（电力电子与电力传动专业论文）基于usb总线的可重构虚拟仪器的设计.pdf

率计、频谱分析仪和信号发生器等基本仪器功能，使用中功能仪器的 数量可以根据测量需要设茕。仪器之问具有联动和触发的功能。联动 功能可以设置仪器的上f 边界，将不符合测量条件的数据删除，触发 功能町以设置仪器开启的先后顺序： 4 、系统中有数据存储和数据回放的功能，可以将测量结果再次 显示；有虚拟数据系统，可以在不使用采集卡的情况下模拟数据采集 结果；最后的结果可以打印。 本课题采用了n i 公司的数据采集卡n i u s b 6 0 0 8 ，加快了仪器开 发的时间，编程语言使用的是c # n e t 语言编写，降低了仪器开发的 费用。本系统通过综合调试，实现了数据由数据采集卡传送至计算机 并加以分析处理的过程，完成了一个基于u s b 接口的可重构虚拟仪 器系统的雏形。最后论文对主要工作进行总结，并指出了系统硬软件 需要进一步完善和发展的方面。 关键词：虚拟仪器，u s b 总线，可重构，c 挣n e t a b s t r a c t t h ed e s l g n0 fr e c o n f i g u r a b l e v i r i t u a l l n s t r um e n tb a s e du s b a b s t r u c t t h er e c o n f i g u r a b l ev i r t u a li n s t r u m e n tc r e a t e dan e we r ao fm e a s u r e e q u i p m e n t ，w h i c h w a sp r o d u c e d b y i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y a n dt h e c o t n p u t e rt e c h n o l o g yw h i c hd e v e l o p e da tv e r yf a s ts p e e d t h ev i r t u a l i n s t r u m e n t r e p r e s e n t s t h el a t e s t d e v e l o p m e n t i nt h ed i r e c t i o no f e q m p m e n tt h a tw i l lm e a s u r ef u n c t i o n a la n dp o w e r f u lc o m p u t e rh a r d w a r e c o m b i n a t i o n i tc a nb ec u s t o m i z e da c c o r d i n gt ou s e rr e q u i r e m e n t sf o r h i g h g r a d e l o w e q u i p m e n t w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r t e c h n o l o g y ，t h e v i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y w i l lh a v eb r o a d e r a p p l i c a t i o n s t h e u n i v e r s a ls e r i a lb u si san e ws y s t e mo fi n d u s t r i a l p e r s o n a lc o m p u t e rb u ss t a n d a r d ，w h i c hh a sm a n ye x c e l l e n c e s ，s u c ha s i n e x p e n s i v e ，h i g hs p e e d ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，s u p p o r tp l u g a n d p l a y a n dt h eu s eo ft h ea d v a n t a g e so fe a s ym a i n t e n a n c e i tw i l lb ean e w c u r r e n ti nt h ec h e a p m e a s u r i n gi n s t r u m e n t sw i l lb e c o m ean e wt r e n d a b s t r a c t t h e r ep a p e r so nt h ed e s i g no fv i r t u a li n s t r u m e n tb a s e do nu s b s p e c i f i cs t a r t v i r t u a li n s t r u m e n ti sc o m p o s e d o fa p p l i c a t i o ns o f t w a r ea n d d a t aa c q u i s i t i o nc a r d i np a r t i c u l a rd e s i g n ，t h ep a p e ru s e su s bt e c h n o l o g y ， v