（生物医学工程专业论文）基于虚拟仪器技术的血管组织工程生物反应器的研究.pdf

摘要 动流，又能调节压力和剪切应力的大小、频率，为血管组织工程研究提供多种 力学刺激条件。 3 通过分析确定血管组织工程生物反应器的测控对象，选用传感器、信号 调理模块、u s b 6 0 0 9 数据采集卡及计算机，并利用l a b v i e w 软件开发平台， 组建和开发了血管组织工程生物反应器的测量和控制系统，通过控制软件完成 数据采集、信号处理及过程控制。 4 论文设计了多通道信号连续采样的程序，采用中值滤波和样本平均来提 高信号的采集精度。通过前面板可以看到当前培养室温度和c 0 2 浓度及其变化 趋势，培养腔管内压力变化和储液罐内培养液的p h 值。 5 设计步进电机控制系统。以m s p 4 3 0 单片机作为控制系统内核，数据采 集卡的数字i o h 作为控制系统与上位机的通信接口，实现步进电机的p c 控制。 控制系统还具有独立功能，能够在没有上位p c 的情况下工作，通过按钮调节电 机转速并显示。 6 编写传感器标定程序，对传感器进行标定和测试后，采用l a b v i e w8 5 编 写的测控软件对整个系统进行实际测试。 初步实验表明，血管组织工程生物反应器的测量和控制系统达到设计要求， 可以为血管组织工程提供了良好的研究平台，测控软件操作界面友好、功能强 大。在定常流和搏动流工作状态下，系统运行状况良好，生物反应器性能稳定， 实验条件控制方便。 关键词：生物反应器；虚拟仪器；l a b v i e w ；血管组织工程 硕士学位论文 s t u d y o nb i o r e a c t o rf o rb l o o dv e s s e lt i s s u e e n g i n e e r i n gb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n t n a m e ：c h e nm i n g d o n g s u p e r v i s o r ：z h a n gx i z h e n g a b s t r a c t b i o r e a c t o ri so n eo fi m p o r t a n tr e s e a r c hp l a t f o r mf o rt i s s u ee n g i n e e r i n g ，i tc a n s i m u l a t el i v i n go r g a n i s me n v i r o n m e n tf o rt h e 邶eo ft i s s u ec u l t u r e ，a n de x a m i n ea n d e v a l u a t et h r e e - d i m e n s i o n a ls a m p l e s v a s c u l a rt i s s u ee n g i n e e r i n gb i o r e a c t o ri sa l l i m p o r t a n tt o o lf o rc o n s t r u c t i n gt i s s u ee n g i n e e r i n gb l o o dv e s s e l ，b e c a u s ei t 啪p r o 访d e as t a b l ea n db i o l o g i c a le n v i r o n m e n ts i m i l a ri nv i v o s m d y i n go ne f f e c t i o no ft h e b l o o dv e s s e lw a l lc e l l su n d e rh e r n o d y n a m i c s ，i ts h o w st h a tt h es u i t a b l em e c h a n i c a l s t i m u l u sm a k e st h ew a l lc e l lf o rp r o l i f e r a t i o na n dd i f f e r e n t i a t i o n , e x t r a e e l l u l a r m a t r i x - s e c r e t i n gc e l l s ，i n c r e a s i n gv a s c u l a rs t r e n g t ha n dr e s u l t si na l lf l o o r so ft h ec e l l w a l lp e r f o r m i n gi t sf u n c t i o n sm o r eb e t t e r t h e r e f o r e ，h o wt op r o v i d ea l la p p r o p r i a t e m e c h a n i c a le n v i r o n m e n tf o rt i s s u ee n g i n e e r i n gb l o o dv e s s e l ，a n dh o wt oc r e a t es t r e s s c u l t u r es y s t e