（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器的高速水洞数据采集系统开发.pdf

两北丁业大学硕士学位论义论文摘要 摘要 西北工业大学高速水洞实验室自1 9 8 0 年代初投入使用以来，运行稳定、维 护良好，而其数据采集系统和现今科技已不匹配，有必要开发一套经济实用且相 对智能化的新系统来取代它。 结合计算机技术和传统测试技术发展起来的虚拟仪器，是当今乃至以后测试 系统的发展方向。美国n i 公司走在虚拟仪器的发展前沿，其p x i 系统和l a b v i e w 软件平台可以说是满足水洞数据采集系统改造的最佳组合。本文以虚拟仪器为切 入点，重点研究了高速水洞数据采集系统，并详细地给出了其硬件组成和基于数 据库的软件设计方案。 本文对数字滤波技术进行了讨论，提出了一种新颖的数字滤波方法，并通过 实验对其可行性进行验证。为弥补l a b v i e w 里数字滤波器子程序欠缺之不足， 本文研究了l a b v i e w 和v i s u a lc + + 环境下应用动态链接库d l l 技术对数字滤波 器进行开发的方法。 本文介绍了基于w e b 的网络化测试技术，并将开发的新系统提升到网络化 测试的层次。实验结果表明，测试系统的功能和性能基本达到了设计的要求，实 现了参数的自动化测试、处理以及网络测试功能，满足实际应用的需要。 关键字：测试系统虚拟仪器数字滤波l a b v i e w 数据库网络测试w e b 堕垄三些_ 大兰塑：! 兰竺笙兰 笙兰塑茎 av i r t u a ll n s t r u m e n t sb a s e dw a t e r t u n n e l d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er & do ft h ew a t e rt u n n e ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hi sb a s e do n t h ev i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y , t h ep a p e rp r e s e n t st h em e t h o dt od e v e l o pv i s y s t e m s t h ep a p e rr e s e a r c h e st h es o t c w a r es t r u c t u r ea n ds y s t e ma r c h i t e c t u r eo fv i ，a l s o p r o p o s e san e ws o f t w a r es t r u c t u r e i nw h i c ht h ee x c h a n g eo fd a t ac a nb ed o n ev i a d a t a b a s e t h es o t t w a r es t r u c t u r el o w e r st h ed e g r e eo fc o n j u n c t i o na m o n gs o f t w a r e m o d e l s ，m a k i n g t h et e s t i n gs y s t e me a s yt oa d a p tt of u r t h e rd e m a n d s b a s e do nt h er e s e a r c ho fd i g i t a l f i l t e r i n g ，t h ep a p e rp r e s e n t s an e wd i g i t a l f i l t e r i n gm e t h o da n da n a l y z e si t sf e a s i b i l i t y t h ep a p e r a l s oi n t r o d u c e st h em e t h o do f s u b r o u t i n ep r o g r a m m i n gt ol a b v i e ww i t hd y n a m i cl i n kl i b r a r y ( d l l ) s u p p o r t i n g k ss i g n i f i c a n tp r o p e r t y b ye x t e n d i n gd i g i t a lf i l t e rs u b r o u t i n e s ，i ts u p p l i e sag a pt o l a b v i e 、m c o v e r i n gn e t w o r k i n gt e s tf u n c t i o nt ot h i sa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h ep a p e rp r e s e n t s t h em e t h o do f n e t w o r k i n gt e s tb a s e do nw e ba n di n t r o d u c e si t sr e l a t i v et e c h n o l