虛擬測(cè)試系統(tǒng)

第九章虛擬測(cè)試系統(tǒng)第九章虛虛擬擬測(cè)試系系統(tǒng)虛擬儀器的基本概念虛擬儀器的硬件9.2虛擬儀器的軟件9.19.39.4虛擬儀器器的應(yīng)用用第九章虛虛擬擬測(cè)試系系統(tǒng)現(xiàn)代汽車車測(cè)試儀儀器儀表表技術(shù)是是計(jì)算機(jī)機(jī)技術(shù)和和多種基基礎(chǔ)學(xué)科科緊密結(jié)結(jié)合的產(chǎn)產(chǎn)物。隨隨著微電電子技術(shù)術(shù)、計(jì)算算機(jī)技術(shù)術(shù)、軟件件技術(shù)、、網(wǎng)絡(luò)技技術(shù)的飛飛速發(fā)展展，新的的測(cè)試?yán)砝碚摗y(cè)測(cè)試方法法、測(cè)試試領(lǐng)域以以及新的的儀器結(jié)結(jié)構(gòu)不斷斷出現(xiàn)，，在許多多方面已已經(jīng)沖破破了傳統(tǒng)統(tǒng)儀器的的概念，，電子測(cè)測(cè)量?jī)x器器的功能能和作用用發(fā)生了了質(zhì)的變變化。在在此背景景下，1986年美國(guó)國(guó)國(guó)家儀器器公司(NationalInstruments，NI)開(kāi)發(fā)出了了虛擬儀儀器。虛擬儀器器(VirtualInstrument，VI)是現(xiàn)代計(jì)計(jì)算機(jī)技技術(shù)和儀儀器技術(shù)術(shù)深層次次結(jié)合的的產(chǎn)物，，是當(dāng)今今計(jì)算機(jī)機(jī)輔助測(cè)測(cè)試(CAT)領(lǐng)域的一一項(xiàng)重要要技術(shù)。。9.1虛擬儀器器的基本本概念所謂虛擬擬儀器，，是在通通用計(jì)算算機(jī)為核核心的硬硬件平臺(tái)臺(tái)上，用用戶設(shè)計(jì)計(jì)定義可可視化虛虛擬面板板，測(cè)試試功能由由計(jì)算機(jī)機(jī)上的測(cè)測(cè)試軟件件和硬件件來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的儀器器系統(tǒng)。。使用者者用鼠標(biāo)標(biāo)或鍵盤盤操作虛虛擬面板板進(jìn)行測(cè)測(cè)量操作作，就如如同使用用一臺(tái)專專用測(cè)量量?jī)x器。。虛擬儀器器的實(shí)質(zhì)質(zhì)是利用用計(jì)算機(jī)機(jī)顯示器器的顯示示功能來(lái)來(lái)模擬傳傳統(tǒng)儀器器的控制制面板，，以多種種形式表表達(dá)檢測(cè)測(cè)結(jié)果，，利用計(jì)計(jì)算機(jī)強(qiáng)強(qiáng)大的軟軟件功能能實(shí)現(xiàn)數(shù)數(shù)據(jù)的運(yùn)運(yùn)算、分分析和處處理，利利用I/O接口設(shè)備備完成信信號(hào)的采采集、測(cè)測(cè)量與調(diào)調(diào)理，從從而完成成各種測(cè)測(cè)試功能能的一種種計(jì)算機(jī)機(jī)儀器系系統(tǒng)。“虛擬””主要包包含以下下兩方面面的含義義，即：：虛擬儀器器的面板板由軟件編編程來(lái)實(shí)實(shí)現(xiàn)的虛虛擬儀器器測(cè)量功功能1、虛擬儀儀器的面面板虛擬儀器器面板上上顯示的的各種““控件””與傳統(tǒng)統(tǒng)儀器面面板上的的各種““器件””所完成成的功能能是相同同的。如如由各種種開(kāi)關(guān)、按鍵、、顯示器等實(shí)現(xiàn)儀器器電源的的“通””、“斷斷”，被測(cè)信號(hào)號(hào)“輸入入通道””、“輸輸出通道道”、““放大倍倍數(shù)”等等參數(shù)設(shè)設(shè)置，測(cè)量結(jié)果果的“數(shù)數(shù)位顯示示”、““圖形顯顯示”等等。用戶不必必設(shè)計(jì)，，只要選選用代表表該種軟軟件程序序的圖形形控件即即可，通過(guò)計(jì)計(jì)算機(jī)的的鼠標(biāo)或或鍵盤來(lái)來(lái)對(duì)其進(jìn)進(jìn)行操作作。