（测试计量技术及仪器专业论文）lxi仪器系统组态与控制软件实现技术的研究.pdf

摘要 l x i 总线技术打破了地域限制，利用近年来发展迅速的网络技术很好地适应分 布式测控系统的发展需求。在l x i 总线仪器测控系统的构建中，控制软件是整个 系统的核心，要求控制软件能够提供直观的人机界面功能，通过主控界面实现对 仪器与系统的管理和控制一体化，实现仪器与系统的远程诊断和维护以及其它功 能。在l x i 总线仪器测控系统的控制软件实现技术研究中引入对组态技术实现方 法的研究，可以极大地提高控制软件的利用效率和系统的开发效率，为方便快捷 地构建综合性的测试系统提供必要的条件和手段，这对于l x i 总线技术在科研、 生产以及军事领域的应用都有着十分重要的实用价值。 本文对l x i 总线仪器测控系统控制软件中的组态软件实现技术进行了研究， 分析了l x i 总线仪器系统的网络发现机制，w e b 浏览器接口以及基于i e e e l 5 8 8 的时钟同步机制的公共特性。在此基础上，提出了l x i 总线仪器系统主机的控制 功能，并阐述了实现控制功能所要具备的前提条件及具体实现方法。本文提出了 一种组态软件架构方案，对l x i 总线仪器系统的组态软件进行了功能划分。详细 阐述了l x i 总线仪器系统中的i 仪器驱动程序和v i s a 。利用l a b v i e w 软件平 台开发出了适用于l x i 总线仪器系统的主控界面，并对各功能模块进行了详细描 述和分析。利用主控界面可以管理和控制在线仪器，通过网络浏览器可以对仪器 进行信息浏览和基本的配置。重点研究了基于v i s a 的仪器驱动模块，提高仪器的 可移植性和互操作性。 本论文介绍了目前已完成的情况，并对今后需要改进和完善的内容提出了设 想和建议。 关键字：l x i系统组态 i v i v i s ai e e e l 5 8 8 a b s t r a c t l x ib r e a k sd o w ng e o g r a p h i c a lr e s t r i c t i o n s ，i tu s e st h ef a s t - d e v e l o p i n ge t h e m e t t e c h n o l o t yt oa d a p tt ot h ed e m a n do fd i s t r i b u t e dt e s ta n dc o n t r o ls y s t e m s c o n t r o l s o f t w a r ei st h ec o r eo ft h ee n t i r es y s t e mi nt h ec o n s t r u c t i o no fl x id e v i c es y s t e m e a s y l o o k i n gm a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sr e q u i r e dt ob ep r o v i d e di nc o n t r o ls o f f w a r e s r e m o s tc o n t r o la n dm a i n t e n a n c ec a nb ea c h i v e dw i t ht h i si n t e r f a c e t h ei n t r o d u c t i o no f c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g yi n t ol x id e v i c es y s t e m sc a ng r e a t l yi m p r o v et h eu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c ya n dd e v e l o p m e n te f f i c i e n c yo fc o n t r o ls o f t w a r e ，t h u sc o m p l e xa n dl a r g e i n t e g r a t e dt e s ts y s t e mc a nb ee a s i l yc o n s t r u c t e d t l l i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho nt h er e a l i z a t i o no fc o n f i g u r a t i o ns o f f w a r e so fl x i d e v i c es y s t e m 、sc o n t r o ls o f t w a r e i ta l s oa n a l y z e st h el a n d i s c o v e r yi nl x is y s t e m ， w e bi n t e r f a c ea n dt h ep u b l i cp r o p e r t i e sb a s e do ni e e e15 8 8 o nt h i sb a s i s ，t h