i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y ，r e c o n f i g u r a b l et e c h n o l o g y a n ds o m e s o f t w a r ea n dh a r d w a r e k n o w l e d g e r e l a t e dt ot h er e s e a r c ho n r e c o n f i g u r a b l eu s bv i r t u a l i n s t r u m e n ts y s t e m i th a st h e f o l l o w i n g f u n c t i o n sa n df e a t u r e s ： t h ef i r s t ，i nt h i ss y s t e m ，t h ep o r t so fd a t aa c q u i s i t i o nc a r dc a nb e m e a s u r e di na c c o r d a n c ew i t ht h en e e dt ob ea l l o c a t e dt ot h ev a i l o u s m e a s u r i n gi n s t r u m e n t s ，a l l m e a s u r e m e n tt a s k sc a nb ed i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt on e e d ； s e c o n d l y ，t h e r ew e r et w oc u s t o m e r si nt h es y s t e m ：h i g hp o w e ru s e r s a n do r d i n a r yu s e r s t h eh i g hp o w e ru s e r sc a nm a n a g em o d u l e sa t t r i b u t e a n ds h o wp o s i t i o na n du s et h i sm o d u l eo rn o ti nt h ef r a m e w o r ko ft h e s y s t e m ；a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e m e n tt a s k s ，o r d i n a r yu s e rc a nb em o r e t h a no n e ； t h i r d l y ，t h i ss y s t e mi n c l u d e ss o m eb a s ei n s t r u m e n tf u n c t i o ns u c ha s v o l t a g em e t e r s ， c u r r e n t m e t e r s ， o h m m e t e r s ，a r i t h m o m e t e r s ， o s c i l l o g r a p h s ，c y m o m e t e r s ，s p e c t r u ma n a l y z e ri n s t r u m e n t sa n ds i g n a l g e n e r a t o r s ，t h en u m b e ro ff u n c t i o ni n s t r u m e n tc a nb es e t t i n gb yt h en e e d o fm e a s u r e m e n t t h ei n s t r u m e n t sh a v el i n k a g ea n dt r i g g e rf u n c t i o n t h e i v a b s t r a c t l i n k a g ef u n c t i o nc a ns e t t i n gb o r d e r l i n eo fi n s t r u m e n t ，d e l e t e st h ed a t a w h i c hn o ta c c o r dw i t hm e a s u r ec o n d i t i o n t h et r i g g e rf u n c t i o nc a ns e t t h eo r d e ro fi n s t r u m e n t s t h el a s t ，t h es y s t e mh a sd a t as t o r a g ea n dd a t ar e v i e wf u n c t i o n st h a t c a nb er e v i e w e dt h em e a s u r er e s u l t ；t h e r ei sv i s u a ld a t as y s t e mw h i c hc a n s i m u l a t ed a t aa c q u i s i t i o nr e s u l tw i t h o u td a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，a n dt h e f i n a lr e s u l t sb ep r i n t e d