（检测技术与自动化装置专业论文）基于虚拟仪器技术的gsm移动终端射频自动测试系统的设计.pdf

北京邮电大学硕士论文 基于虚拟仪器技术的g s m 移动终端射频自动测试系统的设计 摘要 g s m 移动终端射频测试主要针对g s m 移动终端的三大类性能指 标即发射功率、调制质量和接收灵敏度进行评估。为使g s m 移动终 端的射频性能满足标准的需要，在生产时必须对每一部g s m 移动终 端进行射频性能测试。由于g s m 生产测试工作量大，要求精确度高， 采用手工操作测试仪器进行大量的测试工作，对于测试人员来说是个 很大的负担。本文提出了一种低成本、高效率基于虚拟仪器技术的 g s m 移动终端射频测试解决方案。 本文首先对射频测试项目和原理进行了研究。在对实际中大多企 业应用的射频测试系统分析的基础上，提出对基于虚拟仪器技术的射 频自动测试系统的研究。在软件设计方面，采用l a b v i e w 图形编程 语言编写出实用有效的测试软件，已调试成功的该测试程序，自动生 成e x c e l 格式的测试报告，描述了g s m 移动终端射频的发射功率、发 射机的功率时间关系、接收机的频谱测量、接收灵敏度以及频率误差 相位误差共5 个性能指标。整个测试系统的测试结果完全符合g s m 的中国标准。虚拟仪器面板设计简洁清晰，适合操作员使用。本论文 叙述了软件各层功能及其实现和射频测试流程及各子流程。之后通过 对系统使用后的测试结果进行对比分析，证明本系统测试结果的准确 性和一致性。 基于虚拟仪器技术的g s m 移动终端射频测试系统地完成，满足 了通信终端生产企业产能扩张的要求。该测试软件在测试时间、测试 精度、测试误差等方面准确性都很高。 关键词：g s m 移动终端，射频测试，虚拟仪器，测试系统 i i l 北京邮电大学硕士论文 t h ed e s i g no fg s mm o b i l e t e r m i n a li 己fa u t o m a t i ct e s t i n g s y s t e mb a s e do n t e c h n o l o g y a bs t r a c t t h eg s mm o b i l et e r m i n a lr f ( r a d i of r e q u e n c y ) t e s tm a i n l ya i m sa tt h et e s t i n g o ft h eg s mm o b i l et e r m i n a li nt h r e ek i n d so fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 勰r fp o w e r , m o d u l a t i o nq u a l i t ya n dr e c e i v i n gs e n s i t i v i t y i no r d e rt om e e ts t a n d a r dr e q u i r e m e n ta t r fp e r f o r m a n c e , e v e r yg s mm o b i l et e r m i n a lm u s tb er ft e s t e dd u r i n gb e i n g p r o d u c e d t h i si sav e r yb i gb u r d e nf o rt h et e s t e r t h i sp a p e ro f f e r sal o wc o s ta n d l l i 曲e f f i c i e n c ys o l u t i o no fg s mm o b i l et e r m i n a lt e s ts y s t e mb a s e d0 1 1v i ( v i r t u a t i n s t r u m e n t ) t e c h n o l o g y t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fr ft e s tf i r s t l y , b a s e do i lt h e a n a l y s i so ft h er ft e s ts y s t e m su s e dn o r m a l l yi nm o s tf a c t o r i e sn o w ，a n dp r o p o s e dt h e r e s e a r c ho ft h er ft e s ts y s t e mb a s e do nv it e c h n o l o g y i nt h es o f t w a r ed e s i g na s p e c t , w es e l e c tl a b v i e wl a n g u a g et h r o u g hs t u d y i n gt h et e s tp r i n c i p l ea n dt h et e s ts y s t e m i n s t r u c t i o n t h i st e s ts o t t w a r eh a dp a s s e dm yd e b u g g i n g , a n dt h et e s tr e s u l t si nt h e f o r mo fe x c e ls h e e t sg e n e