因此此，設(shè)計(jì)虛擬擬儀器面面板的過(guò)過(guò)程就是是在面板板設(shè)計(jì)窗窗口中擺擺放所需需的控件件，然后后編寫(xiě)相相應(yīng)的程程序。大多數(shù)數(shù)初學(xué)者者可以利利用虛擬擬儀器的的軟件開(kāi)開(kāi)發(fā)工具具，如LabWindows/CVI，LabView等編程語(yǔ)語(yǔ)言，在在短時(shí)間間內(nèi)輕松松完成美美觀而又又實(shí)用的的虛擬儀儀器面板板的設(shè)計(jì)計(jì)。2、由軟件件編程來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)的的虛擬儀儀器測(cè)量量功能在以PC為核心組組成的硬硬件平臺(tái)臺(tái)支持下下，虛擬擬儀器不不僅可以以通過(guò)軟軟件編程程設(shè)計(jì)來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)儀儀器的測(cè)測(cè)試功能能，而且可以以通過(guò)不不同測(cè)試試功能的的軟件模模塊的組組合來(lái)實(shí)實(shí)現(xiàn)多種種測(cè)試功功能。3、虛擬儀儀器的構(gòu)構(gòu)成及其其分類虛擬儀器器由兩大大部分構(gòu)構(gòu)成，即即：通用儀器器硬件平平臺(tái)(簡(jiǎn)稱硬件件平臺(tái))應(yīng)用軟件件1、通用儀儀器硬件件平臺(tái)1）計(jì)算機(jī)機(jī)一般為一一臺(tái)PC機(jī)或工作作站，它它是測(cè)試試硬件平平臺(tái)的核核心。2）I/O接口設(shè)備備它主要完完成被測(cè)測(cè)輸入信信號(hào)的采采集、放放大、模模／數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換。根根據(jù)采用用的總線線及其相相應(yīng)的I/O接口硬件件設(shè)備（（如利用用PC機(jī)總線的的數(shù)據(jù)采采集卡板板（DAQ）、GPIB總線儀器器、VXI總線儀器器模塊、、串口總總線儀器器）等的的不同，，虛擬儀儀器的構(gòu)構(gòu)成方式式有PC—DAQ系統(tǒng)、GPIB系統(tǒng)、VXI系統(tǒng)、PXI系統(tǒng)、串串口系統(tǒng)統(tǒng)等5種類型。。PC—DAQ系統(tǒng)它是以數(shù)數(shù)據(jù)采集集板、信信號(hào)調(diào)理理電路及及計(jì)算機(jī)機(jī)為儀器器硬件平平臺(tái)組成成的插卡卡式虛擬擬儀器系系統(tǒng)。這種系統(tǒng)統(tǒng)主要采采用PCI或ISA計(jì)算機(jī)本本身的總總線，故故將數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡/板（DAQ）插入計(jì)算算機(jī)的空空槽中即即可。GPIB系統(tǒng)以GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線線儀器與與計(jì)算機(jī)機(jī)為儀器器硬件平平臺(tái)組成成的虛擬擬儀器測(cè)測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)。VXI系統(tǒng)以VXI標(biāo)準(zhǔn)總線線儀器模模塊與計(jì)計(jì)算機(jī)為為儀器硬硬件平臺(tái)臺(tái)組成的的虛擬儀儀器測(cè)試試系統(tǒng)。。PXI系統(tǒng)以PXI標(biāo)準(zhǔn)總線線儀器模模塊與計(jì)計(jì)算機(jī)為為儀器硬硬件平臺(tái)臺(tái)組成的的虛擬儀儀器測(cè)試試系統(tǒng)。。