（机械电子工程专业论文）网络化虚拟仪器核心技术及其典型案例的研究.pdf

中文摘要 摘要 虚拟仪器技术引发了测控界的一场革命。虚拟仪器以其性价比、开放性等优 势，在测控领域得到广泛而成功的应用。正如计算机技术的发展改变了测试的方式， 网络技术正在革新测试技术的基础架构。随着网络技术的爆炸式发展，网络技术 已渗透到各行各业，成为人们工作、学习、生活以及娱乐不可或缺的工具和得力 助手。具体到测试仪器行业，电子商务仪器流、网上教学实验、远程数据采集与 控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调用、远程设备故障诊断、远程测试、 测试w e b 服务等新兴技术和产业方兴未艾，成为虚拟仪器市场新的亮点。网络化 虚拟仪器是2 l 世纪虚拟仪器发展的重要方向，具有极大的市场潜力和应用前景。 对网络化虚拟仪器技术的研究和相关产品的开发具有深远的理论价值和现实意 义。本文详细地阐述了作者在以下几方面的创新性研究工作。 1 ) 对虚拟仪器特别是网络化虚拟仪器相关的前言技术进行了密切跟踪，掌握 了该领域的最新动态和一些相关技术。如：虚拟仪器总线体系结构，虚拟仪器 v i s a 、i v i 国际标准等。对m i c r o s o f t n e t 相关技术进行了深入研究和体验，掌握 了n e t 技术的核心和精髓。如n e t 组件开发技术，n e tr e m o t i n g 远程处理技术， x m lw e bs e r v i c e 网络服务技术等。通过对n e t 技术的深入研究，确定使用n e t 相关技术作为研究网络化虚拟仪器的利器工具。 2 ) 提出了网络化虚拟仪器的概念、核心技术以及解决方案，建立了网络化虚 拟仪器的技术体系，对涉及的分布式数据获取、分布式数据存储、网络化数据发 布、网络化数据共享、分布式处理等技术提出了理论见解和技术方案。提出基于 网络多播、n e tr e m o t i n g 、w e b 服务等前沿网络技术的网络化虚拟仪器开发模式 和应用方案。 3 ) 提出了将软件工程技术应用到虚拟仪器开发的方法和途径。如：虚拟仪器 软件开发过程管理、虚拟仪器u m l 建模、网络化虚拟仪器分布式开发模型、网络 化虚拟仪器智能客户方案等。 4 ) 自主开发了基于v i s u a ls t u d i o n e t 平台的网络化虚拟仪器开发工具包。利 用组件开发方式，开发了虚拟仪器数据获取组件、虚拟仪器数据分析组件、虚拟 仪器数据呈现组件、虚拟仪器网络组件等，并与v i s u a ls t u d i o n e t 平台无缝集成。 网络化虚拟仪器开发工具包是我们关于网络化虚拟仪器的研究成果体现，对于进 一步研究开发网络化虚拟仪器产品具有重要意义。 5 ) 将网络化虚拟仪器技术应用到网络化虚拟仪器实验室、网络化测控系统、 网络化虚拟仪器流等项目的研究和开发。 重庆大学博士学位论文 本文的工作是在收集大量的国内外最新资料，结合我们多年来的研究成果的基 础上，进一步对虚拟仪器及其网络化技术的深入研究。该项研究工作是本着实事 求是的态度，敢于创新的精神进行和开展的。该项研究工作的成果对于我们今后 的理论研究和开发实践具有承上启下的作用，研究问题的方法无疑具有借鉴和探 讨价值。 关键词：网络化虚拟仪器，m i c r o s o f t n e t ，虚拟仪器开发工具包，网络化测控 虚拟仪器流 i i 英文摘要 a b s t r a c t t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u eh a sm a d eat e c h n i c a ir e v o l u t i o ni nm e a s u n n ga n d c o n t r 0 1 w i t ht h ea d v a n t a g e so fh i g hp e r f o r m a n c e c o s tr a t i oa n de x p a n s i b i l i t y , v i r t u a l i n s t r u m e n ti ss u c c e s s f u li nw i d eu s eo fm e a s u r i n g j u s ta sa d v a n c e m e n t si np c t e c h n o l o g i e s t r a n s f o r m e dt h e w a y w ea u t o m a t e m e a s u r e m e n t s ，n e t w o r k s a r e r e v o l u t i o n i z i n gt h ef u n d a m e n t a la r c h i t e c t u r eo f p c b a s e dm e a s u r e m e n ts o l u t i o n s w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to f n e t w o r k ，n e t w o r kt e c h n i q u eh a sb e e na p p l i e dt oe v e r yw a l ko f l i f ea n db e c o m et h ea s s i s t a n tf o rw o r k ，s t u d y , l i v i n ga n de n t e r t a i n m e n t a sf o r m e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，n e wt e c h n i q u ea n di n d u s t r y o fe l e c t r o nb u s i n e s si n s t r u m e n t s t r e a m ，r e m o t et e a c h i n g ，r e m o t ed a t ac o l l e c t i o na n dc o n t r o l ，t o pi n s t r m n e n tr e m o t e r e a l t i m et r a n s f e r , r e m o t ef a u l td i a g n o s e ，r e m o t em e a s u r e m e n t ，m e a s u r ew e bs e r v i c ea n d e t ca r ei nt h ea s c e n d a n t ，a n db r i g h tt h em a r k e tf o rv i r t u a li n s t r u m e n t n e t w o r k e dv i r t u a l i n s t r u m e n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n c ed i r e c t i o ni nt h e d e v e l o p m e n to fv i r t u a l i n s t r u m e n t ，h