ec o n t r o l a b i l i t yo fl x ih o s ti sp r o m o t e d ，a n dt h ep r e c o n d i t i o na n dd e t a i l e dr e a l i z a t i o no ft h e c o n t r o lf u n c t i o na r el a y e do u t t l l i sp a p e r p r e s e n t sas o f t w a r ea r c h i t e c t u r ep r o g r a ma n d d e s c r i b e se a c ho ft h ef u n c t i o nm o d u l eo ft h em a s t e ri n t e r f a c e t h eo n 1 i n ei n s t r u m e n t s c a nb ec o n t r o l l e da n dm a n a g e db yt h em a s t e ri n t e r f a c e ，a n di n f o r m a t i o nb r o w s i n ga n d b a s i cc o n f i g u r a t i o nc a nb ed o n ev i at h ew e bb r o w s e r h i g h l i g h ti sp u to nt h ed r i v e r m o d u l eo fi n s t r u m e n t sb a s e do nv i s a ，s ot h a tt h ei n s t r u m e n t p o r t a b i l i t ya n d i n t e r o p e r a b i l i t yc a nb ei m p r o v e d t m sp a p e rp r e s e n t e dt h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e d u l i n go ft h i s s y s t e m ，a n dp u t f o r w a r dt h ep l a na n da s s u m p t i o no ft h eu n f i n i s h e dp a r ta n dt h ef i n i s h e dp a r tw o r t h yo f p e r f e c t i o n k e y w o r d ：l x i s y s t e mc o n f i g u r a t i o n i v iv i s ai e e e l 5 8 8 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它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做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期丝! ! ：! ：2 第一章绪论 第一章绪论 1 1l x i 总线技术概述 1 1 1 仪器总线的发展及特点 随着科学技术的迅猛发展，特别是由于电子技术和计算机技术的突飞猛进， 测试技术领域产生了巨大的变化。传统的独立或局部控制的仪器系统变得越来越 不适应。尤其是近几年网络技术的发展和深入普及，推动着仪器系统也朝着数字 化和智能化的方向发展，于是出现了以总线技术为基础的测试技术，也就是采用 智能仪器构建大型测试系统的关键技术。总线是传输信号或信息的公共途径，是 连接各硬件模块的基础。自上个世纪7 0 年代开始，平均每1 0 年测量领域就要推 出一种测量仪器总线标准。1 9 7 4 年出现了g p i b 总线，1 9 8 7 年出现了v x i 总线， 1 9 9 7 年出现了p x i 总线，总线技术在工业，军事，航空航天也越来越重要。 g p i b 总线：在1 9 7 2 年，由美国惠普公司提出的用于连接和控制多个可编程仪 器，组建自动测试测量系统。它解决了测量仪器之间、仪器和计算机之间的互联 问题。g p i b 总线的特点是：挂在同一根总线上设备总数不超过1 5 台；g p i b 总线的 数据传输采用双向异步传输方式，最大传输速率为1 m b s ；g p i b 总线系统内各个器 件通常在4 种模式下工作：听着模式、讲者模式、控制器模式、闲置模式；该总线 只传输控制命令和测试结果，不参与仪器内部运行。g p i b 总线具有高速、可靠和 系统组建方便等特点，广泛用于通信、雷达、过程控制等领域。g p i b 技术用计算 机实现对仪器的操作和控制，来替代传统的人工操作方式，从而促使了传统测量 向大规模自动测试系统方向迅速发展【3 儿引。 v x i 总线：1 9 8 7 年，c o l o r a d o 、d a t as y s t e m s 、h p 、r a c a ld a t a 、t e k t r o n i x 和 w a v e t e k 这5 家仪器公司联合推出了用于测量和测试的一种新型标准仪器结构一 v x i 总线。