串口系統(tǒng)統(tǒng)以serial標(biāo)準(zhǔn)總線線儀器與與計(jì)算機(jī)機(jī)為儀器器硬件平平臺(tái)組成成的虛擬擬儀器測(cè)測(cè)試系統(tǒng)統(tǒng)。2、軟件結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序序I/O接口儀器器驅(qū)動(dòng)程程序1）應(yīng)用程程序?qū)崿F(xiàn)虛擬擬面板功功能的前前面板軟軟件程序序定義測(cè)試試功能的的流程圖圖軟件程程序2）I/O接口儀器器驅(qū)動(dòng)程程序I/O接口儀器器驅(qū)動(dòng)程程序完成成特定外外部硬件件設(shè)備的的擴(kuò)展、、驅(qū)動(dòng)與與通信。。開(kāi)發(fā)虛擬擬儀器需需用到合合適的軟軟件工具具，目前前的虛擬擬儀器軟軟件開(kāi)發(fā)發(fā)工具有有如下兩兩類：①文本式式編程語(yǔ)語(yǔ)言，如如visuaIC+++、VisualBASIC、labWindows／CVI等；②圖形形化編程程語(yǔ)言如如LabvIEW、HPVEE等。這些軟件件開(kāi)發(fā)工工具為用用戶設(shè)計(jì)計(jì)虛擬儀儀器應(yīng)用用軟件提提供了最最大限度度的方便便條件與與良好的的開(kāi)發(fā)環(huán)環(huán)境。3、虛擬儀儀器的特特點(diǎn)軟件是虛虛擬儀器器的核心心虛擬儀器器的性價(jià)價(jià)比高儀器廠商商與用戶戶之間的的距離小小虛擬儀器器具有良良好的人人機(jī)界面面虛擬儀器器具有和和其它設(shè)設(shè)備互聯(lián)聯(lián)的能力力虛擬儀器器的硬、、軟件具具有開(kāi)放放性、模模塊化、、可重復(fù)復(fù)使用及及互換性性9.2虛擬儀器器的硬件件虛擬儀器器的硬件件平臺(tái)由由計(jì)算機(jī)機(jī)和I/O接口設(shè)備備兩部分分組成。。I/O接口設(shè)備備主要執(zhí)執(zhí)行信號(hào)號(hào)的輸入入采集、、放大、、模／數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)換的的任務(wù)。。對(duì)于單臺(tái)臺(tái)的虛擬擬儀器而而言，系系統(tǒng)所涉涉及的I/O接口設(shè)備備是數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡；對(duì)于多臺(tái)臺(tái)虛擬儀儀器組成成儀器測(cè)測(cè)量控制制系統(tǒng)，，所涉及及的I/O接口設(shè)備備為總線線，常用用的總線線類型有有GPIB/GPIB488.2總線、RS232總線、VISA總線和VXI總線。一、PC-DAQ方式以PC機(jī)為基礎(chǔ)礎(chǔ)的虛擬擬儀器中中，通過(guò)過(guò)插入數(shù)數(shù)據(jù)采集集卡獲取取數(shù)據(jù)，，在虛擬擬儀器中中又稱為為PC-DAQ((DataAcquisition，數(shù)據(jù)采集集)卡式儀器器。其功能是是將現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采采集到計(jì)計(jì)算機(jī)，，或?qū)⒂?jì)計(jì)算機(jī)數(shù)數(shù)據(jù)輸出出給受控控對(duì)象。。用數(shù)據(jù)據(jù)采集卡卡配以計(jì)計(jì)算機(jī)平平臺(tái)和虛虛擬儀器器軟件，，便可構(gòu)構(gòu)成各種種數(shù)據(jù)采采集控制制儀器系系統(tǒng)，如如信號(hào)發(fā)發(fā)生器、、電路和和器件測(cè)測(cè)試儀等等。目前前，DAQ技術(shù)主要要應(yīng)用于于高采樣樣速率及及直接控控制方面面。二、串口口通訊串口通信信采用的的是RS-232通用串行行總線，，最初用用于數(shù)據(jù)據(jù)通信，，隨著測(cè)測(cè)控技術(shù)術(shù)的發(fā)展展，許多多測(cè)量?jī)x儀器都帶帶有RS-232串口總線線接口。。