（农业电气化与自动化专业论文）面向测试系统的虚拟仪器设计与应用研究.pdf

摘要 虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及 图形用户界面显示的软件组成的测控系统。是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。 本文通过对虚拟仪器的国内外发展概况及发展水平进行深入细致的研究，针对目前 在虚拟仪器应用软件开发过程中存在的一些问题和机械工程虚拟测试仪器的发展需 求。设计了一种面向测试系统的虚拟仪器应用软件设计模型，并将其应用到实际工 程测试的虚拟仪器应用软件的设计与开发过程中。具体工作如下： ( 1 ) 将软件工程的设计思想引入到虚拟仪器应用软件的设计中，设计了一种面向 测试系统的虚拟仪器应用软件设计模型，包括针对单个测试仪器的状态机一事件模 型，针对整个测试系统的通告仪器一队列模型； ( 2 ) 在研究瞬态机械阻抗法进行桩基完整性及承载力检测的基本理论和方法的 基础上，采用r a t i o n a lr o s e 环境下的用例图、活动图，设计了基于低应变瞬态机械 阻抗法的桩基检测仪器的系统功能模型及活动构架：应用各个桩基检测应用软件的 状态机一事件模型在l a b v i e w 平台上开发了相应的桩基检测虚拟仪器应用软件： ( 3 ) 采用r a t i o n a lr o s e 环境下的用例图、活动图对应变测试系统的整体功能及 活动构架进行了设计，应用其状态机一事件模型在l a b v i e w 平台上从底层对应变测试 应用软件进行了开发，使得该软件能够对s c x i 一1 5 2 0 应变测试调理模块进行有效管 理和控制，并能够完成常规应变测试任务： ( 4 ) 采用r a t i o n a lr o s e 环境下的用例图设计了虚拟测试实验室的系统功能模 型：根据该功能模型，在l a b v i e w 平台上开发了一个真正的面向用户的零编程虚拟 测试实验室：应用面向测试系统虚拟仪器应用软件设计中的状态机一事件模型开发了 虚拟测试实验室仪器库中的各种成品仪器；应用面向测试系统的虚拟仪器应用软件 设计中的通告一仪器一队列模型实现了虚拟测试实验室中的各种测试系统； ( 5 ) 针对已经记录在磁带记录仪上的标准桩基检测信号，分别用已经设计好的桩 基检测仪器和b & k 2 0 3 4 双通道信号分析仪对其进行了分析和结果比对证明该桩基 检测仪器的检测性能可靠、功能丰富，能够满足桩基检测人员的实际需求：从实际 需求出发，程序的执行性能、程序内存使用以及程序结构方面分别对应变测试仪器 以及虚拟测试实验室进行了软件测试，并在此基础上对其进行了程序优化设计。 关键词：面向测试系统的设计：虚拟仪器；瞬态机械阻抗法：桩基检测；应变测试： 虚拟测试实验室：软件工程 r e s e a r c nt ) r ile s ts y s t e m o r i e n t e dv i r t u a l i n s t r u m e n t d e s i g na n di t sa p p l i c a t i o n a b s tr a c t av l r t u a lt n s t r u m e n tc o n s i s t so f a n i n d u s t r y - s t a n d a r dc o m p u t e r o rw o r k s t a t i o n e q u i p p e dw i t hp o w e r f u la p p li c a t i o ns o f t w a r e ，m o d u l a r i z a t i o nh a r d w a r es u c ha sp l u g i n b o a r d s a n dd r i v e rs o f t w a r e w h i c ht o g e t h e rp e r f o r mt h ef u n c t i o n so ft r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s t h r o u g hd e e p l ys t u d y i n gt h es t a t eo ft h ea r to fv i r t u a li n s t r u m e n ta th o m e a n da b r o a d av i r t u a l - i n s t r u m e n ta p p l i c a t i o nm o d e lo ft e s ts y s t e m o r i e n t e dd e s i g nw a s d e s i g n e da n dp r o p o s e di nt h i sp a p e rf o rt h ee x i s t i n gp r o b l e m sf o u n di nt h ep r o c e s so f d e v e l o p i n gv i r t u a l i n s t r u m e n ta n dt h ed e v e l o p i n gr e q u e s to ft h ec o n n e r si nt h e m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gt e s tf i e l d f u r t h e r m o r e ，t h ep i l et e s ts y s t e m ，s t r a i nt e s ts y s t e m