（物理电子学专业论文）基于虚拟仪器的局域网络实验室建设的研究.pdf

摘要 随着科学技术的发展，高校正面临人才培养模式的不断变化，培养 高素质合格人才是各高校追求的目标。对于理工类学校来说，实验室教 学是人才培养的关键，各学校都在加大对实验室建设的投入。实验室既 是学生学习场所，也是教师科研场所，实验室的装备水平通常被当作衡 量一所高校的教学、科研水平的重要标志。在高校的教学活动中，很多 学科的学习都是和实验密不可分的，尤其是一些实践性较强的学科，实 验对于培养学生的实际操作能力和解决问题的能力至关重要，学生的大 部分实践能力都是通过实验得到的。 论文先对构建网络测控实验室的相关技术进行了简要介绍，通过分 析比较，选用了美国m 公司推出的实验室虚拟仪器工程平台l a b v i e w 作为课题中虚拟仪器网络实验开发平台，并以虚拟仪器技术进行展开， 详细地介绍了基于虚拟局域网络实验室的组建方式及相关的技术，针对 这项技术的特点，提出了如何有效构建虚拟实验教学系统，给出了具体 的方案和措旌。同时通过实例展示了虚拟网络教学的特点和优势，学生 可以身临其境的感受虚拟实验过程，这如同手把手一样的进行实物现场 教学，摆脱了众多实验仪器管理上的难题，使一名教师可以面对众多学 生进行实验操作指导，同时学生可以现场同步地进行实验设计和验证， 使学生迅速理解当堂教师讲述的内容，使教学效率得到提高 围绕组建局域网络虚拟实验室这一主题，本论文作了以下工作。 第一部分对国内外虚拟实验室的研究状况作了回顾，同时介绍了网络实 验室的开发背景和意义：第二部分介绍虚拟仪器技术和l a b v 正w 软件， 就它们编程的一些优势和特点给出说明；第三部分对网络化虚拟实验的 概念、体系结构及网络通信方式作了说明；第四部分给出要构建的网络 实验室平台的结构，具体包括客户端和服务器的技术实现过程；第五部 分是在研究开发网络实验室的过程中，我们设计了几个典型的电子方面 的虚拟实验。最后得出结论，虚拟局域网络实验室的发展前景良好，是 实验教学具有代表性的实验方式之一 关键词：虚拟仪器局域网络实验室虚拟网络教学 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，c o l l e g e sa n d u n i v e r s i t i e sa r ef a c e dw i t ht h ep r o b l e mo fc o n s t a n tc h a n g e si np e r s o n n e l i r a i u i n gm o d e t r a i n i n gh i g h - q u a l i t yp e r s o n n e li st h eg o a lo f a l lc o l l e g e sa n d u n i v e r s i t i e s f o rau n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e e h n n l o g y , t h el a b o r a t o r y t e a c h i n gi st h ek e y t ot h eu a i n i n go f s t u d e n t , s oe a c hu n i v e r s i t yi si n c r e a s i n g t h ei n p u ti nt h el a b o r a t o r yb u i l d i n g l a b o r a t o r yi sa p l a c ea t ，h c r e s t u d e n t ss t u d ya n dt e a c h e se n g a g e di ns c i e n t i f i cr e s e a r c h l a b o r a t o r y e q u i p m e n ti su s u a l l yu s e da sam e a s u l o fh i g h e re d u c a t i o n ，a n di ta l s oa i m p o r t a n tq u a l i t yt oe v a l u a t et h es c i e n t i f i cr e s e m 虻hl e v e lo f t h eu n i v e r s i t y i n t h et e a c r a n go f t h et m i v e r s i t y ，t h ej m o w i e o g ea n dt h e 删黜c l o s e l yl e l a t l 缸 e s p e c i a l l yi ns 咄s u b j e c tw i t hs t r o n g 珥妇e x p e r i m e n t a li sc r u c i a lt ot r a i n s t u d e n t sa b i l i t yi np r a c t i c a lo p e r a t i o na n ds o l v i n gp r a c t i c a lp r o b l e m s t h e p r a c t i c a la b i l i t yo f t h es t u d e n t sm a i no b t a i n e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t c o n s t r u c t i o no f t h ef i r s tp a p e r s0 1 1t h er e l e v a n tt e c h n i c a la n dn c t w o r km o n i t o r i n g l a b o r a t o r yw i t hab r i e fp r e s e n t a t i o n 。