8.虚拟仪器系统集成.txt

虚拟仪器软件的介绍

发信人: ilyfe (伊犁*飞), 信区: LabVIEW
标  题: 第八章 虚拟仪器系统集成
发信站: 饮水思源 (2003年05月04日13:26:33 星期天), 站内信件

第八章 虚拟仪器系统集成
本章结合系统实例，介绍了虚拟仪器系统集成的理论和一般步骤，并提出了一种虚
拟仪器系统软件结构描述语言，用于结构化地描述虚拟仪器应用程序的设计与开发
，为图形化的应用程序开发平台提供接口。

8.1 虚拟仪器系统的特点与集成目的
在前几章中详细讨论了虚拟仪器系统接口软件—VISA、虚拟仪器驱动程序、软面板
及知识库文件的规范与设计方法，为虚拟仪器模块的开发提供了技术指导。然而，
在实际的自动测试领域中，更常见的任务是如何按照一定的系统模式将各个虚拟仪
器组织起来，实现系统的数据采集、数据分析与数据处理、数据显示与输出等功能
，完成工业化的自动测试任务，其中需要解决的问题是不同类型、不同生产厂家的
硬件模块与软件模块之间的互兼容性与互操作性。
根据Webster曾对计算机系统做出的定义：“计算机系统是一个遵循一定信息处理
的预定义目标的元件集组合”，显然虚拟仪器系统是一个典型的计算机系统，它由
多个模块组成，遵循一定信息处理的预定义目标，实现特定的信息测量、分析处理
与控制任务。在一般的计算机系统通性基础上，虚拟仪器系统具有以下一些特点：

1、 虚拟仪器系统是一个开放系统。所谓开放系统是指它是不断发展的、厂家中立
的，它的应用和组成部件可以由不同厂家的其它相同部分实现替代，因此，整个系
统的配置、操作和替换均需符合一定格式的接口与服务协议规范。
2、 虚拟仪器系统的开放范畴是基于行业内部的，即基于自动测试系统领域的，因
此，虚拟仪器系统的开放性并不一定适用于其它的特定领域，如工业生产自动化系
统关心的技术与虚拟仪器系统技术不尽相同。
3、 虚拟仪器系统结构内部具有统一性，各硬件模块与软件模块之间的实现形式与
设计方法也具有统一性，各模块之间可实现数据与信息的交互性与互操作性。
4、 虚拟仪器系统由系统硬件结构与软件结构两部分组成，各种接口技术为这两者
之间提供了融合与交互，系统硬件结构具有更明确的规范性，而软件结构的设计在
体现整个系统的性能与灵活性作用更大，系统规模与质量指标更取决于软件结构。

根据虚拟仪器系统的特点，虚拟仪器系统集成的任务也是明确的，即如何根据具体
的测试需求，提出硬件结构与软件结构的设计模型，依据自顶向下的分析与设计方
法，逐步细化地到每一个模块的选择与设计，并经过完整、严格的综合测试，实现
一个开放的、高性能的虚拟仪器系统。基于本课题的主题，本文的论述将重点放在
虚拟仪器系统软件结构的设计实现上。