a n dv i r t u a lt e s tl a b o r a t o r yw e r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dr e s p e c t i v e l yb ya p p l y i n gt h e i r o w nd e s i e nm o d e l t h em a i nw o r ki sl i s t e da sf o l l o w s o f i r s t a na p p l i c a t i o nm o d e lo ft e s ts y s t e m o r i e n t e dd e s i g ni n c l u d i n gs t a t e m a c h i n em o d e l f o r s i n g l e i n s t r u m e n td e x ，e l o p m e n ta n dn o t i f i c a t i o n i n s t r u m e n t - q u e u em o d e lf o rt e s t s y s t e md e v e l o p m e n tw a sd e s i g n e da n dp r o p o s e db yi n t r o d u c i n gt h er e l a t e dd e s i g n p r i n c i p l eo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gi n t ot h ea p p l i c a t i o nd e s i g no fv i r t u a li n s t r u m e n t s e c o n d t h eu s ec a s ea n da c t i x 。i t x d i a g r a m so fp i l et e s ts y s t e mb a s e do nl o w - s t r a i ni n s t a n t m e c h a n i c a li m p e d a n c em e t h o dw e r ep r o t r a c t e di nr a t i o n a lr o s et h r o u g hl e a r n i n ga b o u t t h ef u n d a m e n t a lt h e o r xa n da p p l y i n gt h ei n s t a n tm e c h a n i c a li m p e d a n c em e t h o dt ot e s tt h e m t e g r i t 3 a n db e a r i n gc a p a c i d o fp i l ef o u n d a t i o n a tt h es a m et i m e ，e a c ha p p l i c a t i o n s o f t w a r ew a sw r o t ei nl a b v i e wa p p l y i n gi t so w ns t a t e - m a c h i n em o d e l t h i r d t h eu s ec a s ea n da c t i v i t yd i a g r a m so fs t r a i nt e s ts y s t e mw e r ep r o t r a c t e di n r a t i o n a lr o s e4s t a i nt e s ta p p l i c a t i o nw a sd e v e l o p e di nl a b v i e wa c c o r d i n gt oi t so w n s t a t e m a c h i n em o d e lw h i c h1 hc a p a b l eo fm a n a g i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ei n p u tm o d u l eo f s c x i 15 2 0u n i v e r s a l t r a l ng a u g ee f f e c t i v e l y t h ec o n v e n t i o n a ls t r a i nt e s tc a nb ed o n e b y a p p l y i n gt h i ss t r a i nt e s ts 、s t e m f o u r t h t h eu s e 。a s ed i a g r a mo fv i r t u a lt e s tl a b o r a t o r yw a sp r o t r a c t e di nr a t i o n a lr o s e a c c o r d i n g t ( vt h eu s ec a s ed i a g r a m av i r t u a lt e s tl a b o r a t o r yc o m e si n t ob e i n g t h e i n s t r u m e n t si n c l u d e dnt h ev i r t u a lt e s tl a b o r a t o r yw e r ed e v e l o p e di nl a b v i e wb y a p p l y i n gt h e i ro w n t a t e m a c h i n em o d e l si nt e s ts y s t e m o r i e n t e dd e s i g n ，a n dt h et e s t s y s t e m sw e r er e a h z e di nl a b v i e wb ya p p l y i n gt h en o t i f i c a t i o n i n s t r u m e n t q u e u em o d e l i nt e s ts y s t e m o r i e n t e d0 0 s l g n 。 