x i 、r s - 2 3 2 、d a q 板) 和可复用原码库函数 等软件结合在一起，实现了仪器模块问的通信、定时与触发。原码库函数为用户 构造自己的v i 系统提供了基本的软件模块。由于v i 的模块化、开放性和灵活性， 以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增 减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一 个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的v i 系统而不丢弃已有的硬件 和软件资源。 虚拟仪器的出现缩小了仪器厂商和用户之间的距离，虚拟仪器使得用户能够 根据自己的需要定义仪器的功能，而不像传统仪器那样，受到仪器厂商的限制， 出现厂商提供的仪器功能和用户要求不相符合的情况。利用虚拟仪器，可以组建 更好的测试系统，并且更容易增强系统的功能。由于p c 机能提供远胜于仪器内 部的处理能力，借助于通用的数字化仪器( 数据采集板) ，通过软件就可以构造几 乎任意功能的仪器。“软件就是仪器”是虚拟仪器带给仪器工业的一次革命。 由于测试实时性的需要，如何与数据采集硬件进行高速的数据传输，是影响 虚拟仪器应用的主要因素。只有在数据传输速率满足要求的情况下，才能应用虚 拟仪器进行数据的分析和显示。虚拟仪器利用处理器总线在数据采集、存储及处 理之间以二进制形式高速传输数据，并采用硬件中断方式响应用户对仪器的操 作。因此，虚拟仪器能对数据进行“实时”的处理和显示。提高虚拟仪器的测试 速度是发展虚拟仪器的关键。 在虚拟仪器的系统中，用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件， 用人的智力资源代替许多物质资源，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号 的产生和测试特性的解析，使仪器中的一些硬件、甚至整件仪器从系统中“消失”， 而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。 2 2 虚拟仪器的系统构成 虚拟仪器通常是由计算机、硬件和应用软件三部分构成的。以下主要阐述硬 件及软件的构成。 西北工业大学硕士论文第二章虚拟仪器及嵌入式概论 2 2 1 虚拟仪器的硬件构成 虚拟仪器的硬件是由计算机硬件和仪器硬件两部分组成的，其中仪器硬件， 即i 0 接口设备分为两种类型。对于单台虚拟仪器，i 0 接口设备主要是指数 据采集卡；而对于多台虚拟仪器组成的测量系统时，硬件主要是指总线。常见总 线类型有：r s - 2 3 2 串口总线接口、g p i b 总线接口、v i s a 总线接口、v x i 总线接 口。i o 设备主要完成对信号的采集、放大以及模数转换功能。虚拟仪器的 主要硬件接口如图2 2 所示。 图2 - 2 虚拟仪器硬件接口图 目前虚拟仪器构成方式有以下几种： 1 ) p c d a q 插卡式的v i 用数据采集卡获取数据的虚拟仪器叫做p c - d a q ( d a t a a c q u i s i t i o n ，数据采集) 卡式仪器。数据采集卡通常采用插卡式结构，将d a o 卡直接插入到计算机相应标 准的总线扩展插槽内，它是采用计算机中的p c i 总线或是i s a 总线，因此这种虚 拟仪器又叫做p c - d a o p c i 插卡式虚拟仪器。 2 ) 串行或并行口的v i r s - 2 3 2 串行总线是采用移位串行，最高传输率为i k b p s 的扁平线总线。它与 计算机组成的虚拟仪器系统适用于速度较低的情况。但与其它总线相比，由于在 大多计算机中都配备有此接口，因此不需要添加任何板卡，而只是通过编程就可 方便地实现数据传输和设备控制。另外，大多可视化软件都为串口通信提供了控 件，所以编程也较为方便。 西北工业大学硕士论文 第二章虚拟仪器及嵌入式概论 3 ) g p i b 总线方式的v i 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 ) 总线是一个2 4 脚( 扁型接口插座) 并 行总线。g p i b 使用8 位并行、字节串行、异步通讯方式，所有位元组通过总线 顺序传送。g p i b 的硬件规范和软件协议纳入了两个国际工业标准，即 a n s i i e e e 4 8 8 1 和a n s i i e e e 4 8 8 2 。g p i b 测量系统由计算机、g p i b 适配卡和若 干台g p i b 仪器通过标准g p i b 电缆连接而成。 4 ) v i s a 总线方式的v i v i s a 总线是在虚拟仪器软件标准化进程的推动下发展起来的。1 9 9 6 年，v x i p l u g & p l a y 联盟完成了对v i s a 规范的开发工作，并将各个函数的原型以标准的 形式发布。v i s a 是一个用于虚拟仪器的a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) ， 它本身不具备编程能力，而是通过调用底层的驱动程序来实现对仪器的编程。 