v x i 总线的开发是为了满足便携式应用的要求，而且它提供了一个标 准的模块结构，这个结构既可以集成到传统的基于g p i b 仪器的测试系统中，也可 以单独构成系统。v x i 总线最突出的特性在于它具有紧凑的尺寸、较高的数据吞 吐量及灵活方便的性能。v x i 总线有a 、b 、c 、d 四种尺寸，其中d 尺寸模块除 装有p 1 、p 2 连接器外，还装有p 3 连接器。在p 3 上定义了一个由两条星形线组成 的星形触发系统。同时为了满足测控模块的需要，v x i 总线同p 1 连接器提供了 1 6 m h z 的系统时钟，通过p 2 连接器提供了1 0 m h z 的时钟信号、t t l 及e c l 触发 总线、模拟相加总线和1 2 引脚的局部总线【5 】。 2l x i 仪器系统组态与控制软件实现技术的研究 p x i 总线：p x i 是p c i 总线在仪器领域的扩展，是一种用于测量和自动化系统 领域的基于p c 的模块化仪器平台。p x i 总线是为了适应日益复杂的仪器系统不断 提出的新需求，于1 9 9 7 年由n i 公司推出的一种开放的工业标准仪器总线，它结 合了p c i 总线的电气特性和c o m p a c t p c i 的坚固、模块化、欧卡机械特性，并且增 加了适合仪器使用的高精度星状触发总线、相邻模块间高速通讯的局部总线等硬 件特性和关键的软件特性，使其扩展成为一种用于测量和自动化系统的高性能、 低成本的开发平台，形成了一种新的虚拟仪器测试平台。这一平台可用于手动测 试、军事、航空、机械监控、汽车、工业测试等领域。p x i 继承了p c i 总线适合高 速数据传输的优点，支持3 2 位或6 4 位数据传输，最高数据传输速率可达1 3 2 m b s 或5 2 8 m b s 【6 1 。 1 1 2l x i 总线产生的背景及特性 随着被测对象和测试要求的复杂多样，现有的各种测试总线总是难以满足用 户需求。g p i b 仪器体积和重量大，数据传输率低，且要用g p i b 卡和电缆实现程 控，成本高；v x i 虽有小的体积和重量，但是也需要v x i 机箱、零槽控制器和1 3 9 4 火线接口卡才可以实现程控，构建系统成本高；p x i 虽然体积小、重量轻、成本低， 但是仪器品种有限，并且电磁兼容性差。通过对众多仪器供应商、工程师以及军 方等用户的调查，得到的需求结论几乎是一致的： ( 1 ) 降低系统集成的成本和复杂性，采用通用的p c 接口、总线及软件来简化 系统的搭建。 ( 2 ) 在保证系统紧凑的同时要保证仪器的性和兼容性，减少复杂的连线。 ( 3 ) 具备高速的i o 和多种触发方式，容易进行故障诊断，并且能自定义和集 成用户最常用的功能。 ( 4 ) 能够充分利用原有的g p i b 、v x i 、p x i 等标准或非标准仪器总线。 新一代模块化仪器总线一一l x i 正是在这样的背景下产生的。l x i ( l a n 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 ) 的概念由安捷伦科技公司和v x i 科技公司共同推出 的。l x i 是以太网技术在仪器领域的扩展，作为一种新型仪器的总线技术，它将目 前非常成熟的以太网技术引入自动测试系统，以替代传统的测试仪器总线。l x i 接口标准整合台式仪器的内置测量技术和个人计算机的标准i o 接口连接能力，构 成以太网基的模块式插卡测量系。它不受带宽、软件或计算机结构的限制，可靠 性高、紧凑灵活、成本低廉、性能优异、生命周期长。 l x i 总线具备的特性有： ( 1 ) 基于l a n 的大吞吐量和组网的优势。 ( 2 ) 融合了g p i b 堆叠上架( r a c ka n ds t a c k ) 与v x i 、p x i 模块化的工作方式。 第一章绪论 ( 3 ) 引入了i e e e l 5 8 8 同步时钟协议。 ( 4 ) 硬件快速触发能力。 这些特性基于用户对仪器的总线性能的需求而提出，可为测试与测量系统的 实现提供更理想的解决方案。 l x i 标准有l x i 联盟编写和控制，其目标是开发基于l a n 的标准仪器和相关 的外围器件。l x i 协议主要包含以下几方面的内容：物理规范、基于l a n 的同步 触发、数据通信格式、硬件触发、l x i 编程规范、与l a n 相关的规范- i ，a n 配 置、w r e b 人机接口、网络发现机制。 l x i 联盟将l x i 仪器分为以三个等级： 等级c ：也是l x i 仪器中的基本类型，支持i e e e 8 0 2 3 协议，具备l a n 的查 询功能和编程控制能力，支持i v i c o m 仪器驱动器，具有推荐的电源、冷却、尺 寸、指示灯和复位按钮。这类仪器提供标准的l a n 接口以及w ，e b 浏览器接口。 等级b ：拥有等级c 的一切能力，并加上i e e e l 5 8 8 时钟同步。因此可能实现 位于网络任何位置l x i 设备的亚微秒级同步。b 类还增加了对等和一对多的l a n 信息传送模式( b 类和a 类要求，c 类允许) 。 