t h ep a p e ru s e dd a t aa c q u i s i t i o nc a r dn i u s b 6 0 0 8w h i c hm a d eb y n a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y ，a c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n tp a c eo ft h e i n s t r u m e n t t h ep r o g r a m m e rl a n g u a g ei sc 挣n e tu s e dt or e d u c et h ec o s t o fe q u i p m e n td e v e l o p m e n t t h i ss y s t e mt h r o u g ha ni n t e g r a t e dt e s t ，t h e d a t aa c q u i s i t i o nc a r da c q u i r e sd a t aa n dt r a n s m i t t e dt oac o m p u t e r ，t h e nt h e c o m p u t e ra n a l y z e t h e d a t a ，a c c o m p l i s h a r e c o n f i g u r a b l e v i r t u a l i n s t r u m e n ts y s t e mb a s e du s b f i n a l l yt h ep a p e rs u m m a r i z e so ft h em a i n w o r k ，a n dt h a tt h es y s t e mn e e d sf u r t h e ri m p r o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n to f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea s p e c t s x i a o y a nm a ( p o w e r e l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a lt r a n s m i s s i o n ) s u p e r v i s e db ys h a n g d ez h e n g k e yw o r d s ：v i r t u a l i n s t r u m e n t ， u n i v e r s a ls e r i a l b u s ， r e c o n f i g u r a b l e c 挣n e t v 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中己明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：马沈翘 日期：痂声了月多日 东华大学学位论文版权使用授权书 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 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学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。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：写彩匕蕉 日期：乙研3 月弓曰 指剥币躲韧岛c t1 日期：7 年岁月岁目 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 虚拟仪器技术是一门新的测量技术，随着科技的发展，测量仪器经历了数字 仪器、智能仪器和虚拟仪器三个阶段。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8 0 年代由美国n l 公司提出的，是仪器技术和计算机技术结合的产物，通常是 由计算机、仪器硬件和应用软件三部分组成。虚拟仪器的出现打破了传统仪器由 厂家定义，用户无法改变的工作模式，使得用户可以根据自己的需要，设计自己 的仪器。虚拟仪器的应用能够更快更灵活的开发出低成本高实用的测量仪器。 在数据采集方面，日i j t l i ；较通用的是在p c 或工控机内安装数据采集卡( 如 a d 卡及4 2 2 、4 8 5 卡) ，但这些数据采集设备存在以下缺陷：安装时要切断电源， 打开机箱，操作比较麻烦，而且受计算机插槽数量、地址、中断资源的控制，可 扩展性差，由于直接插入机箱内部，同时在一些电磁干扰性强的测试采集现场， 可能无法专门对其作电磁屏蔽，从而导致采集的数据失真，严重者可能会损坏主 机。 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称u s b ) 技术也是一种新型的技术， 它具有使用灵活方便、快速稳定、即插即用、支持热插拔、能够采用总线供电、 成本低廉、易扩展升级等优点。