r a t e dt h er e p o r to ft h eg s mm o b i l et e r m i n a lr fp o w e r ，t h e r e c e i v i n gs e n s i t i v i t ya n dp h a s e & f r e q u e n c ye r r o re t e t h ev ip a n e ld e s i g ni sv e r y s i m p l ea n dd e a r , a n dv e r ye a s yt ou s ef o r t h eo p e r a t o r s t h ef u n c t i o no fe v e r yl a y e r a n dh o wt od e s i g nw e r ep r e s e n t e d ，t h em a i nf l o w c h a r ta n ds u bf l o wo fr ft e s tt i t l e g i v e no u t t h e n , t h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h et e s tr e s u l t s ，t e s t i f yt h es y s t e m t e s tr e s u l t si sv e r ya c c u r a t e ，r e l i a b l ea n dr e p e a t a b l e t h er ft e s ts y s t e mb a s e d0 1 1v it e c h n o l o g ys a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to ft h e o u t p u te x p a n s i o no fc o m m u n i c a t i o n st e r m i n a l sm a n u f a c t u r e r s t h i ss y s t e mh a sh a v e h i g ha c c u r a c yi nt e r m so f t e s tt i m e ，t e s ta c c u r a c ya n dt e s te i t o i k e yw o r d s ：g s mm o b i l et e r m i n a l ，r ft e s t i n g ，v i ，t e s ts y s t e m i v 北京邮电大学硕士论文 士= r l明明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：煎堡塑日期：型墨聋三虽蛰旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：煎塑史日期：型盗! 虽蛰旦 导师签名：= 7 互尹上茔啤日期：2 壁丝曹釜互悼 h 北京邮电大学硕士论文 1 1 引言 1 1 1 研究背景与发展现状 第一章绪论 当前，我国正处于一个经济快速增长、综合国力日益增强的时代，人民群众 的生活水平也有大幅度提高。但我国的经济发展还很不平衡，大多数国有企业效 益不好，其主要原因就是企业资金匮乏，工业生产中的仪器设备落后陈旧，自动 化程度低，仪器开发维护费用高，导致劳动生产率低下，产品质量较差。要改变 这种状况，就要加速仪器设备的更新改造，加大技术投入，增加产品的技术含量， 实现仪器的智能化、自动化，从根本上扭转产品加工质量低劣，精度较差，市场 竞争力弱的不利局面。就自动测量、自动控制领域而言，常常要用到高档智能台 式仪器，如数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等，这些仪器加工工艺复 杂，对制造水平要求高，国内生产还有较大困难，目前主要依赖进口，这需要花 费大量的外汇，加剧了资金短缺的矛盾。如何选择一条既节省资金又能提高仪器 设备智能化程度的解决方案，是自动测量、自动控制领域的一个重要研究方向。 由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪 器领域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结 构不断出现。电子测量仪器的功能和作用已发生质的变化，其中计算机处于核心 地位，计算机软件技术和测试系统更紧密的结合成一个有机整体，导致仪器的结 构、概念和设计观点等也发生突破性的变化。虚拟仪器应运而生。 作为仪器技术和计算机技术完美结合的虚拟仪器技术为测试工程师带来了 绝好的解决方案。利用虚拟仪器技术，工程师只需将需要测量的信号通过f o 接 口设备采集后送入计算机，再利用虚拟仪器开发工具和计算机强大的数据分析、 处理和保存功能以及显示器的显示能力，就能很容易地设计出一个满足专i - j 澳u 试 需求的虚拟仪器系统。 目前，在电子测量和自动控制领域，虚拟仪器技术的发展方兴未艾。虚拟仪 器是一种功能意义上的仪器，是一种具有仪器功能的软、硬件组合。它充分利用 计算机技术，在基本硬件支持下，通过调用相应的软件模块来完成数据采集、控 制、分析、处理以及结果显示，从而实现各种传统仪器的功能【1 0 1 。 虚拟仪器性能优越，成本低廉，用户可自行配置软件，这使虚拟仪器的应用 范围不断扩大，在国内外得到迅速发展。