等级a ：拥有等级b 和c 的一切能力，同时具备硬件快速触发能力，触发性 能与机箱式仪器的底板触发相当，类似于v x i 的背板总线；这是8 路的低电压差 分总线，对相邻仪器能达到5 n s m 的定时精度。预期合成仪器将是符合a 类标准 的仪器。 ，。 1 2 系统组态概述 1 2 1 组态和组态软件的产生 在使用工控软件时，我们经常提到“组态”一词，组态( c o n f i g u r a t i o n ) 就是 更改应用软件内部的各种属性值，通过软件中提供的工具、方法来完成工程中某 一具体任务的过程。与硬件生产相似，组态就与组装比较相似，组态就是模块化 任意组合。 系统组态一般主要包括硬件的组态和软件的组态。而硬件的组态主要是硬件 的各个部件的组装，对于软件的组态要比硬件的组态灵活很多，有更大的发展空 间。它的“部件要比硬件的种类更多，而且每个“部件 都很灵活，因为每个 软部件都有自己的内部属性，通过对内部属性的改变就可以改变系统的功能，外 观等等。所以，在系统组态中，重点要考虑和解决的问题就是软件的组态。 在组态概念出现之前，要实现某一个任务，都是通过编写程序( 如使用b a s i c ， c ，f o r t r a n 等) 来实现的。在开发专业的工业控制软件时，当被控对象一旦有 4l x i 仪器系统组态与控制软件实现技术的研究 变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发的控制软件 又由于每个控制项目的不同而使其重复使用效率低，导致它的价格非常昂贵；在 修改控制软件的源程序时，若原编程人员因工作变动要离去，则必须同其他工作 人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当的困难。组态软件的出现针对上述 问题提出了一个崭新的方法，解决了传统工控软件中存在的种种问题，使用户能 根据自己的控制对象和控制目的任意组态。在过去需要几个月的工作，现在只需 要几天就可以完成。 在工业控制技术的不断发展和应用过程中，p c ( 包括工控机) 相比以前的专 用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：p c 技术保持了较快的发展速 度，各种相关技术已经成熟，由p c 构建的工业控制系统具有相对较低的成本。p c 的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强。基于p c 的控制系统易于学 习和使用，可以容易的得到技术方面的支持。在p c 技术相工业控制领域的渗透中， 组态软件占有非常特殊而且重要的地位。组态软件正是在这样的背景和需求下应 运而生，并且不断的发展和成熟，得到越来越广泛的应用。 1 2 2 组态软件的定义与特点 组态软件英文简称为h m i s c a d m m i ( h u m a na n dm a c h i n e i n t e r f a c e s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n m a na n dm a c h i n ei n t e r f a c e ) ，即 是：人机界面监视控制和数据采集软件，人们习惯称为“组态软件”。 简单定义：组态软件即是适用于某一领域的应用软件，用其提供的工具来形 成自己的作品或项目达到某一特定任务，并以数据文件保存作品，而不是执行程 - l j 予。 具体定义：组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自 动控制系统监控层级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提 供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件是一 种编程和组态的软件平台，支持多种通讯协议，为用户提供了多种硬件设备支持， 如p l c 、板卡、智能仪表等；利用组态软件提供的图形、趋势曲线、报警、数据 库、报表等功能模块，用户可以不用编程，通过“搭积木”的方式构建自己的系统， 特别适合自动化工程人员，不需要编程基础就可以快速为用户构建出界面美观、 功能强大的软件系统。另外，组态软件还提供了脚本功能，如类c 语言、类p a s c a l 语言，有的甚至支持v bs c r i p t 。为深层次用户提供了更加灵活和强大的功能。 组态软件组要包括人机界面软件( h m i ) 、基于p c 的控制软件以及生产执行 管理软件。 组态软件的特点：( 1 ) 延续性和可扩充性，用通用组态软件开发的应用程序， 第一章绪论 当现场( 包括硬件设备或系统结构) 或用户需求发生改变时，不需做很多修改即 可方便地完成软件的更新和升级；( 2 ) 封装性( 易学易用) ，通用组态软件所能完 成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，用户不需掌握太多的编程语言 技术( 甚至不要编程技术) ，就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；( 3 ) 通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备( p l c 、 智能仪表、智能模块、板卡、变频器等) 的i od r i v e r 、开放式的数据库和画面制 作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具 有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 组态软件的功能：( 1 ) 工业生产过程的动态可视化控制；( 2 ) 生产过程中生 产数据的采集和管理；( 3 ) 生产过程监控警报；( 4 ) 报表功能；( 5 ) 基于网络数 据的上传和相应控制。 