随着计算机技术的飞速发展，u s b 协议从1 - 1 过渡到2 0 ，作为其最重要指标的设备传输速度也从1 5 m b p s 的低速和1 2 m b p s 的全速提高到如今的4 8 0 m b p s 的高速，由英特尔、微软、惠普、n e c 、飞利浦 和三星等公司力推的无线u s b 标准，将保持4 8 0 m b p s 的传输速度并且可以向下 兼容，这无疑推动了u s b 总线的快速发展。 本课题选择了u s b 总线方式，同时也便于向无线u s b 方向升级。本课题把 u s b 总线技术用于虚拟仪器系统，会更容易实现低成本、高町靠性、高精度的 虚拟仪器。 1 2 课题研究的现状 虚拟仪器从概念诞生到现在，短短2 ( ) 年的历史。国际上从1 9 8 8 年，丌始陆续 有虚拟产品面市，当时有五家制造商推出3 0 种产晶，此后，虚拟仪器产品成倍 第章绪论 增加，到1 9 9 4 年底，虚拟仪器制造厂已达9 5 家，共生产1 0 0 0 多种虚拟仪器产 品，销售额达2 9 3 亿美元，占整个仪器销售额7 6 亿美元的4 。据预测，2l 世 纪前1 0 年，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达数千种，市场潜力巨大。 同时，我们能够看到欧美，特别是美国企业在虚拟仪器开发平台上处于垄断地位， 在市场上的状况也同样如此。 世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器丌发平台软件，以便使用者利 用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测 试软件。最早和最具影响的歼发软件，是n i 公司的l a b v i e w 软件和 l a b w i n d o w s c v i 开发软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案，是非常实用的开发 软件。l a b w i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发人员准备的，在w i n d o w s 环境下 的标准a n s i c 开发环境。美国h p 公司的h p - - v e e 和h p t i g 平台软件，美 国t e k t r o n i x 公司的e z - - t e s t 和t e k t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的s n a p - - m a s t e r 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。1 8 3 1 目前，国内外许多部门和公司都在积极地开展虚拟仪器研究和应用方面的工 作。比如美国的斯坦福大学的机械工程系要求三、四年级的学生在实验室应用虚 拟仪器进行数据采集和试验控制；美国的g e o m a t i c s 和g o l d s m i t h 等公司利用虚 拟仪器开发工具，研制开发了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统；在国内，虚 拟仪器的研究和开发尚属于起步阶段，许多高校在尝试将虚拟仪器应用到试验教 学和计算机辅助教学中，比如清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系 统，优于汽车发动机出厂前的自动检测；国内的许多研究所和公司在研究和开发 虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及消化吸收n i 等产品方面都做了大量工 作，虚拟仪器技术已在超大规模集成电路测试、模拟电路数字电路测试、现代 家用电器测试、电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、工厂测试、电工 技术领域等的可移动式现场测试工作中得到应用。 目前，国外企业在中国虚拟仪器市场占据着绝人部分的市场份额。据统计， 我国进入“211 工程”的l00 所高等院校有70 多所选用了国外公司的产 品。限于美国在虚拟测试测量及自动化领域的垄断地位，崮内引进一套相关开发 软件需要50 00 美元，引进一套虚拟仪器硬件设备需要10 多万元人民币，采 用其软硬件系统建设虚拟仪器研究实验室更足价格不菲。 0 1 - 2 2 2 第一章 绪论 1 3 课题研究的意义 现在国外的虚拟仪器平台软件价格比较昂贵，而且平台软件的核心技术也不 会完全公开，掌握不易。以n i 公司的l a b v i e w 软件为例，它的中文教程很少， 而且介绍的相对简单，面对l a b v i e w 函数库中强大的软件功能往往是一头雾 水，它的核心理念是不用管模块内部足怎样工作的，只要知道它的结果就行。而 往往我们用的时候是知道想要的结果，却不知道应该用哪个模块来实现它。而且 这些软件一般都只支持自己厂家和少数其他厂家生产的数据采集卡，这样如果要 更改仪器硬件那么就要相应的更改相关软件，一切又要从头来过，浪费了大量的 时间和财力。 国内仪器市场中，虚拟仪器在我们国家的应片j 尚属起步，大部分是功能较简 单，价格较低廉的中低档仪器。如果能有一种运用方便、价格较低的国产虚拟仪 器平台，必然会较大地提升中低档仪器的功能，推动虚拟仪器在我国的普及推广。 本课题的定位即来源于此。本课题所设计的虚拟仪器是基于u s b 总线的，是一 个价格低廉、使用方便的虚拟仪器平台。