因此，虚拟仪器代表了测量仪器发展的 方向，用虚拟仪器替代传统仪器是提高仪器设备智能化的行之有效的方法，将虚 北京邮电人学硕士论文 拟仪器作为重点课题研究对工业生产、国防、医疗卫生等具有重大意义。 随着移动通信系统的发展，移动终端测试技术也经历着从模拟到数字到多媒 体的发展历程。 遗憾的是，我国尚没有自己的知识体系和测试设备。现在所采用的测试设备 和测试方案大多来自美国的a g i l e n t 、德国的r o h d e & s c h w a r z 、日本的 a n r i t s u 以及其它跨国外企。 国内仅有少数的几家公司能够编写自己的测试程序。而且多以文本编程语言 编写测试程序，测试程序的开发周期较长，以致测试效率受到一定限制。本文采 用l a b v i e w 图形化编程语言编写测试程序，测试程序的开发周期短，而且用户 操作界面简洁友好，使得测试效率有了大幅度的提高，体现了虚拟仪器技术在测 控领域的优势。 本文的“基于虚拟仪器技术的g s m 移动终端射频测试系统 就是在这种背 景下提出的，本文研究工作尝试对移动终端测试做出力所能及的贡献。 本文选用无线综合测试仪，通过基于虚拟仪器技术的g s m 移动终端射频测 试系统的开发，掌握生产测试技术，掌握组建测试系统技术、掌握射频测试软件 设计技术，极大的提高了测试效率。这样可使企业从此摆脱成套设备引进方式， 可以根据企业自己的情况，灵活地购置仪器仪表，组建新的测试系统，这对企业 的长期持续发展具有重要意义。 1 1 2 研究内容与论文结构 本文是研究射频自动化测试系统，主要实现的目标是基于虚拟仪器技术的 g s m 移动终端射频自动测试系统的设计。 虚拟仪器技术是在对大规模、集成化、智能化及数字化电子仪器需求愈加迫 切的形势下，计算机技术、仪器技术和通信技术相结合的产物。虚拟仪器的出现 开辟了仪器技术的新纪元，它是多门技术与计算机技术结合的产物，其基本思想 是利用计算机来管理仪器，组织仪器系统，将传统仪器中某些硬件电路由软件实 现，进而逐步代替仪器完成某些功能，如数据采集、分析、显示和存储等，最终 达到取代传统仪器的目的【l o 】。本文就是针对射频自动化测试而提出。在现有的 技术和理论的基础上，着重对射频自动化测试系统进行设计研究，并提出射频自 动化测试系统设计方案，最后对这些分析设计进行实现。 本文选用无线综合测试仪，采用l a b v i e w 平台下的g 语言( g r a p h i c s l a n g u a g e ，图形编程语言) 开发程序来实现射频自动化测试，将g p i b 总线控制 器采集的测试数据经系统自动完成测试数据比较和分析，将比较和分析的结果由 系统自动输出并存储至l j e x c e l 文档中，即测试系统自动生成e x c e l 格式的测试数据 2 北京邮电大学硕士论文 报告，以供后续分析使用。 本文的章节结构安排如下： 第一章，介绍本课题的研究背景和主要的研究内容，介绍测试系统的发展现 状，移动终端射频测试的发展情况，并概述了虚拟仪器系统模型。 第二章，概述了射频测试理论基础，概述了射频测试项目的确立，以及本文 所应用的测试方案，接着分析各项测试原理，包括：频率误差、相位误差和均方 根误差的测试原理；发射机输出功率的测试；突发脉冲的功率时间包络测试； 接收机参考灵敏度的测试原理。 第三章，概述了测试系统及其特点，介绍了基于虚拟仪器技术的g s m 移动 终端射频自动测试系统的设计，详述了射频测试及数据采集模块的设计。通过 l a b v i e w 开发平台并采用指定仪器驱动程序开发的虚拟仪器面板直接对测试仪 器进行控制。 第四章，概述了测试数据管理的特点，介绍了基于l a b v i e w 的自动生成e x c e l 格式的测试报告功能的设计，接着主要分析了五个指标的测试数据，包括发射功 率、发射功率时间包络、输出功率频谱、误码率和频率& 相位误差。研究方法要 点是：比较测试结果与g s m 标准。通过本文研究的测试系统的采集测量，并将 测试结果保存到文件，以供后续分析使用。 第五章，总结本文的工作，提出对未来的展望。 1 2 虚拟仪器系统概述 科学的发展和技术的进步是建立在人们认识客观世界能力提高的基础上，测 量与测试就是人们描述客观事物认识过程的两个基本术语。测量是人类认识客观 世界最基本的方法。在自然科学和工程技术领域所进行的一切研究事物质与量的 关系都离不开测量，它本身是一种实验方法，即通过实验来获取客观世界定量信 息的过程。测试的概念包含更广，一般泛指生产和科学实验中经常进行的满足一 定准确度要求的试验性测量过程。现代测试技术是一项涉及多个学科领域的综合 性技术，主要包括测量原理、测量方法、测量系统和数据处理等四个方面。测量 是为确定被测对象的量值而进行的实验过程，其实现的过程必然要使用到各种检 测仪器。信息时代和知识经济时代的来临，使得检测仪器成为了人类高效生产活 动与现代社会生活的基础，成为了推动信息社会和知识经济发展的技术保障。 1 2 1 检测仪器的发展过程 随着科学技术的快速发展，新技术、新产品的不断涌现，使得人们对检测仪 器的功能、灵活性的要求越来越高，从而促进了检测仪器的飞速发展。其发展过 3 北京邮电大学硕士论文 程共经历了以下4 个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪初发展起来的传统仪器即模拟仪器，是为某种测试目的而 专门设计制造的专用仪器，其所有功能均由仪器厂家确定，用户无法进行修改。 仪器内部所有电路固定，且用户接口固定。