1 2 3 组态软件的现状和发展 组态软件是在信息化社会的的大背景下发展起来的，随着i t 的发展而诞生， 发展起来。组态软件属于基础型工具平台，它给测试测量领域带来的自动化、信 息化、及社会信息化带来的影响是深远的。目前组态软件作为新生事物仍处于高 速发展时期。近年来，一些与组态软件密切相关的技术如：o p c 、o p c x m l 、现 场总线等技术也取得了飞速的发展，这些都是对组态软件发展的有力支撑。整个 自动化系统中，软件所占比重逐渐提高，虽然组态软件只是其中一部分，但其渗 透能力强、扩展性强。因此，组态软件具有很高的产业关联度，是自动化系统进 入高端应用、扩大市场占有率的重要桥梁。在这种思路的驱使下，西门子的w i n c c 在市场上取得巨大成功。目前，国际知名的工业自动化厂商如r o c k w e l l 、g ef a n u c 、 h o n e y w e l l 、西门子、a b b 、施耐德等均开发了自己的组态软件。在大学和科研机 构，越来越多的人开始从事组态软件的相关研究。从国内的行业和学术期刊来看， 以组态软件及与其密切相关的新技术为核心的课题呈上升趋势。目前，基于l i n u x 的组态软件及其相关技术也同样正在迅速发展中。 目前所有组态软件都可以完成类似的功能，例如，几乎所有运行于3 2 位 w i n d o w s 平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并且对控制系统中 的各种资源进行配置和编辑，都提供多种数据驱动程序，都使用脚本语言提供二 次开发的功能等等。从技术上说，各种组态软件提供实现这些功能的方法各不相 同，以p c 技术的发展趋势，可以了解到未来组态软件的发展趋势。 在组态环境的可扩展性上将会进一步提高，使得用户可以在不改变原有系统 的情况下，向系统内部增加新功能的能力。而增加功能最常用的手段是a c t i v e x 组 件的应用，目前只有少数组态软件可以提供完备的a c t i v e x 组件引入功能。在组态 6l x i 仪器系统组态与控制软件实现技术的研究 软件的开放性上也不再局限于仅对现场数据进行采集和监控。而会增加对现场的 大量数据进行流程分析和过程控制，实现对现场测试的调整和优化。而目前还只 能以报表的形式提供。 随着现代计算机网络的迅速发展，i n t e m e t 将会是实现远程监控和网上数据共 享的基础。组态软件能否从原有的局域网运行方式跨越到支持i n t e m e t ，以浏览器 方式通过i n t e m e t 对现场的监控，是摆在所有组态软件开发商面前的一个重要问题。 随着现在以p c 为核心的自动测试系统技术的日益完善和工程技术人员的技术水 平的不断提高，用户对组态软件的要求已不像过去那样主要侧重于画面，而是要 考虑一些实质性的应用功能，如软件p l c 、先进过程控制策略等。随着企业提出 的高质量和高效益的要求，组态软件的智能控制也成为开发和应用的热点。目前， 国内许多大企业纷纷投资，在装置自动化系统中实施先进控制。国外许多控制软 件公司和d c s 厂商都在竞相开发先进控制和优化控制的工程软件包。从上可以看 出能够嵌入先进控制和优化控制策略的组态软件必将受到用户的极大欢迎。 用户的需求促使技术不断进步，在组态软件上这种趋势体现得尤为明显。未 来的组态软件将是提供更加强大的分布式环境下的组态功能、全面支持a c t i v e x 、 扩展能力强、支持o p c 等工业标准、控制功能强、并能通过i n t e r n e t 进行访问的 开放式系统。 1 3 课题来源与研究内容 随着被测对象和测试要求的复杂多样，现有的各种总线总是难以满足用户要 求。g p i b 数据传输速率低、v x i 构建系统成本高、p x i 品种有限、电磁兼容性差。 而且现阶段大部分测试系统都受到地域限制，难以实现高精度的同步触发。l x i 总线的诞生打破了地域限制，利用近年来发展迅速的网路技术很好地适应分布式 系统。l x i 总线基于以太网技术，采用广泛使用的l a n 接口和w e b 界面，并使用 流行的编程软件，大大降低了构建测试系统的成本。同时还采用i e e e l 5 8 8 精密时 间协议达到纳秒级的同步，利用基于i 规范的i v i c o m 技术支持仪器的互换性。 与g p i b 、v x i 和p x i 总线相比，l x i 总线实现了速率、距离、性能、成本的最佳 平衡。更为重要的是，l x i 的优势将随着以太网和计算机性能的提高而日益明显。 l x i 基于l a n 的理念满足了现代测控技术发展要求：集成化、远程化、网络 化、虚拟化。