o g y t h cr e s u l to ft h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e m sf u n c t i o n sa n dc a p a b i l i t i e s c a t c ht h er e q u i r e m e n to ft h ed e v i s ea n da p p l i c a t i o n s c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a l m e t h o d ，t h en e ws y s t e ms t r i k i n g l yr e d u c e sm a n u a lw o r ka n di n c r e a s e st h et e s t a n d p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y k e y w o r d s ： t e s ts y s t e m ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ， d i g i t a lf i l t e r i n g ，n e t w o r k i n gs y s t e m ， l a b v i e w jd a t a b a s e ，w e b 1 1 西北工业大学硕上学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 序言 由于电子技术的迅速发展从客观上来说要求测试仪器向自动化方向发展，同 时电子技术及市场的发展也给测试仪器的自动化发展提供了可能。在这种形势 下，基于微型计算机的测试仪器逐步变得现实。 信息技术最重要的组成部分是虚拟技术、计算机通讯技术与网络技术，它们 被称为2 l 世纪信息技术中的三大核心技术。早在2 0 世纪8 0 年代，美国国家仪 器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p 简称n i ) 首先提出了虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t s ，简称v i ) 的概念：以计算机作为仪器统一的硬件平台，充分利用计 算机独立的运算、存储、调用、显示以及文件管理等智能化功能，同时把传统仪 器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机融为一体，这样便构成了一台 从外观到功能都与传统硬件仪器相同，同时又充分利用了计算机智能资源的全新 的仪器系统。 n i 公司对虚拟仪器的理解引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算 机和网络技术得以长驱直入仪器领域，并和仪器技术结合起来，从而开刨了“软 件即是仪器”的先河。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成，因此 国际上把这类型的仪器称为“虚拟仪器”。 虚拟仪器是仪器领域中的新概念，它使整个电测仪器领域从设计、制造、销 售、维修到服务、咨询都出现了一种全新的模式。虚拟仪器的出现，使传统的硬 件仪器受到了前所未有的巨大挑战，是2 0 世纪仪器领域中的一次划时代的事件。 它将在促进科技进步，创造良好的社会效益和极大的经济效益方面发挥卓越作用 并表现出强大生命力，是2 1 世纪电测仪器的发展方向。 1 2 研究背景及意义 西北工业大学航海工程学院高速水洞实验室建立2 0 年来，其实验设备和实 第3 页 西北工业人学硕i j 学位论文 第一章绪论 验方法都不断在更新和改进之中，但其数据采集和处理系统却相对落后，依然停 留在人工读取、记录和处理数据的阶段。具体说来，原系统及其数据处理手段存 在下列问题： ( 1 ) 人工读取和记录数据 其最大缺点就是工作量大，且不可避免的记录笔误将影响实验的准确性。 ( 2 ) 无法实时判断数据有效性 从以往的实验经历来看，某个时刻采集到的数据可能偏离预期值较远，此时 采集到的可能是无效数据，但由于没有及时发现异常而错过了从现场找出原因并 加以纠正的最佳时机。因此，有必要对采集到的各组数据中的每一个点实时地追 加绘制出曲线图，以方便观察和判断数据的有效性，还可以从总体趋势上判断出 实验的有效性。 ( 3 ) 无通用数据处理程序 以往对实验数据都是临时编制非界面化的小程序来进行处理，这样的缺点是 程序可读性差，影响效率。非程序制作者本人调用此程序来进行处理时，很可能 从读懂程序到会用其来处理数据所花的时间比重新编制程序所花时间还要多，某 种程度而言，这是一种浪费。 ( 4 ) 无统一的数据存储管理机制 水洞实验种类多、数据繁杂，需要处理的数据和许多环境因素相关，如果这 些数据没有一个妥善的记录存储办法，势必给数据处理增加了困难。数据没有统 一的保管也加大了丢失数据的风险。 ( 5 ) 缺乏网络测试手段 由此可见，开发一个经济实用且相对智能化的数据采集和数据处理系统对水 洞实验室而言是迫切需要的。 在当今计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造， 已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融 合的产物。