基于虛擬儀器的集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫瀅

（南京國(guó)睿安泰信科技股份有限公司，南京210013）

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基于虛擬儀器的集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫瀅

（南京國(guó)睿安泰信科技股份有限公司，南京210013）

摘要：

關(guān)鍵詞：

0　引言

電子測(cè)量技術(shù)在現(xiàn)代科技的諸多領(lǐng)域中都應(yīng)用十分廣泛。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，新的測(cè)試?yán)碚?、方法、領(lǐng)域，以及新的儀器結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，在很多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)儀器的概念。計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能儀器相結(jié)合的自動(dòng)測(cè)試技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的人工觀察記錄測(cè)試，大大地提高了測(cè)試的速度和精度，實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量的實(shí)時(shí)采集，為進(jìn)一步的研究提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的控制下，執(zhí)行預(yù)先編制好的測(cè)試程序，讓若干可程控的通用設(shè)備共同完成測(cè)試任務(wù)。

由于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)預(yù)先編制好的程序無(wú)法預(yù)計(jì)測(cè)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的每一種情況，在需要人工判斷測(cè)試的情況下，若使用傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)試方式往往會(huì)耗時(shí)耗力。且在實(shí)際應(yīng)用中，有些測(cè)試環(huán)境對(duì)外封閉，造成人工手動(dòng)測(cè)試?yán)щy。最好的解決方法是將人工思維判斷與儀器程控測(cè)試結(jié)合進(jìn)行測(cè)試對(duì)象的參數(shù)調(diào)試和數(shù)據(jù)記錄。

虛擬儀器是電子儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式，它是計(jì)算機(jī)、功能儀器卡及相應(yīng)軟件的有機(jī)結(jié)合，是具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器。它把計(jì)算機(jī)資源、模塊化功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通信及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件有機(jī)結(jié)合在一起，形成測(cè)試的特定需求。

基于虛擬儀器的集成控制測(cè)試系統(tǒng)是人工判斷干預(yù)與虛擬儀器程控軟面板相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理和分析，解決部分自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試限制的問(wèn)題。它在設(shè)計(jì)上與自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的部分架構(gòu)相同，因此具有自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的一些優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，作為一種特殊的輔助測(cè)試方式，它具有小巧、簡(jiǎn)潔靈活等自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

1　軟件功能和特點(diǎn)

集成控制測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分不限于傳統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件，也可用于開(kāi)放式硬件體系結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)系統(tǒng)硬件特性，軟件具備下述功能：

（1）虛擬高級(jí)儀器

可在模塊化功能硬件或簡(jiǎn)單儀器功能的基礎(chǔ)上，使用集成控制測(cè)試系統(tǒng)軟件進(jìn)行曲線擬合、卷積、分解等數(shù)值計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)高級(jí)儀器功能，并將處理結(jié)果以列表或圖形的形式呈現(xiàn)。由于通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的能力比傳統(tǒng)儀器中的微處理器強(qiáng)得多，可大大減少硬件成本，提高測(cè)試效率。

（2）遠(yuǎn)程控制

集成控制測(cè)試系統(tǒng)軟件通過(guò)通用總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)智能測(cè)試儀器的遠(yuǎn)程控制。此功能實(shí)現(xiàn)了實(shí)際測(cè)試環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)與主控計(jì)算機(jī)的分離，可用于封閉的測(cè)試環(huán)境或多儀器分散的測(cè)試情況。

（3）集成控制

集成控制測(cè)試系統(tǒng)軟件可對(duì)儀器型號(hào)、程控接口、地址和驅(qū)動(dòng)等信息進(jìn)行統(tǒng)一配置管理。在軟件用戶界面中，主面板只有一個(gè)，它在執(zhí)行過(guò)程中始終打開(kāi)，處于激活狀態(tài)。子面板包括一個(gè)或多個(gè)可被主面板調(diào)用的虛擬儀器面板［2］。每個(gè)子面板都具有個(gè)體獨(dú)立性，可單獨(dú)進(jìn)行儀器數(shù)據(jù)交互。

（4）功能定制

對(duì)于功能復(fù)雜的智能儀器，可通過(guò)插件加載/卸載的方式在界面上選擇配置需要的儀器功能。儀器功能插件的編寫(xiě)遵循一定的接口，便于整體管理，實(shí)現(xiàn)儀器功能定制。