a v e m a r k e t p o t e n t i a l a n d a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i t i sv a l u a b l ea n d s i g n i f i c a n c ef o rs t u d y i n gn e t w o r k e dv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n i q u ea n df o rd e v e l o p i n g v i r t u a li n s t r u m e n tp r o d u c t s n e s t u d y f o rt h i sa r es h o w e di nd e t a i la sf o l l o w s ： 1 ) w i t l lt h e t e c h n o l o g y o fv i r t u a li n s t r u m e n t e s p e c i a l l y n e t w o r k e dv i m a a l i n s t r u m e n ti sn e a r l yt r a c k e d ，w em a s t e rt h en e w t r e a d s ，s u c ha sv i r t u a li n s t r u m e n tb u s a r c h i t e c t u r e ，v i r t u a li n s t r u m e n tv i s a ，i v ii n t e r n a t i o u a ls t a n d a r d w i t hm i c r o s o f t ，n e t t e c h n i q u ea r ed e e p l ys t u d i e da n de x p e r i e n c e d , w em a s t e rt h ec o r eo f n e t , s u c h a s n e tc o m p o n e n t ，n e tr e m o t i n g ，x m lw 曲s e r v i c ea n de t c t h e n e tc o r r e l a t i v e t e c h n i q u e sa r ea p p l i e d t os t u d yn e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n t 2 ) n l e c o n c e p t c o r et e c h n i q u ea n ds o l u t i o no fn e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n ta r e p u tf o r w a r d ，a n dt h et e c h n i q u es y s t e mf o ri ti sb u i l t ，a n dt h et h e o r ya n ds o l u t i o nf o r d i s t r i b u t e dd a t aa c c e s sa n ds t o r a g e ，d a t ap u b l i c a t i o n ，d a t as h a r e ，d i s t r i b u t e de x e c u t i o n a n de t ca r e p u t f o r w a r d t h ep a t t e ma n d a p p l i c a t i o n s o l u t i o nb a s e do nn e t w o r k m u l t i c a s t ，n e tr e m o t i n ga n dw e bs e r v i c ef o r d e v e l o p i n g n e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n t a r ea l s ob r i n gf o r w a r d 3 ) n e w a y st oa p p l ys o f t e n g i n e e r i n g f o r 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 r e d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gd e v e l o p m e n tm a n a g e m e n t ，u m lm o d e l i n g ，d i s t r i b u t e d d e v e l o p p a t t e r na n ds m a r tc l i e n ts o l u t i o na n de t co f v i r t u a li n s t r u m e n t 4 ) n l ed e v e l o p i n gt o o l k i to fv i r t u a l i n s t r u m e n tb a s e do nv s n e tc o n s i s t so f 重庆大学博士学位论文 v i r t u a li n s t r u m e n t d r i v i n gl i b r a r y , v i r t u a li n s t r u m e n tc o n t r o l l i n gp a n e ll i b r a r ya n d v i r t u a l i n s t r u m e n tf u n c t i o nl i b r a r yw h i c ha r es e a m l e s si n t e g r a t e dw i t hv s n e t b yp l u g - i n 1 1 1 e v i r t u a li n s t r u m e n td e v e l o pt o o l k i ti so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tr e s e a r c hp r o d u c t i o n i ti s s i g n i f i c a n c ef o rd e v e l o p i n gm o r ea n dm o r e n e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n t s 5 ) 1 1 1 en e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u ei s a p p l i e dt od e v e l o pl a b o r a t o r y b a s e do nn e t w o r k e dv i r t u a l i n s t r u m e n t ，n e t w o r k e dm e a s u r ea n dc o n t r o l ，n e t w o r k e d v i r t u a li n s t r u m e n ts t r e a ma n de t c o nt h eb a s i so f c o l l e c t i n gp l e n t i f u li n f o r m a t i o nu pt ot h em i n u t ei n s i d ea n do u t s i d e o f c h i n a , c o m b i n i n gt h er e s e a r c hp r o d u c t i o n so b t a i n e dd u r i n gs e v e r a ly e a r s ，t h ev i r t u a l i n s t r u m e n ta n dc o r r e l a t i v en e t w o r k e dt e c h n i q u ea r ed e e p l ys t u d i e d a l lt h es t u d i e sa r e p r a c t i c a la n dr e a l i s t i c a n df u l lo f i n n o v a t i o n t h er e s e a r c hp r o d u c t i o n sa r eb e n e f i c i a lf o r t h e o r ys t u d ya n dd e v e l o p m e n tp r a c t i c ei n t h en e a r l yf u t u r e t h er e s e a r c hm e t h o di s v a 】u a b 】eo fd i s c b s s i o na n dr e f e r e n c e k e y w o r d s ：n e t w o r k e dv i r t u a li n s t r u m e n t ，m i c r o s o f t n e t ， v i m a a li n s t r u m e n td e v e l o p m e n tt o o l k i t ，n e t w o r k e dm e a s u r ea n dc o n t r o l v i r t u a li n s t r u m e n ts t r e a m i v 1 绪论 1 绪论 1 1 论文所属项目的来源 本项目是国家自然科学基金重点资助项目( 面向机械测试的控件化虚拟仪器 的研究) 的子项目，重庆市科学技术项目( 仪器流技术一虚拟仪器产品网络化的 研究与开发) 和重庆市信息产业项目一( 网络化软件仪器产业化) 。 1 2 研究目的及意义 2 0 世纪8 0 年代中期出现虚拟仪器的概念以后，这一技术引发了测控界的一场 革命。虚拟仪器由于其性价比、开放性等优势迅速地占领了市场，成为测控仪器 新的经济增长点，而推动虚拟仪器飞速发展的动力即是最具活力的软件技术。随 着网络技术的爆炸式发展，网络技术已渗透到各行各业，成为人们工作、学习、 生活以及娱乐不可或缺的工具和得力助手。具体到测试仪器行业，电子商务仪器 流、网上教学实验、远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调 用、远程设备故障诊断、远程测试、测试w e b 服务等新兴技术和产业方兴未艾， 成为虚拟仪器市场新的亮点。网络化虚拟仪器是2 1 世纪虚拟仪器发展的重要方向， 具有极大的市场潜力和应用前景。 1 3 国内外现状综述。1 圳 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便 使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统， 并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是n i 公司的l a bv i e w 软件和l a b w i n d o w s c v i 开发软件。l a b v i e w 采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。 l a bw _ i n d o w s c v i 是为熟悉c 语言的开发人员准备的、在w m d o w s 环境下的标准 a n s i c 开发环境。美国h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件，美国t e k t r o n i x 公司的e z - - t e s t 和- r e k t n s 软件，以及美国h e md a t a 公司的s n a p - - m a s t e r 平 台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。各家公司对虚拟仪器网 络化的理念和解决方案大多体现在相应的产品中，以下对n i 公司和a g i l e n t 公司 及其产品作概述。 美国国家仪器公司( n i ，n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 首先于2 0 世纪8 0 年代，提出了 虚拟仪器( v i ，v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的概念。在虚拟仪器网络化技术方面，n i 公 司从软硬件两方面都提供了产品。在l a b v i e w 和l a b w i n d o w s 中均提供了网络开 发工具，如l a b v i e wi n t e m e td e v e l o p e r st o o l k i t l a b w m d o w si m s r n e td e v e l o p e r s 重庆大学博士学位论文 t o o l k i t 等。利用它们可以较容易的实现各种网络通信功能，如：发送包含测控信 息的电子邮件，将文件或数据传送到f t p 服务器，利用浏览器浏览虚拟仪器，编 写c g i 程序实现服务器端操作等。这些开发工具包功能强大，能实现大部分的网 络功能，当然它们也要求开发者具有较丰富的计算机网络知识和深厚的计算机网 络开发功底。为了降低开发难度，n i 公司在l a b v i e w6 1 中提供了n il a b v i e w r e m o t ep a n e l s 技术，它可以通过简单的配置利用i e 控制l a b v i e wv i s 。当然远程 面板技术也存在着速度慢，客户端连接能力有限等缺陷。 安捷伦公司( a g i l e n tt e c t m o l o 百e s ) 是为通信、电子、生命科学和化学分析领 域的广大客户提供尖端技术、解决方案和服务的技术领导者。a g n e n t v e e 是其推 出的具有代表性的虚拟仪器开发平台其中提供了大量的网络开发工具，如 t c p i p 、a c t i v c x 功能等。