虚拟仪器的突出优点在于能够和计算机技术结合，从而开拓了更多的 功能，具有很大的灵活性；且由于虚拟仪器的设备利用率高、维修费用低、能够 获得较高的经济效益。 第4 页 西北工监犬学 蕊士学位论文第一章缝论 n i 推出的虚拟仪器开发平台软件l a b w i n d o w s c v i 和l a b v i e w ，能够以其 遘漤筵便熬缡程方式、众多瓣滚羁级数设备驱蘸程黟、多秘多撵豹分褥窝表达功 能支持，为鞠户快捷翘构筑自己在实际生产中所需娶的仪器系统创造了基础条 件。使用虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需鼹重新构筑新的仪器系统。 为捷承灏实验室数攘集窝分辑避程逶瘟露代秘技，我翻逡越n l 兹震羧搜 器系统对原有采集系统和处理手段进行改造，致力于数据采集和处理的简单化、 统一化和高效化等，以最大限度地改潜水洞实验室的总体性能。 1 3 本文研究的主要内容 l 。3 1 论文的研究内容 本文研制基于虚羧仪器的高速承溺实验数据采集系统，著绘搿了系统豹调试 结论。针对系统中的数字滤波技术问题，提出了新的方法。实验表明，采用虚拟 仪器技术设计的高速承澜实验数据采鬃系统，在保诞系统可靠憔的髓提下也简化 7 实验遥程釉数据处理遥糕。 各章主疆内容如下： 第二章：分绍了虚拟仪器与传统仪器耀比的优势；介绍了虚拟仪器豹概念、 发展及英代袭往的软 譬l a b v i e w 等。 第三章：本章着重介绍了三个方丽的内容：p x i 的体系结构，包括其机械 特性、电气特性、软传撂准及控制方紧。对p x i 与p c i 、p c d a q 和v x i 憨 线结梅进行魄较。介绍了p x i 钵系结构的v 1 分类，玖对水澜数据采集系统 的硬件系统方案作出铺热。 第理露：零章 乍为戴论文的棱心内容，绘出了系统静软硬件详细设计方褰及 其实现，著遴过实验进行系统可行性验证。结合数据库基本原理，介绍了系统中 运用到的数据库技术。本肇还提出了一种新的数字滤波方法，并通过实验对其w 行蛙迷行了羧涯。 第五章：本章结合b s 和c s 模式的比较，详细介绍了基于w e b 的虚拟仪 器网络测试，同时介绍了网络测试功能的相关软件技术，最后给出了数据采集祭 第5 蕉 西托1 业大学硪j ：学位论文第一章绪论 统的w e b 测试方案。 鏊六黎：零章对全文逃学总结，劳绘窭彳睾者认为系统纛要改邀趣翅方。 1 3 2 论文的重点和难点 本论文的重点主要包含下面几个方瑟： ( 1 ) 系统嫒俘设计 根据水濑现有条件，该系统硬件j 夔以p c 机为核心，选用n l 公司的i o 设褥 完成被测信号的采集、放大和a i d 转换等，包括数攒荣巢卡( d a q ) 、p x i 1 0 0 0 b 总线褫箱、信芎调理籀班及d a q 卡的游端信号调臻模块( s c x i ) 。 ( 2 ) 数据采集与处理软件 数据聚集系统及处理较箨包括数搬采集软件帮数据处理软 孛嚣个独立模块， 能够完成参数输入、实时数据采集、数据曲线露显、实验数据有效性监控、数据 库存储、数据处理和实验报告自动生成等功能。 ( 3 ) 数据库系统开发 永洞实验数据量大，种类多而繁杂，包括与实验有关的环境数据、条件数据、 实验结果数据及相关数据曲线图表等。诼对这么多的数据信息无论是手工数据管 理还是文件鬈统謦理方式酆不旋有效媲缀织积管理数据。因避，数撵瘴兹嚣发雹 跫本文的研究重点之一。 ( 4 ) 数字滤波技术 没有绝对稳定豹承遮，遴此水溺天挚受力只僳涯菜范强内攘瓣稳定。菜炊 恣下不同时刻采集至的数据会有所波动，加之环境噪声干扰，所以采取什么用的 办法进行滤波处理才能获得比较满意的数据结果有待进一步研究。这同时也是本 文懿难点之一。 ( 5 ) 网络测试 网络技术的高速发展带动测试技术向网络化方向进军。为使水洞实验系统炭 瑷拐多潮终纯，零文遣将v l 测试系绞瓣戆终功馋兔重点窝难纛磺究对象之一。 本论文的技术难点主嚣包含下面几个方面： ( 1 ) 软件结构的规范化与合理性 第6 受 两北工业大学硕士学位论文第一章绪论 软件主体上采用l a b v i e w 实现，某些部分用s q l 、标准c 语言或是v i s u a l c + + 辅助编程以弥补图形编程的某些劣势。多种语言混合编程给系统的集成性增 加了难度。加之l a b v i e w 自身特点决定了构造合理的软件结构框架相对较难， 尤其是对于复杂系统更是难以把握。 ( 2 ) 数据库结构设计 建立一个完善的水洞数据库需要考虑的因素很多，因此合理的结构设计成了 数据库系统的难点。 ( 3 ) l a b v i e w 对数据库的操作 文本语言s q l 运用在图形化编程语言l a b v i e w 里虽有其优势，但也增加了 操作的复杂性和软件复杂性。 ( 4 ) 数字滤波技术 ( 5 ) 基于w e b 的网络测试实现技术 本章小结 本章主要介绍了对高速水洞实验室数据采集系统进行改造的背景和意义以 及选择n i 的虚拟仪器系统作为开发工具的优势，同时也指出了本论文的主要研 究内容和重点难点。 第7 页 西北工业大学硕士学位论文 第一章虚拟仪器概述 第二章虚拟仪器概述 随着产品结构的日趋复杂，产品性能的不断提高，以及市场对成本、时效性 限制的日益严格，产品的测试问题已成为大家关注的焦点。