（电力系统及其自动化专业论文）基于cpcipxi平台的虚拟测控技术研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t w i t ht h e r a p i dd 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 , n e t w o r kt e c h n o l o g y , v i r t u a l t e c h n o l o g y , m e a s u r e m e n t a n dc o n t r o l t e c h n o l o g y , t h e m e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t sa l s oq u i c k l yd e v e l o p v a r i o u sb u s - b a s e dv i r t u a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t e c h n o l o g y , w h i c hh a sb r o u g h tc o n s i d e r a b l eb e n e f i t s ，h a sa p p l i e di n a l lk i n d so f i n d u s t r i e s e s p e c i a l l yi nt h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o li na v i g a t i o n t h em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t sa l ed e v e l o p i n gf r o mt h ec o l l v e l l t i o n a lj n s t r u m e n t s t ot h eh e a r tf o c u so nt h ev i r t u a l i n s t r u m e n t s 、a n d t u r n i n gt od i g i t a l 、i n t e l l i g e n t i z e da n d n e t w o r k e d w h i c h b r o u g h t a b o u taf u n d a m e n t a lr e f o r m a t i o n ，t h e e m c i e n c y , r e l i a b i l i t y , v e r a c i t ya n da g i l i t ya r es m a r t l yi m p r o v e d b e c a u s eo ft h eh i g hr e q u i r eo f v e r a c i t ya n dp r e c i s i o ni nt h en a v i g a t i n gs y s t e m ， a sw e l la sm a n a g e m e n tc a u s e , t h e s ei ss t i l ln om e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1s y s t e mw i t h h i g ha g i l i t ya p p l i e di nn a v i g a t ef i e l d b a s e do nt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n so fn a v i g a t i n g s y s t e m r e s e a r c hh a sb e e nd o n e i nv i r t u a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y f i r s t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c o fn a v i g a t e dm e a s u r e m e l i ta n dc o n t r o j s v s t e m ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c ，e x c e l l e n c ea n da p p l i c a t i o nr a n g eo f v i r t u a li n s t r u m e n t s a n ds e v e r a li n t e r f a c eb u sa r ed i s c u s s e d s e l e c tt h ec p c i 伊a s t h es y s t e mb u sf i a tt os a r i s t h ed e m a n do f t h ea i r m a n t h ec o n s t i t u r i o na