现在u s b 接口应用己经非常成熟和普 及，几乎所有的计算机上都有u s b 接口，而且还可以使用h u b 扩展u s b 端口， 会使用p c 机的人对u s b 的使用很熟悉。这就为基于u s b 接门的虚拟仪器的应 提供了宽广的市场基础。u s b 接口仍在不断地改进发展之中，这使基于u s b 接 口的虚拟仪器性能有了很大的改进提高的余地。 1 4 课题研究内容及章节安排 1 4 1 课题研究的内容 本课题研究的目的是搭建一个可重构的虚拟仪器测试平台，在这个平台上使 用者可以根据自己的需要构建出自己使用的仪器。系统内部定义了统一的数据接 口，系统各模块之间分丌，若添加模块只需要符合接口条件即可。该平台具有以 下特点： l 、在本系统中数据采集卡的各端口是可以按照测量需要分配给各个测量仪 器的，所有端门的测量任务都可以核需分配； 2 、在本系统中有两个用户权限：高级用j 、和普通用户。高级用户可以在系 统框架中管理模块的属性和显示位苜以及在测量中是否使用该模块的权限；根掘 测量任务的需要，普通用户可以有多个； 第一章绪论 3 、本系统包括电压表、电流表、欧姆表、计数器、示波器、频率计、频谱 分析仪和信号发生器等基本仪器功能，使用中功能仪器的数量可以根据测量需要 设置。仪器之间具有联动和触发的功能。联动功能可以设嚣仪器的上下边界，将 不符合测量条件的数据删除，触发功能可以设置仪器开启的先后顺序； 4 、系统中有数据存储和数据回放的功能，可以将测量结果再次显示；有虚 拟数据系统，可以在不使用采集卡的情况下模拟数据采集结果；最后的结果可以 打印。 1 4 2 论文章节安排 本论文一共分为七章，第一章是绪论，对整个课题的研究背景、目前国内外 的发展现状以及研究意义进行简单的介绍；第二章是虚拟仪器部分，详细介绍虚 拟仪器的概念、发展历程、组成方式、功能结构、发展优势以及与传统仪器的比 较等方面；第三章介绍使用的数据采集卡n i u s b 6 0 0 8 的具体功能和使用方法； 第四章介绍了可重构技术以及它在虚拟仪器上的应用；第五章是介绍具体的虚拟 仪器框架的搭建部分；第六章详细说明了各功能模块编写的原理；最后是总结和 展望部分，对本课题进行了总结和回顾，并说明其中的不足和需要改进之处。 4 笫聋虚拟仪器 第二章虚拟仪器 弟一早 匾似1 义裔 虚拟仪器技术是一门新型的技术，是随着计算机技术、现代测量技术、电子 仪器技术的发展而产生的- 4 中新型仪器，是8 0 年代末出现的新的仪器概念。虚 拟仪器的出现是测景仪器领域的个突破，它彻底改变了传统的仪器观，从根本 上更新了测量仪器的概念，代表着测量仪器发展的最新方向和潮流，丌辟了测量 测试技术的新纪元。虚拟仪器技术的发展使现代测量技术和计算机技术真正地融 合在一起，是计算机技术和现代测量技术的高速发展共同孕育出的一项革命性新 技术。它强调“软件就是仪器”，弱化了软硬件之间的区别，把传统仪器的大部 分硬件功能山软件实现，即降低了开发成本又提高了测量的精度，并且加快了仪 器更新换代的速度。它是在通用计算机环境中，依托功能强大的处理单元和高速 的数据总线，利用虚拟仪器软件平台，在屏幕上构建与真实仪器类似的可视化软 面板，通过软面板上的虚拟控制件控制底层硬件，用功能强大的软件来完成信号 的采集分析、显示和存储，并给出结果。 2 1 虚拟仪器简介 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 技术是一门新型的技术，它的概念 是1 9 8 6 年由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i 公司) 首先提出的。 n i 公司对虚拟仪器的定义是：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。灵活高效的软件创建 完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的 软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。只有同时拥有高效的软件、模块化 i 0 硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，才能充分发挥虚拟仪器技术 性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。 虚拟仪器包括硬件和软件两个基本要素，硬件功能是获取被测的物理信号， 提供信号传输的通道，软件则是用于实现数据采集、数据分析、处理以及显示的 功能。一般是山主机、根据用户需要设计的软件以及测量所用的仪器硬件组成。 它可代替传统的测量仪器，如示波器、万用表、信号发生器、频谱分析仪等；可 集成于自动控制、工、i k 控制系统；可自 臼构建成专有仪器系统。虚拟仪器系统可 第一辛虚拟仪器 以广泛地应用在通讯、自动化、半导体、航空、电子、电力、生化制药和工业生 产等各种领域。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合为一 体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起， 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。1 0 2 ，0 8 ，0 9 1 2 2 虚拟仪器的发展过程 v i 技术的开发和应用源于1 9 8 6 年美国n i 公司设l a b v i e w 。