在构建l x i 系统中，控制软件是整个系统的灵魂。控制软件作为一 种应用软件，也是随计算机的兴起而不断发展的。人们在使用控制软件时希望能 够提供直观的人机界面生成，实现管理和控制一体化，远程诊断和维护以及在互 联网上一系列的数据整合。于是在系统控制软件中引入了组态的概念。目前 l a b v i e w 和l a b w i n d o w s c v i 等应用软件开发环境都能比较方便地提供测试应用 第一章绪论 7 软件的组态生成。在l x i 仪器系统中引入组态技术，可以极大地提高控制软件的 利用效率和系统的开发效率，方便地构建大型复杂的综合测试系统。所以对l x i 仪器系统及其控制软件的研究对于实现测试测量的远程化、网络化、虚拟化有着 深远的意义。 课题来源于“基于嵌入式系统的l x i 仪器关键技术研究”项目。本课题的主 要研究内容：在主机上( p c 机) 研究通过网络访问和识别下位机模块的方法，利 用l a b v i e w 构建人机界面，在此基础上研究l x i 仪器系统组态。通过可编程仪器 标准命令s c p i 研究通过主机程控l x i 设备的方法。针对本课题的研究内容，安排 章节如下： 第一章是绪论部分，简述了测试总线发展历史和l x i 总线产生的背景及特性。 对系统组态进行了概述，尤其是对组态软件的概念、特点及功能详细描述。 第二章是l x i 总线公共特性的分析和研究。本章从l x i 仪器系统的网络发现 机制，w e b 接口，最佳主时钟的原理和选择以及l x i 总线同步机制这几个方面阐 述了l x i 总线的公共特性。 第三章主要是对l x i 仪器系统控制功能的研究与分析。先描述l x i 系统主机 对控制功能的要求，然后从l x i 的触发方式和程控命令s c p i 的主机实现方法这两 个关键技术进行研究。 第四章是关于l x i 仪器系统组态软件架构的研究。本章首先对l x i 仪器系统 进行组态功能的划分，然后重点对i v i 仪器驱动程序模块，虚拟仪器软件架构v i s a 和l x i 数据通信模块分别进行了研究。 第五章是对l x i 仪器系统的组态实现方法的研究。首先阐明在系统组态中采 用l a b v i e w 开发环境的优势，再开发出l x i 仪器系统的主控界面，并介绍其各部 分功能。最后对l x i 仪器系统中的仪器发现模块、公共特性模块以及基于v i s a 的仪器驱动模块的各实现方法进行研究。 第六章是总结与展望。 第二章l x i 总线公共特性的分析与研究 9 第二章l x i 总线公共特性的分析与研究 l x i 是以太网技术在仪器领域的扩展，是一种新型仪器总线技术。l x i 联盟将 符合l x i 标准的仪器又分为三个等级：a 类、b 类和c 类。三个等级的仪器都具 备各自的特性，同时又具有公共特性。公共特性是适用于所有仪器的特性，是仪 器都需要具备的最基本的特性。l x i 仪器系统主机通过公共特性可查看仪器的基本 信息，并对仪器进行最基本的控制功能操作。l x i 总线公共特性是l x i 仪器系统 组态实现的基础。 2 1l x i 仪器系统的网络发现机制 2 1 1l x i 基于以太网的优势 为了在现场实现分布式测试，充分掌握现场信息，让异地或者远程客户共享 信息是测试发展的方向，也是测试网络化的原始推动力。从而引入了目前应用最 广泛的局域网以太网。分布式实时控制及其确定性实现是网络化测试任务的 重要指标，也是一种网络技术。以太网在测试和测量领域的应用给网络化测试带 来了新的希望，它传输信息的性能、速度、质量是其它网络技术无法比拟的。以 太网属于基带总线局域网，其核心是带碰撞检测的载波侦听多址访问( c s m c d ) 通信机制。以太网用无源的电缆作为总线来传输数据帧。 在当今测试测量领域中，选取以太网作为构建新一代仪器总线的基础具有以 下两方面的原因： ( 1 ) 以太网是业界最稳定和生命周期最长的开放式工业标准，世界上绝大多 数计算机都支持以太网接口，而且其基础设施诸如网卡、集线器、电缆、光纤等 非常普及，价格也极为低廉，故基于此的l x i 系统组网成本要远远低于g p i b 、v x i 、 p x i 等其他测试总线。 ( 2 ) 以太网的错误检测、故障定位、长距离互连、高数据传输速率、树状拓 扑结构等特点与现有的其他总线相比优势明显，而且每年仍有数以亿计的人力、 物力投入，存在较大性能提升潜力。从本质上讲，l x i 是基于以太网i e e e 8 0 2 3 标准的接口技术，它确保仪器之间的通信，并且实现了仪器级的模块化。 在今天的测试和测量领域，人们希望能从任何地点、任何时间都能获得测量 数据的所有硬件、软件的有机结合，这已经远远超过了传统单个仪器的范畴，也 不是传统仪器的简单组合，必然少不了电子信息载体。而计算机信息数据通信网 络是现代最先进的电子信息载体，而其中以太网技术又是计算机网络通信中最为 广泛应用的技术。若把它用于仪器和测试系统的互联，便可以解决异地测试系统 1 0l x i 仪器系统组态与控制软件实现技术的研究 间通信的问题。通过以太网，在网络任何节点上的基于t c p i p 协议的网络工作站 计算机上就能同具有w e b 服务器的l x i 仪器通信，并控制仪器操作；能够通过众 多网络用户共享一个l x i 仪器系统，或在一个网络主机上控制几个l x i 测试系统。 