虚拟测试系统

第九章虚拟测试系统第九章虚虚拟拟测试系系统虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的硬件9.2虚拟仪器的软件9.19.39.4虚拟仪器器的应用用第九章虚虚拟拟测试系系统现代汽车车测试仪仪器仪表表技术是是计算机机技术和和多种基基础学科科紧密结结合的产产物。随随着微电电子技术术、计算算机技术术、软件件技术、、网络技技术的飞飞速发展展，新的的测试理理论、测测试方法法、测试试领域以以及新的的仪器结结构不断断出现，，在许多多方面已已经冲破破了传统统仪器的的概念，，电子测测量仪器器的功能能和作用用发生了了质的变变化。在在此背景景下，1986年美国国国家仪器器公司(NationalInstruments，NI)开发出了了虚拟仪仪器。虚拟仪器器(VirtualInstrument，VI)是现代计计算机技技术和仪仪器技术术深层次次结合的的产物，，是当今今计算机机辅助测测试(CAT)领域的一一项重要要技术。。9.1虚拟仪器器的基本本概念所谓虚拟拟仪器，，是在通通用计算算机为核核心的硬硬件平台台上，用用户设计计定义可可视化虚虚拟面板板，测试试功能由由计算机机上的测测试软件件和硬件件来实现现的仪器器系统。。使用者者用鼠标标或键盘盘操作虚虚拟面板板进行测测量操作作，就如如同使用用一台专专用测量量仪器。。虚拟仪器器的实质质是利用用计算机机显示器器的显示示功能来来模拟传传统仪器器的控制制面板，，以多种种形式表表达检测测结果，，利用计计算机强强大的软软件功能能实现数数据的运运算、分分析和处处理，利利用I/O接口设备备完成信信号的采采集、测测量与调调理，从从而完成成各种测测试功能能的一种种计算机机仪器系系统。“虚拟””主要包包含以下下两方面面的含义义，即：：虚拟仪器器的面板板由软件编编程来实实现的虚虚拟仪器器测量功功能1、虚拟仪仪器的面面板虚拟仪器器面板上上显示的的各种““控件””与传统统仪器面面板上的的各种““器件””所完成成的功能能是相同同的。如如由各种种开关、按键、、显示器等实现仪器器电源的的“通””、“断断”，被测信号号“输入入通道””、“输输出通道道”、““放大倍倍数”等等参数设设置，测量结果果的“数数位显示示”、““图形显显示”等等。用户不必必设计，，只要选选用代表表该种软软件程序序的图形形控件即即可，通过计计算机的的鼠标或或键盘来来对其进进行操作作。因此此，设计虚拟拟仪器面面板的过过程就是是在面板板设计窗窗口中摆摆放所需需的控件件，然后后编写相相应的程程序。大多数数初学者者可以利利用虚拟拟仪器的的软件开开发工具具，如LabWindows/CVI，LabView等编程语语言，在在短时间间内轻松松完成美美观而又又实用的的虚拟仪仪器面板板的设计计。2、由软件件编程来来实现的的虚拟仪仪器测量量功能在以PC为核心组组成的硬硬件平台台支持下下，虚拟拟仪器不不仅可以以通过软软件编程程设计来来实现仪仪器的测测试功能能，而且可以以通过不不同测试试功能的的软件模模块的组组合来实实现多种种测试功功能。3、虚拟仪仪器的构构成及其其分类虚拟仪器器由两大大部分构构成，即即：通用仪器器硬件平平台(简称硬件件平台)应用软件件1、通用仪仪器硬件件平台1）计算机机一般为一一台PC机或工作作站，它它是测试试硬件平平台的核核心。2）I/O接口设备备它主要完完成被测测输入信信号的采采集、放放大、模模／数转转换。根根据采用用的总线线及其相相应的I/O接口硬件件设备（（如利用用PC机总线的的数据采采集卡板板（DAQ）、GPIB总线仪器器、VXI总线仪器器模块、、串口总总线仪器器）等的的不同，，虚拟仪仪器的构构成方式式有PC—DAQ系统、GPIB系统、VXI系统、PXI系统、串串口系统统等5种类型。。PC—DAQ系统它是以数数据采集集板、信信号调理理电路及及计算机机为仪器器硬件平平台组成成的插卡卡式虚拟拟仪器系系统。这种系统统主要采采用PCI或ISA计算机本本身的总总线，故故将数据据采集卡卡/板（DAQ）插入计算算机的空空槽中即即可。GPIB系统以GPIB标准总线线仪器与与计算机机为仪器器硬件平平台组成成的虚拟拟仪器测测试系统统。VXI系统以VXI标准总线线仪器模模块与计计算机为为仪器硬硬件平台台组成的的虚拟仪仪器测试试系统。。PXI系统以PXI标准总线线仪器模模块与计计算机为为仪器硬硬件平台台组成的的虚拟仪仪器测试试系统。。串口系统统以serial标准总线线仪器与与计算机机为仪器器硬件平平台组成成的虚拟拟仪器测测试系统统。