f 1 n a l j y t h ep l l et e s ta n a l y z e ra n db & k 2 0 3 4 a n a l y z e rw e r eu s e dt oa c q u i r ea n da n a l v z e t h en o n n a l s l g n a l“t h ei n t e g r a l p i l eo u t p u t e df r o mt h ec a s s e t t e d a t ar e c o r d e r 。e s p e c t i v e l y v i ac o m p a r i n gt h e i rb o t ht e s tr e s u l t s ，i ti sf o u n dt h a tt h ev i r t u a l p i l et e s t a 1 1 a l y z e rc a nb ec o m p e t e n tt o t e s tt h ei n t e g r i t ya n db e a r i n gc a p a c i t yo fp i l e f o u n d a t 南n w i t hc r e d l b l et e s ip e r f o r m a n c e ，p l e n t i f u la n a l y s i sf u n c t i o na n dh i g h e f f i c i e n c yo nt h es p o t m e a n w h n e ，t h es o r w a r et e s tw a sc a r r i e do u tr e s p e c t i v e l yf r o mt h ep m g r a m ，sp r a c t i c e r e q u e s t ，p r o g r a m s1 m p l e m e n t a t i o np e r f o r m a n c e ，p r o g r a m sm e m o r y u s a g ea n dp r o g r a m s t r u c t u r et ot h es t r a i nt e s ti n s t r u m e n ta n dt h ev i r t u a l t e s tl a b o r a t o r y t h ea p p l i c a t i o n s w e r ef u r t h e ri m p r o v e d k e yw o r d s ：t e s t i m p e d a n c em e t h o d s y s t e m o r i e n t e d d e s i g n ；v i r t u a l p i l et e s t ；s t r a i nt e s t , v i r t u a lt e s t d ir e c t e db y ：p r o f m as h u o s h i n s t r u m e n t ，i n s t a n t m e c h a n i c 口， l a b o r a t o r y ；s o f t m 7 a r ee n g i n e e r i n g a p p ljc a n tf o rd o c t 。，d e g r e e ：o u i h o n g m ei ( a g r i cl l l t u r a 】e l e c t r i 矗c a t i 。na n da u t 。m a t i 。n ) ( c 。i i e g e 。fm e c h a 慨ia n de i e c t r j c a 】e n g i n e e 她i n n e rm 。n 9 0 1 j aa 出u l f u r a 】u n 附s 峨h o h h 。t 0 1 0 0 18 。c h 1 图1 2 图2 3 图3 4 图4 5 图5 6 图6 7 剧7 8 图8 9 图9 1 0 图1 0 1 1 图1 1 1 2 图1 2 1 3 图1 3 1 4 图1 4 1 5 图1 5 1 6 图1 6 1 7 图1 7 1 8 图1 8 1 9 图1 9 2 0 图2 0 2 1 图2 1 2 2 图2 2 2 3 图2 3 2 4 图2 4 2 5 图2 5 2 6 图2 6 2 7 图2 7 2 8 ，圈2 8 2 9 图2 9 3 0 图3 0 3 1 图3 1 3 2 图3 2 3 3 图3 3 插图与附表清单 虚拟仪器的构成框图 自顶向下的设计和白底向上的设计】7 u i i l 可视化建模1 8 常规测试系统框图及其某一测试仪器系统功能图。1 9 纯数据流模型2 l 状态机一事件模型 队列示意图 测试系统的设计模型2 4 阻尼器的机械阻抗2 8 弹簧的机械阻抗2 8 质量的机械阻抗2 9 阻抗元件并联系统3 0 阻抗元件串联系统3 0 戴维南等效电路3 2 诺顿等效电路。