【文章內(nèi)容簡介】 行，取決于虛擬儀器的軟件。 虛擬儀器的通信軟件結(jié)構(gòu) 虛擬儀器的核心就是儀器的軟件化。即利用計算機(jī)的軟件和硬件資源，使本來需要硬件或電路實現(xiàn)的技術(shù)軟件化和虛擬化，最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)的功能與靈活性。基于軟件在虛擬儀器系統(tǒng)中的重要應(yīng)用，從低層到頂層，虛擬儀器的通信軟件系統(tǒng)框架包括3個部分:VISA庫、儀器驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。 虛擬儀器的軟件結(jié)構(gòu)(1).VISA庫 即虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)，其實質(zhì)就是標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。一般稱這個I/O函數(shù)庫為VISA庫。它駐留于計算機(jī)系統(tǒng)之中，執(zhí)行儀器總線的特殊功能，是計算機(jī)與儀器之間的軟件層連接，以實現(xiàn)對儀器的程控。對于儀器驅(qū)動程控開發(fā)者來說，VISA庫是一個可調(diào)用的操作函數(shù)集。 作為標(biāo)準(zhǔn)化的I/O接口軟件規(guī)范，VISA庫的主要作用有以下幾個方面。 1.為所有用戶提供統(tǒng)一的軟件編程基礎(chǔ)，對驅(qū)動程序、應(yīng)用程序不必考慮接口類型均可使用。 2.僅規(guī)定為用戶提供的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，不對具體實現(xiàn)進(jìn)行任務(wù)說明。 3.用于編寫符合VPP規(guī)范的儀器驅(qū)動程序，完成計算機(jī)與儀器之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對儀器的控制。 4.VISA庫作為底層I/O接口軟件，運行于計算機(jī)系統(tǒng)之中。(2).儀器驅(qū)動程序 設(shè)備驅(qū)動程序是完成對某一特定設(shè)備的控制與通信的軟件程序集合，是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備控制的橋梁。每個設(shè)備都有自己的驅(qū)動程序，由儀器廠商以源程序的形式提供給用戶，用戶在應(yīng)用程序中調(diào)用儀器驅(qū)動程序。儀器驅(qū)動程序主要用來初始化虛擬儀器，設(shè)置特定的參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持正常的工作狀態(tài)。 每一種設(shè)備驅(qū)動程序都是為增加編程靈活性和提高數(shù)據(jù)吞吐量而設(shè)計的。每個設(shè)備驅(qū)動程靈都具有一個共同的應(yīng)用程序接口(API)。因此，不管虛擬儀器所使用的計算機(jī)或者操作系統(tǒng)是什么，最終所編寫的用戶程序都是可移植的。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個主要方面是驅(qū)動軟件的使用。驅(qū)動軟件是直接為數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計的軟件層，管理著系統(tǒng)的操作以及和計算機(jī)資源的組合，如CPU中斷、DMA傳送、存儲器等，驅(qū)動軟件在保持高性能、讓用戶易于理解的同時，隱藏了復(fù)雜、詳細(xì)的硬件級程序設(shè)計。 對于市場上的大多數(shù)計算機(jī)內(nèi)置插卡，廠家都配備了相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。用戶在編制應(yīng)用程序時，可以像調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)那樣，直接調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序，進(jìn)行設(shè)備操作。如果所用計算機(jī)內(nèi)置插卡和外設(shè)插卡沒有設(shè)備驅(qū)動程序，用戶也可以采用高級語言自己編寫。(3).應(yīng)用軟件 應(yīng)用軟件建立在儀器驅(qū)動程序之上，直接面向操作用戶，并提供直觀、友好的操作界面，豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能來完成自動測試任務(wù)。應(yīng)用軟件包含兩個方面的程序 1.實現(xiàn)虛擬面板功能的前面板軟件程序。對于每個虛擬儀器模塊來說，必須提供一個虛擬儀器面板。在系統(tǒng)集成初始化時，軟面板即可用于實現(xiàn)儀器功能，又能幫助用戶理解和熟悉儀器特性。軟面板是一個可獨立運行的Windows應(yīng)用程序。 2.定義測試功能的流程圖軟件程序。應(yīng)用軟件直接面向操作用戶，通過提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理功能，來完成虛擬儀器的測試功能，它體現(xiàn)了虛擬儀器的優(yōu)點和本質(zhì)。用戶可方便、直觀地對應(yīng)用程序進(jìn)行后期開發(fā)。 虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用軟件不僅包含系統(tǒng)內(nèi)的儀器模塊的操作控制，數(shù)據(jù)的采集分析與顯示，同時必須具有良好的開放性與可擴(kuò)展性。 虛擬儀器開發(fā)平臺的選擇 虛擬儀器開發(fā)平臺目前主要有兩類。 第一類是基于傳統(tǒng)語言的C、Visal Basic、Visal C++、Delphi等，這類開發(fā)語言具有適用面廣、開發(fā)靈活的特點。但這種開發(fā)方式對測試人員要求很高，需要自己將各種數(shù)據(jù)處理方法用計算機(jī)語言實現(xiàn)，還要對用于數(shù)據(jù)通信的各種連接總線(如RS23GPIB、USB等)非常熟悉，絕大多數(shù)測試工程人員難以做到，或者需要花費大量的時間來研究，而懂得這些編程方法的人員又不一定懂得測試技術(shù)。因此，用這種平臺語言開發(fā)測試工程軟件難度大、周期長、費用高、可擴(kuò)展性差。 第二類是基于圖形化的編程軟件，如NI公司的Labview、HP公司的VEE、HEM公司的SnapMaster、IOtech公司的Dasylab等。這類組態(tài)軟件都通過建立和連接圖標(biāo)來構(gòu)成虛擬儀器工作程序并定義其功能，而不是用傳統(tǒng)的文本編輯形式。它們具有編程效率高、通用性強(qiáng)、交叉平臺互換性好的特點，適用于大批量多種儀器的生產(chǎn)。該類軟件缺點是缺少程序流程控制，大都解釋執(zhí)行，專用性太強(qiáng)，可擴(kuò)展性、通用性比較差。 從實現(xiàn)虛擬儀器功能的角度出發(fā)，開發(fā)虛擬儀器軟件的平臺應(yīng)提供以下功能。 1直觀、豐富的儀器圖形控件。由于虛擬儀器是用圖形化的界面來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板等交互部件，因此開發(fā)平臺必須預(yù)置種類豐富的圖形化控件，供軟件開發(fā)者使用。 2強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。虛擬儀器的優(yōu)點之一就是利用PC強(qiáng)大的處理能力對被測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、頻譜分析等。因此，開發(fā)虛擬儀器的軟件平臺應(yīng)提供大量的數(shù)據(jù)處理功能模塊供開發(fā)者調(diào)用。 3友好的人機(jī)界面。虛擬儀器的測試結(jié)果應(yīng)具備按照用戶的要求，以直觀、友好的圖形化(二維或三維)方式顯示、輸出，相應(yīng)的開發(fā)平臺應(yīng)該提供便捷的方式來實現(xiàn)這一目標(biāo)。 從以上分析可以看出，通用的軟件開發(fā)平臺，如Visal C++、Delphi、Visal Basic等都無法全部滿足虛擬儀器開發(fā)的要求。 因此，虛擬儀器的主導(dǎo)公司紛紛推出了專為虛擬儀器開發(fā)而設(shè)計的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，即圖形化的編程軟件。 作為測試工程領(lǐng)域的強(qiáng)有力工具，近年來，由美國國儀器公司(National Instruments,簡稱NI)開發(fā)的虛擬儀器軟件LabviewLab和Windows/CVI得到了業(yè)界的普遍認(rèn)可，在測試系統(tǒng)分析、設(shè)計和研究方面得到廣泛應(yīng)用。 Labview的全稱是實驗室虛擬儀器工程平臺(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench),是一種基于G語言(Graphics Language ,圖形化編程語言)的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺。它采用了工程人員熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)等圖形化符號來代替常規(guī)基于文字的語言程序。利用Labview用戶可通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)，方便迅速地創(chuàng)建虛擬儀器。LabWindows/CVI是NI公司開發(fā)的另一種交互式開發(fā)平臺。它將C語言開發(fā)平臺與用于數(shù)據(jù)采集分析與顯示的測控工具結(jié)合起來，將開發(fā)平臺與交互式編程方法、功能面板及庫函數(shù)集成起來，從而為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)、自動測量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個很好的軟件開發(fā)環(huán)境。 通信網(wǎng)絡(luò)模式的選擇 C/S（Client/Server）模式即客戶/服務(wù)器模式。C/S模式是網(wǎng)絡(luò)測控通信中常用的一種模型，通常集散控制系統(tǒng)多采用這種結(jié)構(gòu)。他一般有多個客戶端采集數(shù)據(jù)，而通常有一個服務(wù)器充當(dāng)數(shù)據(jù)庫的角色，客戶端通過通信協(xié)議把測試數(shù)據(jù)寫入遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。