通過(guò)RS-232串口總線線與PC計(jì)算機(jī)組組成虛擬擬儀器系系統(tǒng)，適適用于速速度較低低的測(cè)試試系統(tǒng)。。與其他總總線相比比，它的的接口簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，使使用方便便。三、GPIB總線GPIB(GeneralPurposeInterfaceBus)可以把各各種可編編程儀器器與計(jì)算算機(jī)緊密密地聯(lián)系系起來(lái)。。GPIB的硬件規(guī)規(guī)范和軟軟件協(xié)議議先后被被納入兩兩個(gè)國(guó)際際工業(yè)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)：ANSI/IEEE488..1和ANSI/IEEE488..2。通過(guò)GPIB接口，可可以將若若干臺(tái)基基本儀器器和計(jì)算算機(jī)搭成成積木式式的測(cè)試試系統(tǒng)，，在計(jì)算算機(jī)的控控制下完完成復(fù)雜雜的測(cè)量量。GPIB儀器系統(tǒng)統(tǒng)可以利利用計(jì)算算機(jī)增強(qiáng)強(qiáng)和擴(kuò)展展傳統(tǒng)儀儀器的功功能，組組成大型型柔性自自動(dòng)測(cè)試試系統(tǒng)，，技術(shù)易易于升級(jí)級(jí)，維護(hù)護(hù)方便，，儀器功功能和面面板自定定義，開(kāi)開(kāi)發(fā)和使使用容易易。四、VISA總線在早期的的虛擬儀儀器中，，I/O接口設(shè)備備驅(qū)動(dòng)控控制軟件件的開(kāi)發(fā)發(fā)沒(méi)有統(tǒng)統(tǒng)一的規(guī)規(guī)范。不不同類型型或不同同廠家生生產(chǎn)的I/O接口設(shè)備備都必須須專門來(lái)來(lái)設(shè)計(jì)其其驅(qū)動(dòng)程程序。為為了推動(dòng)動(dòng)虛擬儀儀器軟件件標(biāo)準(zhǔn)化化的進(jìn)程程,VXIpIug&play聯(lián)盟于1996年完成了了對(duì)VISA規(guī)范的開(kāi)開(kāi)發(fā)工作作,并將各個(gè)個(gè)函數(shù)的的原型以以標(biāo)準(zhǔn)的的形式發(fā)發(fā)布。API((ApplicationProgramInterface)是應(yīng)用軟軟件開(kāi)發(fā)發(fā)接口，，實(shí)質(zhì)是是一組函函數(shù)集，，通過(guò)它它可以直直接訪問(wèn)問(wèn)計(jì)算機(jī)機(jī)的硬件件設(shè)備。VISA是用于虛虛擬儀器器系統(tǒng)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的API。VISA本身不具具備編程程功能，，它是一一個(gè)高層層API，通過(guò)調(diào)用用底層驅(qū)驅(qū)動(dòng)程序序來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對(duì)儀器器的編程程。其層層次如下下圖所示示。五、VXI總線VXI是一種高高速計(jì)算算機(jī)總線線——VME(VMEbusExtensionforInstrumention)在儀器領(lǐng)領(lǐng)域的擴(kuò)擴(kuò)展。由由于它的的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)開(kāi)放，結(jié)結(jié)構(gòu)緊湊湊，具有有數(shù)據(jù)吞吞吐能力力強(qiáng)、定定時(shí)和同同步精確確、模塊塊可重復(fù)復(fù)利用等等優(yōu)點(diǎn)，，在近十十年時(shí)間間內(nèi)，VXI規(guī)范不斷斷完善和和發(fā)展，，迅速在在儀器測(cè)測(cè)量和工工業(yè)控制制等領(lǐng)域域應(yīng)用開(kāi)開(kāi)來(lái)，表表現(xiàn)出很很強(qiáng)的發(fā)發(fā)展?jié)摿αΑ?993年由多家家公司組組成VXIplug&play系統(tǒng)聯(lián)盟盟，致力力于來(lái)自自各廠商商的VXI模塊的規(guī)規(guī)范化，，為最終終用戶集集成VXI系統(tǒng)提供供最大的的便利。。