基于PXI总线的虚拟仪器测试系统的设计及其网络化研究毕业论文.doc

基于PXI总线的虚拟仪器测试系统的设计及其网络化研究摘 要近年来，随着计算机技术与自动测量技术的发展，出现了一种全新的仪器形式虚拟仪器，它彻底改变了传统仪器的概念，是仪器发展史上的一次巨大变革。本文根据电子测量仪器与自动测试系统的现状和发展趋势，对虚拟仪器及其网络化技术进行了深入的研究，并针对实验室里的传统测试仪器操作复杂、功能固定、测量精度低、难以实现网络连接等问题，提出了基于虚拟仪器的自动测试系统构建方案，最终设计开发了基于PXI总线的网络化虚拟仪器综合测试系统。本文的主要内容包括： (1)介绍了图形化虚拟仪器软件开发平台-IabVIEw，详细分析了PXI总线的特性，进而给出了整个测试系统的组成架构。(2)结合模块化板卡，设计实现了基于PXI总线的虚拟任意波形发生器、虚拟数字示波器以及虚拟数字万用表，并分别进行了调试与分析，给出了它们的性能指标，最后在各独立仪器设计的基础上进行了系统集成。(3)深入探讨了虚拟仪器的网络通信技术，重点研究了DataSocket、WebServer及远程面板技术，并设计实现了基于PXI总线的虚拟仪器测试系统的网络化。本课题设计的虚拟仪器测试系统以软件为核心，与传统仪器相比，具有扩展性好、功能强、开发时间短、测试精度高等优点；同时，通过网络化设计实现了系统的数据共享和远程监控，不仅节省了大量的资源和成本，还进一步拓宽了系统的应用范围。关键词：虚拟仪器，LabVIEW，PXI总线，测试系统，网络化Abstract 硕士论文AbstractIn recentyears，州th computerand automatic measurementtechnologies developingrapidly,anewformofequipments-VirtualInstrumentcomesintobeing，whichhastotallychangedtheconceptoftraditionalapparatus，beingagreattransformationinthehistoryofthedevelopmentofinstrumentsAfteranalyzingthe currentsituation and evolutiontrend ofelectronicmeasuringinstruments andautomatictestsystems，an indepthresearchonvirtualinstnunentand itsnetworkingtechnologiesis madein thisthesisTosolve thequestionsoftraditionalinstruments in thelaboratory,suchascomplicatedtooperate，fixed functions，low-precision，difficultto achieve networkconnectivity and SOon，anewdesignproposalbasedonvirtual instrumentisputforward，andeventuallyanetworkingautomatictestsystembasedonPXIBusis developedThreepartsare discussed asfollows：Firstly,the graphical development platfo彻一LabVIEWis introducedAndthen，thefeaturesofPXIbusareanalyzedindetailsUlteriorly,thewholestructureofthetestsystemisproposedSecondly,usingmodularboards，thesystembased onPXIbus isdesigned，includingthe virtualarbitrarywaveformgenerator，virtualmulti-functionaldigital oscilloscopeand virtualdigital multimeters，andthenthedebuggingandanlysisresults aregivenrespectivelyAsaresult，an intergratedsystemis builtbasedontheprevious designsFinally,afterthein-depthstudyofnetworktechnologiesabout virtualinstrument，especiallyDataSocket，WebServer and RemotePanels，tekecommunicationsofthetestsystemarerealizedWithsoftwareasthecore，thevirtual