5 ) v x i 总线方式的v i v x i 总线则是一种高速计算机总线v m e 在仪器领域的扩展( v m eb u s e x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 。近年来，v x i 规范不断完善和发展，很快在 测控领域应用起来。v x i 总线继承了g p i b 和v m e 总线的特点而且还具有高速、 模块化和易于使用等众多优点。首先，总线采用了包括微电子技术、计算机技术、 自动测试技术和智能化仪器等多项高新技术；其次，v x i 总线系统利用了m x i ( 多 机箱扩展总线口) ，总线与外部计算机相连，因此数据传输速率较快；再次，v x i 总线系统具有大量的软件开发工具，可方便地实现系统集成，系统组建灵活且易 于与其它总线兼容，因而大大缩短了开发周期。此外，良好的电磁兼容和较强的 抗干扰能力保证了系统总线的可靠运行。 6 ) p x i 总线方式的v i p x i 是p c i 在仪器领域的扩展( p c ie 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 ) ，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。 7 ) 网络接口方式的v i 尽管i n t e r n e t 技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一 起，不过n i 等公司以经开发了通过w e b 浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产 西北工业大学硕士论文第二章虚拟仪器及嵌入式概论 品使人们可以通过i n t e r n e t 操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方 便的将虚拟仪器组成计算机网络利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能 的设备联系在一起使昂贵的硬件设备、软件在网络上得到共享，减少了设备重 复投资。现在，有关m c n ( m e a s u r m e n ta n dn e t w o r k s ) 方面的标准正在积极进行， 并取得了一定进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。 8 ) u s b 接口方式的v i u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( u s b ) 因为其在p c 上的广泛的使用，即插即用的易用 性和u s b 2 0 高达4 8 0 m b i t s s 的传输速率，逐渐的成为仪器控制的主流总线技术 现在计算机上的u s b 接口越来越多，也使得工程师很方便的将基于u s b 的测量仪 器连接到整个系统中，但是u s b 在仪器控制方面亦有一些缺点。比如说u s b 的排 线没有工业标准的规格，在恶劣环境下可能造成数据的丢失：此外u s b 对排线的 距离也有一定的限制 无论哪种系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式微机或工作站等 各种计算机平台加上应用软件而构成的 2 2 2 仪器的软件构成 现代的虚拟仪器一般都是可以实现自动控制的智能仪器，软件系统包括上位 机软件和下位机嵌入式软件。 2 2 2 1 上位机软件 目前，软件领域大多采用面向对象的可视化编程方法。在虚拟仪器的软件编 程中，已经广泛运用了这一思想。其中，微软的v c ，v b 以及b o l a n d 公司的c b u i l d e r 和d e l p h i 等一系列优秀软件是其代表。另外，公认地，代表当今虚拟 仪器最高水平的美国n i 公司的l a b w i n d o w s c v i 是专门用于虚拟仪器的程序语 言，它把c 语言与虚拟仪器的软件工具结合起来，包含了r s 一2 3 2 ，g p i b ，v x i ， 资料分析和采集库。同时l a b w i n d o w s c v i 还提供了三百多种仪器的驱动。除了 这些文本式的编程语言外，还有基于图形化的编程语言，如n i 的l a b v i e w 以及 h p 的h pv e e ，用这些软件开发虚拟仪器可使系统开发人员将精力集中在系统的 设计中，而不是具体的设计细节上。 西北工业大学硕士论文第二章虚拟仪器及嵌入式概论 2 2 2 2 嵌入式软件 目前，大多数虚拟仪器向智能仪器的方向发展，以前仪器的硬件部分就是 p c 和数据采集卡，数据采集卡只是单纯的硬件，它不负责数据的自动处理和一 些控制的功能，现在很多仪器的硬件上嵌入了操作系统。这写操作系统可以负责 一些上位机软件的职能。可以使仪器更加智能化。使系统不光依赖上位机的软件 系统。 嵌入式系统的软件是实现嵌入式系统功能的关键，也是计算机技术最活跃的 研究方向之一。目前比较流行的嵌入式操作系统如：v x w o r k s ，p s o s ，n e c u l e u s ， w i n d o w sc e ，各种l i n u x 和u n i x 衍生的嵌入式版本和专用的实时系统等等。