6、PXI總線PXI總線是NationalInstruments公司1997年下半年年推出的的總線標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，并并作為開(kāi)開(kāi)放式規(guī)規(guī)范提供供儀器業(yè)業(yè)界使用用，對(duì)模模塊式測(cè)測(cè)量?jī)x器器有著重重要的影影響。PXI總線與VXI總線有很很多相似似之處，，同時(shí)又又具有不不少自己己的特點(diǎn)點(diǎn)。VXI總線是VME計(jì)算機(jī)總總線的儀儀器擴(kuò)展展，PXI總線是PCI計(jì)算機(jī)總總線的儀儀器擴(kuò)展展，它是是PCIeXtentionforInstrumentation（PCI儀器擴(kuò)展展）的簡(jiǎn)簡(jiǎn)寫(xiě)。PXI總線綜合合了計(jì)算算機(jī)總線線（VME和PCI）、插件（compactPCI）、軟件（Windows98和NT）以及儀器器總線（（GPIB和VXI）和開(kāi)發(fā)工工具等方方面的特特點(diǎn)，具具有堅(jiān)實(shí)實(shí)的硬件件、軟件件基礎(chǔ)。PXI總線把PCI計(jì)算機(jī)外外設(shè)總線線與專用用儀器總總線結(jié)合合在母板板上。使使機(jī)箱能能夠安裝裝PCI微機(jī)和PXI儀器模塊塊。機(jī)箱箱有11個(gè)插槽，，左邊3槽接系統(tǒng)統(tǒng)控制器器或系統(tǒng)統(tǒng)擴(kuò)展器器。右邊邊7槽接儀器器模塊，，中間還還有1個(gè)系統(tǒng)控控制器插插槽。模模塊尺寸寸有3U和6U兩種。3U只有一個(gè)個(gè)PCI接口，而而6U可有兩個(gè)個(gè)PCI接口。PXI總線的儀儀器專用用總線有有時(shí)鐘、、本地、、觸發(fā)、、電源等等4種。機(jī)箱箱電源功功率300w，有良好通通風(fēng)和電電磁屏蔽蔽，可在在苛刻的的環(huán)境運(yùn)運(yùn)行。9.3虛擬儀器器的軟件件在虛擬儀儀器技術(shù)術(shù)中，軟軟件是實(shí)實(shí)現(xiàn)儀器器功能的的關(guān)鍵因因素，能能否方便便快捷地地設(shè)計(jì)出出界面友友好、功功能強(qiáng)大大的虛擬擬儀器軟軟件，直直接關(guān)系系到儀器器功能的的實(shí)現(xiàn)和和儀器的的性能的的好壞。。使用傳傳統(tǒng)的編編程語(yǔ)言言，如C語(yǔ)言、VisualC++、VisualBasic等，雖然然可以編編出比較較友好的的用戶界界面，但但數(shù)據(jù)采采集、按按鈕、指指針、曲曲線顯示示等儀器器所需的的功能模模塊的編編程非常常煩瑣，，不易開(kāi)開(kāi)發(fā)。因因此，現(xiàn)在大多多采用專專用的虛虛擬儀器器設(shè)計(jì)軟軟件來(lái)開(kāi)開(kāi)發(fā)用戶戶應(yīng)用程程序，目目前應(yīng)用用較多的的有美國(guó)國(guó)NI公司開(kāi)發(fā)發(fā)的LabWindows／CVI、LabVIEW等虛擬儀儀器專用用開(kāi)發(fā)軟軟件。這些軟件件中不僅僅包括諸諸如菜單單、對(duì)話話框、按按鈕和圖圖形這樣樣的通用用用戶接接口屬性性，而且且還有像像旋鈕、、開(kāi)關(guān)、、滑動(dòng)控控制條、、表頭、、可編程程光標(biāo)、、紙帶記記錄仿真真窗和數(shù)數(shù)字顯示示窗等虛虛擬儀器器應(yīng)用接接口屬性性。