mi nv i t r of o rv a s c u l a rt i s s u e 、) i r i mas i m u l a t i v e - p h y s i o l o g i c a ls t a t e ，i ti s t h ek e yt h a tn e e dt ob er e s o l v e df o rv a s c u l a rt i s s u ee i n g i n e e r i n gb i o r e a c t o r v i r t u a li n s t r u m e n ti sac o n b i n e dp r o d u c t i o nw i t h c o m p u t e rs y s t e m s a n d e q u i p m e n t w ec a l ld e s i g nf l e x i b l yv a s c u l a re n g i n e e r i n gb i o r e a c t o rb yu s i n gt h e p o w e r f u lh a r d w a r ef e a t u r e sc o m b i n e dw i t h t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e v i r t u a l i n s t r u m e n tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n t s ，t h eb i g g e s tf e a t u r ei sf l e x i b i l i t y , i tc a l la c h i e v ee a s i l ym o n i t o r i n ga n dc o n t r o lm u l t i f u n c t i o n sb ys e l e c t i n gad i f f e r e n t h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n dc h a n g i n gs o f t w a r e a b s t r a c t t l u sp a p e rr e s e a r c ht h ed y n a m i cc u l t u r es y s t e mb a s e do nt h eh e m o d y n a m i c c o n d i t i o n s ，a n dd e v e l o pav a s c u l a re n g i n e e r i n gb i o r e a c t o rb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： i a n a l y s e st h ew o r kp r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fe x i s t i n gv a s c u l a rt i s s u e e n g i n e e r i n gb i o r e a c t o r , a d v a n c e st h es y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t sa n da c h i e v et h e d e s i g no fv a s c u l a rt i s s u ee n g i n e e r i n gb i o r e a c t o ri nt h ee n d 2 b u i l d st h e c y c l i c p e r f u s i o n s y s t e m o fv a s c u l a rt i s s u e e n g i n e e r i n g b i o r e a c t o r t h ec y c l i cp e r f u s i o ns y s t e mc a ns i m u l a t et h es t e a d yf l o wa n dp u l s a t i l ef l o w , a n dr e g u l a t em a g n i t u d eo rf i c q u e n c yo fp r e s s u r ea n ds h e a rs t r e s s t h ev a s c u l a rt i s s u e e n g i n e e r i n gb i o r e a c t o rp r o v i d e sm u l t i m e c h a n i c a ls t i m u l a t i o nc o n d i t i o nf o rr e s e a r c h o fv a s c u l a rt i s s u ee n g i n e e r i n g , 3 i d e n t i f i e so b j e c t so fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt h r o u g ha n a l y s i n go fv a s c u l a r t i s s u ee n g i n e e r i n gb i o r e a c t o r d e v e l o p m e n t st h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o r v a s c u l a re n g i n e e r i n gb i o r e a c t o rw i t hu s i n gs e n s o r s ，s i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e s ， u s b 一6 0 0 9d a t aa c q u i s i t i o nc a r d ，c o m p u t e r , a n dt h eu s eo fl a b v i e ws o 胁a r e a n d t h es y s t e ma c c o m p l i s hd a t aa c q u i s i t i o n , s i g n a lp r o c e s s i n ga n dp r o c e s sc o n t r o lb y s o f t w a r e 4 p a p e rd e s i g n sp r o g r a m m i n go fm u l t i - c h a n n e ls i g n a ls a m p l i n g , i m p r o v e st h e a c c u r a c yo fs i g n a la c q u i s i t i o nf o rt h eu s eo fm e d i a nf i l t e ra n dt h es a m p l ea v e r a g e m o d u l e s t h ec u r r e n tt e m p e r a t u r ea n dc 0 2o rc h a n g e si n s i d e t h ec h a m b e ro f c u l t u r e ，p r e s s u r ei n s i d et h et u b ea n dt h ep ho fc u l t u r em e d i u ma r ed i s p l a y e db yt h e f i o n tp a n e l 5 d e s i g n sc o n t r o ls y s t e mo fs t e p p e rm o t o r t h es y s t e mu s e st h em s p 4 3 0s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e rt oc o n t r o lm o t o r , t h es y s t e mc o m m u n i c a t e sw i t hc o m p u t e r t h r o u g ht h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r di op o r ta n dr e a l i z e st h er e m o t ec o n t r o lo fs t e p p e r i i 坝士学位论文 m o t o r t h em o t o rc o n t r o ls y s t e mi sa l s oa l li n d e p e n d e n ts y s t e mt h a tr u nw i t ht h e a b s e n c eo f c o m p u t e r , a n dt h em o t o rs p e e dc a l lb er e g u l a t e da n dd i s p l a y e db yb u t t o n 6 d e v e l o p m e n t ss c l l s o tc a l i b r a t i o np r o g r a m m i n g , e a r r y so nt h ea c t u a lt e s t i n go f t h es y s t e mw i t hm e a s u r 锄e n ta n dc o n t r o ls o f t w a r ec o m p i l e db yl a b v i e w 8 5 ，a f t e r c a l i b r a t i n ga n dt e s t i n gs e n s o r s 。 