這種模型設(shè)計人員要做兩個方面的開發(fā)，一是客戶端采集程序和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)布的程序的設(shè)計，另一個是客戶端數(shù)據(jù)的接收程序的設(shè)計。在LabVIEW下，專門為測試數(shù)據(jù)的安全快速的傳輸而設(shè)置了DSTP協(xié)議。C/S組網(wǎng)模式一般如圖： C/S拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從圖中可以看出，C/S組網(wǎng)模式一般由現(xiàn)場測控設(shè)備、測控機(jī)和遠(yuǎn)程服務(wù)器組成。在C/S模式下，一般采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 B/S(Browser/Server)模式即瀏覽器/服務(wù)器模式。B/S模型是為了方便用戶在Web下發(fā)布數(shù)據(jù)。通常，用戶端只要安裝一個瀏覽器，直接訪問測控網(wǎng)站的地址，就可以監(jiān)視遠(yuǎn)程測控點的數(shù)據(jù)變化情況。它的主要工作是在服務(wù)器端程序開發(fā)，不存在客戶端程序的開發(fā)和維護(hù)。在B/S模式下，一般采用HTTP協(xié)議。B/S模式如圖： B/S拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從圖中可以看出，B/S組網(wǎng)模式一般由客戶機(jī)，服務(wù)器，以及和服務(wù)器相連的遠(yuǎn)程測控設(shè)備組成。B/S結(jié)構(gòu)是三層C/S結(jié)構(gòu)在Web上應(yīng)用的特例。 B/S模式結(jié)構(gòu)示意圖 C/S模式和B/S模式的區(qū)別從本質(zhì)上說，B/S模式與傳統(tǒng)C/S模式都是以同一種請求和應(yīng)答方式來執(zhí)行應(yīng)用的。B/S方式之所以優(yōu)于傳統(tǒng)C/S方式，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：硬件環(huán)境不同：C/S一般建立在專用的網(wǎng)絡(luò)上或小范圍的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，B/S結(jié)構(gòu)建立在廣域網(wǎng)之上，比C/S適應(yīng)范圍更強(qiáng)；軟件重用不同：C/S程序不可避免的需要進(jìn)行整體性考慮，構(gòu)件的重用性差；B/S的多重結(jié)構(gòu)，要求構(gòu)件具有相對獨立的功能，能夠較好的重用；系統(tǒng)維護(hù)不同：C/S的應(yīng)用必須開發(fā)出專用的客戶端軟件；B/S的應(yīng)用只需在客戶端裝有通用的瀏覽器即可，大大降低了開發(fā)和維護(hù)的成本；標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議不同：C/S結(jié)構(gòu)需要混合多種傳輸協(xié)議；而B/S結(jié)構(gòu)中，所有的系統(tǒng)都使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信?？梢钥闯?，B/S模式具有靈活方便而不失強(qiáng)大的交互功能等優(yōu)點。Client/Server是建立在局域網(wǎng)基礎(chǔ)上的，Browser/Server是建立在廣域網(wǎng)基礎(chǔ)上的。嚴(yán)格來說，B/S結(jié)構(gòu)也是一種C/S結(jié)構(gòu)。二者在技術(shù)和實施上主要的比較是：C/S采用Intranet技術(shù)，適用于局域網(wǎng)環(huán)境；可連接用戶數(shù)有限，當(dāng)用戶數(shù)量增多時，性能會明顯下降；客戶端都要安裝應(yīng)用程序，系統(tǒng)擴(kuò)展維護(hù)復(fù)雜；代碼可重用性差，開發(fā)費用較高，開發(fā)周期較長。B/S采用Internet/Intranet技術(shù)，適用于廣域網(wǎng)環(huán)境；支持更多的客戶，可根據(jù)訪問量動態(tài)配置WEB服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，以保證系統(tǒng)性能；客戶端只需標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，代碼可重用性好，系統(tǒng)擴(kuò)展維護(hù)簡單；但開發(fā)費用較低，開發(fā)局期較短。本論文任務(wù)將分別對以上兩種模式進(jìn)行實現(xiàn)。 系統(tǒng)的總體設(shè)計方案遠(yuǎn)程測控實驗系統(tǒng)可分為硬件平臺和軟件平臺的設(shè)計。硬件的設(shè)計是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，軟件的設(shè)計是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵。 