3 2 等效变换原理。3 2 s d o f 并联系统及其机械网络图3 4 无阻尼约束系统速度阻抗及导纳伯德图3 5 阻尼约束系统速度阻抗及导纳伯德图3 6 s d o f 串联系统：3 6 无阻尼自由系统速度导纳伯德图3 7 有阻尼自由系统速度阻抗及导纳伯德图3 8 具有复剐度的自由系统3 s 具有复刚度的系统速度导纳及阻抗伯德图3 9 u d o f 约束系统激振点位移导纳伯德图4 1 岫0 f 自由系统激振点位移导纳伯德图4 2 杆的纵向振动4 2 基桩平动响应导纳曲线4 5 简化模型4 6 位移阻抗和位移导纳幅频图和相频图 位移导纳的实频图和虚频图。 速度导纳幅频图和相频图 桩端土刚度对速度导纳曲线的影响 4 7 4 8 5 0 3 4 1 1 | 3 4 3 5 1 竺i3 5 3 6 图3 6 3 7 图3 7 3 8 图3 8 3 9 图3 9 4 0 图4 0 4 l ，幽4 1 4 2 幽4 2 4 3 图4 3 “幽4 4 4 5 倒4 5 4 6 幽4 8 4 7 | i | 4 7 4 8 幽4 8 4 9 幽4 9 5 0 图5 0 5 1 图5 1 5 2 | f l5 2 5 3 器5 3 5 4 图5 4 5 5 图5 5 5 6 图5 6 5 7 匿5 7 5 s 图5 8 5 9 表1 6 0 表2 6 1 表3 典型导纳曲线 传统桩基检测系统， b & k 2 0 3 4 基本工作流程 桩基完整性及承载力检测仪系统功能幽 虚拟仪器桩基检测系统 5 0 5 2 桩基检测软件的状态机一事件模型。 桩基检测仪设计活动圈。 桩基完整性及承载力检测仪操作面板6 1 桩基数据同调分析仪系统功能图6 3 桩基同调分析软锕：的状态机一事件模型6 4 桩基检测数据回调分析仪活动图 桩基检测数据同调分析仪器面板 磋带记录仗数据采集分析软件的状态机一事件模型 桩基一磁带记录仪数据采集分析仪活动图7 l 桩基一磁带记录仪数据采集分析仪操作面板7 3 虚拟仪器应变测试系统7 5 鹿变洲试系统功能图7 6 麻变测试应用软件的状态机一事件模型7 7 应变测试系统活动l 星i 。7 8 应变测试仪器操作面板 虚拟测试实验室系统整体及局部功能图8 4 虚拟测试实验室系统工作流程 虚拟测试实验室菜一测试系统特例8 6 通告一仪器一队列模型特例s 7 虚拟；9 1 【i 试实验室及振动测试系统 三种元件阻抗、导纳表 桩基检测仪与b & k2 0 3 4 计算结果比较 b & k2 0 3 4 与磁带记录仪采集分析仪计算结果比较 7 3 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢眄 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得我校或其他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 论文作者签名： 垒扛整日期：麴i ：6 ：f 6 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，印：研 究生在攻读学位期闻论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业高校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的舅印侔和电 - 子文档，允许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( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文 论文作者签名： 盔垫整 指导教师签名：娩互 日 期：出翌：! 内蒙古农业大学博士学位论文 i 1 引言 虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及 图形用户界面显示的软件组成的测控系统，是一种由计算机操纵的模块化仪器系统 “1 。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬件基础。高性能处理器、 高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。而基于计算机总线和 模块化仪器总线的各种溅控功能硬件已经非常成熟。，专用软件开发平台在信号处理 与分析算法方面也已成为事实上的标准，而且为用户提供了许多现成的控件，目的 是使用户可根据自己的实际需求象搭积木一样快速构建一个虚拟仪器应用软件，进 而完成实际测试任务。然而，殷测试者关心的重点是测试本身，而不是如何设计 虚拟仪器。而虚拟仪器应用软件系统的总体组织和全局控制、通信协议，同步、数 据存取、给设计元素分配特定功能，设计元素的组织，规模和性能，在各设计方案 间进行选择等都属于软件工程领域中需要研究的内容。因此用象l a b v i e w 这些专 用的软件开发平台来开发虚拟仪器应用软件，不光需要用户具有丰富的专业背景知 识，能熟练掌握- - t 3 软件编程语言，而且还需要系统学习软件工程方面的一些知识。 这对于没有编程经验的测试人员来说无疑是一大难题，从而使虚拟仪器的应用受到 限制。能否设计或给出一种方法或一个模型，使得用户在不用学习软件工程方面的 知识的情况下，只要按照这个模型设计开发软件就可以实现软件工程中的主要设计 原则成为目前亟待解决的一个实际问题。 1 1 虚拟仪器系统构成 虚拟仪器由硬件系统和软件系统两部分组成，其中硬件系统一般分为计算机硬 件平台和测控功能硬件 软件系统从底层到顶层，包括三部分：v i s a 库、仪器驱动 程序和应用软件，见图l 。 