由于安捷伦公司的强项在于成套的自动化测试仪器，因 此，它们的网络功能侧重于测试仪器设备的远程调用。 国内虚拟仪器起步于九十年代中期，至今已有多家科研院所、高校及公司从事 虚拟仪器技术的研究与产品的开发。在秦树入教授的领导下，重庆大学的虚拟仪 器研究和开发取得了一系列成绩，提出了嘘拟仪器框架协议”，“智能虚拟仪器控 件”理论，开发了几十种q l v 系列虚拟仪器产品。目前，我们进行的网络化虚拟仪 器研究是整个研究工作的延续和升华。 1 4 本文研究的内容、方法和创新 1 4 1 本文研究的主要内容 在对网络化虚拟仪器进行深入地调研后，本文首先研究了网络化虚拟仪器的若 干核心技术，对开发网络化虚拟仪器提出了有益的见解，再此基础上，研发了网 络化虚拟仪器开发工具包，最后对网络化虚拟仪器实验室、远程监测、仪器流等 具体的网络化虚拟仪器项目进行了案例分析和研究。论文主要内容如下： 1 ) 介绍虚拟仪器概念、n e t 技术、网络基础知识。 2 ) 研究网络化虚拟仪器的分布式数据获取、分布式数据存取、网络化数据发 布、远程控制、分布式处理等技术。 3 ) 研究网络化虚拟仪器系统中的软件工程技术，如：总体设计规划及开发模 式等技术。 4 ) 研发网络化虚拟仪器开发工具包的数据获取组件模块、数据分析组件模 块、数据呈现组件模块、数据传输组件模块，并将其与v i s u a ls t u d i o n e t 无缝集成。 5 ) 对网络化虚拟仪器实验室、远程监测、仪器流等网络化虚拟仪器项目进行 案例研究。 2 1 绪论 6 ) 总结全文，展望进一步的研究工作。 1 4 2 本文研究的主要方法 本文的研究工作遵循科学研究的方法。在唯物辩证法的指导下，借鉴自然科学 的一般研究方法，利用业界的成功经验展开研究和研发工作。本文的研究工作涉 及到大量的软件开发过程，考虑到虚拟仪器主要运行在w i n d o w s 平台下，因此， 本文的软件开发过程遵循微软解决方案框架结构( m s z ) ，并利用u m l 语言进行建 模。 1 4 2 本文的主要创新 本文主要在以下方面进行了创新性研究： 1 ) 提出了网络化虚拟仪器的概念，建立了网络化虚拟仪器的核心技术体系。 对涉及到的分布式数据获取、分布式数据存储、网络化数据发布、网络化数据共 享、分布式处理等提出了理论见解和技术解决方案。 2 ) 提出了基于网络多播、n e tr e m o t i n g 、w e b 服务等前沿技术的网络化虚 拟仪器开发模式和应用方案。这些新的技术方案不仅极大地提高了开发效率，而 且增强了网络化虚拟仪器的稳健性、伸缩性和扩展性。 3 ) 提出了将软件工程技术应用到虚拟仪器开发的方法和途径。涉及至虚拟仪 器软件开发过程管理、虚拟仪器u m l 建模、网络化虚拟仪器分布式开发模型、网 络化虚拟仪器智能客户方案等。 4 ) 自主开发了基于v i s u a ls t u d i o n e t 平台的网络化虚拟仪器开发工具包。利 用组件开发方式，开发了虚拟仪器数据获取组件、虚拟仪器数据分析组件、虚拟 仪器数据呈现组件、虚拟仪器网络组件等，并与v i s u a ls t u d i o n e t 平台无缝集成。 5 ) 提出了网络化虚拟仪器流的概念，建立了网络化虚拟仪器流的运作平台。 仪器流技术是一种基于网络传输和管理的仪器信息技术。涉及到仪器流载体、网 络仪器库研制、网络仪器加密技术、仪器技术支持、营销与电子商务等关键技术。 它的实现与普及不仅具有很大的科学意义和应用价值，而且蕴含着极大的经济效 益。 2 相关基础技术介绍 2 相关基础技术介绍 2 1 引言 本论文的研究工作涉及多方面知识和技术，如虚拟仪器技术、m i c r o s o f t n e t 、 网络基础技术等。这些知识和技术是既是开展研究工作的基础，也是有力的工具。 虚拟仪器是计算机技术与仪器技术相结合的产物。虚拟仪器的出现，引发了仪器 领域的一场革命。目前虚拟仪器技术方新未艾，虚拟仪器的应用范围涉及到各行 各业。m i c r o s o f t n e t 是微软公司推出的基于网络的一整套解决方案。n e t 平台将 改变人们开发、应用网络资源的方式和方法，特别是其中的x m lw e b 服务、 a s e n e t 等技术引起了极大地关注。n e t 中的网络开发技术极大的简化了基于网 络的应用程序的开发，使网络程序运行更稳定、更安全、更稳健、更具扩展性和 伸缩性。 2 2 虚拟仪器概述1 , 2 , 1 7 2 2 1 虚拟仪器概念 虚拟仪器是将现有的计算机主流技术与革新的灵活易用的软以及高性能模块 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 图2 1 虚拟仪器体系结构 f i g2 ia r c h i t e c t u r eo f v i r t u a li n s t r u m e n t 重庆火学博士学位论文 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 2 2 虚拟仪器总线标准【1 踟”j 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g p i b 接口，也就是i e e e4 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，以较紧实的机构设计、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。 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 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 e4 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 是一数字的8 位平行通讯 界，传输速率达8 m b y t e 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 排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 m e b u se x t e n t i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，) v x i 即v m 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 绂微机总线v m 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。v x 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 2 相关基础技术介绍 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。 