i tt u r n so u tt h a tv a s c u l a rt i s s u ee n g i n e e r i n gb i o r e a c t o rm e f l s r r 黜e n ta n dc o n t r o l s y s t e mb a s e d0 1 1v i r t u a li n s t r u m e n tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n do f f e r sg o o d p l a t f o r m f o r t h er e s e a r c ho fv a s c u l a rt i s s u e e n g i n e e r i n 岛w i t hf r i e n d l yi n t e f f a c 冶 t o g e t h e rw i t hp o w e r f u lf u n c t i o n s t h es y s t e mr u n si ng o o dc o n d i t i o n , p e r f o r m a n c eo f b i o r e a c t o ri ss t a b l e ，e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa r ee a s yt oc o n t r o l ，u n d e rs t e a d yf l o wa n d p u l s a t i l ef l o wm o d e k e y w o r d s ：b i o r e a c t o r ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w ；v a s c u l a rt i s s u ee n g i n e e r i n g 南方医科大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人雀导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的 成果作品对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明除与外 单位合作项目将予以明确方式规定外，本研究已发表与未发表成果的知识产权均归属南方医 科大学 本人承诺承担本声明的法律效果 储挑* ，氓每、 日期加7 年多月7 日 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，允许论文被奎阅和借阅。本人授权南方医科大 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 本学位论文属于( 请在以下相应方框内打。 ”) ： 1 、保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 、不保密口 作者签名： 导师签名： 日 日 7广 月月 占6 年年 竹| x d 期期 日 目 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 血管组织工程 血管疾病是临床常见的疾病之一，我国人口死亡原因的调查分析资料表明， 近年国人死亡原因中心血管疾病导致死亡的占到4 0 。因此，如何能够从根本 上解决组织、器官缺损和功能丧失已经成为科学界，特别是生命科学领域所要 积极努力和探索的国际性前沿课题【1 1 。血管组织工程是在体外构建有生理活性的 血管移植物，为心血管外科临床提供新的血管代替物来源。近年来，血管组织 工程逐渐显露出其各方面的优越性能。 1 1 1 血管组织工程概述 血管组织工程是应用体外培养扩展的、具有特定生物学功能的种子细胞 ( s e e dc e l l ) 和可降解生物材料( b i o d e g r a d a b l ep o l y m e r ) ，利用生物学技术，将细胞 种植于三维支架材料上，使之黏附、分化、生长，并分泌相关的细胞外基质 ( e x t r a c e l l u l a rm a t r i x ，e c m ) ，细胞在生物材料逐渐被机体降解和吸收的过程中形成 新的具有形态和功能的血管，以替代病损的血管组织【2 1 。作为理想的血管替代物， 它应具有良好的机械张力，足以承受动脉强大的血流冲击而不破裂；有完整的 内皮细胞层而不容易形成血栓；具有血管生物活性，对温度、血流变化有相应 舒缩反应，并能分泌相应的生物活性物质【3 4 】。其中最重要的是血管替代物的力 学性能，要经得起长时间血流考验，这是修复血管缺损成败关键。 1 1 - 2 血流动力学对细胞的影响 著名生物力学家冯元桢教授指出：“应力生长的关系，是生物力学的 灵魂”。生物组织和细胞应力生长关系的研究表明，从器官、组织到细胞、 细胞器等各个层次上的生命运动都是在定力学环境下进行的，细胞的形态、 第一章绪论 结构、功能及其生长都与细胞所处的力学环境密切相关【5 】。血流动力学在血管重 建( r e r n o d e l i n g ) 中起着重要作用，应力对血管重建的影响越来越受到重视。血液 是一种粘性液体，当血液流动于血管之中，血管主要承受两种力的作用。一种 是流体剪切应力，即流动的血液顺血流方向作用于腔侧血管内皮细( v a s c u l a r e n d o t h e l i a lc e l l s ，v e c s ) 单位面积上的力，主要影响v e c s 的排列和功能状态。