1 1 1 虚拟仪器的硬件系统 ( 1 ) 计算机硬件平台 计算机硬件平台可以是各种类型的计算机，如普通台式计算机、便携式计算机、 工作站、嵌入式计算机等。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源，是虚拟仪器的硬 件支撑。 ( 2 ) 测控功能硬件 主要完成被测输入信号的采集、放大、模数转换，如：利用p c i 计算机总线的数 据采集卡( d a q ) 、g p i b 总线仪器、v x l 总线仪器模块、串口总线仪器等。 i 1 2 虚拟仪器的软件系统 2 面向测试系统的虚拟仪器设计与应用研究 ( 1 ) i o 接口软件 i 0 接口是系统正常工作不可或缺的重要一环，主要实现以下三方面的功能： 1 ) 速度的匹配：2 ) 信息格式的变换，包括串并转换，a d 、d a 转换，电平转换等； 3 ) 提供主机和外设间数据所必需的状态和控制信息。在虚拟仪器系统中，硬件接口 软件驱动化，已经经历了v i s a 和i v l 两种规范。 计 算 机 田1 虚拟仪器的构成框图 f i f , 1b l o c k d i a g r a mo f v i r m a ii n 女m m t 测 控 功 能 硬 件 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ns o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 虚拟仪器软件体系结 构 v i s a 体系结构是标准的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，驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能，是计算机与仪器之 间的软件层连接，用于编写仪器的驱动程序，完成计算机与仪器间的命令和数据传 输，以实现对仪器的程控。无论是使用p x i ，v x i ，g p i b ，l a n 还是l x i 总线，v i s a 都提供了标准的函数库和仪器进行通讯，同时从软件上保证了总线之间的互换性。 i v i ( i n t e r c h a n g p 扑1 ev i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ) 作为仪器驱动的另一种标准，i v i 标准定义了通用仪器的互换性，对于一些指 内蒙古农业大学博士学位论文3 定的仪器类，如示波器，信号源等，用户可以随意的将现在使用的仪器换成一台其 它生产厂家、甚至是其它总线的另一台同类的仪器，而不需要修改任何的软件测试 代码。 ( 2 ) 仪器驱动程序 驱动程序( d r i v e r ) 是一种将硬件与操作系统相互连接的软件。通常仪器厂商会 以源码的形式提供给用户。 ( 3 ) 仪器开发软件 仪器开发软件是设计虚拟仪器所必须的| 软件工具。目前，存在两类虚拟仪器开 发软件：一类是通用开发软件，如v c + + ，v b 等，另一类是专用开发软件，专门面向 用户的编程软件，如l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 、a g i l e n t v e e 、重庆大学开发的v m i d s 、 北京东方振动噪声研究所- 丌发的d a s p 软件、n i 的d a s y i a b 等。 ( 4 ) 应用软件 应用软件建立在仪器驱动程序之上，直接面对操作用户，通过直观友好的测控 操作界面、丰富的数据分析与处理功能等，完成自动测试任务。 1 2 国内外研究现状 目前，虚拟仪器主要从标准总线、虚拟仪器网络化以及专用软件平台三个分支 发展。 1 2 1 虚拟仪器沿总线技术的发展 虚拟仪器沿总线技术的发展过程有两条“3 ： g p i b 寸v x i 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 年推出，v x i 于1 9 8 7 年推出，p x i 于1 9 9 7 年推出。 p c 插卡式斗并口式斗u s b d 斗i e e e l 3 9 4 _ e s a t a ( 适合于普及型的廉价系 统) 。 p c 插卡式于8 0 年代初推出，并口式于1 9 9 5 年推出，串行口u s b 方式于1 9 9 9 年推出，i e e e l 3 9 4 总线虽然于1 9 8 4 年就推出，但是一直没有用于虚拟仪器的研发， 直到近几年网络化虚拟仪器的兴起才促使i e e e l 3 9 4 总线技术应用到虚拟仪器的研 发过程中。e s a t a 接口于2 0 0 6 年推出，因其拥有极大的传输速度优势，将替代u s b 与i e e e l 3 9 4 成为未来虚拟仪器串口通信方式的主流。 1 ) g p i b ”1 ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线 g p i b 通用接口总线，是计算机和仪器间的标准通讯协议。g p i b 的硬件规格和软 件协议已纳入国际工业标准一i e e e 4 8 8 1 和i e e e 4 8 8 2 ，它是最早的仪器总线。g p i b 设备分为听者( l i s t e n e r s ) 、说者( t a l k e r s ) 和控制器( c o n t r o l l e r s ) 。说者负责发出 消息( 数据或命令) ，听者负责接收消息( 数据或命令) ，控制器( 通常是一台计算机) 4 面向测试系统的虚拟仪器设计与应用研究 负责管理总线上的消息，并指定通讯连接和发送g p i b 命令到指定的设备。