8.2 虚拟仪器系统集成的一般步骤
提出完整的虚拟仪器系统集成步骤，可以有效地指导虚拟仪器系统开发，从而可加
快系统开发速度，减少系统开发复杂度，提高系统性能质量。HP公司和NI公司分别
提出了基于VXI仪器系统的系统集成原则，然而，这些系统集成原则中强调了VXI仪
器的特性，均以硬件结构设计为重点，对于更一般的虚拟仪器系统集成的实际参考
价值受到限制，实际可操作性不强。本文在参考这些系统集成原则的基础上，结合
计算机系统集成的一般理论，提出了虚拟仪器系统集成的一般方法：
1、 虚拟仪器系统分析：系统分析的目标是识别用户要求；评价系统的可行性；进
行经济分析和技术分析；进行系统功能分解；建立成本和进度限制；并生成系统规
格说明，形成所有后续工程的基础。系统分析需要硬件和软件专家共同合作来实现
以上目标。分解系统分析工作，可分为几个方面：
l   首先对问题进行识别，提出所集成的系统总的设计目标，列举出系统的功能要求
与具体技术性能指标，给出系统运行的环境限制要求，并提出系统可靠性要求、安
全性要求、用户界面需求、资源使用需求、成本消耗与开发进度需求等。
l   第二步是进行问题分析与方案综合，分析员逐步细化系统的功能与性能指标，将
虚拟仪器系统分解为硬件结构与软件结构，赋予硬件结构与软件结构的各自作用范
围，提出结构之间及结构内部的接口模式，找出系统各元素之间的联系、接口特性
和设计上的限制，最终综合成系统的解决方案，给出目标系统的基本模型。在这个
过程中，分析和综合工作反复进行，直到系统设计人员可以正确把握系统结构模型
为止。
l   第三步是编制系统分析的文档，并对系统作进一步分析。
l   最后一步是对系统分析进行评审，对系统的功能与性能的正确性、完整性和清晰
性等需求进行评价。系统集成的质量很大程度上取决于系统分析的完整性和清晰性
。在系统分析基础上，根据虚拟仪器系统的组成，将系统集成工作也先分离为硬件
结构的集成与软件结构的集成两部分。硬件结构集成更注重于系统的性能指标的实
现，而软件结构集成更注重于系统的功能指标的实现。
2、 虚拟仪器系统硬件结构的设计：与一般的管理信息系统（MIS）为代表的计算
机系统不一样的，虚拟仪器系统必定包含着多个虚拟仪器实体，仪器数目与仪器类
型的多少，是由虚拟仪器系统所要完成的测试任务而决定的。对于VXI仪器而言，
它比其它的虚拟仪器更具有规范性，硬件结构的组成也更具有模型性。下面以VXI
仪器系统为主，描述虚拟仪器系统的硬件结构组成与设计步骤。
l   首先是选择或设计系统控制器，VXI仪器系统对系统中各硬件模块的控制是通过
系统控制器来控制与协调的，I/O接口软件、应用程序开发环境以及应用程序均安
装在系统控制器中进行运行调用。对于系统测试速度、运算处理能力与体系结构来
说，确定系统控制器是首要因素。根据VXI规范及近年来的技术新发展，VXI仪器系
统控制器有几种实现方法：第一种是将对VXI总线具有控制能力的计算机制成符合
VXI总线规范要求的组件模块，嵌入到VXI总线主机箱的零槽位，构成内嵌式计算机
模式。这种模式的特点是数据传输率高、工作速度快、系统尺寸小，但存在着价格
高、一次性投资大的缺点，且更新速度不快。第二种是利用GPIB控制器，通过
488-GPIB接口，控制VXI仪器系统操作，计算机系统采用外接式GPIB主控机。这种
模式投资小，但数据传输率低，效率不高。第三种是利用多VXI总线机箱互连链路
总线（MXI）连接外接主控计算机与VXI总线，MXI总线是一种高速、多节点的互连
总线，系统中可包含MXI-VXI总线接口器件引入系统控制器。第四种是最新推出的
基于IEEE-1394高速数据传输接口的系统控制器模式，这种新的接口不仅能以
400Mbit/s的速率传输数据，而且价格比MXI接口模式大为便宜，实现了性能价格比
的突破。在本课题系统研制工作中，即选用了基于IEEE-1394接口的系统控制器，
使系统的高性能、低成本得以保证。
l   主机箱的选择：VXI仪器必须包含在一个主机箱内，主机箱符合四种尺寸类别之
一：提供J1背板，并只准插入A尺寸模块的主机箱称为A型主机箱，它与VME总线机
箱规定相符；最大允许插入B尺寸模块的主机箱称为B型主机箱，它与VME总线机箱
规定相符；最大允许插入C尺寸模块的主机箱称为C型主机箱，J1背板是必需的，
J2背板是任选的；最大允许插入D尺寸模块的主机箱称为D型主机箱，J1背板是必需
的，J2和J3背板是任选的。选择主机箱主要考虑机箱的大小、电源特性、冷却特性
、电磁兼容性、内部噪声特性以及输入/输出的连接等因素。根据系统大小，单机
箱可以选择6槽、9槽、13槽、20槽等结构，还可以利用主机箱扩展器组成多机箱系
统。而最近各个主机箱生产厂家又都推出了具有特定性能的主机箱类型，如适用于
微波频段环境的微波主机箱，以及可利用机箱内部的传感器系统构成的具有完善的
电源管理、冷却特性管理、温度自适应等功能的智能主机箱。在一般VXI仪器系统
中，以C尺寸普通机箱应用最为广泛。
l   仪器模块的选择与设计：在选择仪器模块过程中，第一项工作是形成汇编信号说
明一览表，这种一览表用于快速参考和识别，例如，其它工程师也能参看这一列表
并且快速识别如何对一种特殊信号进行测试。根据这份一览表可以建立要求一致的