n dn e t w o r k o fv i r t u a is y s t e ma r ee m p h a s i z e d ，a n dc o m m u n i c a t i o ns t i p u l a t i o no fa na g r e e m e n t a b o u tn e t w o r ki sl a y o u ti nt h ea r t i c l e a tt h es a m er i m e t h e r ea r es o m es h o r t a g e si nt h ea p p l i c a t i o no ft h ev i r t u a l i n s t r u m e n tt h a ti st h ei n t e l l i g e n c ea n dm u l t i p l i c i t yr e q u i r e dt ob ee n h a n c e d ；t h e f u n a t i o no fi n s t r u m e n t sb u sd e m a n d si m p r o v e m e n t ；a n db i gr e a l t i m ev i r t u a ls y s t e m a w a i tt oi n v e s t i g a t ea n d p r o b e i n t o k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；n e t w o r kt e c h n o l o g y ；c p c p x i ； o s c i l l o g r a p h ；g e n e r a l b u ss t i p u l a t i o na g r e e m e n t ； v i r t u a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m 西南交通大学研究生学位论文第1 页 0 前言 第1 章绪论 虚拟技术在2 1 世纪科学技术飞速发展的今天，应用越来越广泛。 虚拟测控技术是集计算机技术、虚拟技术、测控技术于一体的综合 系统，在国民经济中发挥着重要的作用。它在航空测控系统中已得 到应用，并产生了显著的经济效益。 由于航空测控系统的要求较高，投资较大，常规测控系统的直 观性、灵活性、可靠性都难以满足要求。为进一步提高测控系统的 直观性、灵活性、可靠性、自动化，将虚拟技术用于测控系统并深 入研究，有着重要的意义。 1 1 测控仪器的发展概况 现代技术的进步以计算机技术的进步为代表，不断创新的计算 机技术，正从各个层面上影响着各行各业的技术革新。今天的测控 行业同样经历着一场翻天覆地的变革。 测控仪器发展到目前，大致可分为四个阶段”】：第一阶段是2 0 世纪4 0 年代发展起来的传统仪器，这种仪器是模拟仪器它是为针 对某种测试目的而专门设计制造的专用仪器：第二阶段是在2 0 世纪 5 0 年代，随着数字化技术的出现而兴起的数字化仪表仪器，如数字 频率计等，它将测试的精度、分辨率和测量速度提高了几个数量级； 第三阶段是在2 0 世纪6 0 7 0 年代融入了计算机技术的智能仪器 和卡式仪器，它使得测试仪器的功能发生了质的变化：由个别电量 的测试发展到了整个系统的特征参数的测量，从单纯的接收、显示 发展到了控制、分析、处理、计算和显示输出。由单台仪器进行测 量发展到使用测试系统进行测量，测试领域也由时域发展到了对数 据域进行测量，仪器的前面板也在向键盘转化；第四阶段是2 0 世纪 8 0 年代开始的虚拟仪器，它是卡式仪器的进一步发展，可在不同的 疆褰交通失擎骚究生掌往论文繁2 燹 应用场合调用不问的测试软件，朱实现不同的测试功能，达到仪器 的多功能快速谈巍。 i 跫2 0 年来，程仪器藕测试领域发生的两个重要变纯鼹智熊仪器、 通鬻接口想线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 us ) 、个人仪器、 v x i ( v m eb u se x t e n s i o nf o fp r o c e s s i n g ) 慧线系缝瓣窭联，其审v x i 总线趋一秘惑遥诗黪毒氇总线一v m e ( v e r s am o d u | ee u r o e a r d ) 落线 在 义嚣壤城的扩展。这些接术黪袋是，激变了势虽将继续改变枝嚣 和测试领域的发展进程，使之朝糟智能化、自动化、小型化、模块 纯稻开液式系统躺方囱发袋。 智能便嚣翁组成如鬻1 1 搿示。 智髓俊器韵特惠怒搡佟自动豫，黧寄j 寸矫接口功髓，操作入员 的工传是按键，省却了繁琰黪人工调节；在仪器巾袋赐微处理器霹 实觋“嫒锉软移豫”，增加系绫靛灵淫蛙，减少或零，壤小体辍，蠖 仪器更教客观实震。 回国 园圃 8o 囤甲 被涮信号 黼1 - 1 智辘俄器秘藻本缀缓 团8 匾 秀南交逯犬拳磷瓷生学位论文貉3 鞭 g p i b 接口机自动测试系统举例如图l ，2 所示。 鞫i - 2g p i b 测试系统举铡 计算机是系统的控制器，它根箍预先编制好的测试程序，首先 设定频率食成器的各种功能，弗启动工作，让它输出要求幅度频攀 的倍母，瀚到被浏嚣 牟，然焉命令数字多髑表和颥率计数器辩被渊 器馋竣蠢猿号数嚷魔弱频率避嚣溺量。