2、软件结结构应用程序序I/O接口仪器器驱动程程序1）应用程程序实现虚拟拟面板功功能的前前面板软软件程序序定义测试试功能的的流程图图软件程程序2）I/O接口仪器器驱动程程序I/O接口仪器器驱动程程序完成成特定外外部硬件件设备的的扩展、、驱动与与通信。。开发虚拟拟仪器需需用到合合适的软软件工具具，目前前的虚拟拟仪器软软件开发发工具有有如下两两类：①文本式式编程语语言，如如visuaIC+++、VisualBASIC、labWindows／CVI等；②图形形化编程程语言如如LabvIEW、HPVEE等。这些软件件开发工工具为用用户设计计虚拟仪仪器应用用软件提提供了最最大限度度的方便便条件与与良好的的开发环环境。3、虚拟仪仪器的特特点软件是虚虚拟仪器器的核心心虚拟仪器器的性价价比高仪器厂商商与用户户之间的的距离小小虚拟仪器器具有良良好的人人机界面面虚拟仪器器具有和和其它设设备互联联的能力力虚拟仪器器的硬、、软件具具有开放放性、模模块化、、可重复复使用及及互换性性9.2虚拟仪器器的硬件件虚拟仪器器的硬件件平台由由计算机机和I/O接口设备备两部分分组成。。I/O接口设备备主要执执行信号号的输入入采集、、放大、、模／数数转换的的任务。。对于单台台的虚拟拟仪器而而言，系系统所涉涉及的I/O接口设备备是数据据采集卡卡；对于多台台虚拟仪仪器组成成仪器测测量控制制系统，，所涉及及的I/O接口设备备为总线线，常用用的总线线类型有有GPIB/GPIB488.2总线、RS232总线、VISA总线和VXI总线。一、PC-DAQ方式以PC机为基础础的虚拟拟仪器中中，通过过插入数数据采集集卡获取取数据，，在虚拟拟仪器中中又称为为PC-DAQ((DataAcquisition，数据采集集)卡式仪器器。其功能是是将现场场数据采采集到计计算机，，或将计计算机数数据输出出给受控控对象。。用数据据采集卡卡配以计计算机平平台和虚虚拟仪器器软件，，便可构构成各种种数据采采集控制制仪器系系统，如如信号发发生器、、电路和和器件测测试仪等等。目前前，DAQ技术主要要应用于于高采样样速率及及直接控控制方面面。二、串口口通讯串口通信信采用的的是RS-232通用串行行总线，，最初用用于数据据通信，，随着测测控技术术的发展展，许多多测量仪仪器都带带有RS-232串口总线线接口。。通过RS-232串口总线线与PC计算机组组成虚拟拟仪器系系统，适适用于速速度较低低的测试试系统。。与其他总总线相比比，它的的接口简简单，使使用方便便。三、GPIB总线GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)可以把各各种可编编程仪器器与计算算机紧密密地联系系起来。。GPIB的硬件规规范和软软件协议议先后被被纳入两两个国际际工业标标准：ANSI/IEEE488..1和ANSI/IEEE488..2。通过GPIB接口，可可以将若若干台基基本仪器器和计算算机搭成成积木式式的测试试系统，，在计算算机的控控制下完完成复杂杂的测量量。GPIB仪器系统统可以利利用计算算机增强强和扩展展传统仪仪器的功功能，组组成大型型柔性自自动测试试系统，，技术易易于升级级，维护护方便，，仪器功功能和面面板自定定义，开开发和使使用容易易。四、VISA总线在早期的的虚拟仪仪器中，，I/O接口设备备驱动控控制软件件的开发发没有统统一的规规范。不不同类型型或不同同厂家生生产的I/O接口设备备都必须须专门来来设计其其驱动程程序。为为了推动动虚拟仪仪器软件件标准化化的进程程,VXIpIug&play联盟于1996年完成了了对VISA规范的开开发工作作,并将各个个函数的的原型以以标准的的形式发发布。API((ApplicationProgramInterface)是应用软软件开发发接口，，实质是是一组函函数集，，通过它它可以直直接访问问计算机机的硬件件设备。VISA是用于虚虚拟仪器器系统标标准的API。VISA本身不具具备编程程功能，，它是一一个高层层API，通过调用用底层驱驱动程序序来实现现对仪器器的编程程。其层层次如下下图所示示。五、VXI总线VXI是一种高高速计算算机总线线——VME(VMEbusExtensionforInstrumention)在仪器领领域的扩扩展。由由于它的的标准开开放，结结构紧凑凑，具有有数据吞吞吐能力力强、定定时和同同步精确确、模块块可重复复利用等等优点，，在近十十年时间间内，VXI规范不断断完善和和发展，，迅速在在仪器测测量和工工业控制制等领域域应用开开来，表表现出很很强的发发展潜力力。1993年由多家家公司组组成VXIplug&play系统联盟盟，致力力于来自自各厂商商的VXI模块的规规范化，，为最终终用户集集成VXI系统提供供最大的的便利。。