instrumenttestsystempossessesbetterscalability,morepowerfulfunctions，shorterdevelopmenttimeandhighertestaccuracycomparedto thetraditionalinstrumentAswell，datasharingandremotemonitoringarerealizedforthesystemthroughthenetwork,whichnotonlysavesalot ofresourcesand costforthelaboratory,butalsowidensitsappliedrangesKeywords：VirtualInstrument，LabVIEW,PXIBus，TestSystem，Networking知识水坝为您整理声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本：学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名： 矽善年f月如日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。知识水坝为您整理硕士论文 基于PXI总线的虚拟仪器测试系统的设计及其网络化研究1绪论11电子测量仪器与自动测试系统的发展111电子测量仪器的发展概况电子测量仪器是测试领域极其重要的设备，其发展经历了以下四个关键阶段【l】：(1)20世纪50年代，第一代模拟仪器出现。模拟仪器系统结构复杂，主要以模拟技术处理检测信号。这类仪器在某些实验室仍能看到，如指针式万用表、晶体管电压表岔占守o (2)20世纪60年代，随着集成电路的出现，产生了第二代仪器即数字式仪器。数字式仪器目前相当普及，如数字电压表、数字频率计等。这类仪器将模拟信号测量转化为数字信号测量，并以数字方式输出最终结果，适用于快速响应和较高准确度的测量。(3)20世纪70年代，出现了包含微处理器的第三代仪器，即智能仪器。它不仅能完成测量和控制任务，并进行各种后期的复杂数据运算处理，还能自动适应被测参数的变化。智能仪器的出现是仪器发展史上的一次革命，提出了“计算机就是仪器”的口号。(4)20世纪80年代，出现了第四代仪器即虚拟仪器。“虚拟仪器的概念由美国国家仪器公司(NationalInstruments Corporation，简称NI公司)于1986年提出，是在通用计算机上通过软件将计算机强大的计算处理、控制能力和仪器硬件的测量能力有机地融合为一体。由于虚拟仪器的核心是软件，因此提出了“软件就是仪器的口号。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的第二次革命。近年来，随着Intemet技术和通信技术的迅速发展，测量技术与仪器仪表开始朝着网络化方向发展，出现了“网络化仪器”。而网络化虚拟仪器是计算机技术、虚拟仪器技术和网络化技术的完美结合，将代表当前和今后仪器仪表领域的发展方向【21。112自动测试系统的发展概况自动测试系统是随着电子测量仪器的发展而不断地向前发展的。自动测试系统始于20世纪50年代中期，其发展大致可分为三个阶段【l】：专用型测试系统、台式仪器积木型自动测试系统和模块化自动测试系统。第一代专用型测试系统是针对具体测试任务而研制的，它主要用于工作量很大的重复测试、高可靠性的复杂测试等。这类系统的针对性很强，接口不具备通用性，因而可重复性差，适应性弱，升级困难。第二代台式仪器积木型自动测试系统是由具有符合接口标准的台式设备在标准接口总线(GPIB、CAMAC)的基础上组合而成。相对于第一代而言，第二代的更改或增减测试内容更加灵活，设备重用性更好。但由于它采用各个独立的设备通过总线组合而成，因而组成设备的元件重复配置，致使系统的体积较大，不适应于对体积和重量方面要求高的领域。另11绪论 硕士论文外，第二代自动测试系统采用的是GPIB总线，该总线传输速率不高，数据吞吐量小。在第一代和第二代自动测试系统中，计算机只是作为控制器使用，计算机的巨大潜力并未得到充分发挥。第三代自动测试系统是基于VXI、PXI等测试总线，主要是由模块化的仪器或设备组成，与前两代自动测试系统相比，其数据传输率高、数据吞吐量大；体积小、重量轻，系统组建灵活；资源复用率高；兼容性好，可以连接采用GPIB总线的仪器。因此，成为当前世界上自动测试系统的主流组建方案。12虚拟仪器技术121虚拟仪器的概念及特点20世纪80年代中期，美国国家仪器即NI公司首先提出了基于计算机技术的虚拟仪器的概念【】。所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，由用户自定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下的特点和优势【l，5】：(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，大大增强了仪器的功能。