一、文本本式編程程軟件LabWindows／CVILabWindows／CVI是NI公司提供供給用戶戶的虛擬擬儀器軟軟件之一一，它是是用戶開(kāi)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)據(jù)采集、、儀器控控制及自自動(dòng)測(cè)試試和過(guò)程程監(jiān)控的的一個(gè)開(kāi)開(kāi)發(fā)平臺(tái)臺(tái)。它采用標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言格式式，將功功能強(qiáng)大大、使用用靈活的的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)發(fā)平臺(tái)與與用于數(shù)數(shù)據(jù)采集集、分析析和表達(dá)達(dá)的測(cè)控控專業(yè)工工具有機(jī)機(jī)地結(jié)合合起來(lái)。LabWindows／CVI借助自動(dòng)動(dòng)編碼產(chǎn)產(chǎn)生工具具和易于于使用的的GUI開(kāi)發(fā)工具具來(lái)提供供一種交交互環(huán)境境，它包含有有強(qiáng)大的的儀器庫(kù)庫(kù)、32位ANSIC編譯器、、連接器器、調(diào)試試器、編編輯器等等。1、LabWindows／CVI的功能能LabWindows／CVI可運(yùn)行于于Win95／Win98／WinNT／Win2000／WinX／UNIX等系統(tǒng)，，包含大大部分基基于Windows風(fēng)格的軟軟件技術(shù)術(shù)，具有有像VB一樣豐富富的控件件回調(diào)功功能，并并有極強(qiáng)強(qiáng)的數(shù)據(jù)據(jù)處理、、數(shù)據(jù)分分析功能能。同時(shí)時(shí)還提供供了多種種總線通通信控制制和網(wǎng)絡(luò)絡(luò)傳輸控控制協(xié)議議接口庫(kù)庫(kù)。2、LabWindows／CVI的特點(diǎn)1）將數(shù)據(jù)據(jù)采集、、數(shù)據(jù)分分析以及及數(shù)據(jù)表表達(dá)一體體化，這這樣就不不必為完完成數(shù)據(jù)據(jù)處理不不同階段段的任務(wù)務(wù)而輾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)于不同同軟件中中。2）實(shí)現(xiàn)對(duì)GPIB、VXI、RS-232和數(shù)據(jù)采采集卡等等硬件的的有效控控制，從從而使其其與硬件件的接口口變得十十分簡(jiǎn)單單。由于于LabWindows／CVI對(duì)數(shù)據(jù)采采集卡驅(qū)驅(qū)動(dòng)非常常方便，，因此它它使得實(shí)實(shí)驗(yàn)或測(cè)測(cè)試的數(shù)數(shù)據(jù)可以以實(shí)時(shí)顯顯示。3）提供了可可交互使使用的高高級(jí)分析析庫(kù)函數(shù)數(shù)達(dá)150多個(gè)，其其中包括括信號(hào)處處理、曲曲線擬合合、數(shù)字字濾波、、統(tǒng)計(jì)分分析、數(shù)數(shù)值分析析及一維維、二維維數(shù)組操操作的函函數(shù)。在在此開(kāi)放放的開(kāi)發(fā)發(fā)環(huán)境下下,可將需完完成的特特殊功能能自行編編制成函函數(shù)加入入儀器庫(kù)庫(kù)函數(shù),并能編譯譯成32位DLL，供與其兼兼容的其其他軟件件隨時(shí)調(diào)調(diào)用。4）支持“所所見(jiàn)即所所得”的的可視化化交互技技術(shù)，具具有靈活活多樣的的數(shù)據(jù)顯顯示方式式，使用用功能強(qiáng)強(qiáng)大的圖圖形用戶戶接口(GUI)，很容易建建立起符符合要求求與習(xí)慣慣的數(shù)據(jù)據(jù)顯示模模式和數(shù)數(shù)據(jù)表達(dá)達(dá)框架。。為此可可以更