仪器将实际所需信号输入后，进行分 析、输出，测量结果常以指针的形式在表头显示； ( 2 ) 2 0 世纪5 0 年代兴起的数字化仪器仪表同传统仪器一样，无法进行 功能自定义，但它在传统仪器的基础上，将对模拟信号的测量转化为数字信号的 测量，以数字电路进行信息的数字化处理，并以数字形式显示测量结果，从而使 得测试精度、分辨率和测量速度都得到了提高，为实现测试自动化打下了良好的 基础； ( 3 ) 2 0 世纪7 0 年代产生的融入了计算机技术的智能仪器将微处理器技 术应用于电子测量仪器，由个别量的测试发展到了整个系统的特征参数的测量， 由一般的测量数据接收、显示转变为集控制、分析、处理、计算与显示为一体的 集成功能，由单台仪器进行测量发展到使用测试系统进行测量，实现了测量结果 的多种输出方式，但却缺乏一定的灵活性； 传统仪器在越来越多的方面表现出其不能满足时代的要求，主要体现在以下 几点： 现代测试系统要求测试仪器不仅能单独测量某个电量，而且各个测试仪器 之间必须具备控制通道和数据交换通道，以便完成各个被测量同时进行自动分 析、信息综合及准确判断，这是电子行业本身给测试设备提出的任务，而传统的 测试仪器在这个方面受到很大的限制； 微处理器和d s p 技术的飞速发展以及它们价格的不断降低，改变了传统的 电子设计概念，原来很多由硬件完成的功能现在逐步由运行在微处理器或d s p 芯 片上的软件来完成，这样给产品带来了巨大的好处：自动化程序高、可靠性高、 价格低、升级容易、系统具有宽适应范围的柔性结构、可维护性好等。硬件软化 的设计方法对当今测试仪器的设计带来了深远的影响； 良好的人机界面的要求促进了传统测试仪器的改造，对于越来越复杂的被 测系统，如果仍然使用传统的测试仪器必然会需要众多的仪器设备，面对各个生 产厂家的不同设备，使用者需要学习不同设备的使用方法后方可使用。这样的测 试仪器不仅使用效率及利用率低，而且硬件存在巨大的冗余； 微计算机的广泛应用，给基于计算机的测试仪器提供了巨大的市场，人们 在使用计算机及测试仪器时越来越明显的感到，测试仪器的许多功能不仅可以由 已经拥有的计算机来完成，而且需要增加某种测试功能时，只需增加少量的模块 化功能硬件即可，同时基于微计算机的测试仪器还具有其它更多的优点。 4 北京邮电大学硕士论文 ( 4 ) 在电子技术的迅速发展，从客观上要求测试仪器向自动化及柔性化方 向发展，同时又为测试仪器的自动化发展提供了可能性的客观条件下，2 0 世纪8 0 年代由美国国家仪器公司( n i ) 提出的虚拟仪器以通用计算机作为测试仪器 的硬件平台，用户通过友好界面来操作计算机，针对不同的应用场合，调用不同 的测试软件，实现不同的测试功能，完成对被测量的采集、显示、分析与处理， 图i - i 虚拟仪器的基本组成 充分体现了“s o r w a r ei si n s t r u m e n t s ”( 软件就是仪器) 的概念。它的出现和广泛 应用，对测试仪器的发展产生了极其深远的影响。 测试仪器的功能由三部分组成，即对被测信号的采集，数据的处理，结果的 输出、传送、存档和访问，虚拟仪器也不例外。其基本组成如图1 1 所示【1 2 1 。 虚拟仪器的硬件与软件构成决定了其具有以下几个显着的特点： 强调“软件就是仪器 的新概念打破了传统仪器以“硬件为主体 的概念， 以计算机为核心，硬件解决信号的输入和输出，软件实现对仪器设备的控制，以 完成传统仪器所不可能实现的测试功能，由于减少了许多随时间工作点可能发生 漂移、需要定期校准的分立式模拟硬件，加之标准化总线的使用，使仪器的测量 精度、测量速度和可重复性大大得到了提高； 数据的分析、显示、存储和打印由计算机完成充分利用计算机强大的硬件 资源和丰富的软件资源，可将数据实时传输并进行存储，以供分析处理，丰富和 增强了传统仪器的功能； 仪器可由用户自定义通过向用户提供组建自己仪器的可重用代码库，将仪 器的功能和面板软件化，使得任何用户都可以根据自己的需要设计和定义虚拟仪 器的通信、定时和触发功能，并可以方便的控制仪器，改变和增减测试所用的软 件模块，从而可实现与外设、网络及其它应用的连接，给了用户一个充分发挥自 己能力和想象力的空间； 特殊的体系结构可节省大量开发费用软件的开发维护费用较硬件低，且 技术更新周期短，节省了购买传统仪器的费用。当开发一个新项目时，原有 北京邮电大学硕士论文 硬件仪器仍可以继续使用； 具有图形化用户界面体现了“所见即所得”的思想，在虚拟面板上设置各 种测试和结果输出控制选项，用户只需根据各种按钮的内容提示进行操作，其显 示部分即可将结果显示出来； 功能软件的模块化软件开发过程中大量运用动态链接库、类库和函数库， 使程序代码可重复利用，系统具有良好的开放性和可扩展性，其组建也就变得更 加简单灵活； 便于构成复杂的测试系统虚拟仪器既可以作为测试仪器独立使用，也可以 通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控与故障诊 断。此外，用基于软件体系结构的虚拟仪器代替基于硬件体系结构的传统仪器， 还可以大大节约仪器购买和维护的费用。 1 2 2 虚拟仪器技术特征 虚拟仪器的概念是1 9 8 6 年由美国国家仪器公司( 以下简n i 公司) 首先提出的。 n i 公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用“软件就是仪器 来 表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的极为重要的位置。