在纷繁的测试产品中， 哪一款才最合您意呢? 最佳选择当然是虚拟仪器( v i ) ，这是因为v i 系统能更迅 捷、更经济、更灵活地解决测试问题。那么，v i 到底是什么呢? 2 1 虚拟仪器 2 1 1v i 的概念 通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户通过友好的图形界面 ( 通常叫做虚拟前面板) 操作此计算机，如同操作自己定制的一台传统仪器一样 简单方便，这样的测试系统就是v i 。v i 以透明的方式把计算机资源( 如微处理 器、内存、显示器等) 和仪器硬件( 如a d 、d a 、数字i o 、定时器、信号调 理等) 的测量、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分析处理、表达以 及图形化用户接口，如图2 1 所示。 嚣数獭薏纂；鋈；| | 粪滋鬟蠢鬻麟i鬻i 囊囊睡豢趱囊 j j 潦程懿瓣! i 妻曩缓，y | | | 嚣妻蹶飘i i 数据采集卡 l _数字信号处理l 八 网络 g p i br 叫 数字滤波r 叫 硬拷贝输出 v x i 统计文件f o r s 2 3 2 数据分析图形用户接口 图2 1 虚拟仪器的内部功能划分 应用程序将可选硬件( 如g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 、d a q 板) 和可重复使用原 码库函数的软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。原码库函 数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。由于虚拟仪器的模块 第8 页 西北工业夫掌硕士学位论文 第二章虚拟仪器概述 化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时，可以 方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要 求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的虚拟仪 器系统而不丢弃已有的硬件和软件资源。 随着虚拟仪器驱动程序标准化及软件开发环境的发展，代码复用成为仪器编 程中的基础，这意味着用户可以避免仪器编程过程中的大量重复劳动，从而大大 缩短复杂程序的开发时间。 2 1 2 v i 的构成 图2 2 虚拟仪器系统的构成 从构成要素讲，虚拟仪器系统( 如图2 2 所示) 是由计算机、应用软件和仪 器硬件组成的；从构成方式讲，则有以d a q 板和信号调理为仪器硬件而组成的 p c d a q 测试系统，以g p i b 、v x i 、s e r i a l 和f i e l d b u s 等标准总线仪器为硬件 组成的g p i b 系统、v x i 系统、串口系统和现场总线系统等多种形式。无论哪 种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到各种计算机平台( 如：笔记本电脑、台 式p c 或工作站等) 加上应用软件而构成的。 2 i 3 v i 的发展 电子测量仪器经历了由模拟仪器、带i e e e a 8 8 接e l 的智能仪器到全部可编 第9 页 西北工业太学倾l 学位论文 站_ 二章虚拟仪嚣概述 程虚数仪器弱发展历程。其中每一次飞跃无不嗡裹性魏诗算掇瓣发展为动力。近 年来，计算机的处理熊力一直按指数率提高，发媵之快已把传统仪器远远撇在了 后面。到现在为止，p c 机的c p u 时钟频率已缀超过4 g h z 。此外，功能强大的 r i s c 蹙瑷器( 趣据p o w e r p c 、s p a r e 、a l p h a 稻p a r i s c ) 和宠遴鹃揉馋系绫( 磐 w i n d o w s2 0 0 0 p x p 、l i n u x 等) 在台式机中得到了迅速发展。计算机具有仪器所 需要的、爆先进及性能价格比最好的显示与存储自r 力。高分辨的图形显示与超大 容量数璇爨塑己残为搽准配置。 具有超过l g h z 、甚至2 0 g t t z 采样率，高达4 8 b i t s 精度的d a q 板已经面 市。a d 转换技术、仪器放大器、抗混叠滤波器与信号调理技术的进一步发展 霞d a q 援卡残表最爨啜弓l 力黎震羧仪爨选 孛之一。模袭纯熬d e l t a - s i g m a a d 转 换器和仪器放大器可在31 1s 内完成1 2 b i t s 精度下的参数设鼹，抗混叠滤波器可 按t 6 倍频程衰减9 0 d b ，多通道、完全可编程的信号调理等性能与功能指标仅 覆是d a q 扳卡先送搜零毪戆孛戆a 个爨予。 给寇计算机的运算能力和必簧的仪器硬件之后，构造和使用虚拟仪器的关键 在于应用软件。这是因为应用软件为用户构造或使用虚拟仪器提供了集成开发环 凌、议瑟疆 孛接强黧瘸户接叠。 应用软件最流行的趋势之一是图形化编程环境。最早应用网形化编程技术开 发虚拟仪器始于n i 公司的l a b v i e w 。目前面市的图形化v i 框架有l a b v i e w 和 h p 公巅瓣v e e 。应受撵塞，整形纯开发骂襞等窝形诬虚羧仪器疆檠是不瓣鹣， 其主要区别在于用其廉拟仪器组件开发可复用原码模块的能力，后者的这些原码 模块必须具有被其它原码模块继承调用的能力( 如图2 1 3 所示) 。 