这 些软件支持了更为复杂的功能，可以根据需要来裁剪。 2 3 虚拟仪器的特点 虚拟仪器具有以下特点： 1 ) 测量精度和可重复性：嵌入式数据处理器的出现允许建立一些功能的数学模 型，如f f t 和数字滤波器等，这就使测试数据不会随时间发生变化，因此可 保证测量精度和重复性，而不需要定期进行校准。在传统的层迭式系统中， 必须把信号连接到每一台仪器上以便测量各个参数。这样的测量就受电缆长 度、阻抗、仪器校准和修正因子差异的影响。而虚拟仪器则不受这些因素的 影响，进一步提高了测量的精度和可重复性。 2 ) 测量速度：测量输入信号的几个特性( 如电压、频率、上升时间) 只需要一个 量化的数据模块，要测量的信号特性被数据处理器计算出来。这种将多种测 试集于一体的方法缩短了测试时间，从而提高了测试速度。 3 ) 减少了开关和电缆：由于所有的信号具有一个公用的量化通道，故允许各种 测量使用同一校准和修正因子，这样复杂的开关矩阵和信号电缆就能减少。 信号将不必切换到多个仪器上。 4 ) 缩短了系统组建时间：当测试系统要增加一个新的测量功能时，只需要增加 软件来执行新的功能或增加一个通用模块来扩展系统的测量范围。 5 ) 用户定义测量功能：由于仪器的功能可以在用户级上产生，故它不再是完全 西北工业大学硕士论文 第二章虚拟仪器及嵌入式概论 有硬件来确定的，当需要时可加入新的测量功能而不须购买新的仪器。 6 ) 未来扩展：为提高测试系统的性能，可以方便的加入一个通用仪器模块或更 换一个仪器模块，而不用购买一个完全新的系统，有利于测试系统的扩展。 v i 于传统仪器的比较见表2 - 3 所示。 表2 - 3 仪器之间的对比 v i 传统仪器 软件使开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更新周期短技术更新周期长 关键是软件关键是硬件 价格低，可复用与可配置性强 价格贵 用户定义仪器功能 厂商定义仪器功能 开放，灵活，可与计算机技术保持同步封闭，固定 与网络及其周边设备互联的面向应用的仪功能单一，互联有限的独立设备 器系统 2 4 嵌入式系统介绍 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或 器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成 本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集 系统应用软件与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作方式，具有软件代码小、 高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式 系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组 成，它是可独立工作的“器件”。 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、移动计算设备、 电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自 动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、 工业自动化仪表与医疗仪器等。 西北工业大学硕士论文 第二章虚拟仪器及嵌入式概论 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬 盘那样大容量的存储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。软件部分包括操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序 编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬 件的交互作用。 2 5 嵌入式操作系统介绍 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系 统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软 件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等b r o w s e r 。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系 统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱 出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相 比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及 应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 嵌入式操作系统分为 1 ) 非实时操作系统，按照设置好的方式进行逐一运行，但是无法完成对实 时事件的响应的一种操作系统。 