(2)利用计算机丰富而专业的软件资源实现了部分仪器硬件的软件化，既节省了物质资源，又增强了系统的灵活性；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各种分析和处理：通过图形化用户界面技术，真正做到界面友好、人机交互。(3)采用计算机总线和模块化仪器总线，仪器硬件实现了模块化、系列化，大大缩小了系统尺寸，可方便地构建模块化仪器。(4)采用计算机网络技术和接口技术，虚拟仪器系统实现了方便、灵活的互联，广泛支持诸女nCAN、Fieldbus等各种工业总线标准，利用虚拟仪器技术可方便地构建自动测试系统，实现测量、控制过程的网络化和自动化。(5)基于计算机的开放式标准体系结构，虚拟仪器的软硬件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等特点，因此，用户可根据需要选用不同厂家的产品，使仪器系统的开发更灵活、效率更高，从而缩短系统组建的时间。(6)可扩展性方面，当测试系统需要增加新的测量功能时，用户只需添加软件来实现；当需要重新组建测试系统时，可以通过增加或更换通用模块来实现，而不用购买一个全新的系统。总的来说，与传统仪器相比，虚拟仪器在各方面都具有明显的优势，能够满足科技高速发展对电子测量技术提出的新要求，也必然会成为电子测量仪器发展的趋势。122虚拟仪器的发展及研究现状目前，虚拟仪器技术主要沿总线标准化、软件标准化以及虚拟仪器网络化三个方向2硕士论文 基于PXI总线的虚拟仪器测试系统的设计及其网络化研究发展。1221虚拟仪器的总线标准化【5岱J几十年来，随着技术的发展，仪器平台在不断地推陈出新。七十年代厂商推出的各种独立的仪器，最受欢迎的就是具有通用接口的GPIB总线仪器，然而GPIB总线的速度慢，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。八十年代，VXI总线出现了，它将高价位的测量与测试应用的设备带入了模块化的领域，然而VXI总线仪器昂贵的价格却是很多用户难以负担的。于是九十年代，诞生了PXI总线。PXI总线仪器延续了VXI总线仪器的模块化思想，并以较紧凑的结构设计、较快的总线速度以及较低的价格，为测试测量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PC机的总线技术也相继出现并日益成熟，这些总线出现的时期不同，但仍然广泛活跃在各种测控领域中。大型的测控系统往往是由GPIB、VXI、PCI、PXI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。GPIB(GeneralPurposeInte血ce Bus)即通用接口总线，是可程控仪器的一种标准并行接口总线。GPIB的硬件规格和软件协议已纳入国际工业标准IEEE4881和IEEE4882。它是最早的仪器总线，目前多数仪器都配置了遵循IEEE488的GPIB接口。典型的GPIB测试系统包括一台计算机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB仪器。每台GPIB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，且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，GPIB覆盖了从比较便宜的到异常昂贵的仪器。但是GPIB的数据传输速度一般低于500KBs，不适应于对系统速度要求较高的应用场合。VXI(VbuseXtensionforInstrumentation)即VME总线在仪器领域的扩展，是1987年在VME总线、Eurocard标准(机械结构标准)和IEEE488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。VXI系统最多可包含256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，即插即用地组成新系统。目前，国际上有两个VXI总线组织。一个是VX联盟，负责制定VXI的硬件标准规范，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VXI总线即插即用(VXIPlug&Play，简称VPP)系统联盟，其宗旨是通过制订一系列VXI的软件标准来提供一个开放性的系统结构，真正实现VXI总线产品的即插即用。这两套标准组成了VXI标准体系，实现了VXI的模块化、系列化、通用化以及VXI仪器的互换性和互操作性。但VXI的价格相对较高，比较适合于尖端的测试领域。PCI(Peripheral Component Interconnection)总线即外围设备互连总线，由111tel公司于1991年提出后，很快便成为PC行业事实上的标准。PCI总线是一种同步的、独立I绪论 硕士论文于CPU的3264位局部总线，最高工作频率66MHz，数据传输率为132MBs(32位)和528MBs(64位)，很好地解决了ISA总线的瓶颈问题，并带来了真正的即插即用功能，大大提高了系统的数据采集率。