另 一种是环形张力，即沿血管周径分布的由血流压力形成的周向张力，主要影响 血管平滑肌细胞( v a s c u l a rs m o o t hm u s c l ec e l l s ，s m c s ) 的排列和功能状态。其中， 环形张力在血管三维组织构建过程中尤为重型6 , 7 , 8 】。许多研究表明，血流动力学 环境对v e c s 和v s m c s 的粘附、增殖及有关活性物质( 如e t i ) 的分泌都有很大 影响【9 , 1 0 。目前普遍认为在血管构建与重塑过程中，模拟体内力学环境对形成具 有正常组织结构与生理功能的组织工程血管影响重大。 1 1 3 组织工程生物反应器 生物反应器的发展和利用有悠久的历史。古代欧洲人用牛胃盛牛奶，牛胃 中的微生物将牛奶转化为奶酪，而这个牛胃就是原始状态的生物反应器。盛传 已久的酒类生产中，制酒用的密封容器也是一种早期的生物反应器。上世纪4 0 年代以来，伴随着微生物学和酶工程的研究深入，开发出了用于制备青霉素等 药物的机械搅拌式生物反应器【i l 】。 由于生命科学和组织工程的发展，在体外用组织工程的方法构建人体组织 时，传统细胞培养方法很难满足三维组织细胞生长所需的条件，因此通过模拟 天然机体细胞所处的微环境开发出的组织工程生物反应器，可成为研究组织细 胞培养的不同环境因素如何影响特定细胞、组织的三维功能化培养的重要技术 手段。目前组织工程生物反应器通常被定义为一种严格监控、培养环境可精细 调节、操作条件可控的细胞生物、生化培养装置【1 2 l 。上世纪7 0 年代以后，组织 工程生物反应器飞速发展、种类越来越多，先后出现了搅拌式生物反应器、气 升式生物反应器、中空纤维生物反应器、旋转壁式生物反应器【1 1 , 1 3 , 1 4 ，如图1 1 2 硕士学位论文 所示。 ( d ) 图1 1 现用于组织工程的生物反应器 ( a ) 搅拌式生物反应器气升式生物反应器( c ) 中空纤维生物反应器( d ) 旋转壁式生物反应器 f 逅1 - 1r e p r e s e n t a t i v eb i o r e 组c t o r sf o rt i s s u ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ( a ) s p i n n e r - f l a s hb i o r e a c t o r ( b ) a i r l i rb i o r c a c t o r s ( c ) h o l l o w - f i b c rb i o r c a c t o r s ( d ) r o t a t i n g - w a l l v e s s e l s 1 1 4 血管组织工程生物反应器 不同类型的组织有其特定细胞和三维结构，在其生长发育过种中受到不同 环境的影响。组织工程生物反应器应该能够模拟人体内组织和器官所处的环境， 满足“专一性”的需求。在血液流体力学对血管壁细胞作用的长期研究中，学 者们发现适宜的力学刺激有利于管壁细胞增殖分化，分泌细胞外基质，增加血 管强度，使管壁各层细胞更好地发挥其功能。继而他们设计出能模拟体内血液 循环、搏动的装置血管组织工程生物反应器，并将其成功应用于构建组织 工程血管。 n i k l a s o n 等首次设计了一种由蠕动泵、顺应腔、培养室、贮液池等部分组成 的生物反应器，如图1 2 所示，用聚合物假体聚羟基乙酸材料种植体外扩增的牛 主动脉平滑肌细胞，放在以1 6 5n m i n 、5 的径向拉伸应变反复作用的硅酮管道 中培养【l5 1 。组织工程血管的构建和优化需要正常生理压力的刺激，而早期的生 物反应器只能靠蠕动泵提供正压力，搏动效果不明显【7 , 1 6 。后来，在血管组织工 3 第一章绪论 程中使用的生物反应器，普置采用压力反馈自动调节，通过控制生物反应器后 端阻力来实现不同水平的压力和流体曲线。在压力累积过程中，有可能引入了 其它因素干扰，引起精度的下降；同时，在血管内部容易产生紊流，造成对细 胞的损害。h i l d v b r a n d 等使用基于计算机控制的闭环反馈系统，得到较为稳动的 搏动曲线，解决了上述生物反应器的精度问题【1 7 。s o d i a n 等通过使用气球泵设 计了一种精巧的脉冲复制系统，可以产生一定范围的搏动流和生理压力【l q 。生 物反应器可经过元件的重新组装，分别实现细胞的种植和培养，减少了在分散 的生物反应器中转移和操作带来的安全隐患。根据股动脉的血流环境，b i l o d e a u 等设计了一种可模拟四种力学参数的装置。为了避免不同类型细胞相互污染， 生物反应器设计成两个独立的灌注系统提供不同速率支架材料内外培养液的 灌注。生物反应器的中间部分在1r p m 速率旋转，可减小重力的影响，保证血管 组织生长的均一性和内皮细胞的迁移 1 9 l 。 圈1 - 2 血管组织工程生物反应器的构成图 f i g1 2 c o n s t r a c t o f v a s c u l a r g l n “g b i o r e a c t o r 目前血管组织工程研究中缺乏具有良好传质特性、利于细胞接种、可提供 适宜力学环境的专用组织工程生物反应器【埘。大部分的血管组织工程生物反应 器研究集中在搏动装置的设计和力学加载，缺乏对血管的流动状况和受力进行 分析，并对支架材料或硅胶管进行设计。