【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)算機(jī)：一般為一臺(tái)PC機(jī)或工作站，是硬件平臺(tái)的核心。(2)I／O接口設(shè)備：I／O接口設(shè)備主要用來(lái)完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模／數(shù)轉(zhuǎn)換等。不同的總線有其相應(yīng)的I／O接口硬件設(shè)備，如利用Pc總線的數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、GPIB總線儀器、VXI總線儀器、PXI總線儀器、串口總線儀器等。綜上所述，虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成方式如圖2．1．1所示．f 住縣i需柙L一數(shù)據(jù)采集卡L 1n啁瑾廣—](DAQ) V…一J．，^一．n1 GPIB接口 GPIB接口儀器被 PC機(jī)／工測(cè)串行總線儀器作站包對(duì) 括測(cè)試象VXI總線儀器軟件PXI總線儀器其他計(jì)算機(jī)硬件圖2．1。1虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構(gòu)成方式虛擬儀器軟件包括應(yīng)用程序和I／O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序兩部分。虛擬儀器應(yīng)用程序用于完成虛擬面板功能的軟件程序和定義測(cè)試功能的流程圖程序的實(shí)現(xiàn)。I／O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序用于完成特定外部硬件設(shè)備的擴(kuò)展、驅(qū)動(dòng)與通信。目前，虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)工具有兩大類(lèi)：(1)通用開(kāi)發(fā)軟件：女IVisualC++、VisualBasic等。(2)專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)軟件：如LabVIEW、HPVEE、LabWindows／CVI等。VisualC++和VB為文本編程語(yǔ)言，用它們開(kāi)發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)有一定的難度，非專(zhuān)業(yè)人員難以掌握，因此很少使用。LabWilldowS／CVI以ANSIC為核心，將功能強(qiáng)大的C語(yǔ)言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的測(cè)控專(zhuān)業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)理想的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW和HPVEE為圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，它們?cè)诤艽蟪潭壬虾?jiǎn)化了編程難度，尤其是LabVIEW，已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)虛擬儀器的首選平臺(tái)。碩士論文 基于PXI總線的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其網(wǎng)絡(luò)化研究2．2虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)—_LabⅥEW2．2．1 LabVlEW及其特劇2833】LabVIEW是由NI公司推出的一種高效的基于圖形開(kāi)發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行的集成化環(huán)境，是第一個(gè)借助于虛擬軟面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形化程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)，也是目前國(guó)際上唯一的編譯型圖形化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形式開(kāi)發(fā)環(huán)境與靈活強(qiáng)大的G編程語(yǔ)言，提供了一個(gè)非常直觀的編程環(huán)境，有專(zhuān)供大型應(yīng)用開(kāi)發(fā)、集成開(kāi)發(fā)及應(yīng)用配置所設(shè)計(jì)的附加開(kāi)發(fā)工具。在這個(gè)平臺(tái)上，各領(lǐng)域的專(zhuān)家們可以通過(guò)定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)來(lái)方便迅速地建立高水平的應(yīng)用程序。LabVIEW軟件工具的特點(diǎn)可歸納如下：(1)LabVIEW是基于圖形化的軟件編程平臺(tái)，不僅人機(jī)界面用“所見(jiàn)即所得的可視化技術(shù)建立，而且程序代碼也是圖形化的代碼，使編程過(guò)程更加接近人的思維，是應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域的專(zhuān)用軟件開(kāi)發(fā)工具。(2)采用數(shù)據(jù)流編程模式，能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序。(3)提供了豐富的用于數(shù)據(jù)采集、分析、表達(dá)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的函數(shù)庫(kù)。(4)不僅具備傳統(tǒng)的程序調(diào)試手段，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步運(yùn)行，還提供了獨(dú)具特色的高亮執(zhí)行和探針工具，能夠使程序動(dòng)畫(huà)式運(yùn)行，有利于設(shè)計(jì)者觀察程序運(yùn)行的細(xì)節(jié)，使程序的調(diào)試和開(kāi)發(fā)更為便捷。(5)內(nèi)置了PCI、DAQ、GPIB、PXI、VXI、RS．