由于PCI总线在工业领域的应用存在一些缺点，如过长的插卡对灰尘和腐蚀敏感，易受电磁干扰等，促成了适应工业环境的CompactPCI总线技术的产生。CompactPCI总线由多家厂商于1994年提出，是PCI总线的12种规范之一，也是PCI总线的增强和扩展，在电气上完全与PCI总线兼容。系统插槽上的模块为控制模块，负责系统的管理、其他模块的初始化、总线仲裁、时钟分配和复位功能。由于使用了带屏蔽的欧洲板卡等技术，CompactPCI总线解决了大多数PC总线的工业缺点，具有抗震动和利于散热等特点，同时规范了热切换即带电插拔，因此更加适合于工业测控和嵌入式系统应用，其数据宽度同PCI总线一样，最高传输速率可达528MBs。PXI(PCIeXtensionforInstrumentation)即PCI总线在仪器领域的扩展，是NI公司于1997年发布的一种新的开放性、模块化仪器总线规范。其核心是CompactPCI结构和MicrosoftWindows软件。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI增加了可用于多板卡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相邻模块间高速通信的局部总线等，来满足试验和测量的要求。PXI兼容CompactPCI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)等规范要求，可保证多厂商产品的互操作性和系统的易集成性。1222虚拟仪器的软件标准化【9d1】(1)VISA(VirtualInstrumentSoftArchitecture)VXI总线技术自80年代末推出以来，就显示了其巨大的优越性，并得到广泛应用。VXI总线规范的制定，实现了v=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。1993年，NI、泰克等5家公司成立TvPP系统联盟，提出了系统框架、驱动程序、软面板、VISA、部件知识库等一系YOVPP软件标准，推动了软件标准化的进程。VPP规范是对VXI总线标准的补充和发展，主要解决了V总线的软件级标准问题。VPP标准制订的目的是使任何满足该标准的计算机IO设备、仪器和软件能够一起工作，实现多个系统供应商提供的硬件和软件产品的互操作性，为用户提供一体化的测试与测量系统解决方案。虚拟仪器软件结构VISA的实质就是一个标准的IO函数库及相关规范的总称，一般称这个IO函数库为VISA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。(2)IVI(InterchangeableVirtualInstrument)长期以来，可互换性成为许多工程师构造测试系统的目标。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修改测试程序代码就可以用新的4硕士论文 基于PXI总线的虚拟仪器测试系统的设计及其网络化研究仪器硬件改进系统的方法。针对这一问题，仪器测试界在1998年9月成立了IVI基金会。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联盟。目前，该组织已经制订了五类仪器规范，包括示波器数字化仪类(IVIScope)、数字万用表类(IVIDmm)、任意波形发生器函数发生器类(IVIFgen)、开关多路复用器矩阵类(WISwitch)以及电源类(WIPower)。NI作为IVI的系统联盟成员之一，积极响应I的号召，开发了基于虚拟仪器软件平台的I驱动库，包括IVI基金会定义的五类仪器的标准ClassDriver、仿真驱动程序和软面板。2004年11月，NI又推出了可互换虚拟仪器兼容工具包22版，该软件包为仪器的交换作了一个标准接口，通过定义一个可互换性虚拟仪器的驱动模块来实现仪器的互换性。I规范可用于VXI、PXI、GPIB、串行仪器和CompactPCI等各类插入式仪器，以及高速串行总线控制仪器，如USB和1394总线仪器。I驱动程序比VPP联盟制订的VISA规范更高一层。它扩展了VPP仪器驱动程序的标准，并加上了仪器的可互换性、仿真和状态缓存等特点，使得仪器厂商可以继续用他们的仪器和新增功能。因此，IVI是对VPP规范的一个很好的补充。1223虚拟仪器的网络化1978年，通用仪器总线GPIB的问世，实现了将14台仪器由GPIB总线连接成为一个系统，这可以说是网络化仪器系统的雏形，后来又出现用VXI总线、现场控制总线等将更多的仪器连成一个测控系统，但是这些都还不是现代意义上的网络化仪器系统。Interact的出现及其迅速地渗透到社会生活的各个领域，对各种传统产业产生了巨大冲击，网络测量技术与计算机虚拟仪器技术的结合产生了一种新型仪器网络化虚拟仪器(NetworkVirtual Instrument，NVI)D2-t3J。