6、PXI总线PXI总线是NationalInstruments公司1997年下半年年推出的的总线标标准，并并作为开开放式规规范提供供仪器业业界使用用，对模模块式测测量仪器器有着重重要的影影响。PXI总线与VXI总线有很很多相似似之处，，同时又又具有不不少自己己的特点点。VXI总线是VME计算机总总线的仪仪器扩展展，PXI总线是PCI计算机总总线的仪仪器扩展展，它是是PCIeXtentionforInstrumentation（PCI仪器扩展展）的简简写。PXI总线综合合了计算算机总线线（VME和PCI）、插件（compactPCI）、软件（Windows98和NT）以及仪器器总线（（GPIB和VXI）和开发工工具等方方面的特特点，具具有坚实实的硬件件、软件件基础。PXI总线把PCI计算机外外设总线线与专用用仪器总总线结合合在母板板上。使使机箱能能够安装装PCI微机和PXI仪器模块块。机箱箱有11个插槽，，左边3槽接系统统控制器器或系统统扩展器器。右边边7槽接仪器器模块，，中间还还有1个系统控控制器插插槽。模模块尺寸寸有3U和6U两种。3U只有一个个PCI接口，而而6U可有两个个PCI接口。PXI总线的仪仪器专用用总线有有时钟、、本地、、触发、、电源等等4种。机箱箱电源功功率300w，有良好通通风和电电磁屏蔽蔽，可在在苛刻的的环境运运行。9.3虚拟仪器器的软件件在虚拟仪仪器技术术中，软软件是实实现仪器器功能的的关键因因素，能能否方便便快捷地地设计出出界面友友好、功功能强大大的虚拟拟仪器软软件，直直接关系系到仪器器功能的的实现和和仪器的的性能的的好坏。。使用传传统的编编程语言言，如C语言、VisualC++、VisualBasic等，虽然然可以编编出比较较友好的的用户界界面，但但数据采采集、按按钮、指指针、曲曲线显示示等仪器器所需的的功能模模块的编编程非常常烦琐，，不易开开发。因因此，现在大多多采用专专用的虚虚拟仪器器设计软软件来开开发用户户应用程程序，目目前应用用较多的的有美国国NI公司开发发的LabWindows／CVI、LabVIEW等虚拟仪仪器专用用开发软软件。这些软件件中不仅仅包括诸诸如菜单单、对话话框、按按钮和图图形这样样的通用用用户接接口属性性，而且且还有像像旋钮、、开关、、滑动控控制条、、表头、、可编程程光标、、纸带记记录仿真真窗和数数字显示示窗等虚虚拟仪器器应用接接口属性性。一、文本本式编程程软件LabWindows／CVILabWindows／CVI是NI公司提供供给用户户的虚拟拟仪器软软件之一一，它是是用户开开发数据据采集、、仪器控控制及自自动测试试和过程程监控的的一个开开发平台台。它采用标标准的C语言格式式，将功功能强大大、使用用灵活的的C语言开发发平台与与用于数数据采集集、分析析和表达达的测控控专业工工具有机机地结合合起来。LabWindows／CVI借助自动动编码产产生工具具和易于于使用的的GUI开发工具具来提供供一种交交互环境境，它包含有有强大的的仪器库库、32位ANSIC编译器、、连接器器、调试试器、编编辑器等等。1、LabWindows／CVI的功能能LabWindows／CVI可运行于于Win95／Win98／WinNT／Win2000／WinX／UNIX等系统，，包含大大部分基基于Windows风格的软软件技术术，具有有像VB一样丰富富的控件件回调功功能，并并有极强强的数据据处理、、数据分分析功能能。同时时还提供供了多种种总线通通信控制制和网络络传输控控制协议议接口库库。2、LabWindows／CVI的特点1）将数据据采集、、数据分分析以及及数据表表达一体体化，这这样就不不必为完完成数据据处理不不同阶段段的任务务而辗转转于不同同软件中中。2）实现对GPIB、VXI、RS-232和数据采采集卡等等硬件的的有效控控制，从从而使其其与硬件件的接口口变得十十分简单单。由于于LabWindows／CVI对数据采采集卡驱驱动非常常方便，，因此它它使得实实验或测测试的数数据可以以实时显显示。3）提供了可可交互使使用的高高级分析析库函数数达150多个，其其中包括括信号处处理、曲曲线拟合合、数字字滤波、、统计分分析、数数值分析析及一维维、二维维数组操操作的函函数。在在此开放放的开发发环境下下,可将需完完成的特特殊功能能自行编编制成函函数加入入仪器库库函数,并能编译译成32位DLL，供与其兼兼容的其其他软件件随时调调用。4）支持“所所见即所所得”的的可视化化交互技技术，具具有灵活活多样的的数据显显示方式式，使用用功能强强大的图图形用户户接口(GUI)，很容易建建立起符符合要求求与习惯惯的数据据显示模模式和数数据表达达框架。。为此可可以更