有些g p i b 设备在不同的时候可以扮演不同角色，有时充当说者，有时充当听者，有时又作为 控制器。g p i b 接口的优点在于通过一个接口可以将多个g p i b 设备连接在一起，同 时完成多种不同物理量的测量。典型的g p i b 测试系统包括一台计算机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器。每台g p i b 仪器有单独的地址，由计算机控制操作。系 统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应改动。这种概 念已被应用于仪器的内部设计。在价格上，g p i b 仪器覆盖了从比较便宜的到异常昂 贵的仪器。但是g p i b 的数据传输速度一般低于5 0 0 k b s j 不适合于对系统速度要求 较高的应用。 2 ) v x i “( e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线系统 v x i 即v m e 总线在仪器领域的扩展，是1 9 8 7 年在v m e 总线、e u r o c a r d 标准( 机 械结构标准) 和i e e e 4 8 8 等的基础上，由主要仪器制造商共同制订的开放性仪器总 线标准。v x i 系统最多可包含2 5 6 个装置，主要由主机箱、“0 槽”控制器、具有多 种功能的模块仪器和驱动软件、系统应用软件等组成。系统中各功能模块可随意更 换，即插即用组成新系统。目前，国际上有两个v x i 总线组织。个是v x l 联盟， 负责制定v x i 的硬件( 仪器级) 标准规范，包括机箱背板总线、电源分布、冷却系 统、零槽模块、仪器模块的电气特性、机械特性、电磁兼容性以及系统资源管理和 通讯规程等内容：另一个是v x i 总线即插即用( v x lp l u g & p l a y 。简称v p p ) 系统联盟， 宗旨是通过制订系列v x i 的软件( 系统级) 标准来提供一个开放性的系统结构。 真正实现v x i 总线产品的“即插即用”。这两套标准组成了v x i 标准体系，实现了 v x i 的模块化、系列化、通用化以及v x i 仪器的互换性和互操作性。v x i 总线从1 9 8 7 年诞生至今虽然历史不长，但v x i 总线产品从无到有、从小到大，已形成规模生产， 特别是从9 0 年代开始，v x i 总线的产品发展呈指数上丹趋势。v x i 总线模板本身不 带电源，没有面板，按键，旋钮和显示器，电参数的设定及测量结果显示必须通过， 软件面板来实现，是很好的虚拟仪器系统平台，将v x i 总线这项技术与计算机网络 技术相结合，利用现有的互联网资源，可实现交互式网页基础上组建远程通信及测 试网络。v x l 总线的系统结构为虚拟仪器开发提供了更为理想的环境。基于v x i 总 线虚拟仪器测试系统将会成为二十一世纪程控测试系统的主流。目前由于价格昂贵， 它主要应用在尖端测试领域，据数据资料表明，v x i 系统用户7 2 来源于通讯业和军 工业。 3 ) p x i ”( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线系统 p x i 是p c i 在仪器领域的扩展，是n i 公司于1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、 模块化仪器总线规范。其核心是c o m p a c t p c i 结构和m i c r o s o f tw i n d o w s 软件。p x i 是在p c i 内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。p x i 增加了用于多板同 步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高 内蒙古农业大学博士学位论文 5 速通信的局部总线等，来满足试验和测量用户的要求。p x i 兼容c o m p a c t p c i 机械规 范，并增加了主动冷却、环境测试( 温度、湿度、振动和冲击试验) 等要求。这样， 可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。同时p h 于p x i 总线对机箱内都器 件工作环境做了严格的规定以及p x i 系统拥有比台式机设计更多的扩展槽，致使p x i 系统可以在恶劣工作环境下正常工作，从两可以适应各种各样更加复杂的测试领域。 由于p x i 总线是p c i 总线基础上借鉴v x i 总线的仪器特性组合而成，p x i 系统在价 格上和性能上介于p c i 系统和v x i 系统之间。 4 ) 基于p c 。“”的总线系统 基于p c 总线系统的虚拟仪器具有资源广泛、性价比高，性能和标准随p c 机的 发展不断提高等优点，因而发展迅猛，得到广泛应用。下面介绍几种常见的基于p c 的总线。 工业标准结构总线i s a ( i n d u s t r i a ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 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 m h z ，数据 传输率为1 m b s ( 8 位) 或2 m b s ( 1 6 位) 。i s a 总线虽未被标准化组织正式定为标准， 但因应用广泛已成为事实上的标准，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 o 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，不适应工业现场工作等，在速度上也成为系统的瓶颈，已逐渐被 p c i 、c o m p a c t p c i 总线所取代。 