a n a l y s i s ，n mc h o i e eo ft h eu n i t e ds t a t e sn i l a b v i e w p l a t f o r mt o p i cl 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 gn e t w o r kv i m i a i i n s t r u m e n te x p e r i m e n t a l p l a t f o r m f o rt h ed e v e l o p m e n to fr , c t w o r ka n dv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yt os t a r td e t a i l e db r i e f i n g0 i it h ee s t a b l i s h m e l i to fv i l t i l a ll o c a l a 燃n e t w o r ka n da s s o c i a t e dl a b o r a t o r yt e c h n i q 嘴。t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i s t e c h n o l o g y c o n s t r u c t i o no f av i f u a le x p e r i m e n to rh o we f f e c t i v et e a c h i n gs y s t e m ，t h e 龇r c t cp r o g r a m sa n dm 铷瞄m e a n w h i l ee x a m p l e sd e m o n s t r a t et h ef e a t o r u sa n d a d v a n t a g e so fav i r t o a li i e t w o r k v i r t u a ls t o d e n 皓啪f e e lt h a tt h e ya 地i nn 】曙 e x p e r i m e n t a lp r o c e s s ，a sw o r i a n gh a n d - i n - h e n df o rt h es a n 碡k i n do f t e a c h i n gs c c 。 e x p e r i m e n t a le q u i p m e n tf r o mn u r l r e t l $ m a n a g e m e n tp r o b l e m s ，s ot h a tat e a c h e r 啪 f a c em a n ys t u d e n t se x p e r i m e n t a lg u i d a n c es i m u l t a n e o u s l y ，t 增s c e i 碡w h i l es t u d e n t s o a ne x p e r i m e n td e s i g na n dv e r i f i c a t i o n ，s ot h a ts t u d e n t sq u i c k l yu n d e r s t a n dw h e n t e a c h e r s0 1 1t h ec o u r t ，m a k et e a c h i n gm o r ee 历c i e n t b a s e do nt h ec o n s t r u c t i o no f l a nv i r t u a ll a b o r a t o r y ，t h ep a p e rh a v es t u d i e dt h e f o l l o w i n gw o r k s ：1 1 kd o m e s t i ca n da b o a r ds i t u a t i o no f v i r t u a ll a b o r a t o r yw a sr e v i e w e d a n dt h eb a c i 卿n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h en e t w o r ko fl a b o r a t o r i e sw a si n t l o d h c a ，di n t h ef i r s tp a r t ；t h ev i r t t m li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dt h el a b v i e ws o f t w a r ew a s i n d u c e da n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n da d 协g 铭u s i n gt h