网络化虚拟仪器的使用冲破了传统仪器在时间和空间上的束缚，使仪器的利用率大大提高。网络化虚拟仪器的发展主要有三种模式：远程示教与监测、仿真实验、远程实测与控制【141。目前，国外在网络化虚拟仪器方面的研究与应用已相当普遍。例如，新墨西哥大学电气与计算机工程学院的CG；Christodoulou教授等【l5J使用AppletVIEW将LabVIEW环境下开发的虚拟仪器发布到Web浏览器上，为本校老师进行远程课堂演示提供了便利；新加坡国立大学电气与计算机工程学院的KZTang等【l6J用LabVIEW、DataSocketServer、Web Server等开发了一套远程振动监测与故障诊断系统，用于对异地正在工作的多个机器的工作状况进行实时监测、故障诊断及发出报警信号，将机器的停工期减少到最短；卡内基梅隆大学的电气与计算机工程学院的DanielDStancil教授【l7J在HPVEE和Timbuktu平台上开发了数字示波器、函数发生器、测试电路等远程仿真虚拟仪器；意大利帕多瓦大学工程学院的LuiginoBenetazzo教授等【l8】在LabVIEW平台上开发了基于CS结构的分布式虚拟仿真控制实验台；1999年美国伊利诺科技学院的HitesM等【19】l绪论 硕士论文开发设计了远程控制开关、放大器、运动控制系统、数字化及数据采集系统等；2002年意大利锡耶纳大学MarcoCasini等【20】设计并建立了一个远程自动控制实验室；2004年密苏里一罗拉大学工程管理系的CanSaygin等【2lJ开发了基于W曲的远程制造系统控制实验室。近年来，国内在虚拟仪器网络化方面也做了大量的工作。例如，清华大学电子工程系于2000年开发了一套基于Intemet的电网动态监控系统，管理者可通过内嵌于浏览器、用ActiveX技术实现的虚拟仪器监控电网运行的动态情况【22】：哈尔滨工业大学利用内嵌于网页的虚拟仪器实现了卫星故障诊断的网络化12副：重庆大学机械工程学院自主开发了基于VisualStudioNET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61；华中科技大学电子科学与技术系利用LabVIEW和IMAQVision等，配合PXI模块化仪，构建了基于Internet的分布式网络虚拟实验室，实现了实验数据和设备的远程共享【241。此外，西安交通大学和南京航空航天大学也利用不同技术构建了网络化虚拟仪器系统。近期，南京理工大学也正在尝试建立一个虚拟仪器技术实验室，将虚拟仪器引入实验教学中，开展一些虚拟仪器相关项目的研究。13本文的研究背景及意义在测试测量领域，信号发生器、示波器以及万用表等是不可或缺的仪器。但是，目前在多数院校的电工电子实验中，常用的仍然是功能固定的传统台式仪器。对于一所高等院校而言，进行电子类教学实验一般需要配备几十套设备，每一套近万元，在经费紧张的情况下，很难满足教学的需要。另外，传统仪器操作复杂，抗干扰能力差，测试精度低，无法承担一些高精度测量任务。通常高精度的数字万用表、数字多功能示波器、信号发生器等大都依赖进口，价格昂贵。更重要的问题是，传统的仪器设备没有相应的计算机和网络接口，配合数据分析与处理十分困难，更无法实现数据的网络共享以及仪器的远程控制。同时，随着仪器仪表和自动测试技术的发展，人们对新一代自动化测试系统又提出了更高的需求，如高性能的架构；系统具有高吞吐量和高测试质量；能够提供与不同仪器厂商之间的密切联系和灵活性更高的系统集成；更低的系统投资；保存现有的资本投资和降低维护成本，提高设备的利用率：更长的系统寿命；基于更广泛的工业标准：允许技术升级来改进性能并满足将来的测试需求等等，从而使电子测试测量仪器面临新的挑战。虚拟仪器技术借助于计算机强大的计算、分析处理和存储能力，将仪器的发展推向了一个新的台阶，并以其性能高、扩展性强、开发时间短、集成度高等优势赢得了广大用户和测试测量工程师的欢迎。目前在教学实验中应用虚拟仪器技术，建成所谓的虚拟6硕士论文 基于PX总线的虚拟仪器测试系统的设计及其网络化研究仪器测试系统，实现满足实验、教学、科研要求的多功能的实验开发平台，是实验室改革的热点【25】。与利用传统仪器相比，采用虚拟仪器技术开发教学实验平台，可以简化开发过程、缩短开发时间，许多需要我们自己设计的数据采集和信号调理的工作都可以由PXI系统提供的模块化产品实现，而高效的虚拟仪器开发软件LabVIEW又为软件编程提供了方便。更重要的是，依靠虚拟实验平台较强的灵活性，教师和学生能够摆脱功能单一的传统实验仪器的束缚，可以充分发挥和提高学生的积极性和创造性，有利于培养学生的创造性思维和工程实践能力。本文源于南京理工大学检测技术与自动化装置教研室的国家211工程学科建设项目。要求就是采用虚拟仪器技术，在LabVIEW开发平台上搭建一个网络化的虚拟仪器测试系统实验平台，为今后的学科建设开辟一条新思路，努力推动实验教学和科研水平再上一个新台阶。14本文的主要内容本文在查阅大量相关文献资料的基础上，对虚拟仪器的软硬件及其网络化技术进行研究，在LabVIEW开发平台下，利用PXI模块化板卡设计开发基于PXI总线的网络化虚拟仪器测试系统。