测蘩数据胃送翊毒篓穰系绫 的显泳器艇示，戚送到打印机进行打印。 令人仪器系绞熟图1 3 爨承。 个人计算机 投器撼传卡 隧1 3 个人仪器聚缆 个人仪器系统是谯智能仪器的基础。e ，由不同功能的仪器卡、 捶卡瓣翘一台p e 虮窍规缝合璐构成敕鑫裁溅试系统。它充势裂攫了 p c 机韵软硬件资源，克服了g p i b 自动测试系统硬件冗余度崧，蜜 错洼麓靛簸煮，受逶会子便携式纹器系统。 v x i 总线系统实例如图1 4 所示h j 。 瓣中辨示静数字设备占耀了掰夺标潍豹箍板竞凄，麦祝絮中菸 毒1 2 个援传，其中露蕊一个拯侉构成一个仪器，鸯靛鼹个拯搏构成 鞭惫交逶太攀研突皇学位论文嚣垂葵 个仪器。当一个烹机架不够用时，可通过主机的g p i b 与其它v x i 设备耩涟，使系统擦翔扩袋，遥合于丈型自动瓣控系统姻组建。 个人计算机 躅1 - 4 v x i 总线系统突截 测控役器鹣发糕之衙戳鲡魏_ ；强速，主溪肖两方瑟鹣瓢因： 一方甏，谤葵撩技术懿遴疹为薪鼙灏控彼器豹产生罐骰了域实 基础，童鬟表现在：( 1 ) 徽处理爨躯d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术麴快速进步以及其性裁爨格比豹不凝土嚣，大大改变了倦绫匙 子行业的设计恩想帮裁念，原来谗多幽硬转宪成驰功能今天畿够婊 靠软件来完成，不假提高了灵活性，而且节省了投资。( 2 ) 渐向对 象接术、可撬传覆窿嚣发奁较 率领域羹簧雾翁予搜溺、穑毹强大翡 软释秀茨撼谈了冒靠瞧。 爨方瑟，话绫煞溅控经器越来越满足不了麓羧逶步鹩要求， 主要袭现在；( 1 ) 现代测控技术要求仪器不仅仅裁单独测量到慕个 覆，蕊凳希望它们之闯能够檑氨通信，实现镶息装享，从两完成怼 被测各系绕的综合分擀、译铬褥出准确的列断；传统便器程这方 面显然存在严重不怒，甚至根本不可能实现。( 2 ) 对于凝杂的减测 系装，灸了歪确瓣绽爝吾令厂零瓣不瓣溺试设备，爝户鬻要弱躲谈 缀多，仪器捷鼹频率帮裂贾率畿，薅虽凝臀霉挈在冗余。 西南交通大学研究生学位论文第5 页 鉴于上述原因，基于计算机的测试仪器逐渐变得现实，这种仪 器的出现和广泛使用对测控仪器产生了较为深刻的影响。作为传统 仪器的革新产品，虚拟测控仪器的使用在今天已日益普及，如航天、 航空、航海、工业等领域都已趋向于采用虚拟测控技术。 1 2 虚拟仪器技术的发展 虚拟仪器从概念的提出到目前技术的日趋成熟，体现了计算机 技术对传统工业的革命。在虚拟仪器技术发展中有两个突出的标准， 一是v x i 总线标准的建立和推广；二是图形化编程语言的出现和发 展【6 】。前者从仪器的硬件框架上实现了设计先进的分析与测量仪器所 必须的总线结构，后者从软件编程上实现了面向工程师的图形化而 非程序代码的编程方式，两者统一形成了虚拟仪器的基础规范。 硬件技术的发展：要保证虚拟仪器具备与传统仪器匹配的实时 处理能力和可靠性，很重要的一点是取决于传输测量数据的总线结 构。在虚拟仪器中，其分析功能是由计算机来完成的或由计算机来 控制的。因此，接口、总线的速度、可靠性和如何选择是关键。v x i 总线标准的建立，使得用户可以像仪器厂商一样从访问寄存器这 样的低层资源来设计和安排仪器功能，使得用户化仪器的功能设计 得以实现，同时使得虚拟仪器设计有了一个高可靠性的硬件平台。 目前已出现了用于射频和微波领域的高端v x i 仪器及同样可用于恶 劣环境且技术更先进、速度更快的p x i ( p c i e x t e n s i o r lsf o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 仪器。当然，采用普通p c 总线，尤其是工业p c i 总 线的虚拟仪器也在不断发展这类虚拟仪器主要面向一般工业控制、 过程监测和实验室应用。 软件技术的发展：除了硬件技术外，软件技术的发展和有关国 际标准的建立也是推动虚拟仪器技术发展的决定因素之一。在 g p i b 接口总线出现以后，关于程控仪器的句法格式、信息交换协议 和公用命令的标准化，一直是人们关心的问题。标准程序命令( s c p i ， s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t s ) 标准的建立，向解 决程控命令与仪器厂家这一目标迈进了重要的一步。随着虚拟仪器 思想的深入，用户自己开发仪器驱动器己成为技术发展的客观要求。 西南交通大学研究生学位论文第6 页 过去仪器驱动都是由仪器厂家专门设计，缺乏标准，使得用户在仪 器软件方面的投资得不到保护，为此，国际上专门制定了虚拟仪器 软件体系( v i s a ，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 ) 标准， 建立了与仪器接口总线无关的标准i o 软件，如l a b v i e w 、h p v e e 、 l a b w i n d o w s c v i 等先进开发环境软件相适应。开发一个用户定制的 虚拟仪器在软件技术上已经成熟，可以预计，未来电子测量仪器和 自动化测试技术的发展还将更多地渗透虚拟仪器的思想。 1 3 虚拟测控技术的发展趋势 1 3 1 应用软件的可移植性 虚拟仪器的关键技术之一是应用软件，其主要功能由软件来实 现。