e mt op r o g r a mi sg i v e ni nt h e s e c o n dp a n ；t h ec o n c e p to fn d w o r k - b a s e dv i r t u a l e x p e r i m e n t s a r c h i t e c t u r ea n d n e t w o 订【c o m m u n i c a t i o mw e r em a d ei nt h 屺t h i r dp a r e ；ap l a t f o r mt ob u i l dan e n v o f k l a b o r a t o r ys t r u c t u r es p e c i f i c a l l yt h ec l i e n ta n ds c l n e rt e c h n o l o g yw e r eg i v e ni n t h e i i 摘要 f o u r t hp a r tg i v ：af e w e x a m p l e so f t h ee l e c t r o n i cv i r t u a le x p e r i m e n tw a sd e s i g n e di n t h ed e v e l o p m e n to f l a b o r a t m yn e t w o r k a tt h ee n d , i tp o i n t st h eb o o m i n gp r o s p e c t sf o r o f l a na n da r e p r e s e n t a t i v ee x p e r i m e n t a lm e t h o di nt h ee x p e r i m e n tt e a c h i n g k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n tl a nn e t w o r kl a b o r a t o r y v i r t u a ln e t w o r k t e a c h i n g i i i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文基于虚拟仪器 的局域网络实验室建设的研究 是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过 的作品成果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。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担 作者签名：厦医拯2 q q z 年月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕 士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留 并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文 作者签名：阁张盟年上月且日 指导导师签名：枷童泛盟年上月韭日 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究背景 在通信手段日益先进、互联网络日益普及的今天，网上教学作为一 种现代化的教学手段，正越来越多地被各类院校所采用。网上教学作为 教育的一种形式，具有信息双向传递，交互性、可操作性强等优点，并 且充分依托了计算机技术发展的成就，无论是图、文、声、动画等多媒 体信息还是数据存取、加工处理等，均实现了全程数字化，这是传统的 广播电视教学所无法比拟的。 网络教学按照规模大小可以分为广域网和局域网教学，由于广域网 教学受目前整个互联网的多方条件约束，实现起来困难较多；但局域网 教学尤其在一个实验室内的拥有几十台机器的小型局域范围实现起来 相对容易，并且能实现灵活优化的设计方案，有实际的应用价值。实验 教学是理工农医类教学课程的一个重要组成部分，建立系统的虚拟实验 教学网络是解决目前学校设备投入不足与学生多、且要求动手能力提高 矛盾的一种有效解决方法，已经成为一些大专院校实验教学改革的一项 重要内容。 虚拟仪器技术是灵活开放的实用技术，特别适合当今科学技术的发 展，对于培养学生创新思维和不断发展的新技术的融合都是很好的学习 途径，所以对目前高校理工类专业开展虚拟技术教学视在必行，也是本 人从事这项研究的目的。 1 2 国内、外现状。瑚“u 虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) 概念，亦称为“合作实验室” ( c o l l a b o r a t o r y ) ，最早在1 9 8 9 年由美国u n i v e r s i t yo fv i r g i n i a 的 w il l i e w u l f 教授提出，用来描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境。 它致力于构筑一个综合不同工具和技术的电子化、网络化的科学研究集 成环境。在这个环境里，科学家们可以非常有效地利用地理上分布的各 种资源( 数据、信息、设备、人力) 来从事科研活动。 