主要内容概括如下：(1)虚拟仪器测试系统平台的构建：包括软件平台的选择以及硬件平台的组建；： (2)测试系统具体模块的设计与实现：包括虚拟任意波形发生器、虚拟数字示波器和虚拟数字万用表三个部分。首先深入地分析了各模块的设计原理，在此基础上进行了具体的软件设计，最后通过调试与分析，给出了它们的性能指标及功能验证结果。(3)系统集成化设计：通过软件编程，将独立设计的虚拟测试仪器集成为一个综合的测试系统实验平台。(4)系统网络化设计与实现：在CS和BS两种模式下，分别采用多种网络化通信技术实现了系统的远程监控与数据共享。创新点：(1)本文不仅完成了基于PXI总线的高精度虚拟波形发生器、虚拟数字示波器及虚拟数字万用表的设计及功能验证，还对各部分进行了集成化设计，搭建起了一个虚拟综合实验平台。同时，通过网络化设计实现了虚拟测试系统的远程观测与控制，并考虑了网络化测控系统的实时性和安全性等关键性问题。(2)在集成化设计中采用生产者消费者设计模式，通过事件驱动的方式实现了代码的异步执行，采用该模式设计程序，使得设计代码简洁化，程序清晰化。程序设计时采用队列方式的双线程并行操作，两个线程并行执行互不影响，从而提高了程序的运行效率。72基于PXI总线的虚拟仪器测试系统软硬件开发平台 硕士论文2基于PXI总线的虚拟仪器测试系统软硬件开发平台21虚拟仪器系统的一般组成26-27】虚拟仪器系统通常由仪器硬件平台和应用软件平台两大部分构成。构成虚拟仪器系统的硬件平台有两部分：(1)计算机：一般为一台PC机或工作站，是硬件平台的核心。(2)IO接口设备：IO接口设备主要用来完成被测输入信号的采集、放大、模数转换等。不同的总线有其相应的IO接口硬件设备，如利用Pc总线的数据采集卡(DAQ)、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、PXI总线仪器、串口总线仪器等。综上所述，虚拟仪器系统的硬件构成方式如图211所示f 住县i需柙L一数据采集卡L 1n啁瑾广(DAQ) V-一J，一n1 GPIB接口 GPIB接口仪器被 PC机工测串行总线仪器作站包对 括测试象VXI总线仪器软件PXI总线仪器其他计算机硬件图21。1虚拟仪器系统的硬件构成方式虚拟仪器软件包括应用程序和IO接口仪器驱动程序两部分。虚拟仪器应用程序用于完成虚拟面板功能的软件程序和定义测试功能的流程图程序的实现。IO接口仪器驱动程序用于完成特定外部硬件设备的扩展、驱动与通信。目前，虚拟仪器的软件开发工具有两大类：(1)通用开发软件：女IVisualC+、VisualBasic等。(2)专业开发软件：如LabVIEW、HPVEE、LabWindowsCVI等。VisualC+和VB为文本编程语言，用它们开发虚拟仪器系统有一定的难度，非专业人员难以掌握，因此很少使用。LabWilldowSCVI以ANSIC为核心，将功能强大的C语言平台与用于数据采集、分析和表达的测控专业工具有机地结合起来，为熟悉C语言的开发人员提供了一个理想的虚拟仪器软件开发环境。LabVIEW和HPVEE为图形化开发环境，它们在很大程度上简化了编程难度，尤其是LabVIEW，已经成为开发虚拟仪器的首选平台。硕士论文 基于PXI总线的虚拟仪器测试系统的设计及其网络化研究22虚拟仪器软件开发平台_LabEW221 LabVlEW及其特剧28-33】LabVIEW是由NI公司推出的一种高效的基于图形开发、调试和运行的集成化环境，是第一个借助于虚拟软面板用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形化程序设计系统，也是目前国际上唯一的编译型图形化程序设计语言。它结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的G编程语言，提供了一个非常直观的编程环境，有专供大型应用开发、集成开发及应用配置所设计的附加开发工具。在这个平台上，各领域的专家们可以通过定义和连接代表各种功能模块的图标来方便迅速地建立高水平的应用程序。LabVIEW软件工具的特点可归纳如下：(1)LabVIEW是基于图形化的软件编程平台，不仅人机界面用“所见即所得的可视化技术建立，而且程序代码也是图形化的代码，使编程过程更加接近人的思维，是应用于测控领域的专用软件开发工具。(2)采用数据流编程模式，能够同时运行多个程序。(3)提供了丰富的用于数据采集、分析、表达及数据存储的函数库。(4)不仅具备传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，还提供了独具特色的高亮执行和探针工具，能够使程序动画式运行，有利于设计者观察程序运行的细节，使程序的调试和开发更为便捷。(5)内置了PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS232和RS-485在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数，支持数据采集卡和GPIB、串口设备、VXI仪器、PLC、工业现场总线以及用户特殊的硬件板卡，免费提供世界各大厂商1000多种仪器的驱动，方便用户迅速组建自己的应用系统，使得不懂总线标准的开发者也能够驱动不同总线标准接口的设备与仪器。