在支架材料厚度方向上细胞形态和发 4 硬士学位论文 育水平的不一致，细胞分泌物分布的不均匀，会引起细胞的凋亡。主要因为灌 注压力在支架材料分布不均匀，压力的不同，造成了传质效果不同，从而引起 细胞的生长情况出现差异。如果流体从支架材料的一侧流向另一侧，那么前侧 的细胞将会受到更大的应力作用，这样相对于支架材料的其他部分，前面的细 胞将分泌出比较厚的细胞外基质。因此，如何改善支架材料的结构和生物反应 器的灌流方式来提供均匀的应力，这将是生物反应器优化设计研究内容之一 p u n c h a r d 等通过计算机建模软件来评估培养室入口的几何形状，然后根据计算 结果，调整弯曲导管的半径和长度来降低支架材料内的紊流。同时引入柏努利 方程分析，保证在垂直位置重力不会偏向管的任何一侧动脉模型的速度和剪 切力分布如图1 - 3 所示f 阍。曹珲等也利用计算机仿真分析的方法对硅胶管内腔的 压力场进行仿真计算，通过计算分析确定硅胶管的大小和形状工程化组织在 不同的培养阶段可能需要不同参数和大小的力学刺激或者作用规则【l i 。如对成熟 e o r a w ，m 。睁l r 卜“ i ：二二 酗1 - 3 动脉模型的速度和剪切应力分布图 f i 9 1 3 v e l o c i t y a n ds h e a r $ t i w s $ p r o f i l c 8 0 f a r t e z y m o d e l 5 第一章绪论 组织有利的应力会破坏新种植的支架材料，而过小应力不利于相对成熟的组织 继续生长，出现平台现象。b i l o d e a u 等通过执行有限元分析来建立血管壁的应力 模型，在模拟生理条件时更好地理解支架材料的应力分布等特征，这对参数的 优化和确定具有重要意义【1 9 】。 随着各类传感器的开发和计算机技术的广泛应用，检测和控制技术越来越 趋向智能化和自动化，检测技术向快速、多样性发展。p u n c h a r d 等人设计出全 自动电脑控制的新型血管组织工程生物反应器，研究在血流动力刺激下体外内 皮细胞的形态、方向和基因表达特征【1 6 1 。b o s e 公司的b i o d y n a m i c 系统使用 e l e c t r o f o r c e 专利动磁式电机准确地对管状样本进行搏动流加载，可配置激光测 微计测量样品在搏动流作用下的直径变化、顺应性及相关弹性、蠕变等研究。 1 2 虚拟仪器 在现代工业自动化测量领域中，基于p c 机的自动化测控系统以其强大的数 据处理能力、优美的人机操作界面以及极富柔性的接口扩展方式，打破了基于 普通物理逻辑控制元件的控制系统一统天下的格局，并逐渐占据了主导地位。 它就是虚拟仪器。 1 2 1 虚拟仪器的起源 从功能上分析任何一台仪器，均由三大功能块组成：信号的采集、信号的 分析与处理、结果的表达与输出。传统测试仪器的功能块全部以硬件( 或固化的 软件) 形式存在。这种框架结构，决定了传统仪器只能由仪器厂家定义，对用户 新的需求难以适应。 计算机技术、微电子技术及网络技术的迅速发展及其在电子测量技术领域 的应用促进了虚拟仪器系统的诞生和迅速发展。 1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，n o 率先提出了虚拟仪器的 概念。虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) ，是指通过应用程序将通用计算机与功能 6 硕士学位论文 化模块结合起来，用户可以利用计算机强大的数据处理、存储、图形环境和在 线帮助功能，建立图形化界面的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析、 存储和显示，改变了传统仪器的使用方式，提高了仪器性能和效率，仪器价格 大幅度降低，且使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能【2 2 】，虚拟医学仪器 系统构成如图卜4 所示2 3 1 。 硬件模块计算机系统 图1 4 虚拟医学仪器系统构成图 1 2 2 虚拟仪器的硬件构成 软 件 模 块 虚拟仪器是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物。随着计算机软硬件 技术的发展，测试和测量专家把个人计算机( p c ) 作为虚拟仪器的基础，使p c 成 为测试工程中的核心和标准平台。图1 5 表示以计算机为中心组建各种类型虚拟 仪器测试系统的硬件构成方式。 利用计算机系统的强大功能，结合相应的硬件，大大突破了传统仪器在数 据处理、显示、传递、存储等方面的限制，使用户可以根据自己的需要“造 自己的仪器。 与传统仪器相比，虚拟仪器的最大特点是它的灵活性，它可以很方便地通 过选择不同的硬件配置和改变软件来实现各种测控功能。由于采用了通用的硬 件和计算机，使得测控系统的开发成本、维护成本下降，开发周期缩矧2 4 2 5 1 。 7 第一章绪论 j n 。d 摊n | 曾曲 l 1 7 l u p 坩谈u 稷块 r 7 i 测控对象 v x i p x i 接口模块 计算机 叫 u s b 接口模块 卜 - 。l t 、n ，7 、n 挂耆轴 l。 