这样，就可以摆脱测试在空间和时间上的限制，就能跨越一个建筑大楼、集团、 国家、或环绕全世界，共享l x i 仪器测试系统1 0 】【1 2 】。 2 1 2l x i 的l a n 特性 根据l x i 联盟颁布l 标准知道，l x i 仪器是基于以太网标准，具备标准的 以太网接口，融合了u d p 、t c p f l p 等多种传输协议，传输速率可高达1 0 0 m b i v s ， 随着千兆以太网的应用普及，其速率优势更加明显。 相对应于以太网的o s i 模型，l x i 具有以下l a n 特性：对应于o s i 模型的应 用层，l x i 从上至下包含用户应用程序、i v i c o m 仪器驱动、v i s a - c o mi o 库 以及v x i 1 1 协议。l x i 提供了基于w e b 的人机交互和程控接口，用户通过仪器自 带的w e b 浏览器就可以检查或修改仪器的配置，进行测量和观察结果。l x i 规范 使用i v i c o m 的仪器驱动规范( 也提供i v i c 的仪器驱动) 方便用户开发自己的 应用程序，这一驱动基于微软的c o m 体现结构，并可用于所有主流的编译环境 ( e x c e l 、v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 、l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 等) 。v x i 一1 1 为 基于以太网的仪器控制协议，它是对i e e e 4 8 8 总线的扩展，也就是通过t c p i p 发送i e e e 4 8 8 总线命令。这样，用户可以像使用s c p i 语句那样控制g p i b 仪器那 样实现对l x i 仪器的控制【l 3 。 在网络层，l x i 仪器可以通过动态主机配置协议咖h c p 支持i p 的自动配 置，也建议支持动态域名解析等功能。 在物理层，l x i 推荐支持a u t o m d i x 自动线序识别功能，确保仪器的网口能 兼容直通和交叉的两种网线。 由此可见，l x i 的l a n 接口可以完全兼容已有的以太网规范，几乎支持所有 的l a n 功能，实现了真正意义上的仪器网络化。 第二章l x i 总线公共特性的分析与研究 x s o o s l 分层模型 l 典型应用方便使用的工具 测试应用程序 w e b 服务器用于交互式的 配置和控制 i v i c o n 仪器驱动 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = v i s a c o mi o 库 和主流的编程语言无缝连 接 v 1 1 协议 自动发现 自动识别 d h c p ( 动态主机配置) 动态配置逻辑地址 d d n s ( 动态域名解析) 图2 1 对应o s i 网络分层模型的l x i 体系结构 2 1 3l x i 的l a n 配置 l x i 是l a n 在仪器总线上的扩展，l a n 是l x i 的技术基础。为了保证测试 系统的正常工作，则必须完成相关的l a n 配置。首先，l a n 配置的目的是为了 确保l x i 仪器能在局域网环境下正常工作，完成相关的测试动作，实现规范所定 义的各种触发和同步。其次，是能对保留的原仪器总线在测试中更方便的使用， 如仪器发现、仪器连用性及运行状态的实时监控等。最后，是为了满足网络特性， 配置相关的网络服务器，实现网页的浏览【1 4 】【1 5 】。 正确的i p 配置是实现l x i 的l a n 配置的重要前提，是其他配置技术实现的 基础。根据i p 配置技术不同，i p 配置的内容也有所差别。通常包括4 个部分：( 1 ) i p 地址的分配：在测试程序中，l x i 仪器被描述为如：“t c p i p ：1 0 8 6 2 4 2 1 3 5 ： i n s t r ”的形式，所以同一个子网下仪器的i p 地址不能重复，i p 地址的分配问题 是仪器i p 配置中的关键问题；( 2 ) 子网掩码的设置：用于标识多个仪器i p 地址是 否属于同一个网络；( 3 ) 网关( 4 ) d n s 服务器地址：d n s 服务器主要完成仪器 i p 地址和域名的转换，实现通过域名对仪器进行访问和控制，提高程序的可移植 性【1 引。 l x i 的l a n 配置就是指设备为获得i p 地址、子网掩码、默认网关和d n s 服 务器i p 地址等配置值所使用的机制。l x i 设备l a n 配置的方法有三种：动态主机 配置( d h c p ) 、默认i p 配置( a u t o i p ) 、静态i p 配置，l x i 仪器至少支持上述的 圈圈圈圈圈 1 2 l x i 仪器系统组态与控制软件实现技术的研究 一种i p 配置协议。d h c p 是自动分配i p 地址的方法，一般在e t h e m e t 路由器的大 型网络中使用；a u t o i p 也属于自动分配i p 地址的方法，在仅有一台计算机的小型 网络中使用；l x i 模块的i p 配置由静态i p 配置实现u 引。 