逶过寝震程痔箍供的仪器硬 孛羧弱，蔫户霹叛震透臻戆方式搽 # 纹器硬释。 这样，用户不必成为g p i b 、v x i 、d a q 或r s 2 3 2 方面的专家，就可以方便、 有效地使用这类硬件。控制诸如万用表、示波器、频率计等特定仪器的软件模块 藏是翡谬豹纹器驱韵程序( i n s t r u m e n t d r i v e r s ) ，糯在已经藏菇斑月较释毽鹣标准 组成部分。这些驱动弦序可以实现对特定仪器的控制与通信，成为用户建立虚拟 仪器系绕的基础软件模块。而以往用户必须通过学习各种仪器酶命令集、编程选 项霸数攥嵇式等方链滋行仪器编稔，采弱标准 乏豹役器驱动稔痔鼹根本上游除了 辅1 0 页 西北工业人学硕士学位论文 第二章虚拟仪器概述 这种仪器编程的复杂过程，使用户能够把精力集中于仪器的使用而不是仪器的编 程。正是由于仪器驱动程序的这些重要作用，使它成为应用软件供应商之间的一 个主要竞争领域。这种竞争给用户带来的一个方便之处，就是几乎任何一个有标 准接口的仪器都有现成的驱动程序可供利用。 “一： l 虚拟仪器i i ： l 图2 3v i 应用软件的可复用原码模块继承性调用能力 除仪器硬件接口( 即仪器驱动程序) 是虚拟仪器应用软件的标准模块之外， 用户接口开发工具不仅是通用语言的标准组成部分，而且也已成为虚拟仪器应用 软件的标准组成部分。在传统的程序开发中，用户接口的开发一直是最耗时的任 务，而且如何编写从用户接口响应输入、输出的应用程序，其复杂程度无异于学 习一种新的语言：而现在虚拟仪器软件不仅包括诸如菜单、对话框、按钮和图形 这样的通用用户接口属性，而且还具有象旋钮、开关、滑动控制条、表头、可编 程光标、纸带记录仿真窗和数字显示窗等虚拟仪器应用接口属性。即便是应用面 向对象语言( 比如v i s u a lb a s i c 和v i s u a lc + + ) 来开发虚拟仪器，实现这些属性 的用户接口也是非常困难的。 可见，虚拟仪器的发展已经完全跟上计算机技术的发展步伐，同时也显示出 虚拟仪器的灵活性与强大生命力。 2 1 1 4v i 的技术优势 今天的测试领域面临着三大挑战：测试成本不断增加、测试系统越来越庞杂 第1 1 页 西北工业大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器概述 以及对测试投资的保护要求越来越强烈。无论大专院校、科研单位还是工厂，目 前都存在各种各样、互不相同的测试系统。这些测试系统往往既不兼容。又不能 共享软、硬件资源，即使在同一个单位，这种状况也是屡见不鲜。造成这种状况 的根源在于传统仪器无法向用户提供统一的测试策略。 面对这些挑战，用户最可能的做法是试图选用标准化硬件平台( 如v x i 或 p x i 平台) 。硬件的标准化可以部分地降低测试成本，但作用是非常有限的。而 使用虚拟仪器则可以大大缩短用户软件的开发周期，增加程序的可复用性，从而 降低测试成本。 表2 1 给出了虚拟仪器与传统仪器的比较，其最主要的区别是虚拟仪器的功 能由用户使用时自己定义，而传统仪器的功能是由厂商事先定义好的，且虚拟仪 器的图形化编程平台主要是面向科学家与工程师而非专业软件开发人员。 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 关键是软件关键是硬件 价格低、可复用与可重配置性强价格昂贵 用户定义仪器功能厂厂商定义仪器功能 开放、灵活，可与计算机技术保持同封闭、固定 步发展 与网络及其它周边设备方便互联的功能单一、互联有限的独立设各 面向应用的仪器系统 虚拟仪器的巨大优势与其技术特点是密不可分的： 1 、虚拟仪器的硬件、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及互换性等 特点。用户可以方便地来构造自己的v i 系统，选择统一的测试策略，通过增减 硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足各种不同的测试要求，同时使用户的 第t 2 页 西北工业人学硕士学位论文 第二章虚拟仪器概述 测试投资在未来仍能得到可靠保护。 2 、计算机技术是虚拟仪器发展的动力。计算机具有仪器所需要的、最先进 及性能价格比最好的显示与存储能力，同时，由于计算机技术、特别是计算机总 线标准的发展导致v i 在p x i 和v x i 两个领域中得到了快速的发展。 3 、软件是虚拟仪器技术发展的关键。由于p c 能提供远胜于仪器的处理能 力，给定计算机的配置和必要的仪器硬件之后，用户就可以通过软件构造几乎任 意功能的仪器。 2 2l a b v i e w 介绍 美国n i 公司开发的l a b v i e w 从用户角度出发，不仅内含各种仪器驱动程 序，而且提供大量实现数据处理的函数集和用户界面编程工具集。作为专用的 v i 软件开发工具，它隐含了对设计v i 时所面临多种困难的考虑，并鲜明地体现 着简化设计的过程，节省人力、物力，也提高了工作效率。 归纳起来，l a b v i e w 主要有以下特点： 集成开发平台 l a b v i e w 将源码编辑、3 2 位a n s ic 编译、联结、调试以及标准a n s ic 库等集成在一个可交互的开发平台中：可生成可执行文件在w i n d o w s 和u n i x 等操作系统中运行。