1 7 i u a u 仫m a u 俣荔砖 r 7 图l - 5 虚拟仪器测试系统的硬件构成 f i g 1 - 5h a r d w a r ec o n s l r u c to fv i r t u a li 地m a m c a tt e s t i n gs y s t e m 1 2 2 1g p i b 接口模块 通用接口总线( g e n e r a lp u r p o s ei n m f f a c eb u s ，g p i b ) 又称i e e e4 8 8 标准接口 总线。它是专为测试测量和仪器控制应用设计的总线，该总线标准是由h p 公司 于1 9 7 8 年制定的。g p i b 被认为是使用最为广泛的仪器标准。利用g p i b 接口、 p c i g p i b 转换器等实现计算机对仪器的操作和控制，代替传统的测试系统。虽 然它的传输速度较低，但由于它的低时延和可接受的带宽的特点，g p i b 目前仍 然是仪器控制中最常见的选择。g p i b 的优势在于为业界广泛采纳，并有超过 1 0 ，0 0 0 种仪器模型带有g p i b 接口。 1 2 2 2v x i p x i 接口模块 v x i 是多厂商统一标准的第一次尝试，它能够提供精准的定时和同步，并 具有高可靠性和坚固性。p x i 是一种坚固的基于p c 的测量和自动化平台。p x i 结合了p c i 的电气总线特性与c o m p a c t p c i 的坚固性、模块化及e u r o c a r d 机械封 装的特性，并增加了专门的同步总线和主要软件特性。这使它成为测量和自动 化系统的高性价比的运载平台。这些系统可用于诸如制造测试、军事和航空、 机器监控、汽车生产及工业测试等各种领域中。p x ie x p r e s s 基于p c ie x p r e s s ， 硕士学位论文 使得仪器系统具有更高的带宽( 最高可达6g s ) ，从而适用于更多新兴的测试应 用领域 1 2 2 3u s b 接口模块 当前p c 设计的主要趋势是减少扩展槽的数目。基于p c 外部总线接口的各 种模块，也在虚拟仪器的构建中广泛使用，特别是要求测试系统可便携使用的 场合。基于r s 2 3 2 和并口的各种测试模块，如低速a d d a 采集模块和i o 模 块，也出现在虚拟仪器体系中。为提高模块与p c 机的数据传输率，采用通用串 行总线( u n i v e r s a ls c r i mb u s ，u s b ) 接口，数据传输率可达1 2m b 1 $ ，远远高于 r s 2 3 2 接口。由于u s b 在p c 上的普及程度，特别是其即插即用的易用性，该 总线已经成为分立仪器中较为普遍的一种通信方式。 1 2 2 4d a q z 舰峋模块 随着模数转换( a n a l o g u e - t o - d i g i t a l , a d ) 和数模转换( d i g i t a l - t o - a n a l o g u e ，d a ) 技术、仪用放大器( i n s t r u m e n ta m p l i f i e r ) 、抗混叠滤波器、信号波形处理技术的 不断改进，使基于i s a 或p c i 总线的插入式数据采集( d a q ) 、图像采集( z m a q ) 板卡成为发展最快的虚拟仪器结构之一。最近十几年来，工业标准结构总线( i s a ) 技术已从单一的只是作为其它总线( 如g p i b ) 的仪器控制工具，发展到具有多 种应用的平台。它把i s a 总线的体积小、速度高、集成费用低的优点与微处理 器、d s p 和板载存储器结合起来，使得虚拟仪器在功能上可以超过传统仪器。 p c i 总线是一种同步的、独立于c p u 的、3 2 位或6 4 位的局部总线。基于p c i 总线的数据采集板比i s a 板卡的数据采集率高，其数据传输率高达1 3 2 2 6 4 m b s ，而且p c i 板卡同时还提供即插即用( p l u g p l a y ) 功能。具有d s p 芯片的高 效p c i 板，将进一步提高总线处理能力。 1 2 3 虚拟仪器的软件构成 n i 提出了“软件即仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t m m e n o 的概念，软件在虚 q 第一章绪论 拟仪器中占有重要的地位。在虚拟仪器中用灵活强大的计算机软件代替传统仪 器的某些硬件，特别是应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的分析， 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 源来完成这些功能。虚拟仪器测试系统的软件可分为两部分：仪器驱动和通用 f o 接口软件、数据分析处理和仪器面板控制软件。虚拟仪器测试系统的软件结 构如图1 - 6 所示。 “ r g p i b s e r i a j 尸 e t h e m e t v x lp x i a n d u s b 图1 - 6 虚拟仪器测试系统的软件结构 f i 9 1 击s o f t w a r e c o i l $ 1 3 1 c t o f v i r t u a l i n s t r u m e n t t e s t i n gs y s t 舶 1 2 3 1 仪器驱动和i o 接口软件 虚拟仪器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。