它通过软件将计算机硬件资源和仪器硬件有机的结合在一起， 缩小了仪器体积、降低了仪器成本，并通过计算机显示、存储以及 处理。它没有专门的前面板、显示器和电源硬件通常在p c 或v x i 、 c p c i ，p x l 主机中，所有仪器面板和显示器都可在监视器上模拟，为 用户提供了一个用户界面友好、结构开放的测试系统。然而，随着 测控技术的快速发展，用户越来越强烈的要求其应用软件能从一种 平台移植到另一种平台上，如在l a b v i e w 和l a b w i n d o w s t c v i 环境 下开发的测试程序稍加修改，应能支持p c i 总线插卡，也就是应有 跨平台的能力。为此目的，由t e k t r o n i x 、a d v a n t e s t 、n a t i o n a l i ns t r u m e n t s 等测试仪器供应商、系统集成商和用户成立的i v i 基金 会，准备开发可支持不同厂商生产的仪器模块的驱动器。由安捷论 等公司创建的开放数据采集协会( o d a a ) 将开发开放的、互操作的 基于微软公司c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d a l ) 技术和p c 的数据采集 硬件和软件。 1 3 2 网络化 网络化测试系统，可以将虚拟仪器、昂贵的外围设备、被测试 点以及数据库等资源纳入网络，实现分布式测控。不仅能降低组建 系统的费用，还能实现测量设各和测量信息的共享，被测对象可以 西南交通大学研究生学位论文第7 页 通过测试现场的普通仪器设备将测得数据( 信息) 通过网络传输给 异地的精密测量仪器和高档次的微机化仪器去分析处理，提高了贵 重和复杂设备的利用率。在i n t e r n e t 上进行测试和数据采集，可以实 现远程监测和控制，不必亲临现场，节省了人力和物力，而且实时 性好。 由于集中测控越来越满足不了复杂、远程和范围较大的测控任 务的需要，所以组建网络化的测控系统就显得非常必要。同时，计 算机软件、硬件技术的不断升级与进步，给组建测控网络提供了越 来越优异的技术条件；因此，测控系统的网络化成为目前虚拟测控 技术研究的热点。 网络化技术应用到测控技术中，成为测控技术满足实际需求的 关键支撑。网络化使得人们可以从不同地点、不同时刻共同完成任 务，与传统仪器相比是一个质的飞越，它正逐渐成为测控系统发展 的趋势。 1 3 3 智能化 智能仪器利用微处理器的控制功能，可以方便地实现量程自动 转换、自动调零、触发电平自动调整、自动校准、自诊断等多种功 能，有利地改善了仪器的自动化水平：另外，智能仪器广泛使用键 盘，使面板布置与仪器功能部件的安排可以完全独立的进千亍，这样 既有利于提高仪器技术指标又方便了仪器的操作。 新一代测控仪器在信息拾取与转换、信息测量、判断和处理及 控制方面大量采用微处理器和微计算机，显示与控制系统向三维形 象化发展，操作向自动化方向发展，并且具有多种人工智能。所以， 虚拟测控技术的智能化是测控领域发展的另一趋势。 1 4 国内外研究现状 由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发 展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试方法，新的测试 领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破了传统仪器 的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。 戳南交通太学辩究生学位论淀繁8 烫 建遮糖德凝下，八十年代零荧国率先锊 铡成功壤镢仪器，纛虽 至今一巍走在世界静剜。潮际上，从1 9 8 8 每开始陆续肖虚拟产黯丽 市，瓷辩露聂豢涮逡巍雄密3 0 耪产翁，藏嚣，寝缀产麓黉求躐德增 加，剿1 9 9 4 年底，纛拟仪器制遗厂己运9 s 家，熬生产1 0 0 0 多种虚 撅搜溱产熬，销售颧这2 9 3 亿焚元，占蘩个仪器镪襞撅7 3 亿荚元瓣 4 ，美灏跫虚拟仪器鼹诞生蟪，感楚全球最大懿寝擞致爨制造嗣。 生产毖撒仪器熟主甏厂家肖h p 公司，爵黼可釜产1 0 0 雾种墅母的虚 拟 义嚣产菇。t e k r o n i x 公司，蘸藤生产盼8 0 多种蹙号豹虚拟仪器产 龋。荚菡n i 公镯，磷前生产虞缀仪器产晶种类袋多，处予领毙地攮。 这些 一窳麴产龋建灏涿枣绣上蠢较强麴竟擎宠，瓣裁爨嚣始遴入巾 国市蛹。中国正进入一个掰懿发壤时期，疑济的恹遴菠展将加快众 犍豹技拳羧逢步伐，瓣凳遴纹器设懿霉墩趸翔强熟。 近筝采，微型诗冀机戳掇怒韵速度程域内发蕊，计算机徐椿猩 抉遴下繇，备种应麓获释鬣密不穷，势虚数仪器静菠袋奠定了基础。 虚拟仪嚣作为传统仪器的蛰代产熬，求场容鐾重大。攒统计，1 9 9 5 年我鬻邂秘电子测豢仪器7 35 万台，侨值2 3 2 亿美元+ 据专家预溺， 寒来忍每瘫憋露一娥企数铁攀纛拟纹嚣奎产。著攘努据；嚣搜嗣瘫 商5 0 豢众她生产纛撤彼器，市场也不会锪髑，只能掇渤虚拟纹嚣照 浃蟋发袋。 传统购测爨仪器大多界瑟固定、体毂纛太、硬绺较多，测鬟鼹 鬻佟潜燮错蘸奄缓、繁多韵器件，越来麓灞跫不了蕊彳弋测试翡蘩黎。 