l a b v i e w 建立在开放式软件体系结构之上，采用事件驱动 和回调函数方式编程，为用户在原来c 语言开发的基础上建立虚拟仪器系统提 供了完善的兼容性和灵活性。 设计用户界面轻松自如 l a b v i e w 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面。l a b v i e w 中内 建了大量的仪器控制面板的控制对象，如表头、旋钮、图表、示波器等，用户还 可以通过控制编辑器将现有的控制对象修改成适合自己工作领域的控制对象。 编程环境灵活方便 l a b v i e w 提供了代码生成器和函数面板两种编程工具。代码生成器可以自 动生成应用程序各种框架；函数面板可以使用图标化的流程图式进行编程，而不 需书写代码。它还提供了运用动态链接库技术调用其它高级语言程序的机制。 第1 3 页 西北工业大学硕士学位论文 第二章虚拟仪器概述 库函数功能强大 从基本的数字函数、字符串处理函数、数组运算函数和文件i o 函数，到高 级的数字信号处理函数和数值分析函数：从底层的v x i 或p x i 仪器、数据采集 和总线接口硬件的驱动程序到世界各大仪器厂商的g p i b 仪器的驱动程序， l a b v i e w 软件包里都有提供。 使用l a b v i e w 开发的v i 包括三个部分：程序前面板、框图程序和图标连 接器。如图2 4 所示程序前面板用于设置输入数值和观察输出量，用于模拟真实 仪表的前面板。在程序前面板上，输入量被称为控制( c o n t r o l s ) ，输出量被称为 显示( i n d i c a t o r s ) 。控制和显示是以各种图标形式出现在前面板上，如旋钮、开 关、按钮、图表、图形等，这使这得前面板直观易懂。 图2 4 虚拟仪器程序的前面板 每一个程序前面板都对应着一段框图程序，如图2 5 所示。框图程序用 l a b v i e w 图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。框图程序由 端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递 数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令， 而连线则代表了程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数据流动方向。 第1 4 页 西北工业大学硼十学位论文 第二= 章虚拟仪器概述 图标连接器是子v i 被其它v i 调用的接口。图橼是子v i 在其他程序框图中 羧淫矮弱节点表璎形式；巍连接器翻表示节点数据| l 冬辕入，臻整瓣，藏象函数弱 参数。用户必须指定连接器端口与前面板的控制和鼹示一一对应。连接器一般情 况下隐含不姓示，除非用户选择打开观察它。 强2 。5l a b v i e w 静框鹜程侉 l a b v i e w 的强大功能归因于它的屡次化结构，用户可以把创建的v i 程序当 乍子程序调用，以创建更复杂的程序，丽这种调用的层次是没有限制的。 2 3 结束语 v i 技术经过十余年的发展，正沿饕总线与驱动程岸的标准化、硬，软件的模 块纯，以及绦程平台数甏澎纯黎硬佟搂浚褥瑟插辩瑙( p 强g & p l a y 饯等方自发震。 现在，v i 技术在发达国家的应用已非常普及，而我国基本上还处于传统测试仪 器与计算机互相分离的状态。因此，从引进国外先遴的v i 技术和产品人手，大 力推广v l 鼹应蘑，无论辩黯速发震我醚鑫己魏龟子佼器工业，还蹩提高我稻懿 测试水平都鼹有益的。尽快掌握和运用这一技术，才能够紧跟时代步伐，提高测 试和测控系绽的技术水平。 本章小结 本章主鼹介绍了虚拟仪器的概念、发展和虚襁仪器与传统仪器相比之优势， 同时也介绍了虚拟仪器的代表性软件l a b v i e w 的概念、优势及其编程特点等。 第t 5 嚣 西北下业大学硕士学位论文第= 章p x l 体系结构 第三章p x i 体系结构 3 1 序言 自1 9 8 6 年美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司推出虚拟仪器( v i ) 的概念以来， v i 这种计算机操纵的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同与应用。 在v i 系统中，用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智 力资源代替许多物质资源，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和 测量特征的解析，使仪器中的一些硬件、甚至整件仪器从系统中“消失”，而由 计算机的软硬件资源来完成它们的功能。 随着v i 的出现与普及，用户有更多的机会选用不同厂商的功能模块来设计、 构造自己的测试系统。这固然为用户自由发挥其测试或测控才能提供了必要的技 术与物质基础，同时也要求用户能更准确地理解v i 不同功能模块对系统性能的 影响。 图3 1 不同硬件平台与计算机的结合 图3 1 把v i 的内部功能划分成数据采集与控制、数据分析和数据表达式三 个功能模块。