但这并不排斥 测试硬件平台的重要性。n i 公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软 件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的 测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务。 综观目前国内外虚拟仪器，其中广泛地应用了以下技术： ( 1 ) 系统集成和总线技术 一种情况是，将仪器仪表设计成为p c 机的f o 插卡，直接插入计算机的f o 扩 展槽中，这样可将不同仪器仪表集成于一个系统，大大降低成本。典型的系统是 以p c 机为基本框架平台，将存储器、逻辑分析仪、任意函数发生器、数字万用 表、频率计以及各种类型的专用器件、仪器等针对要求进行功能取舍和优化而集 成为一块块的仪器插卡，直接插入p c 机的f o 扩展槽中，由此而组成具有多种功 能的集成化仪器仪表。所有的这些仪器插卡均在符合统一标准的软件支持下操 作，共享计算机资源。 另一种则是做成具有总线结构的测试仪器的主机板，在总线底板插槽上插入 模拟量输入输出、数字量输入输出、频率或脉冲量输入输出等功能插件，可组 成具有不同规模和功能的测试系统，测控机箱与计算机通过互连总线相连，各测 试设备与计算机网络通过现场总线相连，从而构成一个自动测控系统。总线技术 在虚拟仪器中得以广泛应用，如在控制系统机箱底板中，通常采用总线标准有： s t d 总线、c a m a c 总线和i s a 总线( 现已处于逐渐淘汰状态) ；p c i 、c o m p a c t p c i 、 6 北京邮电大学硕士论文 p x i 总线；v x i 总线等。测控机箱与计算机的互连的总线有并行总线( 如i e e e 4 8 8 通用接口总线和a n s i x 3 3 1 1 9 8 6 s c s i 总线、m x i 总线) ，串行总线( 如r s 2 3 2 c 、 r s - 4 8 5 、u s b 和i e e e l 3 9 4 总线) 等。 ( 2 ) 滤波技术 从测试现场采集到的信号中包含有对数据处理有用的信号、无用信号和噪 声，滤波的目的是从信号中提取有用的信号。在自动测控仪器系统中滤波器广泛 地采用了模拟和数字滤波两种形式。模拟滤波器是一种选频装置，可使信号中指 定的频率成分通过，其它频率成分被衰减。模拟滤波器可分为有源和无源滤波两 种，无源滤波器结构简单，但在多级使用时，由于级间耦合的影响，效果差，信 号幅值逐级减弱，因此，对于电压、电流均较小的测试信号，使用有源滤波器效 果较好。数字滤波指的是通过一定的计算机等程序减少干扰的比重，提高信号 干扰比。一般可分为时域滤波和频域滤波。常采用的滤波方法有限幅滤波、中值 滤波、算术平均滤波、去极值平均滤波、加权平均滤波、递推平均滤波和低通滤 波等。中值滤波的应用非常广泛，它是对某一种被测参数进行若干次采样，然后 将这些采样进行排序，选取中间位置的采样值为有效值，其特点是在滤除随机脉 冲噪声的同时，能较好地保护信号细节，为了满足系统快速性的要求，人们又提 出了快速中值滤波的算法。为解决信号的非平均性，人们提出了自适应滤波法， 它是根据信号的特征，自动调整滤波器的结构，直接从原始输入信号出发进行滤 波。 ( 3 ) 无纸记录数据压缩技术 由于测量过程中有大量的信息，如何以最少的数据记录最大的信息量，是个 人仪器系统设计中一个重要的问题，甚至是致命性的问题。在虚拟仪器中，由于 计算机和存储设备的使用，可实现无纸记录，具有存储再现功能。 ( 4 ) 数据处理技术 对采集数据的处理不仅仅是作常规的分析计算，而且包括特征参数的提取。 这些技术的实现大多依赖于具体问题的具体算法。现代虚拟仪器大多带有简单的 “专家系统 ，可以实时作出诊断。 ( 5 ) 中断技术 由于测试中许多数据的采集需实时进行，故在虚拟仪器中广泛采用中断技术 以满足各种实时测量的要求。在某些专用测量仪器中，需周期性定时采集某些信 号量，因此，定时中断技术得到了广泛运用。 ( 6 ) 信道和虚拟信道技术 通道是一种专用处理部件，它能控制一台或多台外设工作，负责外部设备和 主存之间的信息传输，它一旦被启动就能独立于c p u 和通道并行操作，而且c p u 7 北京邮电大学硕士论文 和各种外部设备也能并行操作。早期的p c 澳i j 试系统中广泛采用通道技术，随着 p c 机性能不断提高，可编程器件的发展，特别是c p u 性能的提高，软件技术的 发展，越来越多地采用虚拟通道技术，即由主c p u 承担原来通道技术中专用处理 部件的部分功能，由c p u 和外部可编程器共同构成虚拟通道，这样使自动测试系 统的硬件结构进一步得到简化。 ( 7 ) 多道程序设计技术 所谓多道程序就是在内存中同时存放着几道用户程序，系统为每道程序提供 独立的工作环境，即独立的存储空间、独立的文件和其它的系统资源，以防止应 用程序间的相互影响，并控制各道同步或异步运行，从而有效地处理多个随机事 件。 ( 8 ) 交互式技术 p c 机是一典型的交互式计算机，因此基于p c 的虚拟仪器一般具有交互性， 以便于人工干预测试过程，使测试过程更具有灵活性。 ( 9 ) 屏幕管理技术 多窗口图形界面，图形表格输出，可直观操作和读数。 ( 1 0 ) 网络通信技术 虚拟仪器作为网络的一个结点接入网络，以便上一级管理计算机的统一控 制，同时利用网络通信技术可发展成为虚拟实验室或实验中心。 虚拟仪器技术的三大组成部分： ( 1 ) 高效的软件 软件是虚拟仪器技术中最重要的部份。