2 ) 实时操作系统，实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的 异步事件做出响应的计算机系统。 2 6 v d k 嵌入式操作系统介绍 本文嵌入式系统采用a d i 公司的v i s u a l d s p + + 内核( v d k ) 作为操作系统。 a d i 公司的v i s u a l o s p + + f 勾核( v d k ) 是为了配合，a d i 的b l a c k f i n 系列d s p 而推出的一款实时嵌入式内核，它可以完成对a d i 的各款d s p 的很好支持，可用 于任务调度和处理器之间的通信，从而能使系统充分利用先进的调度和资源分配 方法以便专门解决存储器分配和定时约束条件问题。嵌入式系统结构如图2 - 4 所 西北工业大学硕士论文 第二章虚拟仪器及嵌入式概论 刁t o 图2 _ 4 嵌入式系统结构 v d k 提供给我们： 1 ) 简化的状态保存和控制逻辑溢出的开发环境， 2 ) 结构化的控制不同优先级别的任务的调度方式， 3 ) 提供各种同步以及时序控制等开发实例， 4 ) 有效彻底的多任务环境下的调试工具。 2 7v d k 组成 v d k 嵌入式内核包括： 1 ) v d k 库，它提供对a d ib l a c k f i n 系列d s p 的寄存器控制，以及线程或同 步控制等的一系列函数。 2 ) v d k 特殊的动态链接文件，是一个可以被其它应用程序共享的文件，其 中封装了一些可以被共享的例程和资源。 3 ) 包含文件，提供对内存或其他内部资源划分的文件。 4 ) 模版文件，包含一些应用实例。 羽圈 西北工业大学硕士论文 第二章虚拟仪器及嵌入式概论 2 8v d k 系统功能 1 ) 可以完成对d s p 的寄存器控制操作。还提供了简化的状态保存和控制逻 辑溢出的算法。提供系统全面的a p i 函数。 2 ) 线程控制：用户开发的代码可以放在不同的线程中运行，每个线程编译 分配独立的堆栈存储，线程可以设置优先级别。线程之间按照优先级别 占用系统资源。如果没有线程运行，则闲置线程开始运行。 3 ) 访问共享资源：它主要用来进行系统同步，资源保护，或数据传递，主 要的机制包括： a ) 信号量：可以完成线程阃的同步。它指出了同时访阉共享资源的线 程最大数目。在信号量内部有一个计数器，当有线程访问共享资源 时，计数器将自动递减，当它为0 时，不再允许其他线程对芡享资 源的访问，直到有一个线程释放共享资源，从而完成对共享资源的 保护。 b ) 事件：事件对象允许任意数目的线程对资源拥有同步访问的权限。 当然同步访问的权限是通过在程序中设定授予的。事件对象有两种 类型：人工复位事件对象和自动复位事件对象。人工复位事件对象 允许所有在事件对象上等待的线程继续执行。自动复位事件对象在 单个等待信号的线程释放后进行自动复位。其他所有线程仍将保持 等待状态直到事件对象再次处于非信号态。 c ) 消息：线程间进行交互作用和通讯可以利用消息完成。他也可以完 成同步和线程之间发送信息。消息可以通过固定数量的通道完成， 每个通道都是一个f i f 0 ，消息通过通道接收是有优先级别的，消息 本身可以是一个结构体。 西北工业大学硕士论文 第三章系统总体设计方案 第三章系统总体设计方案 系统包括硬件部分以及软件部分，软件部分还分为嵌入式下位机软件和上位 机控制界面软件。他们配合完成整个虚拟万用表的所有功能。 3 1 虚拟万用表的功能 虚拟万用表和台式万用表一样都可以对很多信号量进行测量，它具有体积 小，携带方便，在p c 配合下处理数据能力强，分析软件功能强大。可以按照用 户的配置可以完成对信号的自动测量和分析。也就是说他是一个可编程的智能仪 器。 它的功能如下： 1 ) 可以对大部分信号量进行测量，如：直流电压，交流电压，直流电流， 交流电流，电阻。 2 ) 它对每个信号量都具有多个量程，系统可以自动切换到最理想的量程上 工作。 3 ) 下位机可以完成部分的数据存储，上传功能。 4 ) 巡检：系统可以配合上位机软件的设置，按照提前设置好的方式来工作， 并且可以持续不断的对前段某个信号进行测量，测量过程中人可以离开， 数据可以自动的上传到p c 上显示分析。 5 ) 高速数据采集：万用表数据采集最高频率可以达到5 0 k ，这是我们可以 把万用表当作一个慢速的数据采集卡来使用，配合上位机软件，数据不 断上传并且用图形方式显示。系统可以认为是一个慢速的示波器。 6 ) 上位机软件还可以完成数据的分析显示等功能。 3 2 系统总体设计方案 由万用表的功能需求可知，本课题设计的这款虚拟数字万用表，主要由硬件 西北工业大学硕士论文 第三章系统总体设计方案 和软件两部分组成。硬件是以p c 为基础，加上基于u s b 接口的下位机硬件板卡。 软件包括两部分，一部分是p c 的控制软件，另一部分是下位机嵌入式的软件。 系统结构如图3 - 1 所示。 下位机系统 嵌入 _ 式系 驱动 统 计算机系统 一 软件 驱动 万用 表。 接口总线 图3 - 1 系统结构 被