232和RS485在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)采集卡和GPIB、串口設(shè)備、VXI儀器、PLC、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線以及用戶特殊的硬件板卡，免費(fèi)提供世界各大廠商1000多種儀器的驅(qū)動(dòng)，方便用戶迅速組建自己的應(yīng)用系統(tǒng)，使得不懂總線標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)者也能夠驅(qū)動(dòng)不同總線標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)備與儀器。(6)具有強(qiáng)大的外部接口能力，可以實(shí)現(xiàn)LabVIEW與外部的應(yīng)用軟件(如Word，Excel等)、C語(yǔ)言、WindowsAPI、MATLAB等編程語(yǔ)言之間的通信。(7)強(qiáng)大的Intemet功能，內(nèi)置了便于應(yīng)用TCPflP、DDE、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。支持常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，方便網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程測(cè)控儀器的開(kāi)發(fā)。(8)支持多種操作系統(tǒng)平臺(tái)，在任何一個(gè)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的LabVIEW應(yīng)用程序都可直接移植到其他平臺(tái)上。2．2．2 LabVlEW的應(yīng)用132】目前，LabVIEW在包括航空、航天、通信、汽車(chē)、半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)等世界范圍的眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從簡(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到尖端的測(cè)試和工業(yè)自動(dòng)化，從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工廠，從探索研究到技術(shù)集成，都可以發(fā)現(xiàn)LabVIEW應(yīng)用的成果和開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。92基于PXI總線的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái) 碩士論文(1)LabVIEW應(yīng)用于測(cè)試與測(cè)量LabVIEW已成為測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它可以通過(guò)GPIB、VX、串行設(shè)各或插卡式數(shù)據(jù)采集板來(lái)構(gòu)成實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它提供了工業(yè)界最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，還支持通過(guò)Intemet、ActiveX、DDE、SQL等交互式通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。它所提供的眾多開(kāi)發(fā)工具使得復(fù)雜的測(cè)試與測(cè)量任務(wù)變得簡(jiǎn)單易行。(2)LabVIEW應(yīng)用于過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化LabVIEW具有強(qiáng)大的硬件驅(qū)動(dòng)、圖形顯示和便捷快速的程序設(shè)計(jì)能力，為過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用提供了優(yōu)秀的解決方案。(3)LabVIEW應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究與分析LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的高級(jí)數(shù)學(xué)分析庫(kù)，包括統(tǒng)計(jì)、估計(jì)、回歸分析、線性代數(shù)、信號(hào)生成算法、時(shí)域和頻域算法等眾多科學(xué)計(jì)算模塊，可滿足科學(xué)家和工程師等計(jì)算與分析的需要。即使在聯(lián)合時(shí)頻域分析、小波和數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)等高級(jí)或特殊分析場(chǎng)合，LabVIEW也提供了專(zhuān)門(mén)的附加軟件包。2．2．3 LabVIEW應(yīng)用程序組成129,341在LabVIEW環(huán)境下開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序被稱(chēng)作Ⅵ，并被冠以vi后綴，以表示虛擬儀器的含義。一個(gè)vI由前面板和程序框圖組成。2．2 31前面板簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW前面板是VI的交互式接口，與真實(shí)的物理儀器面板相似。前面板主要由各種控件組成，其中有些控件是用戶用來(lái)向程序輸入數(shù)據(jù)的，這些控件叫控制件；另一些則是程序向用戶輸出運(yùn)行結(jié)果的，這些控件叫顯示件。控制件和顯示件的數(shù)據(jù)流方向正好相反，但是它們?cè)谇懊姘迳峡梢韵嗷マD(zhuǎn)換。圈2．2．1LabVIEW控件模板LabVIEW控件模板如圖2．21所示。其中每一個(gè)圖標(biāo)代表一類(lèi)數(shù)據(jù)類(lèi)型控件，例如第一個(gè)Numeric圖標(biāo)代表數(shù)據(jù)類(lèi)型控件，第二個(gè)Boolean圖標(biāo)代表布爾類(lèi)型控件。單擊某一類(lèi)控件的代表圖標(biāo)便可以進(jìn)入此類(lèi)的所有子控件模板中，然后可以從中拖動(dòng)任意一個(gè)控件置于前面板。