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程客戶通過瀏覽器訪問服務(wù)器端的網(wǎng)頁實現(xiàn)遠(yuǎn)程測控實驗。 系統(tǒng)硬件的功能。 系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)的硬件平臺分為由上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)是本地計算機(jī)，是整個硬件系統(tǒng)的核心。下位機(jī)由單片機(jī)負(fù)責(zé)，通過I/O口連接著實驗設(shè)備。上位機(jī)運行實驗軟件平臺，負(fù)責(zé)與下位機(jī)的通信，視頻監(jiān)視信號的輸入，為遠(yuǎn)程用戶提供訪問服務(wù)。下位機(jī)系統(tǒng)主要硬件包括單片機(jī)實驗板和雙向可控硅控制電路，在實驗板上有用來采集溫度信號的溫度傳感器，超過溫度限值報警的蜂鳴器，顯示溫度的七段數(shù)碼管；雙向可控硅控制電路包括光耦隔離器件，雙向可控硅器件，以及可控硅限流保護(hù)電路組成。實驗板通過串口轉(zhuǎn)USB口與上位機(jī)連接，實現(xiàn)串口通信。視頻監(jiān)控部分采用的是USB免驅(qū)攝像頭，監(jiān)視現(xiàn)場實驗設(shè)備。 系統(tǒng)軟件的功能系統(tǒng)的軟件設(shè)計也分為兩部分：上位機(jī)的虛擬儀器程序設(shè)計和下位機(jī)的單片機(jī)程序設(shè)計。上位機(jī)的虛擬儀器程序采用LabVIEW2010編寫，主要的軟件功能包括：，如設(shè)備的串口號，溫度報警閥值，電扇和臺燈的開關(guān)控制信號等。，將控制量發(fā)送到下位機(jī)，控制實驗設(shè)備的響應(yīng) 。，進(jìn)行數(shù)值處理后將溫度值示在前面板上，通過服務(wù)器傳遞給客戶端。，通過網(wǎng)絡(luò)實時傳遞到客戶端顯示。下位機(jī)單片機(jī)程序采用Keil uVision3編寫，主要的軟件功能包括：，同時通過串口傳遞給上位機(jī)。，控制蜂鳴器開關(guān)，LED燈的顯示，以及通過I/O口控制光耦隔離器件的導(dǎo)通，實現(xiàn)可控硅交流控制電路的開關(guān)特性。第三章 下位機(jī)硬件組成及其軟件系統(tǒng)的硬件電路主要由51單片機(jī)和可控硅電路構(gòu)成。51單片機(jī)作為下位機(jī)，51單片機(jī)實現(xiàn)與上位PC的通信?？煽毓桦娐房刂平涣?20V電扇和臺燈的開啟和關(guān)閉。整個硬件平臺實現(xiàn)帶有自動報警的溫度控制系統(tǒng)。 單片機(jī)（下位機(jī)）硬件平臺單片機(jī)帶有豐富的I/O口資源，簡單串行接口，若干個定時/計數(shù)器等資源，價格便宜，可以很方便的實現(xiàn)I/O口輸入輸出的控制，從而控制其它模塊。 單片機(jī)實驗板簡介單片機(jī)在本系統(tǒng)中是下位機(jī)的核心部件，選用51單片機(jī)實驗板作為下位機(jī)的硬件平臺。系統(tǒng)實驗板采用的是STC89C52RC單片機(jī)，采用USB接口外部供電。帶有溫度傳感器，四位數(shù)碼管可以顯示溫度，一個蜂鳴器用來報警，采用RS232通信接口與上位機(jī)通信。 溫度采集電路該系統(tǒng)采用DALLAS公司生產(chǎn)的的線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它具有3個引腳，采用TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，℃，被測溫度用符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；CPU只需一根端口線就能與DS18B20通信；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生，在本方案中采用外部電源供電。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如下: DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 通信接口電路單片機(jī)實驗板與上位機(jī)PC之間的通信采用的RS232串口通信。 RS232通信接口電路 交流負(fù)載控制模塊的設(shè)計 交流負(fù)載控制模塊的設(shè)計原理上位機(jī)接收來自遠(yuǎn)程客戶端的控制信號，由單片機(jī)I/O口控制光耦隔離器件中放光二極管的導(dǎo)通，從而控制可控硅的導(dǎo)通，實現(xiàn)對220V交流負(fù)載電路的控制。單片機(jī)I/、從而控制后端交流負(fù)載，同時對高壓部分與弱信號部分進(jìn)行了光電隔離，可以很好的保護(hù)單片機(jī)電路。通過在單片機(jī)實驗板上引出四根線，其中兩根是引自單片機(jī)上空閑的I/，間接地控制交流負(fù)載；另外兩個線分別是+5V的電源和地線。 光耦隔離器件的選型光耦隔離器件主要由一個發(fā)光二極管和一個光敏二極管組成，使控制電路與外部響應(yīng)電路隔離，既可以保護(hù)控制電路又可以減少響應(yīng)電路對它的影響。光耦隔離器件選用的是由Motorola公司生產(chǎn)的MOC3041, 。 MOC3041電路結(jié)構(gòu)圖該器件共有6個引腳