(6)具有强大的外部接口能力，可以实现LabVIEW与外部的应用软件(如Word，Excel等)、C语言、WindowsAPI、MATLAB等编程语言之间的通信。(7)强大的Intemet功能，内置了便于应用TCPflP、DDE、ActiveX等软件标准的库函数。支持常用网络协议，方便网络、远程测控仪器的开发。(8)支持多种操作系统平台，在任何一个平台上开发的LabVIEW应用程序都可直接移植到其他平台上。222 LabVlEW的应用132】目前，LabVIEW在包括航空、航天、通信、汽车、半导体、生物医学等世界范围的众多领域得到广泛应用。从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以发现LabVIEW应用的成果和开发的产品。92基于PXI总线的虚拟仪器测试系统软硬件开发平台 硕士论文(1)LabVIEW应用于测试与测量LabVIEW已成为测试与测量领域的工业标准，它可以通过GPIB、VX、串行设各或插卡式数据采集板来构成实际的数据采集系统。它提供了工业界最大的仪器驱动程序库，还支持通过Intemet、ActiveX、DDE、SQL等交互式通信方式实现数据共享。它所提供的众多开发工具使得复杂的测试与测量任务变得简单易行。(2)LabVIEW应用于过程控制和工业自动化LabVIEW具有强大的硬件驱动、图形显示和便捷快速的程序设计能力，为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。(3)LabVIEW应用于实验室研究与分析LabVIEW提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等众多科学计算模块，可满足科学家和工程师等计算与分析的需要。即使在联合时频域分析、小波和数字滤波器设计等高级或特殊分析场合，LabVIEW也提供了专门的附加软件包。223 LabVIEW应用程序组成129,341在LabVIEW环境下开发的应用程序被称作，并被冠以vi后缀，以表示虚拟仪器的含义。一个vI由前面板和程序框图组成。22 31前面板简介LabVIEW前面板是VI的交互式接口，与真实的物理仪器面板相似。前面板主要由各种控件组成，其中有些控件是用户用来向程序输入数据的，这些控件叫控制件；另一些则是程序向用户输出运行结果的，这些控件叫显示件。控制件和显示件的数据流方向正好相反，但是它们在前面板上可以相互转换。圈221LabVIEW控件模板LabVIEW控件模板如图221所示。其中每一个图标代表一类数据类型控件，例如第一个Numeric图标代表数据类型控件，第二个Boolean图标代表布尔类型控件。单击某一类控件的代表图标便可以进入此类的所有子控件模板中，然后可以从中拖动任意一个控件置于前面板。在前面板右键单击每个控件可以选择Properties来设置控件的属性。223 2程序框图简介LabVlEW的后面板即程序框图，又称代码窗口，实际上就是vI图形化的源程序。LabVIEW的核心就是结构化的数据流框图程序，它决定了程序的数据走向和执行方式。10硕士论i 萋fPXI总线的虚拟仪器w试系统设计厦其月络化研究前面板只提供了用户所需要的各类控件，并不能实现用户所定义的功能，程序框图才是编程的关键，它用来控制数据流的走向，是实现程序功能的关键部分，是整个程序的灵魂。因此，编程任务的绝大部分工作都将在程序框图里面来完成。程序框图对应的函数模板如图222所示。图222LabVIEW函数模板框图程序的组成对象主要有：(1)节点。节点是承载数据流的载体，LabVIEW里有函数节点、结构节点、属性节点、调用库函数节点、包含节点、SubVI节点等。每一类节点都有其各自不同的作用和功能，倒如结构节点主要用来控制程序的执行结构方式。(2)端口。LabVIEW是种基于数据流控制的程序开发环境，数据从一个端口流向另一个端口。LabVIEW里有控件端口、节点端口、结构端口和常数端口共四类端口。端口是连线的出发点或结束点，即端口之间是通过连线来控制数据的流向。(3)连线。连线是端口问的数据通道，不同的线型代表不同的数据类型。连线是编写LabVIEW程序的一项重要工作。任何一个错误的连线都将导致程序无法执行。23 PXI总线测试系统硬件平台常用的组建虚拟仪器的总线有VXI和pXI两种。相比之下，PXI总线速率远远商于VXI总线，同时由于它起源于计算机主流总线PCI具有很好的向下兼容性其研究开发与应用都有大量的计算机软件支持，成本也比VXI总线低很多，可以说PXI总线是目前性能最好的模块化仪器总线。因此本文选择采用PXI总线构建虚拟仪器测试系统。2j1 pXI总线3j。