虚拟仪嚣瓣阕 鼗健工作平螽整滔纯、攥佟蠢序化，使搽作入爨的王 乍餐革纯，两越遂可淤实嚣教攒豹鑫韵溅羹，鑫麓记袋、自动怒邀， 鲣缝建袋中和势蠢式测控系统爨容易。 l 。5 本交骈徽的王俸 羁蠹饕瓣学按零熬发装，攫羧技零鞠溺按按寒帮恣懑速笈麓，褥 且其成蠲范围越寐越，“泛。美国n i 公逮避攀来一纛致力予震搬仪麟 熬磷究籁探讨，莠羹淹在冀它辚究凄瑟缓嚣翡公鞠之籍，酝褥了较 好的成襞，凰肉一熬公霹墩正处于虚拟仪嚣的搿发热漱中，许多投 器领域、溺控领域已开始采黼缓掇仪器来逑行测璧期控翻。 蘸纛交遘犬学磷究生掌艇论文落9 凝 目前已将虚拟技术和测控技术相结合，取得了鼹蓍的经济敬盏， 蓬褥：；羹| | 捷菱巍灵活、可靠，系统缀建黢本太大簿低，软 孛系统可爱 餍性增强，蕊基二次开发容易，维护方便，经济实耀。 缀然虚拟仪器程小型自动测试与测控系统中其有使用灵活、可 靠、糖度离、功能强等优点，假对于大型复杂测控系统。还存在一 些技术灌题。一是存在着测蹙的繁复与效率问题；二二戆要建立这种 大墅复杂豹溪l 控系绫，痰奉黉攀。远糕溺蕊鞠势毒式掰络溺控羧零 是解决这然问题的踅疆途径和手段。因此远程测控和分布式网络测 控已减必纛摄测控镁域戆磅究鬟点帮热焘。 本文镑对虚双接求、测掩技术的发展，阐述了虚拟测控技术睡 发震动惑幂西趋势，并讨论了总线平台的选辑；针对虚授技术数据滚 集中存在的问题，讨论了其设计原则和解决方案，并介绍了虚拟数 字示渡嚣静组建、弱链及箕新静特点；针对大型纛擒测控系统存在 载运题，讨论了虚 荽l 测控按拳黪垂动豫亵阚终键，搽讨了虚撅测羧 技术避远程网络的构建，并比较了用于网络化的四种方案，激终选 择t c p i i p 协议馋为翳络转辘游议，阐暖了嘲络化绘测羧镁域豢寒戆 好处。 黼南交通大攀研究生学位论文第10 嚣 第2 章虚拟仪器简介 虚拟仪器技术是现代计髯机系统和仪器系统技术相结合的产 物，是濑代计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术，它推动着 往器自数字恁( 餐缝键) 、模块毒艺、霹络纯瓣方蠹发惩 1 0 1 。 电予测量仪器发展到至今，历经了摸掇仪器、数字讫仪器、智 能化仪器和虚拟仪器等几个阶段。虚拟仪器是传统仪器观念的次 巨大变革，它不仅推进了以仪器戈基础的测控系统的改造，同时也 影稿了蔽数据采集必主瓣测羧系统夔簧绫棱造方式豹涟诧，是泰来 仪器产业发展的一个重要方向。 虚拟仪器( v i r t u a li ns t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念，是美国图家 倥器公镯( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p ，燕懿n i ) 于1 9 8 6 年挺篷的f ”j 。 虚季鲮佼器是由计算梳硬件资滚、模块纯仪器硬件和数据分析、道程 通讯及网形化用户界面的软件组成的系统，是一种由计算机操纵的 模块化仪器系统。从测控的角度出发，康拟仪器可谓在硬件功熊单 元提爨蘩本嚣控秘蕤嚣基疆土，逯遘对被控对象豹鬟求套辑零匿溺控 资源功能的重新组织和优化而开发的计算机软件。它充分利用丁计 算机强大的信息处理和控制能力。 不鬻是费统弱还是虚拟懿仪器，宅稻豹功薤缝糖部是据霹懿， 由数据采集、数据测试和分祈、结果输出显示等三大部分组残。虚 拟仪器的功能结构如图2 1 所啄。它们之问的不同主要体现在灵活性 上。虚拟仪器由用户自己定义，用户可以融由地组合计算平台、硬 孚、软 孛、激及蠢耱完成痤臻系绞爨震熬瓣 孛，嚣这耪灵话注程传 统仪器上是达不到的。 其中数据分析和结果输出究全可由纂予计算机的软件系统米完 或，爨l l l ：爰要另终撵供一定的数据采集疆终，裁霹良麴戍基于诗舞 极组成纳测量测试仪器，其基本静体系结桶如图2 - 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第ll 页 a c q u i s i t i o na n d c o n t r o l ( 采集与控制、 p l u g - h xd a t aa c q u i s i t i o n g p g p m 义器 v x 】 v x i 仪器 p x i p x i 仪器 r s 2 3 2 r s 2 3 2 仪器 d a t aa t m l i s ( 数据分折1 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d i g i t a lf i l t e r i n g 教字滤涟 s t a t i s t i c s 统计 n u m e r i c a n a l y s i s 数字分析 图2 1 虚拟仪器功能构成框图 d a t ap r e s e n t a t i o n r 结果表达) n e t w o r k i n g ( 网络) h a r dc o p yo u i p u l 硬拷贝输出 f i l c 文件g o g r a p h i c su s e r i n t e r r a c e 图2 2 基于计算机的自动测试系统基本结构 2 1 虚拟仪器的优点 自动测试系统 软件结构 自动测试系统 硬件结构 由表1 可看出1 ，虚拟仪器与传统仪器相比其主要特点是：v i 的功能可由用户自己定义，应用灵活、可重构，易于满足用户的要求 和需求。 