静态i p 配置技术：由管理员完成仪器i p 配置，但是管理员必须保证在同一个 子网内的i p 地址不会发生冲突。随着子网内仪器的增加就会变得漏洞百出。 d h c p 配置技术是目前局域网最常用的i p 配置技术。它最突出的优势就是i p 地址的自动分配和其余参数配置的一次性完成。仪器在启动后寻找到子网中的 d h c p 服务器，同时向服务器发送请求，此时d h c p 服务器会向仪器提供i p 配置。 仪器根据服务器发送的d h c pa c k 消息确认可以使用此口配置。同时更新自己的 网络配置表。i p 配置内容可以通过参数配置表向服务器申请，默认的配置内容包 括i p 地址、子网掩码、网关和d n s 服务器地址。如果仪器重新进入网络的时候， 只需要向d h c p 服务器发送r e q u e s t 消息申请原i p 地址。d h c p 技术可以有效的 避免仪器i p 地址冲突，若同时配合d n s 能够很快地完成对仪器的定位。 a u t o i p 配置技术：d h c p 获取i p 地址失败时，可以使用a u t o i p 技术获取一 个唯一的i p 地址，i p 地址的分配范围从1 6 9 2 5 4 1 0 到1 6 9 2 5 4 2 5 4 2 5 5 ，在各地址 范围内的地址都是有效的。还可以使用支持t c p i p 的配置工具进一步修改网络地 址。使用a u t o i p 时，不使用子网划分，子网掩码为2 5 5 2 5 5 0 0 ，并且不可以更改。 在a u t o i p 配置中，由于口地址是随机给出的，所以当仪器重新介入时分配到的 是全新的m 地址，这不利于仪器的控制和程序的编写。 三种配置技术适用于各种l x i 测试系统的拓扑结构，但同时只能选择使用其 中的一种。若三种方法在系统配置的时候都被允许，那么可以按照d h c p 、a u t o i p 和静态i p 配置的顺序来选择。 2 1 4l x i 的l a n 发现与v x i 1 1 协议 l x i 标准表明l x i 系统主机是具有网络发现的功能。在同一个子网中，l x i 模块可以被自动发现。这就要求符合l x i 标准的设备必须支持l a n 查询功能， 从而使主控p c 能确认已连接的仪器。 目前，这种l a n 发现机制采用v x i 1 1 协议。v x i 1 1 协议是t c p i p 仪器协 议和接口映射规范，它是基于t c p i p 协议模型和客户机服务器架构。利用 o n c r p c 技术提供i o 通道给l x i 仪器的远程控制端，建立三个通道：同步消息 发送通道( c o r e ) 、异常中断处理通道( a b o r t ) 、中断请求通道( i n t e r r u p t ) ，实现 仪器间的信息传输。每个通道的功能如下图所示： 第二章l x i 总线公共特性的分析与研究 c o r e ( w ri r e r e a d ) n e t w o r kn e t w o r k i n s t r u m e n t a b o r t r i n s t r u m e n t c o n t r o l l e r ln t e r r u p t ( s r o ) d e v i c e 图2 2 网络仪器通道及用途 由上图可知，当仪器要进行s r q 请求时，客户端的角色就转变为服务器，而 服务器的功能就变为客户端。网络仪器协议使用三个通道在客户端和服务器端传 输数据，每个通道功能各不一样： 同步消息发送通道：发送除了中断和异常中断以外的命令，也即是传输一般 功能的命令。 异常中断处理通道：发送异常中断的消息，在异常情况出现时，向仪器发送 立即中断的消息，终止上一个命令。 中断请求通道：用来发送一般中断情况，进行s r q 请求 因为l x i 仪器支持v x i 1 1 协议，所以主机可以通过向子网广播远程过程调用 ( r p c ) 的呼叫实现网络中仪器的发现和识别。利用v x i 1 1 的网络发现机制可以 用于寻找网络设备的i p 、域名及其网络服务功能。对应于o s i 的模型的网络结构， v x i 1 1 也具有自己的通讯协议模型： 网络机构通信协议 应用层s a 应用层 v x i 11 表示层x d rr f c1 0 1 4 会话层 o n c i i 心cr f c1 0 5 7 传输层 t c pi u c7 9 3 网络层i pr f c7 9 l 数据链路层 e t h e r n e t 8 0 2 38 8 0 2 3 物理层 8 0 2 2 10 b a s e t8 8 0 2 3 图2 3v x i 1 1 通信协议模型 v x i 一1 1 协议规定了通过网络完成自动测试系统的途径和不同的接口规则，包 括t c p i p 仪器协议规范、t c p i p i e e e 4 8 8 1 、t c p i p i e e e 4 8 8 2 、t c p i p v x i b u s 接口规范四部分内容。v x i 1 1 协议通过1 7 种函数消息实现仪器的网络化功能。 1 4l x i 仪器系统组态与控制软件实现技术的研究 最上层的v i s a ( r t u a li n s t