e i s a 总线( e x t e n d e di n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 是在i s a l 6 位总线 基础上发展的3 2 位总线，包含1 6 位的i s a 总线，而1 6 位的i s a 总线又包含了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，新扩展了e 、f 、g 、h 面的引脚从9 0 个达到1 8 8 个，并且新扩展的引脚夹在原 9 8 个引脚中间，使原来的p c a t 的i s a 总线和x t 总线保持向下的兼容性，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 ( 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 ) 局部总线规范，它是在传统总线 结构的基础上增加了局部总线用于提升计算机的总体性能。于9 0 年代初提出，它为 系统提供了一个高速的数据传输通道，系统的各设备可以直接或间接地连接其上， 各没备问通过局部总线可以完成数据的快速传递，从而很好地解决了传统总线结构 数据传输的瓶颈问题。总线针对整个系统，以3 3 m h z 的时钟频率工作，带宽为3 2 b i t ， p c i 最高数据传输率可达1 3 2 m b 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( 1 0 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 6 面向测试系统的虚拟仪器设计与应用研究 结构；采用多路复用技术等，更受到了众多厂家的支持，成为市场的主流。它从 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。 c o m p a c t p c i 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_ ， 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 热等优点，更适合于工业测控的应用。其数据宽度同p c i ，最商传输速率可达 5 2 8 m b s 。 5 ) 标准并口 标准并口是采用2 5 线的并行通讯总线，是计算机与打印机或绘图仪等外设的连 接总线，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，通常 采用每两条数据线之间夹一条地线的方式，既可以较好地克服数据阃的干扰，又可 以定义一些用于打印设备的接口命令。 6 ) 串行口系列 r s - 2 3 2 c ( r e c o m m e 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 m 。适当降低速率，其最大传输距离可达 6 0 m 。一对一的传输方式仅用于简单或低速的系统，有一定的实用价值。 r s - 4 2 2 a 串行接口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、传输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 m ，可连接3 2 个收发器。如果适当降低传输率，还可增加其通讯距离。 r s - 4 8 5 是一种典型的串行接口。支持一点对多点的通信，采用多绞线连接，可 连接3 2 个收发器，其它特性与r s - 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。 7 ) u s b ( g n i v e r s a ls e r i a lb u s ) u s b 接口是由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 n u 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i o 接口的新标准。它有 1 5 m b s 低速、1 2 m b s 全速和4 8 0 m b s 高速三种传送方式，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 。u s b 通过一根四线电缆来传输信号与电源，其总线接口是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 用不带屏蔽的双绞线，但最长不能超过3 l l l 。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。 内蒙古农业大学博士学位论文 7 8 ) i e e e l 3 9 4 f 7 】【”串行总线 i e e e l 3 9 4 是一种与平台无关的串行通信协议。1 9 8 7 年a p p l e 发布了第一个完整 规格，该标准稍后在1 9 9 5 年被i e e e 采纳，缩改为i e e e l 3 9 4 。随后，1 9 9 5 年的 i e e e l 3 9 4 2 1 9 9 5 成为第一个i e e e l 3 9 4 标准的正式版本，其数据传输率分别为 s i n l o o 2 0 0 4 0 0 p ( 即s 1 0 0 s 2 0 0 s 4 0 0 ) ，随后的i e e e p l 3 9