仪器驱动 软件与通信接口及开发环境相联系，它提供一种高级的、抽象的仪器映像，还 能提供特定的丌发环境信息，例如图形化的表达方式，以此来支持开发环境。 仪器驱动软件是虚拟仪器的核心，是用户完成对仪器硬件控制的关键。虚拟仪 一 一 硕士学位论文 器驱动程序的核心是驱动程序函数v i 集。函数是指组成驱动程序的模块化子程 序。驱动程序一般分两层：低层是仪器的基本操作，如初始化仪器配置、仪器 输入参数、收发数据、查看仪器状态等；高层是通用函数v i 层，它根据具体测 量要求调用低层的函数。一些虚拟仪器开发软件如n il a b v i e w 和a g i l e n tv e e ， 提供了世界各地主要厂家生产的多种仪器驱动程序，不但为用户程序设计节约 了时间和精力，而且为用户提供了重要的模块化代码，使用户很方便地进行仪 器驱动程序的开发设计。 在虚拟仪器系统中，i o 接口软件作为虚拟仪器系统软件结构中承上启下的 一层，其模块化与标准化越来越重要。v i s a 是一种通用i o 标准，具有与仪器 硬件接口无关性的特点，即这种软件结构是面向器件功能而不是面向接口总线。 应用工程师为带g p l b 接口仪器所写的软件，也可用于v x i 系统或具有r s 2 3 2 接口的设备上。v i s a 通用接口软件不但缩短了应用程序的开发周期，而且彻底 改变了测试软件开发的方式，己经被当今主要仪器厂商所接受，可确保当前仪 器所写的代码，能够在不同的操作系统间进行移植。 1 2 3 2数据分析处理和仪器面板控制软件 利用计算机强大的计算能力和虚拟仪器开发软件功能强大的函数库，可提 高虚拟仪器的数据分析和处理能力。用户只需在开发平台上以图形或对象方式， 调出软件分析库中的分析函数，即能完成对信号的分析处理【2 6 1 。例如，l a b v i e w 带有4 0 0 多个测量分析、信号处理和数学函数，从基本的数学运算到信号的平 滑窗口、数字滤波、频域转换等信号分析处理功能。它们依赖于高效的工业标 准l a p a c k b l a s 算法，能最大限度地提高处理能力。 虚拟仪器面板的控制界面采用图形化编程环境。用户只需从仪器面板控制 模块上选择所需要的对象，拖放到虚拟仪器的前面板上。在虚拟仪器工作时， 利用前面板去控制整个测控系统。控制模板上的对象包括各种开关、滑尺、下 拉表、控制按钮和弹出式对话框等输入对象，数字显示、仪表盘、温度计、数 1 1 第一章绪论 据表和显示波形的x y 图、极化图、s m i t h 图、幅度相位图等显示对象，并能很 容易地通过标记、颜色、点线和标尺等各种可视化方式对数据进行灵活显示。 因此，用户可以根据自己的需要和爱好，组成灵活多样的虚拟仪器控制面板， 界面优美、直观。n i 公司的l a b v i e w 是最杰出的虚拟仪器可视化开发工具软件 之一。 1 2 4l a b v i e w n i 的l a b v i e 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 kb e n c h ) 被称 为“科学家与工程师的语言 ，是直观的前面板与流程图式编程方法的结合， 是构建虚拟仪器的理想工具。 1 2 4 1 可视化图形编程环境 l a b v i e w 采用数据流编译型图形编程环境，解决了其它按解释方式工作的 图形编程环境速度慢的问题【2 7 1 。它提供了大量功能强大的函数库，从低层的i 0 接口控制子程序，到大量的仪器驱动程序，从基本的数学函数到高级的分析库， 均可供用户直接调用。 l a b v i e w 应用程序包括前面板( f r o n tp a n e l ) 、流程图( b l o c kd i a g r a m ) 以及图标 连结器( i c o n c o n n e c t o r ) = 部分。前面板是图形用户界面，这一界面上有控制对象 和显示对象两类对象，具体表现为开关、旋钮、图形以及其他图标。流程图是 虚拟仪器的图形化源程序。在流程图中对v i 编程，以控制和操纵定义在前面板 上的输入和输出功能。具有层次化和结构化特征，应用程序之间可以相互调 用，图标与连接器以图形化的方式对各个子程序进行调用。 1 2 4 2 强大的扩展功能 l a b v i e w 具有通用编程语言的全部功能，包括数据结构、决策制定能力和 流程控制、循环结构和事件句柄等，能自动对内存进行有效地管理。 l a b v i e w 扩展了a c t i v e x ( c o m ) 和n e t 技术2 8 ，2 9 1 ，并与m a t h w o r k s 的 1 硕士学位论文 m a t l a b 及n i 的h i q 数字和交互分析软件进行无缝集成。此外，可与数据库文 件( 如s q l o d b c 数据库) 进行交互操作、可编程实现和行业标准软件( 如 m i c r o s o f te x c e l ) 通信，定义布局并传送生成报表的数据、能与交互式报告生成 以及技术数据管理工具( d 队d e m ) 进行通信和数据传递【3 0 】。 n i 的l a b v i e w