按数据采集激励模块所用仪器硬件的不同，v i 可分为g p i b 、 p c d a q 、v x i 和p x i 等不同的体系结构。各种体系结构的v i 都能和计算机共 享系统资源，如利用计算机的系统内存、d m a 和中断资源进行数据采集：利用 第1 6 页 圈阅嘲 西北t 业大学硕十学位论文第三章p x i 体系结构 计算机的微处理器和系统内存进行数据分析与处理；利用计算机的显示器和图形 能力进行人机交互等。然而，不同体系结构的v i 与计算机共享系统资源的程度 是不同的。或者说，每种体系结构的功能模块在计算机与仪器之间的分布是不同 的。如图3 1 所示，p c d a q 和v x i 体系结构的v i 已完全和计算机结合在一起 来完成仪器功能，从而实现真正的v i 体系结构。 1 9 9 7 年9 月1 日，n i 发布了一种全新的开放性、模块化仪器总线规范p x i ， 它是p c i 在仪器领域的扩展( p c ie x t e n s i o n s f o r i n s t r u m e n t a t i o n ) ，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 i 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测试要 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 tw i n d o w sn t 和 m i c r o s o f tw i n d o w s9 x 2 0 0 0 x p 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。 虽然v i 的功能是由用户自己定义的，但其所能达到的性能指标和系统能力 不仅与采集模块的数字化能力有关，而且与其体系结构有关。因此，选择哪种总 线技术是组建测控系统时首先考虑的问题。在g p i b 、p c d a q 、v x i 和p x i 四 种体系结构中，g p i b 实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展与延伸，其体 系结构的系统性能赶不上p c d a q 和v x i ；p c d a q 直接利用了标准的工业计 算机总线，没有仪器所需要的总线性能，且受到通用工业标准计算机结构尺寸的 限制，其数字化能力低于g p i b 和v x i 仪器模块；v x i 和p x i 系统性能最好。 其实，v x i 和p x l 之间的差别比较微妙，很难说哪一个更好，但构建一个 v x i 系统投资太大。从价格上考虑，优先选择p x i 系统，而对于更大型、复杂 第1 7 页 西北工业人学硕士学位论文 第三章p x i 体系结构 的应用，v x i 可能怒难一的选择。对于承涸数据采集系统米滋，其具体躲应餍 要求、项目的复杂程度、要求的逡度和预算都决定了选择p x i 作为v i 体系结构 最符合实际。 3 2p x i 枫藏规范及特性 由c o m p a c t p c i 舰范引入的e u r o c a r d 坚固封装形式和高性能的i e c 连接器被 应用于p x i 所定义的孤械规范，彼p x i 系统鬟逑予在工业环撬下使用，聪虽遣 更易予滋行系统集成。p x i 提供了酒条与c o m p a c t p c i 标准浆容的途径： p x i 应用了与c o m p a c t p c i 相同的、一崴被用在象远躐离通讯等高一陂能领 域靛褰级锋座连接器系绞。这耱蠢i e c - 1 0 7 6 拣礁定义款离密寝( 2 r a m 阕疑) 阻 抗匹醚连接器可以程备种条件下掇供尽可能簿的电气性能。 p x i 和c o m p a c t p c i 的结构形状完全采用了a n s i3 10 - c 、i e c 2 9 7 和 i e e el1 0 1 。l 等在工渡环境下其蠢缀长应用历史敫e u r o c 嚣d 痰蓬。i e e e l l 0 1 1 0 和i e e e l l 0 1 1 l 等簸新的e u r o c a r d 规范中所增加的电磁兼容性( e m c ) 、用户可 定义的关键机械要索以及其它有关封装的条款均被移植到p x i 规范中。 这赭电子封装檬猴蘑定义敬坚瓣嚣紧凑豹系统特性傻p x l 产晶可敬安装在 堆叠式标准机柜上，并保证在恶劣工业环境中成用时的可靠性。 3 。3p x l 的电气性能 许多仪器应用场合需要而i s a 总线、p c i 总线或c o m p a c t p c i 背板总线 所没有的系统定时能力，p x i 总线通过增加专门的系统参考时钟、触发总线、星 形触发线和模块阕鲍弱帮总线来漩蹩毫精度定瓣、同步与数攥逶售要求。p x i 僳 持p c i 总线所有优点，但系统舆商多达八个的扩展槽( 一个系统槽和七个仪器 模块槽) ，而绝大多数台式p c i 系统仅有三个或四个p c i 扩展槽。除了这点差别 羚，p x i 总线与p c i 缎范其有完全稷嚣懿p c i 瞧辘。焉虽，零莲lp c i p c i 蹬技术 扩展多台p x i 系统，可以使扩展糟的数量理论上最多能扩麟到2 5 6 个。