这是一种基于 图形的开发、调试和程序的集成开发环境，实现了v i 的概念。n l 又提出了“软件 就是仪器t h es o 硎a r ei st h ei n s t r u m e n t ”的概念，充分体现出软件在 虚拟仪器中的极其重要作用。它的出现，使用户可以自己定义仪器，灵活地设计 仪器系统，满足多样化的实际需要。随着虚拟仪器软件开发平台及硬件的发展， 基于虚拟仪器的测试系统开发周期缩短，费用降低，测试速度、准确度及可复用 性提高，且更便于维护和扩展虚拟仪器的发展过程与当代计算机技术的发展密 切相关。一般认为虚拟仪器的发展过程有两条路线： 0 2 , 1 1 - 2 2 j 1 、g p i b v x i p x j 总线方式( 适合大型高精度集成系统) ； 2 、p c 插卡一并口式一串口u s b 方式( 适合于普及型的廉价系统，有广阔的 应用前景) 。 g p i b ( g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线于1 9 7 8 年问世，可把不 同厂家的课程控仪器与计算机相连，组建自动测试系统并取得了巨大的成功，但 是没有充分发挥通用计算机的作用。2 0 世纪8 0 年代后期，仪器制造商发现g p i b 总线和v m e 总线产品无法再满足军用测控系统的需求了。在这种情况下，h p 、 t e k r o n i x 等五家国际著名的仪器公司成立 v x l b u s 联合体，并于1 9 8 7 年发布了 v x i 规范的第一个版本。几经修改和完善，与1 9 9 2 年被i e e e 接纳为i e e e 1 1 5 5 1 9 9 2 标准。但是v x i 系统要求配置专门的机箱和零槽控制器，是种高位价格系 统，常常超出用户的承受能力。1 9 9 7 年，n l 公司又推出了一种新的仪器总线标准 p x i ( 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 ，砸向仪器系统的p c i 扩展) 总线标 准。1 9 9 8 年一批生产p c i 机数据采集产品的厂家宣布成立丌放式数据采集协会 ( o p e nd a t aa c q u i s i t i o na s s o c l a t l o n ) ，并且公布了开放式数据采集 6 第一二章虚拟仪器 标准( o p e nd a t aa c o u i s i t i o ns t a n d a r d ，简称o d a s ) 。与数据采集标 准相关的其中一个标准是可换的虚拟仪器设备( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a l i n s t r u m e n t s 简称i v i ) ，这是在v x ip l u g & p l a y 技术上发展起来的一项新技术，可 以在不改动软件的情况下更换测试系统中的仪器。 p c 插卡式虚拟仪器于8 0 年代初问世，它借助于插入计算机内的数据采集卡 与专用的软件相结合构成测试系统，充分利用计算机的总线、机箱、电源及软件 的便利。但是受p c 机机箱和总线限制，具有电源功率不足，机箱内部的噪声电 平较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。并行口式虚 拟仪器于1 9 9 5 年问世，它把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算 机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能。串口u s b 方式于1 9 9 9 年问世。 u s b 接口的数据采集卡采用外置形式，多个u s b 接口的数据采集卡可同时接在 一个u s b 接口上，不会占用p c 机上的串行口和主板上的i s a j p c i 总线扩展槽， 不仅能够提高系统的采样精度和稳定性，还能增强系统的灵活性。它的最大好处 是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式p c 机相连，实现台式 和便携式两用，非常方便。由于其价格低廉、用途广泛，特别适合于研发部门和 各种教学实验室应用。 2 3 各种数据传输方式的比较 虚拟仪器的发展离不开接口的发展，各种总线和数据传输方法给数据采集提 供了有力的保障，随着高速数据传输技术的发展，数据传输的能力有了空前的提 高，这也使得高速数字仪器的实现成为可能。l 拉捌 一般各类接口无论是有线方式还是无线方式，在数据传输方式上可分为串行 接口和并行接口，传统意义上串行接口传输速度低于并行接口，但是串口的成本 低廉，常用于低速、较长距离( 相对于并口) 的数据传输，女1 j r s 2 3 2 。而并行接口 常用于高速、短距离数据传输，女l j p c 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 i o n ，外 设部件互连标准) ，s c s i ( s m a l lc o m p u t e rs y s t e mi n t e r f a c e ，小型电脑系统接口) 。 但速度仅仅是相对的，根据不同的要求采用不同的方式。但是最近几年u s b 接口 技术和i e e e l 3 9 4 接口技术的完善，改变了串口速度慢的状态。这也使得新型串 行接口这高速与低成本结合的产物成为当前接口技术发展的一个热点。 