近年来，国际上对e d 虚拟仿真实验室的开发得到了广泛的关注， 国内外的些大学己经组建了虚拟实验室，1 9 9 1 年底，美国科学基金 会、美国国家科学研究顾问委员会所属的计算机与远程通信部组成了 “全国( 科学) 合作实验室委员会”，此后，美国联邦政府投入资金在海 洋学、天体物理学和分子生物学三大领域建造了各自的虚拟实验室。且 前，在许多发达国家虚拟实验室研究已经步入实用阶段。美国俄勒冈大 学物理系开发了由天体物理、能量与环境、力学、热学四个部分组成的 第一章弓l 言 的虚拟物理实验平台；德国的汉诺威大学建立了虚拟自动化实验室：意 大利帕瓦多大学建立了远程虚拟教育实验室；新加坡国立大学开发了远 程示波器实验和压力容器虚拟实验系统 我国的虚拟实验室研究起步虽然较晚，但随着我国网络教育规划 的实施，虚拟实验室的研究也得到了极大的重视，有些院校已经初步建 成了相关的虚拟实验室。清华大学开发的“工程力学虚拟实验室”根据 控制理论原理和实际实验所得数据对力学实验进行模拟，实验界面比较 逼真，不同的参数产生的细微效果也很明显，交互性强，操作也较为直 观简便；湖南大学生物医学纳米器件重点实验室将时间分辨荧光分光光 度计、激光共聚焦显微镜、z e t a 电位粒度分析仪、扫描探针显微镜 等先进贵重的仪器数字化，设计成一个虚拟实验室，在网络平台中通过 大型精密仪器的虚拟模型进行实验教学，用户不仅可以观看实验过程， 安装插件后还可以亲自参与虚拟实验的过程；2 0 0 3 年美国国家仪器公 司n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 与吉林大学合作建成东北地区的第一所虚 拟实验室，用户可以通过操作计算机代替以往的各种各样的仪器设备进 行实验，凡是与测量和测试有关的行业工程测试都可在虚拟实验室内完 成：南京大学、华中科技大学、东南大学等高校也开发了一批虚拟实验 系统用于教学和科研。今天实验教学正走向多样化，正在由实物实验教 学向虚拟实验教学、远程虚拟实验教学发展为了实现虚拟技术跨越式 发展，解决虚拟实验教学短缺的困扰，顺应时代的发展，开发小型局域 网虚拟实验室是十分必要的，也是具有深远的社会效益和巨大的经济效 益 1 3 论文研究的目的和内容唧 在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进 行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器网络系统正是计算机和网络技术与 传统的仪器技术进行融合的产物八十年代末，美国国家仪器公司( n i ) 提出了“软件就是仪器”的口号，将日益普及的计算机技术与仪器仪表 技术完美结合起来，提出虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 的概念 l a b v i 阴是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 的缩写。它是n i 公司研制的图形化编程软件，是目前最为成功、应用 最为广泛的虚拟仪器软件开发环境。应用虚拟仪器技术，使我们能够在 计算机上按照自己的需求来设计仪器，方便灵活而且开发周期短。它不 仅降低了仪器成本，更提高了工作效率。据统计，在全球5 0 0 强企业中 有8 5 的企业使用了虚拟仪器技术，足以证明其应用领域的广阔。同样 地，虚拟仪器技术在教学上也有着非常好的应用前景。在最近几年里， 快速可靠的计算机通信网络获得了惊人的发展，局域网或广域网上的计 4 第一章引言 算机可以进行信息和命令交换，这样网络服务拓展了虚拟仪器的使用范 围，给虚拟仪器技术注入了强大的活力，迸一步增强了数字化仪器的优 势，从而成功地进入了网络化虚拟仪器阶段 针对目前虚拟技术的发展，充分利用现有的技术可以大大丰富实验 室建设，克服目前部分院校实验室资金不足，及实验设备落后的矛盾， 提出基于虚拟仪器的实验室局域网络建设，即以一台服务主机为虚拟服 务器，其它分机为终端，利用局域网络数据交换技术，使终端通过服务 器拾取实验测试数据，通过虚拟技术象操作身边的真实仪器一样进行相 应的实验，这样教师可以有效组织实验，使实验的目的、准确性得以提 高，同时也方便维护，更主要是节省大量终端的测控的硬件，使成本显 著下降，有实际的现实意义。 事实证明将虚拟仪器技术引入到教学实验中是行之有效的解决方 案。应用虚拟仪器技术，使我们能够在计算机上按照自己的需求来设计 实验与仪器，方便灵活，而且开发周期短。它可以提高实验效率、降低 实验成本、增强学生学习的积极性，提高教学效果，是对用传统实验方 法的有益补充。在现代化信息类实验教学中，利用虚拟实验室完成相关 实验、以虚拟仪器替代传统仪器、利用虚拟局域网络实现现代教学的应 用是完全可行的 第二章虚拟仪器概述 2 1 虚拟仪器 第二章虚拟仪器概述 2 1 1 虚拟仪器概念” 虚拟仪器是将现有的计算机主流技术与创新的灵活易用的软件以 及高性能模块化硬件结合在一起，建立的一种功能强大、灵活易变的基 于计算机的测试测量与控制系统。这种系统不但让您感受到普通p c 机 不断发展的性能，还可体会到完全自定义的测量和自动化系统功能的灵 活性，最终构建起满足特定需求的系统。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合起来共同完成测控任务的 2 1 2 虚拟仪器特点 图2 1 虚拟仪器体系结构 1 具有可变性、多层性、自助性的面板 虚拟仪器的面板可以做到与传统仪器一样，可以有显示器显示波 形；有l e d 指示数字；有指针式表头指示刻度；有旋钮、滑动条、开 关按钮；有报警指示灯和声响等等。