测试要求矩阵表。测试要求矩阵表同每一测试要求是相关的，而这些测试要求必须
同相应的激励源和测量功能有关。在计算容限时，一般用4-10之间数字作为多重因
子，这种数字多重因子一般适用于精确度和分辨率。如确定了测量精度为1%，且多
重因子取10，那么仪器必须具有至少0.1%精度。对于VXI仪器来说，选择的仪器规
格包括仪器的尺寸大小、仪器的电源和冷却要求、仪器占据多少槽口（除了大多数
的单槽仪器模块之外，有些仪器模块将占据多个槽位）以及仪器是基于消息的器件
还是基于寄存器的器件。VXI总线技术还要求仪器厂商应规定每种仪器在最坏情况
的电源消耗和最低冷却要求。由于虚拟仪器模块具有的开放性与规范性特点，对于
仪器模块的选择并不限于单一的生产厂家，可以在多个厂家的产品表中根据性能价
格比指标进行择优选择，并将这些仪器模块兼容地集成到同一硬件平台中去。对于
VXI仪器来说，仪器模块硬件平台即是指包括了零槽控制器模块的主机箱。需要指
出的是，在虚拟仪器系统中并不只包括VXI仪器，还可以有其它的GPIB仪器、
RS232串行接口仪器等，GPIB仪器与串行接口仪器并不能包括在一个主机箱内（NI
公司新推出PXI总线仪器也需要包括在一个主机箱内），但它们在遵循各自的总线
规范的同时，也同样遵循着虚拟仪器技术规范，这时候建立的虚拟仪器系统往往是
一种混合系统。此外，虚拟仪器系统的硬件结构中的所有仪器模块并不一定是从各
生产厂家的产品列表中选择得来的，由于虚拟仪器的开放性与通用性，有时也会造
成一定的功能与性能的消费，为了提高整个系统的性能指标和经济指标，系统设计
人员也往往需要开发一些专用仪器模块。HP公司于1998年推出的M-Module（母板—
贴板结构）为开发VXI仪器提供了良好的研制基础，设计人员往往只需要关注特定
的技术指标，并据此研制符合自身需要的SCP，而将与VXI总线接口交与母板完成。
虚拟仪器模块的开发除了满足各自总线规范以外设计硬件模块以外，还必须根据软
件结构微模型（模块模型）来设计仪器驱动程序、软面板、知识库文件等软件模块
，从而构成完整的虚拟仪器产品。
3.  虚拟仪器系统软件结构的设计：虚拟仪器软件结构设计的首要任务是选择结构
参考模型（见第二章），是组成一个自封闭的测试系统标准模型，还是组成一个复
杂的、开放的、集数据测试与信息管理于一身的扩展模型，从而可以确定软件系统
的规模与组成元件。以标准模型为例，软件结构组成元件包括直接与仪器数据交换
的I/O接口软件、各个虚拟仪器的驱动程序以及上层的应用程序。其中在软件结构
中I/O接口软件、仪器驱动程序的应用与设计在前几章中均有描述，在此处描述的
重点是软件结构的应用程序开发。虚拟仪器系统的应用程序与其它应用程序一样，
都是在特定领域内开发，为特定目的服务的一类软件，而它同时也包含了以下特点
：
l   虚拟仪器系统应用程序中必然包含了对各类测试仪器的操作与控制，应用程序往
往通过调用仪器驱动程序的功能函数来实现与仪器的数据交互的。
l   在虚拟仪器系统应用程序中，有着明显的模块化特点，往往包含着数据输入、数
据分析处理与数据输出几大模块。在这几个模块下，又可以细化为多个子模块，比
如数据输入部分可以根据测试信号的不同，分为多种信号测试子模块，同时数据输
入源也可以包括外部软件引入的数据文件、数据库文件及其它应用程序引入的数据
；数据分析处理模块也可以分为简单的数值运算子模块、复杂运算子模块、数字信
号处理子模块等；数据输出也可以包括多种形式，如简单的数据显示、曲线显示数
据文件形式存储、数据库文件形式存储、通过DDE/OLE等方式输出给其它应用程序
，还有以激励信号的形式进行数据输出与控制。图8.1所示为虚拟仪器系统应用程
序模块框图。
图8.1 虚拟仪器系统应用程序模块框图
l   虚拟仪器系统应用程序开发环境可以选择传统文本形式的语言环境，如VC、
Delphi、VB等环境，也可以选择图形化的软件开发环境。文本形式的语言适合那些
经历过计算机专门训练的工程师，在这种环境下，尽管现在也有了具有丰富控件的
图形界面，但源代码还是一行行的代码，从头到尾地进行代码的编写与调试，对于
一个仪器工程师来说任务重、难度大，使其很难会集中时间与精力在仪器系统集成
任务上。而图形化软件开发平台的源代码是直接可操作一个个图形控件与控件之间
的连线，整个程序流程是用户可现场组态的数据流程图，用户往往只需用鼠标将各
类控件进行连线就可以产生源代码，结构清晰，编程简单，非常适合于仪器工程师
使用。利用图形化平台进行编程，工程师不必有丰富的编程知识，只需了解测试的
目的与顺序，然后选择与配置各个图形控件，并用线将其连接起来，就构成了系统
应用程序。利用图形化软件开发平台进行虚拟仪器系统应用程序的开发，编程效率
高，可以大大减少系统集成的时间与精力。在第七章中，已经比较详细地对图形化
编程软件平台进行了讨论，同时，第七章中还给了一个在VPP平台下利用HP公司的
HPE1412进行电阻值测量的图形化示例。从该例中可以看出，图形化软件平台的源
代码类似于测试任务框图，结构清晰简单，并可利用平台的存盘与恢复功能，实现
测试子例程库的直接调用。对于复杂的系统软件而言，还会用到平台的子模块元件