在前面板右鍵單擊每個(gè)控件可以選擇Properties來(lái)設(shè)置控件的屬性。2．2．3 2程序框圖簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVlEW的后面板即程序框圖，又稱(chēng)代碼窗口，實(shí)際上就是vI圖形化的源程序。LabVIEW的核心就是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)流框圖程序，它決定了程序的數(shù)據(jù)走向和執(zhí)行方式。10碩士論i 萋fPXI總線的虛擬儀器w試系統(tǒng)∞設(shè)計(jì)廈其月絡(luò)化研究前面板只提供了用戶所需要的各類(lèi)控件，并不能實(shí)現(xiàn)用戶所定義的功能，程序框圖才是編程的關(guān)鍵，它用來(lái)控制數(shù)據(jù)流的走向，是實(shí)現(xiàn)程序功能的關(guān)鍵部分，是整個(gè)程序的靈魂。因此，編程任務(wù)的絕大部分工作都將在程序框圖里面來(lái)完成。程序框圖對(duì)應(yīng)的函數(shù)模板如圖2．22所示。圖2．22LabVIEW函數(shù)模板框圖程序的組成對(duì)象主要有：(1)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)是承載數(shù)據(jù)流的載體，LabVIEW里有函數(shù)節(jié)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)、屬性節(jié)點(diǎn)、調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)、包含節(jié)點(diǎn)、SubVI節(jié)點(diǎn)等。每一類(lèi)節(jié)點(diǎn)都有其各自不同的作用和功能，倒如結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)主要用來(lái)控制程序的執(zhí)行結(jié)構(gòu)方式。(2)端口。LabVIEW是～種基于數(shù)據(jù)流控制的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)從一個(gè)端口流向另一個(gè)端口。LabVIEW里有控件端口、節(jié)點(diǎn)端口、結(jié)構(gòu)端口和常數(shù)端口共四類(lèi)端口。端口是連線的出發(fā)點(diǎn)或結(jié)束點(diǎn)，即端口之間是通過(guò)連線來(lái)控制數(shù)據(jù)的流向。(3)連線。連線是端口問(wèn)的數(shù)據(jù)通道，不同的線型代表不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型。連線是編寫(xiě)LabVIEW程序的一項(xiàng)重要工作。任何一個(gè)錯(cuò)誤的連線都將導(dǎo)致程序無(wú)法執(zhí)行。2．3 PXI總線測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)常用的組建虛擬儀器的總線有VXI和pXI兩種。相比之下，PXI總線速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)商于VXI總線，同時(shí)由于它起源于計(jì)算機(jī)主流總線PCI．具有很好的向下兼容性．其研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用都有大量的計(jì)算機(jī)軟件支持，成本也比VXI總線低很多，可以說(shuō)PXI總線是目前性能最好的模塊化儀器總線㈣。因此本文選擇采用PXI總線構(gòu)建虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。2j．1 pXI總線‘3j。37]pXI是PCI在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展(PcIExtensioⅡforInstrumentation)，它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于實(shí)驗(yàn)、測(cè)量與數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。制訂PXI規(guī)范的目的是為了將臺(tái)式Pc機(jī)的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴(kuò)展完美地結(jié)合起來(lái)，形成一種主流的虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)。2基于PXI總線的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái) 碩士論文PXI總線體系結(jié)構(gòu)涵蓋了三大方面的內(nèi)容：機(jī)械規(guī)范、電氣規(guī)范和軟件規(guī)范。2．3．1．1 PXI總線機(jī)械規(guī)范PXI總線機(jī)械規(guī)范規(guī)定了如下要求：PXI系統(tǒng)機(jī)架要適應(yīng)工業(yè)環(huán)境并且易集成，PXI采用與CompactPCI相同的堅(jiān)固歐洲卡組件系統(tǒng)和高性能IEC連接器。此外，PXI增加了特殊的冷卻和環(huán)境要求規(guī)范，并提供了兩種與標(biāo)準(zhǔn)CompactPCI系統(tǒng)的互操作方式。(1)高性能連接器系統(tǒng)PXI使用與CompactPCI相同的高密度、屏蔽型、針孔式連接器。連接器引腳的間距為2mm，這種連接器符合IEC．1076國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在所有條件下均具有良好的電特性，已得到廣泛的應(yīng)用，特別是在遠(yuǎn)程通訊方面。由于這些IEC連接器優(yōu)良的電特性，PXI系統(tǒng)可以在一個(gè)單一的總線板上提供L卜,PCI總線臺(tái)式計(jì)算機(jī)更多的插槽。兒連接器傳輸32位PCI信號(hào)，J2連接器傳輸PXI定時(shí)和本地總線信號(hào)。J2連接器還用于PCI的64位擴(kuò)展。(2)歐洲卡機(jī)械組件PXI和CompactPCI的機(jī)械結(jié)構(gòu)符合歐洲卡規(guī)范(ANSl310．