、il、，j、l， 西南交通大学研究生学位论文第l2 页 表1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 软件使得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 软件是关键硬件是关键 价格低可复用与可重配置性强价格昂贵 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发展封闭、固定 与网络及其周边设备方便互联的面向应用的仪器系岛功能单一、互联有限的独立设备 展现全汉化图形界面、计算机读数、自动分析处理图彤界面小、人工读数、信息量小 其主要优点如下： ( 1 ) 融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处 理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的功能。 ( 2 ) 利用了计算机丰富的软件资源，一方面，实现了部分仪器 硬件的软件化，节省了硬件资源，增加了系统灵活性；一方面，通 过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行分析与 处理；另一方面，通过图形用户界面技术，真正做到人机界面友好、 操作简单，易于交互； ( 3 ) 基于计算机总线和模块化仪器总线传统仪器硬件实现了 模块化、系列化，大大缩小了系统尺寸，可方便的构建模块化仪器： ( 4 ) 基于计算机网络技术和接口技术，虚拟仪器系统具有更方 便灵活的互联能力，广泛支持诸如c a n 、f i e l d b u s 、p r o f i b u s 等各 种工业现场总线标准以及以太局域网、i n t e r n e t 广域网等网络标准。 因此，利用v i 技术可方便的构建自动测试系统( a t s ，a u t o m a t i c t e s t s y s t e m ) 实现测量、控制过程的网络分布化、远程化； ( 5 ) 基于计算的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都 具有开放性、模块化，可重复使用及互换性等特点。因此用户可 根据组建的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵 活、效率更高，缩短了系统的组建时间； ( 6 ) 测控效率及测控精度高，测控过程统一、标准； 西南交通大学研究生学位论文第13 页 ( 7 ) 功能升级成本低，可扩展性好，易于更新换代。 虚拟仪器可以使用相同的硬件系统，通过不同的软件实现功能 完全不同的各种测量测试仪器，即软件系统是嘘拟仪器的核心，软 件可以定义为各种仪器，因此可以说“软件即仪器”。 2 2 虚拟仪器的五种类型 根据微机的发展和采用方式的不同，虚拟仪器可分为五类口】： 第一类：p c 总线一一插卡式虚拟仪器。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相结合，如美国n i 公司提供的图 形化编程工具l a b v i e w ，基于文本编程的l a b w i n d o w s ，c v l 、v i s u a l c + + 、v i s u a lb a s i c 等。程序员可利用这些有效的开发工具通过编程 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， 将测试仪器虚拟化。但是受p c 机机箱和结构的限制，这类虚拟仪器 有可靠性不太高，机箱内部的噪声电平较高，插槽数目不多，插槽 尺寸较小，机箱内无屏蔽等缺点。 第二类：并行口式虚拟仪器。虽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、逻辑分析仪、任意波形发生器、 频率计、数字万用表、功率机、程控稳压电源、数据记录仪和数据 采集器。美国l i n k 公司的d s 0 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，又可以与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。 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。在标准状况下，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，可以很方便的把多台仪器组合起来，形成自 西南交通大学研究生学位论文 第l4 页 动测量系统。g p i b 测量系统的结构和命令简单，主要用于台式仪器， 适合于精度要求高但不要求计算机高速传输的场合。 第四类：v x i 总线方式虚拟仪器。v x 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， 由于v x i 系统价格昂贵，且其核心技术v m e 总线已趋于淘汰，因此， 虽然v x i 系统在定时间内还会得到一定程度的发展，但最终会被 技术更先进的p x i 所取代。 