而虚拟仪器的优越之处在于传统仪 器面板上的元器件是硬件，由厂商设计确定，不可改变地安装在专用的 面板上。而虚拟仪器的面板由计算机的显示器构成，面板上的各种显示 控制元件是软件图库中的各种功能图形，由用户设计面板，调用图形块， 用户可以不受“标准件”和“加工工艺”限制，随意增、删、移动元器件， 6 ：甲 第二章虚拟仪器概述 变化尺寸、色彩等等。还可以制作多层下拉面板，帮助文件等等，做出 远远超过传统仪器的全汉化、生动美观、界面友好的仪器操控面板。 2 强大的信号处理能力 用适当的硬件接口电路，对信号进行采集、放大、滤波、隔离、 a d 转换后，虚拟仪器就可以灵活、充分地利用通用计算机的大量实用 软件工具，对信号进行各种计算、分析、判断、处理、图形或数字显示， 经d a 转换后控制执行器件的动作。 3 虚拟仪器的功能、性能、指标可由用户定义 即可以根据用户的不同要求对同一仪器的功能、性能、指标进行修 改或增删，彻底打破了传统仪器一经设计、制造完成后，其功能、性能、 指标不可改变的封闭性和单一性。另一方面也可以将多种仪器的功能、 性能、指标等以软件的形式集成在一个“功能软件库”一一虚拟仪器库 内，通过它们的不同组合以及与各种不同类型的硬件接口搭配，使得在 一台个人计算机就可实现各种仪器的不同功能，大大提高了仪器功能的 灵活性，甚至可以进行非常复杂性的测试工作 4 具有标准的、功能强大的接口总线、板卡及相应软件 g p i b 通用接口总线( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c b u s ) 又称i e e f a s 8 国 际标准接口总线，3 0 年来广泛应用于仪器领域但是只适用于消息基 器件的互操作，不适用于寄存器基器件。总线1 9 8 7 年被首次推出， 迅速成为i e e e1 1 5 5 国际标准v x i 硬件的通用性，使任意厂家、各种 类型仪器接口不会发生电气和机械方面的冲突。v x i 总线的开放性，保 证任何系统一旦建立，将来仍能得到很好的效用。v x i 能保持每个仪器 之间精确定时和同步，具有4 0 m b s 的高数据传输率。v x i 模块化仪器 被认为是虚拟仪器最理想的硬件平台，是仪器硬件的发展方向 此外，还有v i s a 、p c i 等标准i ，o 卡及其相应驱动程序库为虚拟 仪器的数据采集和控制提供强大支持 5 虚拟仪器还具有开发周期短、成本低、维护方便，易于应用新理论、 新算法和新技术，实现仪器的换代升级 6 虚拟仪器是一门工程师设计语言，无需繁杂的文字编程，只需对图 标进行相应的设置和连接即可组建一个测试系统，故利于使用，易 推广，是易学易用的技术 2 1 3 虚拟仪器标准” 1 、总线标准 几十年来，随着技术的不断推陈出新，仪器平台的演进也经历了 数代的发展，七十年代，厂商推出的各种独立的仪器，是由面板来控制 所需的功能。想要透过其它方式来取代面板的操控，最广受欢迎的就是 7 第二章虚拟仪器概述 g p l 8 接口，也就是i e e e 4 8 8 接口。然而g p i b 接口的速度慢，并且当使 用多项设备时，需要额外的电路来达到同步触发的需求。于是八十年代， v x i 出现了，它将高阶量测与测试应用的设备，带入了模块化的领域 然而v x i 昂贵的价格却并非各等级客户都负担的起，于是九十年代，诞 生了p x i 。p x i 延续了模块化的精神，以较紧凑的结构设计、较快的总 线速度，以及较低的价格，为量测与测试设备提供了一个新的选择。同 时，由于计算机技术的突飞猛进，各种基于p c 的总线技术相继出现并 日益成熟。这些总线技术出现的时期不同，但仍然广泛地活跃在各种测 控领域中大型的测控系统往往是由g p i b 、v x i 、p x i 、p c d a q 等总线 组成的综合体系结构，各种总线技术取长补短、相得益彰。 ( d 3 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 ) g p i b 即通用接口总线，它是一种国际通用的可编程仪器的数字接 口标准在七十年代，i e e e 4 8 8 标准的诞生致使1 9 7 5 年产生了g p i b 在 电气、机械与功能规格方面的标准，在1 9 8 7 年a n s i i e e e 标准4 8 8 2 更明确地定义了控制器与仪器通过g p i b 通讯的方法，使先前的规格更 加完备。g p i b 是一数字8 位平行通讯接口，传输速率达8 惦s 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 个仪器但使用者 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 捧线与连 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 v x i ( v h 也b i 培e x t e n f i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 7 x i 印e w e 总线在仪器领域的扩展，它是继g p i b 第二代自动测试 系统之后，为适应测试系统从分立台式和装架叠迭式结构向高密度，高 效率、多功能、高性能和模块化发展的需要，吸收智能仪器和p c 仪器 之设计思想，集g p i b 系统和高级微机总线v g e b u s 之精华，于1 9 8 7 年 推出的一种开放的新一代自动测试系统工业总线标准。、r ) 【i 总线规范由 五家国际著名的测试和仪器公司组成的联合体共同指定的。