其它的 p c i 性熊还包括： 3 3 m h z 瞧缝 第1 8 页 两北工业大学硕士学位论文笫三章p x l 体系结构 3 2 - b i t 和6 4 b i t 数据宽度 1 3 2 m b s ( 3 2 一b i t ) 和2 6 4 m b s ( 6 4 - b i t ) 的峰值数据吞吐率 即插即用功能 3 3 1 参考时钟 p x i 规范定义了将1 0 m h z 参考时钟分布到系统中所有模块的方法。该参考 时钟可被用作同一测量或控制系统中的多卡同步信号。由于p x i 严格定义了背 板总线上的参考时钟，而且参考时钟所具有的低时延性能使各个触发总线信号的 时钟边缘更适于满足复杂的触发协议。 3 3 2 触发总线 p x i 不仅将e c l 参考时钟改为t t l 参考时钟，而且只定义了8 根t t l 触发线，不再定义e c l 逻辑信号。这是因为保留e c l 逻辑电平需要机箱提供 额外的电源种类，从而显著增加了p x i 的整体成本，有悖于p x i 作为2 l 世纪 主流测试平台的初衷。 使用触发总线的方式可以是多种多样的。例如，通过触发线可以同步几个不 同p x i 模块上的同一种操作，或者通过一个p x i 模块可以控制同一系统中其它 模块上一系列动作的时间顺序。为了准确地响应正在被监控的外部异步事件，可 以将触发从个模块传给另一个模块。一个特定应用所需要传递的触发数量是伴 随事件的数量与复杂程度而变化的。 3 3 3 星形触发 p x i 星形触发总线为p x i 用户提供了只有v x id 尺寸系统才具有的超高性 能同步能力。如图3 2 所示，星形触发总线是在紧邻系统槽的第一个仪器模块槽 与其它六个仪器槽之间各配置了一根唯一确定的触发线形成的。在星形触发专用 槽中插入一块星形触发控制模块，就可以给其它仪器模块提供非常精确的触发信 号。当然，如果系统不需要这种超高精度的触发，也可以在该槽中安装别的仪器 模块。 应当提出，当需要向触发控制器报告其它槽的状态或报告其它槽对触发控制 第1 9 页 西北工业人学硕士学位论文 第三章p x i 体系结构 星型触发 图3 2p x i 总线电气性能 信号的响应情况时，就得使用星形触发方式。p x i 系统的星形触发体系具有两个 独特的优点：一是保证系统中的每个模块有一根唯一确定的触发线，这在较大的 系统中，可以消除在一根触发线上组合多个模块功能这样的要求，或者人为地限 制触发时间；二是每个模块槽中的单个触发点所具有的低时延连接性能，保证了 系统中每个模块间非常精确的触发关系。 3 3 4 局部总线 如图3 2 所示，p x i 局部总线是每个仪器模块插槽与左右邻槽相连的链状总 线。该局部总线具有1 3 线的数据宽度，可用于在模块之问传递模拟信号，也可 以进行高速边带通讯而不影响p c i 总线的带宽。局部总线信号的分布范围包括从 高速t t l 信号到高达4 2 v 的模拟信号。 3 4p x i 的软件标准 像其它的总线标准体系一样，p x i 定义了保证多厂商产品互操作性的仪器级 ( 即硬件) 接口标准。与其它规范所不同的是p x i 在电气要求的基础上还增加了 第2 0 页 陋北工业人学砸l ：学位论文 籍三章p x i 体系结构 相应的软件要求，以进一步简化系统集成。这些软件鼹求就形成了p x i 的系统级 ( 蘩簌 孛) 接口标准。 p x i 的软件要求包括支持m i c r o s o f tw i n d o w sn t 和w i n d o w s 9 x 2 0 0 0 x p 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( c o n f i g u r a t i o n 濑f o r m a t i o n ) 稿支持器濮豹王韭牙发强凌( 魏n l 豹l a b v i e w 、l a b w i n d o w s c v i 和m i c r o s o f t 的v c c + + 、v b 和b o r l a n d 的c + + 等) 、而且符合v i s a 规范的设备 驱动程序( w 1 n 3 2d e v i c ed r i v e r s ) 。 霹其它没有较俘酥礁瓣王壁总线磺终厂亵寒巍，德爨逶鬻不囱建户搀供箕汲 蔷驱动程序，用户通常只能得到一本描述如何编写硬件驱动程序的手册。用户自 己编写这样的驱动程序，其工程代价太大。而p x i 规范要求厂商而非用户来开发 标准兹设蚕驱动程疼，壤p x i 系统曼容荔集或帮使弱。 p x i 规范还规定了仪器模块和机箱制造商必须提供用于定义系统能力和配 置情况的初始化文件等其它一些软件臻求。初始化文件所提供的这些信息是操作 较件震柬正确糙餮系统必不霹少豹。饲懿，透过这耱聿踅潮，可；冀确定相邻仪器攘 块是否具有兼容的局部总线能力。如聚信息不对或者丢失，将无法操作和利用 p x i 的局部总线能力。 勇羚，p x i 系统可敬款众多可稳穗静较 孛中获藏，始运行在替遴p c 橇上貔 应用软件和操作系统就可以在p x i 系统上运行。 3 。5 p x i 体系结构的分类 p x i 总线v i 首先是一个p x i 总线系统，根据主拄计算机和p x i 机箱的位鼹 关系，可分为外挂式和内嵌式两种。 1 ) 羚接式 主控计黧机位于p x i 机箱之外，两者通过g p i b 总线电缆、m x i 总线电缆 或i e e e l 3 9 4 连接。 g p i b 总线式：该羧瓣方案静缀传毽耩捶予逶糟诗算瓿靛g p i b 接习馥， 位于p x i 机箱零槽的g p i b