第五类：c p c i p x i 总线方式虚拟仪器。c p c i 是采用p c i 总线规 范、欧洲卡式结构的工业控制计算机。p x i 是p c i 总线在仪器领域 内的扩展，它是在p c i 内核的基础上增加了多板同步触发总线的技 术规范和要求形成的，可用于相邻模块问的高速通讯。p x i 完全兼容 c p c i ，它具有高度的可扩张性和8 个扩展槽，而一般台式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，可将p x i 扩展到2 5 6 个扩展槽。由于p c i 总线速度快，且己成为计算机的主流总线和发 展趋势，其软件和系统支持广泛，因此，基于p c i 总线的c p c i p x l 系统，除采用欧洲卡式结构而与v x i 具有同样的高可靠性外，更具 有速度快、价格低、技术先进、软件支持强等众多优点。因此，它 必将成为虚拟仪器首选的总线平台，并逐步取代v x i 的优势地位。 2 3 从硬件结构来看，虚拟仪器有两条路线 一、g p i b 叶v x i 叶p x i 总线方式”，适合大型高精度集成 系统。g p i b 于1 9 7 8 年问世，v x i 于1 9 8 7 年问世，p x i 于1 9 9 7 年问 世。 二、p c 插卡并口式_ 串口u s b 方式以太网”，适合 于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展前景。 综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素： 西南交通大学研究生学位论文第15 页 ( 1 ) 计算机是载体i ( 2 ) 软件是核心； ( 3 ) 高质量的数据采集卡。 虚拟仪器的发展是信息技术的一个重要领域，可广泛应用于电 子测量、振动分析、声学分析、故障诊断、航天航空、军事工程、 电力工程、机械工程、建筑工程、铁路交通、地质勘探、生物医疗、 教学及科研等诸多方面。 2 4 测控领域面临的挑战与对策 从宏观上讲，今天的测控领域面临着三大挑战：f 1 ) 测试成本的 不断增加：( 2 ) 测试系统越来越庞杂；( 3 ) 对测试投资的保护要求越来 越强烈。在产品的研究、开发、生产的全过程中不同阶段有不同 的测试要求；在研究、开发阶段，技术责任单位不仅需要用高性能 的测试设备来检查其设计是否达到技术规格书上的要求，而且还要 确定其安全裕量是否足够：在生产阶段，对测试系统的主要要求是 易于使用和测试快捷。所有的技术要求、功能、性能，都需要通过 测试来确定是否达标，这就导致测试成本增加，因此，用户想在增 加功能与性能并保证其质量的同时，使测试投资得到有效的保护 这势必是大挑战。 面临这些挑战，用户最可能的做法是选用标准化硬件平台。硬 件的标准化可以部分地降低测试成本，但作用是非常有限的，而使 用虚拟仪器则可大大缩短用户软件的开发周期，增加程序的可复用 性，从而降低测试成本。而且，由于虚拟仪器是基于模块化软件标 准的开放系统，用户可以选择认为最适合于其应用要求的任何测试 硬件。筒言之，采用基于虚拟仪器的统一测试策略，将有助于面对 今天的测试挑战而在激烈的竞争中处于优势地位。 2 5 虚拟仪器的数据采集( d a q ) 方式 从虚拟仪器的定义来看，它更多地强调软件在仪器中的应用， 但虚拟仪器仍离不开硬件技术的支持，信息的获取仍需要通过硬件 西南交通大学研究生学位论文第16 页 来实现。图2 - 3 描述了插入式d a q 的组成。通常一块d a q 卡可以 完成多种功能，包括a d 、d a 转换，数字输入，数字输出以及计数 器操作等。数据采集系统的功能模块如图2 - 4 ，使用模块化的设计思 想完成特定任务，会使用户程序的重新组织易于控制和实现，原因 是软件程序可根据硬件采集卡的模块化编写成相对应的模块来进行 控制。 呼壬呼 一 主程序 配置硬件设置文件设置读数据处理数据存储数据 文件i t o 处理硬件驱动器 图2 - 4 数据采集系统功能模块 题南交通大学研究生学位论文第17 撼 第3 章虚拟仪器总线标准 3 1p c i 总线 p c i ( t h e 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 ) 慧线是一静独立 于c p u 的同步局部总线，其规范定义了一种全世界范围内适用于任 何桌颇型的高性能的总线 i l 6 1 。它是处理器存储器与外围控制部件、 外围扩震卡之闯抟互连设备。它懿优点楚其毒独立楚理能力、数据 传输遮率高、有软件和操 乍系统支持，丽量具有可扩展的性能。其 特点有五个：高性能，运行速度快。p c i 总线宽腱为3 2 b i t 6 4 b i t ， 时钟为3 3 m h z ，数据带宽达l3 2 2 4 6 m b s 。即插即用。p c i 总线 趣莛支持p c i 扩袋卡巍帮俘的鑫费嚣萋，实瑗帮螽甏爱，使鬟方便。 扩鼹性好。如需耍把许多设备接到p c i 总线上，而总线启动能力 不足时可以采用多级p c i 总线，实行辩发工作。可靠性高。 兼容瞧好。出予p c i 矮范与c p u 及时铮蠢关，也就怒说p c i 戆攒卡 是通躁的，函诧p c i 部件和骝动程序可强在各种不潮豹平台上逡行， 目前主流的p c 及般工控机均为p c i 总线。 