1 9 8 7 年推 出的是它的第一版。经过修改和完善，9 0 年代初，被接纳i e e e - 1 1 5 5 标准。 国) 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 ) p x i 即p c i 在仪器领域的扩一展，它将c o m p a c tp 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。 p x i 这种新型模块化仪器系统是在p c i 总线内核技术上增加了成熟 的技术规范和要求形成的。它通过增加用于多板同步的触发总线和参考 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 第二章虚拟仪器概述 讯的局部总线来满足试验和测量用户的要求。p x i 规范在c o m p a c tp c i 机械规范中增加了环境测试和主动冷却要求以保证多厂商产品的互操 作性和系统的易集成性。p x i 将m i c r o s o f tw i n d o w sn t 和m i c r o s o f t w i n 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 i s a ( i n d u s t r i a l s t a n d a r da r c l f i t e c u t r e i s a ) 、e i s a ( c x t e n d e x li n d u s l r y s t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 工业标准结构总线始于1 9 8 4 年，也是早期的一种p c 总线，是一 种8 1 6 位的非同步数据总线，工作频率8 洲z ，数据传输率为i m b s ( 8 位) 或2 髓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。i 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i 0 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 总线是在i s a1 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，保留原a 、b 、c 、d 面的9 8 引脚，新扩展e 、 f 、g 、h 面的引脚9 0 个，总计达到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 、c o m p a c tp c i 总线系统 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 删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 姗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；不受制于处理器，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。局部总线技术是p c 体系结构发展史上 的重大变革，它使外设与c p u 和内存之自j 的数据交换速度得到了质的飞 跃由于局部总线标准的建立和微处理器的飞速发展，p c 机和工作站 9 第二章虚拟仪器概述 之间的性能差距正在逐渐消失，为多媒体和视频应用的普及提供了物质 基础。 c o a p a c tp c 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， 具有抗振颤和利于散热等，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 鹏s 一 r s 系列 r s - 2 3 2 c ( r c c o n u n c 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l o 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1 0 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，采用双 绞线连接，可连接3 2 个收发器，其他特性与r s 一4 2 2 a 总线接近，在测 控系统中得到较为普遍的应用，但不能满足高速测试系统的应用要求 标准并口 微型计算机机的标准并口是采用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 ) ，在使用扁平电缆连接时，采用每两条数据线之 问夹一条地线，可以较好地克服数据间的干扰，并且，定义一些用于打 印设备的接口命令 盯s b ( u n i v c r s a ls e r i a lb u s ) u s b 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入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 l o 第二章虚拟仪器概述 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备。 