2 3 1p c i f l s a 数据采集卡 7 第二二审虚拟仪器 今天的p c i 总线采用6 4 条线，运行速度高达2 6 6 m h z 。它耗去了重要的印制电 路板位置，需要更大的连接器( 插头座) 和很多引脚数的总线接口芯片。限制s c s i 相同的因素还影响内部的总线，其尺寸大小问题是主要的。采用内置形式，将高 速、高精度连续采样系统控制和数掘通道部分做成板卡的形式，占用p c 的一个 i s p c i 总线扩展槽，通过i s a p c i 总线的高速数据传输率实现p c 与采样系统的大 容量数据交换。但是，这种内置式形式很容易受到p c 机箱内高频干扰的影响， 降低系统的采样精度和稳定性，且p c 机主板上的i s ，p c l 总线扩展槽数目也很有 限，多功能卡及专用的接i 卡，很大程度上就是为了解决多种设备连接到主机及 提高传输速率而出现的解决方案。 2 3 2r s 2 3 2 总线 r s 2 3 2 总线是p c 机早期采用的串行总线，技术成熟，应用广泛，至今仍然适 用于要求较低的虚拟仪器或测试系统。它采用简单的线路或导线来传送信息，基 本上是每个时钟传一位数据。为改善这种方式，创立了并行接口，采用了多根数 据线，每个时纠- 可传多位数据。采用外置形式，通过r s 一2 3 2 c 口与p c 连接，由于 p c 机的限制，其最高数据传输率不超过1 1 5 k b p s ，同时传输的距离也不会超过 1 5 m ，且p c 机上的串口数目也很有限。采样系统与p c 接口速度的瓶颈作用会导 致一部分数据的丢失，失去连续采样的意义。 2 3 3i e e e l 3 9 4 串行总线 i e e e l 3 9 4 串行总线是a p p l e 公n 开发的串行标准，又称f i r e w i r e 接口，它是一 种高速串行总线，能够以1 0 0 、2 0 0 或4 0 0 m b p s 的速率传送数据。该接e l 不要求p c 端做为所有接入外设的控制器，不同的外设可以直接在彼此之间传递信息。另外， 利用该接口，两台电脑可同时共享使用同一个外设。利用i e e e l 3 9 4 的拓扑结构， 该接口不需要集线器就可连接6 4 台设备，并且可由桥网将独立的子网连接起来， 而不需要强制用电脑控制这些设备。i e e e l 3 9 4 b 接口规范能够实现8 0 0 m b p s 和 3 2 g b p s 传输速度的高速通信方式。与其前身k - 日l l 该技术的特点是可实现较长距 离数据的传输。无线方式i e e e l 3 9 4 超高速数据传输技术可以实现4 0 0 m b p s 的无线 通信速度。传送距离在无障碍时i 叮达1 2 m 。传送电波采用6 0 g h z 的微波。i e e e l 3 9 4 串行总线具有很高的速度，但需要高速c p u 且占用大量的系统资源，而且很少有 主板芯片组直接对i e e e l 3 9 4 提供支持，要实现它必须靠外接控制芯片，这样又 8 第一章虚拟仪器 提高了产品成本。 2 3 4u s b 总线 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线最初是 h i n t e l 、d e c 、i b m 、康柏、 微软、n e c 和n o r t h e r nt e l e c o m 七家著名的计算机、通信公司共l 司推出的新一代 接l 1 标准，其同的在于解决日益增加的p c 外设与有限的p c 插槽和端口之l 、j 的矛 盾，使所有的p c 外设都可以连接在统一接口上。u s b 总线采用精心设计的4 芯连 结器和一种特别的差分电平编码方式来实现数字信号的高速传输，并采用菊花链 的形式通过h u b 把多达1 2 7 个外设连接起来，且不会损失带宽。u s b 具有即插即用 ( p n p ) 的特性，支持带电动态插拔，安装配置设备不再需要打丌机箱，u s b 集线 器提供5 v 5 0 0 m a 电源，足以直接支持一些小型仪器工作。u s b 协议经历了 u s b l 0 、u s b l 1 和u s b 2 o 版本，这些协议都具有良好的向下兼容性。目前普 遍采用的u s b l 1 主要应用于中低速外设，它提供1 5 m b p s 和1 2 m b p s 两种传输速 度，支持显示器、调制解调器和多数多媒体等设备。2 0 0 0 年4 月，这些公司在原 1 1 版本协议的基础上制订了u s b 2 o r 输协议，已超过了目前i e e e l 3 9 4 接口 4 0 0 m b p s 的传输速度，在3 - - 5 m 内支持全速1 2 m b p s ，高速4 8 0 m b p s ，可靠性高。 设备与主机之间通过轻便、柔性好的u s b 线缆连接，最长可达5 m ，使设备具有 移动性，可自由挂接在具有u s b 接口的运行在w i n d o w s 2 0 0 0 x p 平台的p c 机上。 几乎每个主板上都有2 个以上的u s b 接口，使用十分方便，可移植性好。u s b 总 线己被越来越多的标准外设和用户自定义外设所使用，如鼠标、键盘、扫描仪、 音箱等。 2 8 - 3 9 j 无线u s b ( w i r e l e s su s b ，简称w u s b ) 是u s b 总线发展的下一个阶段。