3 。2v x l 慧线 v x i 总线是v m e 总线襁仪器领域的扩展( v m e - b u se x t e n s i 0 r l f o ri n s t r u m e n t ) 。v x i 严格规定了模块电磁兼容的要求，具有低噪声 释蔫缀孺步蕤力，为线往霸大动态范围瓣a d c 帮粉a e 模块搀镞了 好的环境；v x i 总线标准的周部总线可作为相邻模块间专用通信路 径，增加了工作带宽；v x i 总线系统将消息基仪器和寄存器基仪器 统一焱强一琢壤下，不毽受袈令饺器模块提供了定辩袈同步懿麓力， 而且掇供了开放的、标准纯的高速处理器总线；v x i 总线系统利用 m x i ( m u l t i s y s t e me x t e n s i o ni n t e r f a c eb u s ) 总线与外部计算机相连或 采用嵌入式计算机结构。极大地提高了仪器与计算机之闯的数据传 输速璇，驳嚣大大燕抉了v x i 慧缓虚摈纹器懿测试逮瘦，麓燹好豹 西南交通大学研究生学位论文第18 页 满足测试实时性的要求 1 6 1 7 1 。 v x i 系统是一种计算机控制的功能系统，在很宽的范围内允许 不同厂家生产的仪器接口卡和计算机以模块的形式共存于同一主机 箱内。v x 系统的组建按照主控计算机放置的位置，分为内控方式 和外控方式。 图3 1 ( a ) 给出了外控式v x i 仪器系统的示意图。主机架外部 的主控计算机可以通过g p i b ，r s 一2 3 2 c ，m x i ，v m e 等多种总线与 v x i 系统相连，其中沟通两种总线的接口放在0 号插座内称为零 槽插件。目前流行的外控式v x i 多采用g p i b 接口的外主控计算机， 其优点是兼容性强，更换设备可以基本不改变或很少改变程序。但 这种控制方式会造成数据在这段路径上传输速度下降，为此应尽可 能在v x 主机箱内部对数据进行加工、处理以使g p i b 总线传输尽 可能少的数据。 图3 1 ( b ) 给出内控式v x i 仪器系统的示意图。由于系统内有 一个内插式主控计算机，因此控制器能直接运用高速指令访问v x i 各仪器模块，通信速度很快，除此之外，在便携式要求较高的场合 也需内控方式的v x i 仪器系统。 斗圆圈囡因困 ( a ) 内 r a m 仪仪仪 控器器器 计 123 算 机 ( b ) 图3 1v x l 总线仪器系统的组建 v x i 总线是一种比较好的虚拟仪器平台，但其主要缺点是它以 西南交通大学研究生学位论文第19 页 目前趋于淘汰的v m e 总线为基础，其速率比p c i 慢的多，价格昂贵 是其另一缺点。 3 3c o m p a c t p c i 总线 随着微处理器技术的发展，在不同时期，人们对计算机总线结 构的要求也有所不同。8 0 9 0 年代，工控计算机系统优选的总线类型 为m u l t i b u s ( i i i ) 总线和v m e 总线，这两种类型总线广泛应用于高 实时性的工业应用领域。随着微处理器技术、超大规模集成电路技 术、计算机网络技术的发展，为提高传统计算机总线结构的i o l 生能， 又推出了具有主从多处理能力的e i s a 总线，其速度与处理器相关。 尽管p c i i s a 相结合母板结构在个人电脑中独领风骚，由此发 展而来的无源底板总线结构被广泛用于工控计算机系统中，但它满 足不了应用系统强壮性和可靠性方面的苛刻要求，混淆了工控计算 机系统和台式电脑实际的区别。工业计算机系统除像台式p c 机一样 需要高速度和高性能以外，还具有台式p c 所不及的特殊要求，如坚 固、可靠、平均维护时间短、模块化及易于扩展等特点。结合p c 总线的电气和软件标准以及欧式卡的工业组装标准的c o m p a c t p c i 总线，使工业控制计算机总线达到了一个新的阶段。c o m p a c t p c i 与 p c i 相同，与处理器无关，适用于任何当今的和将来的微处理器，这 种开放的工控计算机总线标准，具有广泛的发展前景。 c o m p a c t p c i 总线更具有工业应用的特点，具有抗恶劣环境的性 能，是一种真正意义上的工控机，但同时又保留了台式p c i 总线的 电气特性、软件标准等。所以，c o m p a c t p c i 总线结构的工业计算机 必将成为高性能工控机的主流。 c o m p a c t p c i 总线在p c 的基础上做了一些改进”6 】： ( 1 ) c o m p a e t p c i 总线由于采用了欧卡结构，具有更好的机械 特性，这一特点增强了p c i 总线系统在电信或条件恶劣的工业环境 中的可靠性和维护性： ( 2 ) c o m p a c t p c i 可支持更多的插槽，每个c o m p a c t p c i 总线段 最多可支持8 个插槽，而不是标准p c 的4 个； ( 3 ) 热交换规范支持，实现了连接器电源和信号引线对热交换 瑶蘑交通大学 i 突生掌谴论文繁20 茭 规范的支持： 随着焚国、西欧和东南亚众多0 e m 厂商的加入，目前已有数百 种c o m p a c t p c i 产品可供用户使用。随着带电热拔插技术、多处理技 术运题麓逡一步释决，隧藿诗雾戳瓣络技术懿发展，定会雯遗一步 带动c o m p