37pXI是PCI在仪器领域的扩展(PcIExtensioforInstrumentation)，它将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于实验、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PXI规范的目的是为了将台式Pc机的性能价格比优势与PCI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。2基于PXI总线的虚拟仪器测试系统软硬件开发平台 硕士论文PXI总线体系结构涵盖了三大方面的内容：机械规范、电气规范和软件规范。2311 PXI总线机械规范PXI总线机械规范规定了如下要求：PXI系统机架要适应工业环境并且易集成，PXI采用与CompactPCI相同的坚固欧洲卡组件系统和高性能IEC连接器。此外，PXI增加了特殊的冷却和环境要求规范，并提供了两种与标准CompactPCI系统的互操作方式。(1)高性能连接器系统PXI使用与CompactPCI相同的高密度、屏蔽型、针孔式连接器。连接器引脚的间距为2mm，这种连接器符合IEC1076国际标准，在所有条件下均具有良好的电特性，已得到广泛的应用，特别是在远程通讯方面。由于这些IEC连接器优良的电特性，PXI系统可以在一个单一的总线板上提供L卜,PCI总线台式计算机更多的插槽。儿连接器传输32位PCI信号，J2连接器传输PXI定时和本地总线信号。J2连接器还用于PCI的64位扩展。(2)欧洲卡机械组件PXI和CompactPCI的机械结构符合欧洲卡规范(ANSl310C、IEC297和IEEEl011)。这些规范已在工业环境中得到长时间的应用。PXI规范定义了3U和6U两种尺寸的模块。3U模块尺寸为100mmxl60mm，6U模块尺寸为23335mmxl60mm。欧洲卡规范的最新补充IEEEll0110和P110111提出了电磁兼容性、用户定义的机械锁定和用于PXI系统的其它装配问题。这些电子装配标准定义了坚固、紧凑的系统结构，可以保证装配的机架在苛刻的工业环境中使用的可靠性。PXI规定系统槽位于总线板的最左端。为系统槽规定一个唯一的位置，可以减小系统的集成难度，并提高不同厂商的控制器和机箱之间的兼容程度。PXI规范还规定系统控制器可以向其左面控制器扩展槽内扩展。这些扩展槽没有任何连接器与背板相连，基本上只是扩展空间，向左侧扩展可以防止系统控制器占用宝贵的外围插槽。(3)新增加的电子装配规范在CompactPCI规范中规定的全部机械要求可以直接用于PXI系统。此外，PXI还包括用于简化系统集成的附加要求，如前所述，在PXI机箱中系统槽必须位于最左面的槽，系统控制器仅允许向左扩展，禁止占用外围插槽等。所有的PXI机箱均要求强制空气冷却。PXI推荐对所有的PXI产品进行完整的环境试验，包括温度，湿度、振动和冲击，并且要求提供试验结果文件，所有的PXI产品都要求注明在使用和储存状态下性能随温度的变化率。PXI规范中还要求电磁辐射和灵敏度试验，以保证与国际标准一致。(4)与CompactPCI的互操作性PXI的一个重要特点是保持了与标准CompactPCI产品的互操作性。很多PXI兼容系统并不要求外围模块必须实现PXI特有的功能。例如，用户可以在PXI机箱中插入标准的CompactPCI卡；另一方面，用户可以在标准的CompactPCI机箱中，选用与PXI兼容的插入式模块，在这种情况下，用户虽然不能执行PXI特有的功能，但是可以应用模块的12硕士论文 基于PXI总线的虚拟仪器测试系统的设计及其网络化研究基本功能。2312 PXI总线电气规范PXI所沿用的PCI电气标准主要有：33MHz时钟频率，32位和64位的数据传输带宽，132MBs(32位)和264MBs(64位)的峰值传输率，支持33V的电源环境和即插即用技术。PXI所沿用的CompactPCI电气标准有PCI-PCI桥扩展总线段技术标准等。在PCI和CompactPCI标准基础上，PXI增加的电气标准主要有以下几种：系统参考时钟：PXI为外围模板提供精度为4100ppm的10MHz公用参考时钟，它可作为多个模板的同步信号。触发信号总线：PXI的触发信号总线有8条，用于模板之间的同步与通信。星式触发信号线：PXI有13条星式触发信号线。它们从星式触发控制器插槽分别引向不同的外围插槽，而且采用了等线长技术，所以星式触发信号线可以为多个模块发送非常精确的触发信号，还可以用作接收外围模板的状态和响应信号。局部总线：PXI的局部总线是一种用户可定义的菊花链总线，共有13根。从高速的TTL信号到高达42V的模拟信号都可以在局部总线上传送。局部总线还可以作为高速边带数字通信通道，而且不影响PXI的数据传输带宽。2313 P软件规范同其它总线标准体系一样，PXI定义了保证多厂商产品互操作性的硬件级接口标准。所不同的是，PXI在电气要求的基础上还增加了相应的软件要求，以进一步简化系统集成，PXI的软件要求包括支持MicrosoftWindowsNT和95(W烈32)这样的标准操作系统框架，要求所有仪器模块带有配置信息和支持标准的工业开发环境(如NI的LabVIEW、LabWindowsCVI和Mic