C、IEC297和IEEEl01．1)。這些規(guī)范已在工業(yè)環(huán)境中得到長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用。PXI規(guī)范定義了3U和6U兩種尺寸的模塊。3U模塊尺寸為100mmxl60mm，6U模塊尺寸為233．35mmxl60mm。歐洲卡規(guī)范的最新補(bǔ)充IEEEll01．10和P1101．11提出了電磁兼容性、用戶定義的機(jī)械鎖定和用于PXI系統(tǒng)的其它裝配問(wèn)題。這些電子裝配標(biāo)準(zhǔn)定義了堅(jiān)固、緊湊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以保證裝配的機(jī)架在苛刻的工業(yè)環(huán)境中使用的可靠性。PXI規(guī)定系統(tǒng)槽位于總線板的最左端。為系統(tǒng)槽規(guī)定一個(gè)唯一的位置，可以減小系統(tǒng)的集成難度，并提高不同廠商的控制器和機(jī)箱之間的兼容程度。PXI規(guī)范還規(guī)定系統(tǒng)控制器可以向其左面控制器擴(kuò)展槽內(nèi)擴(kuò)展。這些擴(kuò)展槽沒(méi)有任何連接器與背板相連，基本上只是擴(kuò)展空間，向左側(cè)擴(kuò)展可以防止系統(tǒng)控制器占用寶貴的外圍插槽。(3)新增加的電子裝配規(guī)范在CompactPCI規(guī)范中規(guī)定的全部機(jī)械要求可以直接用于PXI系統(tǒng)。此外，PXI還包括用于簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成的附加要求，如前所述，在PXI機(jī)箱中系統(tǒng)槽必須位于最左面的槽，系統(tǒng)控制器僅允許向左擴(kuò)展，禁止占用外圍插槽等。所有的PXI機(jī)箱均要求強(qiáng)制空氣冷卻。PXI推薦對(duì)所有的PXI產(chǎn)品進(jìn)行完整的環(huán)境試驗(yàn)，包括溫度，濕度、振動(dòng)和沖擊，并且要求提供試驗(yàn)結(jié)果文件，所有的PXI產(chǎn)品都要求注明在使用和儲(chǔ)存狀態(tài)下性能隨溫度的變化率。PXI規(guī)范中還要求電磁輻射和靈敏度試驗(yàn)，以保證與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致。(4)與CompactPCI的互操作性PXI的一個(gè)重要特點(diǎn)是保持了與標(biāo)準(zhǔn)CompactPCI產(chǎn)品的互操作性。很多PXI兼容系統(tǒng)并不要求外圍模塊必須實(shí)現(xiàn)PXI特有的功能。例如，用戶可以在PXI機(jī)箱中插入標(biāo)準(zhǔn)的CompactPCI卡；另一方面，用戶可以在標(biāo)準(zhǔn)的CompactPCI機(jī)箱中，選用與PXI兼容的插入式模塊，在這種情況下，用戶雖然不能執(zhí)行PXI特有的功能，．但是可以應(yīng)用模塊的12碩士論文 基于PXI總線的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其網(wǎng)絡(luò)化研究基本功能。2．3．1．2 PXI總線電氣規(guī)范PXI所沿用的PCI電氣標(biāo)準(zhǔn)主要有：33MHz時(shí)鐘頻率，32位和64位的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，132MB／s(32位)和264MB／s(64位)的峰值傳輸率，支持3．3V的電源環(huán)境和即插即用技術(shù)。PXI所沿用的CompactPCI電氣標(biāo)準(zhǔn)有PCIPCI橋擴(kuò)展總線段技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。在PCI和CompactPCI標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，PXI增加的電氣標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾種：系統(tǒng)參考時(shí)鐘：PXI為外圍模板提供精度為．4～100ppm的10MHz公用參考時(shí)鐘，它可作為多個(gè)模板的同步信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)總線：PXI的觸發(fā)信號(hào)總線有8條，用于模板之間的同步與通信。星式觸發(fā)信號(hào)線：PXI有13條星式觸發(fā)信號(hào)線。它們從星式觸發(fā)控制器插槽分別引向不同的外圍插槽，而且采用了等線長(zhǎng)技術(shù)，所以星式觸發(fā)信號(hào)線可以為多個(gè)模塊發(fā)送非常精確的觸發(fā)信號(hào)，還可以用作接收外圍模板的狀態(tài)和響應(yīng)信號(hào)。局部總線：PXI的局部總線是一種用戶可定義的菊花鏈總線，共有13根。從高速的TTL信號(hào)到高達(dá)42V的模擬信號(hào)都可以在局部總線上傳送。局部總線還可以作為高速邊帶數(shù)字通信通道，而且不影響PXI的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。2．3．1．3 PⅪ軟件規(guī)范同其它總線標(biāo)準(zhǔn)體系一樣，PXI定義了保證多廠商產(chǎn)品互操作性的硬件級(jí)接口標(biāo)準(zhǔn)。所不同的是，PXI在電氣要求的基礎(chǔ)上還增加了相應(yīng)的軟件要求，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)集成，PXI的軟件要求包括支持MicrosoftWindowsNT和95(W烈32)這樣的標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)框架，要求所有儀器模塊帶有配置信息和支持標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)開(kāi)發(fā)環(huán)境(如NI的LabVIEW、LabWindows／CVI和Microsoft的VC／C++、VB和Borland的C++等)，而且符合VISA規(guī)范的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(如WI