1.绪论.txt

虚拟仪器软件的介绍

VPP规范提出之后，得到了广大仪器生产厂家的积极响应，HP等测试和仪器公司不
久之后纷纷成为了联盟成员，HP公司很快成为了其中的核心成员之一。作为一个开
放的组织，VPP系统联盟内部由生产厂家联合会与用户联合会两大部分组成，生产
厂家联合会成员共同承担组织费用，而用户则可免费申请加入。联盟通过
Internet网络论坛、Email通信与学术研讨会等多种形式，进行系统开发与应用的
经验交流与意见反馈，进一步维护和完善VPP规范。到目前为止，VPP规范虽尚未从
形式上成为工业领域的国际标准，但各仪器模块的生产厂家都积极符合VPP规范，
并推进与促成VPP规范的早日国际标准化。

1.3.2 VXI总线即插即用规范系统
VPP规范提出的最初目的是为了解决多生产厂家的VXI系统的易操作性与互操作性问
题，并提供给最终用户进行系统维护、支持与再开发的能力，VPP的最大受益者是
最终用户。需要说明的是，在VPP规范中定义的仪器模块，并不专指VXI仪器模块，
也可以包含其它类型的符合规范的虚拟仪器模块。符合VPP规范的虚拟仪器系统，
简称为VPP系统，其具有以下几个特点：
1、 系统性：VPP规范着眼的不仅仅是VXI仪器模块（包括硬件模块与软件模块）的
设计，更注重于整个结构化、模块化的虚拟仪器系统设计。图1.2所示为虚拟仪器
系统基本结构框图。
图1.2 虚拟仪器系统基本结构框图
其中：VXI零槽模块与其它各仪器模块一起，构成了虚拟仪器系统硬件结构。在这
些仪器模块中，既可以是VXI仪器模块、GPIB仪器模块、串行接口仪器模块，也可
以是消息基器件、寄存器基器件、存储器基器件等。而I/O接口软件驻留于计算机
系统之中执行仪器总线的特殊功能，充当计算机与仪器之间的软件层连接，它对于
仪器驱动程序开发者来说是一个可调用的操作函数集。每个仪器模块都有自己的仪
器驱动程序，它是完成对某一特定仪器控制与通信的软件程序集，是应用程序实现
仪器控制的桥梁。自动测试系统应用程序直接面对的是操作用户，通过提供直观友
好的测控操作与显示界面、丰富的数据分析与处理功能，完成工业领域自动测试任
务。I/O接口软件、仪器驱动程序与应用程序自下而上构成了虚拟仪器系统软件结
构。
2、 开放性：VPP规范不仅对仪器生产厂家是开放的，而且对于用户来说也开放，
它不仅是虚拟仪器系统的设计指导规范，也是虚拟仪器系统的应用指导规范。VPP
规范一方面致力于降低最终用户的应用和维护任务的复杂性，减轻用户负担，另一
方面又强调了用户可作为仪器系统开发与维护一份子参与其中。
3、 兼容性：VPP系统的兼容性不仅来自于不同生产厂家的同类仪器总线规范的兼
容性，也包括多种仪器类型之间的兼容性。为了达到新的测试目的，VPP系统的组
建不需要将以前的测试系统完全抛弃，而可与已有的基础充分相兼容，从而使用户
可以确保他的投资在现在甚至在将来也不被浪费。
4、 统一性：VPP系统中最核心的部分是提供了一个统一的I/O接口软件（VISA）规
范，从而为不同的软件元件在同一平台中运行提供了统一的基础。在VISA基础上设
计与应用的仪器驱动程序以及软面板等也都成为了统一格式的标准模块，从而实现
了仪器间的互操作性与互参考性。

1.3.3 PXI仪器规范
VXI总线即插即用规范的制定，为虚拟仪器系统的结构组建奠定了技术支持与指导
，从而使组建一个统一的、开放的虚拟仪器系统成为了可能。VXI总线即插即用规
范的出现，一方面是各种仪器总线发展到标准化要求的产物，另一方面也为新的仪
器总线类型的产生与系统组建提供了理论与技术支持。
1997年，美国NI公司在PCI总线技术的基础上，推出了一种PXI（PCI eXtensions 
for Instrumentation）总线，并在同年8月，推出了PXI规范1.0版。PXI总线仪器
是一种在PCI计算机总线基础上发展而来的仪器总线，一方面，它直接吸收了PCI总
线的结构紧凑、成本较低、且被广大PC用户熟悉的特点，另一方面，它又吸收了
VXI总线的触发总线、本地总线与系统时钟等技术，使之更适宜于测试系统的测试
要求。PXI总线仪器的性能价格均处于PCI插卡与VXI模块化仪器之间，可广泛应用
于一般的测试领域，与VXI总线仪器可各领风骚。在PXI总线规范中，主要定义了其
机械结构规范、电气结构规范与软件结构规范，其中软件结构规范就是在VXI总线
即插即用规范的基础上制定的，所有PXI总线仪器，也支持VXI总线即插即用规范中
定义的I/O接口软件（VISA），从而在图1.2中定义的仪器模块中，也可以包括PXI
总线仪器。图1.3所示为PXI系统结构框图。