w u s b 是一种高速无线个人互连技术，第代的w u s b 相当于现有u s b 2 0 的传输标 准，3 m 距离内带宽可达4 8 0 m b p s ，1 0 m 也可达1 1 0 m b p s ，在今后w u s b 发展中， 会逐步提高传输的带宽，最终超越1 g b p s 。理论上说，一个w u s b 主机最多能 够连接1 2 7 个w u s b 设备，和传统的u s b 使用相同的架构以及高速的“主机一 一设备”的连接方式。在这些现有标准的前提下，各厂商很容易就能将有线的 u s b 设备升级到w u s b 。除了硬件没汁的架构和标准之外，w u s b 还指定了专 门的u l t r aw i d e b a n d ( u w b ) 通讯频谱，方便多媒体设备在个人网络的范 目内交 匠通讯。w u s b 技术最基本的拓扑结构就足需要一个w u s b 主机平l l k - n 应的通讯 9 第一二章虚拟仪器 设备，位于中心的w u s b 主机初始化所有相连接设备的传输速率，并且分配给 相应的通讯通道和带宽。这样的主机和通讯设备之问的关系被称为“簇”。当然 簇与簇之问能够覆盖和叠加，如果相邻的两个簇想要相互通讯的话，那么必须工 作在相一j 的频谱l 。除此之外，w u s b 拓扑结构还支持“双角色”模式，在此 模式中，一台w u s b 主机可以成为两个“簇”的主控中心，两个簇的w u s b 设 备都通过这一台w u s b 主机进行通讯。目前在w u s b 通讯环境中，“簇”的最 大容纳数量还在制定中。在w u s b 研发的过程中，除了提供无线的连接之外， 还考虑到向下兼容现有的有线u s b 设备，而且簇之间能够方便地交换数据。目 前，w u s b 技术足以提供现有有线u s b 通讯的足够带宽。随着数字多媒体技术 的成熟，消费电子设备和移动通讯环境的完善，这都为w u s b 提供了良好的发 展环境，w u s b 很有可能成为能够连接三个领域的一种标准互连方式。而且 w u s b 和u s b 具备相同的安全等级，连接的设备身份必须得到确认后才能进行 相关操作的，在数据的通讯过程中还可以使用更高安全级加密算法。 w u s b 与目前正在使用的蓝牙技术相类似，但是速度将会是蓝牙的1 0 0 倍， 而同时具有成本低廉、兼容性好的优势，有望取代蓝牙成为新的无线设备连接标 准。无线u s b 标准1 0 版将于今年年底推出，无线u s b 芯片有望于年底问世。 w i r e l e s su s bp r o m o t e r 小组成员主要是7 位业界巨头：杰尔系统( a g e r e s y s t e m s ) 、惠普( h e w l e t tp a c k a r d ) 、英特尔( i n t e l ) 、微软( m i c r o s o f t ) 、n e c 、飞 利浦半导体( p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s ) 和三星( s a m s u n g ) 现在，u s b 总线已被受个大厂家的青睐，w u s b 技术的进一步发展，将虚拟 仪器推向更高的发展空间，基于u s b 总线的虚拟仪器发展前景不可估量。 2 4 虚拟仪器的功能 从功能上来说，虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起 来，完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等功能，因此，它可 划分为数据采集、数据分析、结果显示三大功能模块，图2 1 为其内部功能框图。 1 0 第章虚拟仪器 插入弋d a q 卡 信号处理网络传输 g p i b 仪器 数字滤波硬复制 h 、h 、 v x i 仪器统计文仆i o r s 一2 3 2分析图形j 咐户界面 数据采集数据分析结果显示 图2 1 、虚拟仪器的内部功能框图 其中，采集处理功能主要完成数据的调理采集：数据分析功能对数据进行各 种分析处理；结果表达则使将采集到的数据和分析后的结果表达出来。 2 s 虚拟仪器与传统仪器的比较 传统仪器由信号采集、信号处理和结果表达与仪器控制三部分组成。在传统 仪器里，这三部分都是用电子线路来实现的。随着计算机技术的发展，尤其是数 字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软件算法精度越来越高，速度 越来越快，在仪器的信号处理部分，用软件代替硬件成为可能，即：用算法代替 电子线路，能够实现传统仪器的信号处理功能。同时，结果表达与仪器控制原本 就是计算机的“长项”。虚拟仪器就是把传统仪器的后两部分( 信号处理、结果 表达与仪器控制) 用计算机软件来实现。虚拟仪器与传统仪器的比较如表2 1 所 不。 传统仪器虚拟仪器 功能由一商定义 功能由用户自己定义 与其它仪器设备的连接十分有限可方便的与网络外设及多种仪器连接 图形界面小，人工读取数据，信息界面图形化，计算机直接读取数据并分析 量小 处理 数掘无法编辑 数据可编辑、存储、打印 硬件是关键部分软件是关键部分 价格昂贵 价格低廉，仅是传统仪器的五至十分之一 系统封闭、功能固定、可扩展性差基于计算机技术丌放的功能模块可构成多 种仪器 技术更新慢 技术更新快 第二帚虚拟仪器 表2 1 、虚拟仪器与传统仪器的t l 较 2 6 虚拟仪器的优点 1 、高度集成 o l 邶, 0 8 - 0 9 j 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源