使用正确的软件工具并通过设计或调 用特定的程序模块，工程师和科学家们可以高效地创建自己的应用以及友好的人 机交互界面。n i 公司提供的行业标准图形化编程软件一l a b v i e w ，不仅能轻 松方便地完成与各种软硬件的连接，更能提供强大的后续数据处理能力，设置数 据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。此外，n i 提供了更多交互 式的测量工具和更高层的系统管理软件工具，例如连接设计与测试的交互式软件 s i g n a le x p r e s s 、用于传统c 语言的l a b w i n d o w s c v i 、针对微软v i s u a ls t u d i o 的 m e a s u r e m v n ts t u d i o 等等，均可满足客户对高性能应用的需求。 有了功能强大的软件，您就可以在仪器中创建智能性和决策功能，从而发挥 虚拟仪器技术在测试应用中的强大优势。 ( 2 ) 模块化的i o 硬件 面对如今日益复杂的测试测量应用，n i 提供了全方位的软硬件的解决方案。 无论您是使用p c i ，p x i ，p c m c i a ，u s b 或者是1 3 9 4 总线，n i 都能提供相应的模 块化的硬件产品，产品种类从数据采集、信号条理、声音和振动测量、视觉、运 北京邮电大学硕士论文 动、仪器控制、分布式i o 到c a n 接口等工业通讯，应有尽有。n i 高性能的硬件 产品结合灵活的开发软件，可以为负责测试和设计工作的工程师们创建完全自定 义的测量系统，满足各种独特的应用要求。 目前，n i 已经达到了每2 个工作日推出一款硬件产品的速度，大大拓宽了用 户的选择面：例如n i 新近推出的新一代数据采集设备一先期推出的2 0 款m 系列 d a q 卡，就为数据采集领域设定了全新的标准。 ( 3 ) 用于集成的软硬件平台 n i 首先提出的专为测试任务设计的p x i 硬件平台，已经成为当今测试、测量 和自动化应用的标准平台，它的开放式构架、灵活性和p c 技术的成本优势为测 量和自动化行业带来了一场翻天覆地的改革。由n i 发起的p x i 系统联盟现已吸引 了6 8 家厂商，联盟属下的产品数量也已激增至近千种。 p x i 作为一种专为工业数据采集与自动化应用度身定制的模块化仪器平台， 内建有高端的定时和触发总线，再配以各类模块化的i o 硬件和相应的测试测量 开发软件，您就可以建立完全自定义的测试测量解决方案。无论是面对简单的数 据采集应用，还是高端的混合信号同步采集，借助p x i 高性能的硬件平台，您都 能应付自如。这就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟的优势。 虚拟仪器的分类：虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同， 可分为五种类型： 第一类：p c 总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如l a b v i e w 相结 合，l a b v i e w 是图形化编程工具，它可以通过各种控件自已组建各种仪器。 l a b w i n d o w s c v i 是基于文本编程的程序员提供高效的编程工具，通过三种编程 语言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 构成测试系统，它充分利用计算 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，且有电源 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。另外，i s a 总线的虚拟仪器已经淘汰，p c i 总线的虚拟仪器价 格比较昂贵。 第二类：并行口式虚拟仪器 最新发展的一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成 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，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻缉分析仪、任意波形发生器、频 率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。美国 l i n k 公司的d s o 2 x x x 系列虚拟仪器，它们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 9 北京邮电大学硕士论文 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。 第三类：g p 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的发展阶段。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，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 接口可带多达1 4 台仪器，电缆长度可达4 0 米。g p i b 技术可用计算 机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪 器组合起来，形成自动测量系统。