 
图1.3 PXI系统结构框图
PXI总线仪器的产生，是虚拟仪器技术发展的产物，同时也说明了VXI总线即插即用
规范（VPP规范）具有发展性与指导性。随着计算机技术与仪器技术的进一步结合
，仪器领域还会产生新的成员，虚拟仪器系统结构中的单元还会进一步丰富，这一
切，同时也会为进一步完善VXI总线即插即用规范提供支持。这个相互促进的过程
，是完全相辅相承的。

1.4 国内外研究动态
以VXI仪器开发为代表的虚拟仪器技术作为一门新兴的技术具有强大的生命力和发
展潜力，在航天航空、国防军工、工业监测等一系列自动化测试领域中得到了广泛
的应用，也是目前仪器领域研究的热点与重点。
在国外，以HP公司、NI公司、Tek公司、Racal公司等为代表的著名仪器生产厂家都
对虚拟仪器技术投入了大量的人力物力，生产出了不少优秀的硬件模块与软件产品
，特别是新近提出的IEEE-1394高速串行总线为接口规范的零槽模块的出现，以及
母板（M-MODULE）的概念的实现，都对虚拟仪器硬件模块的性价比提高带来了新的
发展动力，从而使虚拟仪器技术的应用领域从军工、航空航天等高精尖得以延伸到
典型的工业测试领域中。
在国内，许多高等院校、研究所也都开展了虚拟仪器技术的研究，其中如成都电子
科技大学的陈光禹教授、哈尔滨工业大学的孙圣和教授、北方交通大学的孙续教授
等一批专家出版或发表了一系列专著与文章，为虚拟仪器技术的国产化作出了贡献
， VXI信息网的成立，也为推广虚拟仪器技术作了大量实质性的工作。目前，VXI
仪器模块的生产单位也慢慢增多，如哈尔滨的仪器王公司、上海航天局809研究所
等。然而，要完成自主地集成虚拟仪器系统，尚有关键性的技术难点存在，目前国
内主要生产方向还集中在仪器模块、主机箱的研制上，对于整个系统集成尚无法提
出与实现完全自主的方案，究其原因，是虚拟仪器系统中关键技术问题尚未解决，
如VXI零槽控制器、统一的I/O接口软件等，最关键的是尚无一套完整的系统结构理
论与实现方法，因此整体系统集成只能依赖于国外的少数公司，技术被人家垄断。
因此，彻底地剖析整个虚拟仪器系统结构，尤其是解决好系统软件结构与其中各模
块之间的接口技术问题，对于真正实现虚拟仪器技术的产业化与系统集成的自主化
，任务是刻不容缓又是具有高度挑战性的。
毫无疑问，VPP规范是进行虚拟仪器系统软件结构研究的基本规范，然而，VPP规范
的重点是介绍了各模块的设计原则，对于具体的实现方法的讨论是极少的。而目前
在学术界上进行虚拟仪器技术研究的不少，优秀成果与论文也层出不穷，但往往只
集中在具体硬件模块或软件模块的开发与应用经验的讨论上，从方法论的角度上进
行系统讨论尤其是对于其中的软件系统进行详细剖析的尚无太多讨论，事实上，对
于系统集成人员，又迫切需要一个完整的系统结构组成理论与方法得以参考。本书
所涉及的研究内容，正基于此而展开的。
本书的内容并不只是介绍具体模块的设计经验体会，而是采用总体“自顶向下”的
分析方法，将重点首先放在整个系统组织结构的实现上，之后再进行层层模块分析
。通过结合虚拟仪器技术、软件体系结构技术、软件方法论等理论与技术，详尽剖
析了虚拟仪器系统软件结构模型与接口模型，在比较分析现有理论与方法的基础上
，并结合设计实例，提出了整个虚拟仪器系统软件结构的组织模型与实现方法。其
中，提出了一系列软件模块与软件系统新的设计思路与方法，并提供了一些自动化
软件设计工具，希望通过本研究工作，为虚拟仪器模块的研制与虚拟仪器系统的集
成提供理论依据与技术支持，为早日实现虚拟仪器技术完全国产化做出应有的工作
，也为VPP规范的国际标准化提供一些参考与思索。
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