i e e e1 3 9 4 串行总线 i e e e1 3 9 4 串行总线( 又叫火线一f i r e w i r 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 一1 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 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 洲和多媒体设备，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 0 9 b p s 的传输速度在将来，人们还计划推出 p 1 3 9 4 b 规范，该规范将可以使用光纤和c a t _ 5 电缆，而且速度也将提 高到3 2 0 0 h b p s 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目 前，内置i e e e1 3 9 4 技术的硬盘和主板己经面世，w i n d o w sx p 操作系 统也己支持i e e e1 3 9 4 标准，这将大大推动该技术的普及和推广 2 、软件标准 ( d s a 眦岫li n s t r u m e n ts o i ta r c h i t e c t u r e ) y x i 总线技术自8 0 年代末推出以来，显示了巨大的优越性，己在 航天、航空、通信、水电及工业过程检测等领域得到了广泛的应用。v ) 【i 总线规范的制定，实现了v x i 硬件系统的标准化，但为了真正实现“即 插即用”，还必须实现软件的标准化。1 9 9 3 年，n i 、泰克等5 家公司成 立了v p p ( v ? k i p l u g & p l a y ) 系统联盟，提出了系统框架、驱动程序、软面 板、v i s a ( 虚拟仪器软件结构) 、部件知识库等一系列v p p 软件标准， 推动了软件标准化的进程 虚拟仪器软件结构( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，v i s a ) 的 实质就是一个标准的i o 函数库及其相关规范的总称，一般称这个i o 函数库为v i s a 库。这些库函数用于编写仪器的驱动程序，完成计算机 与仪器问的命令和数据传输，以实现对仪器的程控。v i s a 在整个自动 测试系统中的位置如图2 2 所示。 第二章虚拟仪器概述 自动测试系统应用程序 lil i仪器 l仪器l仪器 i i 驱动程序 l 驱动程序i 驱动程序l i v i s a l iv x i 仪器g b i b 仪器其它接口仪器 图2 2 自动测试系统中的v i s a i v i ( h t e r c h a n g e a b l ev l r t u a li n s t r u m e n t ) 长期以来，互换性成为许多工程师建造测试系统的目标因为在很 多情况下，仪器硬件不是过时就是需要更换，因此迫切需要一种无需改 变测试程序代码就可用新的仪器硬件改进系统的方法。针对这一问题， 在1 9 9 8 年9 月成立了m 0 n t e r e h a n g e a b l ev m u a li n s m m a e n t ) 基金会。i v i 基金会是最终用户、系统集成商和仪器制造商的一个开放的联盟。目前， 该组织已经制订了五类仪器的规i 毫一示波器数字化6 c ( r v l s e o p e 、数字 万用表( r v m m m ) 、任意波形发生器函数发生器( i v i f g e n ) 、开关，多路复 用器矩阵( i v i s w i t e h ) 及电源( 1 v i p o w e r ) o 因为所有的仪器不可能具有 相同的功能，因此不可能建立一个单一的编程接口。正因为如此，i v i 基金会制订的仪器类规范被分成基本能力和扩展属性两部分前者定义 了同类仪器中绝大多数仪器所共有的能力和属性( i v i 基金会的目标是 支持某一确定类仪器中9 5 的仪器) ；后者则更多地体现了每类仪器的 许多特殊功能和属性以下简要地把这五类规范作一介绍： i v i 示波器类把示波器视为一个通用的、可以采集变化电压波形的 仪器来使用。用基本能力来设置示波器，例如设置典型的波形采集( 包 括设置水平范围、垂直范围和触发) 、波形采集的初始化及波形读取。 基本能力仅仅支持沿触发和正常的采集；除了基本能力外，i v i 示波器 类定义了它的扩展属性：自动配置、求平均值、包络值和峰值、设置高 级触发( 如视频、毛刺和宽度等触发方式) 、执行波形测量( 如求上升时 间、下降时问和电压的蜂一峰值等) 。 i v i 电源类把电源视为仪器，并可以作为电压源或电流源，其应用 领域非常宽广。i v i 电源类支持用户自定义波形电压和瞬时现象产生的 电压。用基本能力来设置供电电压及电流的极限、打开或者关闭输出； 用扩展属性来产生交、直流电压、电流及用户自定义的波形、瞬时波形、 触发电压和电流等。 i v i 函数发生器类定义了产生典型函数的规范。输出信号支持任意 1 2 第二章虚拟仪器概述 波形序列的产生，包括用户自定义的波形。用基本能力来设置基本的信 号输出函数，包括设置输出阻抗、参考时钟源、打开或者关闭输出通道、 对信号的初始化及停止产生信号；用扩展属性来产生一个标准的周期波 形或者特殊类型的波形，并可以通过设置幅值、偏移量、频率和初相位 来控制波形。 i v l 开关类规范是由厂商定义的一系列i 0 通道，这些通道通过内 部的开关模块连