g p i b ；测量系统的结构和命令简单，主要应用 于台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。 第四类：v x i 总线方式虚拟仪器 v x i 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。由于它的标准开放、结构紧凑、 数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点， 很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来越方便， 尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。有其它仪 器无法比拟的优势。然而，组建v x i 总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制 器，造价比较高。 第五类：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，增 加了多板同步触发总线的技术规范和要求形成的，增加了多板触发总线，以使用 于相邻模块的高速通讯的局总线。p x i 的高度可扩展性。p x i 具有8 个扩展槽，而 台式p c i 系统只有3 _ 4 个扩展槽，通过使用p c i - - p c i 桥接器，可扩展至1 1 2 5 6 个扩展 槽，台式p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成 未来的虚拟仪器平台。 虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术传统领域的各类仪器。虚 拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别 适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课 题和测量需求。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进 。虚拟仪器将会 在科学技术的各个领域得到广泛应用。虚拟仪器技术的四大优势： ( 1 ) 性能高：虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全“继 承 了以现成即用的p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处 理器和文件v o ，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。 此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强 大的优势。 l o 北京邮电大学硕士论文 ( 2 ) 扩展性强 n i 的软硬件工具使得工程师和科学家们不再圈囿于当前的技术中。得益于 n i 软件的灵活性，只需更新您的计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极 少的、甚至无需软件上的升级即可改进您的整个系统。在利用最新科技的时候， 您可以把它们集成到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。 ( 3 ) 开发时间少 在驱动和应用两个层面上，n i 高效的软件构架能与计算机、仪器仪表和通讯 方面的最新技术结合在一起。n i 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户的操 作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使您轻松地配置、创建、发布、维护和 修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 ( 4 ) 无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断 地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连 接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。n i 的虚拟仪器软件平台为所有的 i o 设备提供了标准的接口，帮助用户轻松地将多个测量设备集成到单个系统， 减少了任务的复杂性。 虚拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式，实际上，使用者是在操 作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作一台虚设的电子仪器。虚拟仪 器的硬件是电子计算机和为其配之的必要的电子仪器硬件模块。电子计算机与为 其配置的电子仪器测试模块通过编制的计算机测试软件结合起来，组成通用的电 子测量硬件平台。使用者是通过友好的图形界面( 通常是设在电子计算机终端显 示屏上图形化的虚拟的菜单式控制机构，这些菜单式的控制机构的图形，通常只 占显示屏的一部分，形成了虚拟仪器的虚拟前面板) ，以点击菜单来调控虚拟仪 器的性能，就像在操作自己定义、自己设计的一台电子仪器。