p x i ( p c i e 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 在仪器领域的扩展，它将c o m p a c t p 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 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 t p 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 t w i n d o w s n t 和m i c r o s o f tw 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 ls t a n d a r da r c h i t e c t u r e i s a ) 、e i s a ( e x t e n d e di n d u s t r ys t a n d a r d a 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 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，但由于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 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，对温湿度比较敏感而不适应i _ q k 现 场工作等，在速度上已成为系统的瓶颈，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9 0 个达到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 m h 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 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 重庆大学博士学位论文 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 和内存之间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 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 m b s 。 r s 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 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1 0 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，采用多绞线连接， 可连接3 2 个收发器，其他特性与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。 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间夹一条地线，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。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 2 相关基础技术介绍 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 、m 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 m u n i v e r s a ls e r i a lb u s t 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 e l 3 9 4 串行总线 i e e e l 3 9 4 串行总线( y n q 火线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 b 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 o m 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 0m 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 m 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 技术的硬盘和主板已经面世，w i n d o w s x p 操作系统也已支持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 2 3 虚拟仪器软件标准 2 卜2 6 】 v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f ta r c h i t e c t u r e ) v 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，已在航天、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 x 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 x ip l u g & p l a y ) 系统联盟，提出 9 重庆大学博士学位论文 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 ) 戢j 实质就是一 个标准的i 0 函数库及其相关规范的总称，一般称这个y 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，完成计算机与仪器间的命令和数据传输，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。， 图2 2 自动测试系统中的v i s a f i g2 2 v i s a i n a t e p 、皇动辩试系境 - j 磋件结构 v x i 零槽模块与其他仪器一起，构成了自动测试系统的硬件结构。在这些仪 器中，既可以是v x i 仪器、g p i b 仪器，也可以是异步串行通信仪器等。v i s a 库 作为底层i o 接口软件驻留在系统管理器一计算机系统中，是实现计算机系统与 仪器之间命令与数据传输的桥梁和纽带。 对于用户来说，只需了解v i s ai o 函数的格式与参数就可以编写仪器的驱动 程序，而不必关心v i s a 库与仪器如何沟通的细节。对v i s a 函数的调用一般可分 为声明、开启、器件i o 和关闭4 部分， 1 ) 声明区。声明程序中所有变量的数据类型。可以看到，声明所用的函数类 型均为v i s a 数据类型，它是与编程语言无关的。v i s a 数据类型与编程语言数据 类型的对应说明包含在特定的头文件中，如c 语言形式的头文件为v i s a t y p e h ，打 开v i s a t y p e h 就可以看到程序中出现的v i s e s s i o n 和v i u i n t 3 2 都对应为无符号长