信号是经测试软件 的调控，经由电子测量硬件平台的采集，再经电子计算机的处理，得到最终的测 试结果，并以数据、曲线、图形甚至是多维测试结果模型，显示在电子计算机的 终端显承屏上( 通常占据着电子计算机终端显示屏的主要幅面) 。当然，测试结 果也可以直接通过计算机网络传送或记录保存。 虚拟仪器由硬件和软件两部分组成。虚拟仪器的硬件主体是电子计算机，通 常是个人计算机，也可以是任何通用电子计算机。为计算机配置的电子测量仪器 硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟数字转换器( a d c ) 、数字模 拟转换器( d a c ) 、数据采集器( d a q ) 等。电子计算机及其配置的电子测量 仪器硬件模块组成了虚拟仪器测试硬件平台的基础。虚拟仪器还可以选配开发厂 家提供的系统硬件模块，组成更为完善的硬件平台。测试软件是虚拟仪器的“主 北京邮电大学硕士论文 心骨”。 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。灵活高效的软件能帮助您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。这也正是n i 近3 0 年来始终引领测试测量行业发展趋势 的原因所在。只有同时拥有高效的软件、模块化f o 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。 1 2 3 开发平台l a b v i e w 概述 虚拟仪器最核心的技术是虚拟仪器软件开发环境。作为测试工程领域的强有 力工具，近年来l a b e w 得到了业界的普遍认可，在测试系统分析、设计和研 究方面得到了广泛应用。l a b v i e w 程序称为虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 程序， 简称v i 。一个最基本的v i 由前面板( p a n e l ) 、框图程序( d i a g r a mp r o g r a m ) 和 图标连接端口( i c o n t e r m i n a l ) 三部分组成。用l a b v i e w 设计的虚拟仪器可脱 离l a b v i e w 开发环境，最终用户看见的是和实际的硬件仪器相似的操作面板。 l a b v i e w 为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境，利用它，设计 者可以像搭积木一样，轻松组建一个测量系统和构造自己的仪器面板，而无需进 行任何繁琐的计算机代码的编写。 l a b v i e w 是目前国际上应用最为广泛的虚拟仪器开发环境之一，主要用于 仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等领域，是一个功能强大、方便灵活 的集成开发环境。 l a b v i e w 作为测试软件开发平台有如下特点和优点【1 2 】： ( 1 ) 图形化编程环境 l a b v i e w 的基本编程单元是图标，不同的图标表示不同的功能模块。用 l a b v i e w 编写程序的过程也就是将多个图标用连线连接起来的过程，连线表示 功能模块之间存在数据的传递。被连接的对象之间的数据流控制着执行顺序，并 允许有多个数据通路同步运行。其编程过程近似人的思维过程，直观易学，编程 效率高，无需编写任何文本格式的代码，易为多数工程技术人员接受。 ( 2 ) 可用性高 l a b v i e w 继承并发展了结构化和模块化程序设计概念，使测试程序能够很 好地体现分层性、模块化，即可以把任意一个测试程序当作顶层程序，也可将其 当作其它测试程序的子程序，这样用户就可以把一个复杂的应用任务分解为一系 列、多层次的子任务。通过为每个子任务设置不同的功能，并将这些测试子程序 1 2 北京邮电大学硕士论文 进行适当的组合、修改、交叉的合并等，就可以在项层最终建成一个包括所有应 用功能的测试系统。 ( 3 ) 开发功能高效、适用 l a b v i e w 是一个带有扩展功能库和子程序的通用程序设计系统，提供数百 种功能模块( 类似其它计算机语言的子程序或函数) ，包括算术运算、函数运算、 信号采集、信号输出、数据存取、信号分析处理、数据通信等数据模块，涵盖了 测试的各个环节，用户通过拖放及简单的连线，就可以在极短的时间内设计好一 个高效而实用的测试软件，再配以相应的硬件就可完成各种测试任务。这样既节 约了时间，又可提高测试的可控制性及测试速度。 ( 4 ) 支持多种仪器和数采硬件的驱动 l a b v i e w 提供了数百种仪器的源码级驱动程序，包括d a q 、g p i b 、p x i 、 v x i 、r s 2 3 2 ，根据需要还可以在l a b v i e w 中自行开发各种硬件驱动程序，也可 通过动态链接库( d l l ) 利用其它语言开发驱动函数库，从而进一步扩展其功能。 ( 5 ) 查错、调试能力强大 l a b v i e w 的查错、调试功能也非常强大。程序查错无须先编译，只要有语 法错误，l a b v i e w 就会自动显示并给出错误的类型、原因及准确位置。进行程 序调试时，既有传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，又有独到的高亮 执行工具，就像电影中的慢镜头一样，是程序动画式执行，利于设计者观察程序 运行细节。同时可以在任何位置插入任