集成控制測(cè)試系統(tǒng)軟件在實(shí)現(xiàn)以上功能的同時(shí)，為適應(yīng)用戶操作需求，具有以下特點(diǎn)：界面簡(jiǎn)單、易操作；系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)儀器狀態(tài)；具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，在用戶操作失誤時(shí)進(jìn)行儀器安全保護(hù)，并給出明顯提示信息；在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)重新配置儀器相關(guān)信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同廠家、不同型號(hào)的同類(lèi)型儀器的兼容復(fù)用。

2　軟件邏輯設(shè)計(jì)

集成控制測(cè)試系統(tǒng)軟件的邏輯結(jié)構(gòu)劃分為若干層次，層次之間的接口和調(diào)用關(guān)系遵循一定調(diào)用規(guī)范，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)的組件化設(shè)計(jì)，建立良好的擴(kuò)充、裁減性，利用數(shù)據(jù)配置文件，建立軟件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)引擎，支撐整個(gè)軟件環(huán)境。每一層為上層提供服務(wù)，并作為下一層的客戶，內(nèi)部的層只對(duì)相鄰的層可見(jiàn)。在最外層，構(gòu)建完成界面層的操作；在最內(nèi)層，構(gòu)建完成與操作系統(tǒng)的連接；中間層提供各種實(shí)用程序和應(yīng)用軟件功能［3］。系統(tǒng)軟件邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

物理層包括儀器驅(qū)動(dòng)程序、VISA庫(kù)及其他底層驅(qū)動(dòng)程序，提供硬件、儀器的直接驅(qū)動(dòng)。物理層是測(cè)試軟件的硬件基礎(chǔ)，本層具有很高的穩(wěn)定性，以保證測(cè)試軟件順利進(jìn)行硬件測(cè)試。

抽象層通過(guò)軟件完成系統(tǒng)功能的抽象，抽象層包括軟件系統(tǒng)的主控核心程序（接口管理程序）模塊，由它來(lái)解釋、分析用戶的操作，確定軟件界面功能應(yīng)調(diào)用的函數(shù)。所有功能的實(shí)現(xiàn)依賴對(duì)數(shù)據(jù)層（包括數(shù)據(jù)庫(kù)、配置文件等）的調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)通用性。

圖1　系統(tǒng)軟件邏輯結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用層包括用戶界面、用戶事件等。應(yīng)用層通過(guò)抽象層的接口來(lái)調(diào)用數(shù)據(jù)層和物理層的資源完成系統(tǒng)各項(xiàng)功能。

應(yīng)用層、抽象層等構(gòu)成系統(tǒng)軟件的通用公共部分。軟件接口管理程序根據(jù)外配置文件信息、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)調(diào)用指定功能模塊來(lái)完成用戶通過(guò)應(yīng)用層發(fā)送的包括被測(cè)件測(cè)試、數(shù)據(jù)輸出等任務(wù)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)層由配置文件和接口的具體實(shí)現(xiàn)方法構(gòu)成。配置文件包括儀器設(shè)置信息、界面定制功能信息等，數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)作為功能函數(shù)的參數(shù)被系統(tǒng)調(diào)用。

3　軟件功能設(shè)計(jì)

軟件具體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　軟件功能結(jié)構(gòu)圖

測(cè)試設(shè)備資源是測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)。測(cè)試設(shè)備資源整體管理、分開(kāi)使用。集成控制測(cè)試系統(tǒng)的用戶界面顯示為多個(gè)虛擬儀器軟面板，各面板程控一臺(tái)儀器，即從已錄入的儀器信息庫(kù)中選擇的一臺(tái)邏輯儀器。測(cè)試設(shè)備資源管理利用軟件平臺(tái)提供的“儀器信息配置”管理測(cè)試系統(tǒng)中的儀器設(shè)備資源，其目的是將儀器設(shè)備硬件資源與包括前期開(kāi)發(fā)的儀器設(shè)備驅(qū)動(dòng)庫(kù)等軟件資源進(jìn)行映射關(guān)聯(lián)，完成系統(tǒng)硬件資源與軟件資源的結(jié)合。計(jì)算機(jī)軟件通過(guò)GPIB、LAN總線一類(lèi)接口控制通用測(cè)試儀器，發(fā)送相關(guān)儀器參數(shù)設(shè)置指令，讀取測(cè)試數(shù)據(jù)。儀器信息包括儀器基本信息和儀器測(cè)試信息。儀器基本信息是指儀器廠家、型號(hào)等。儀器測(cè)試信息是指程控協(xié)議接口、儀器地址和驅(qū)動(dòng)文件路徑等信息。其中，程控協(xié)議接口是指GPIB、TCP/IP、串口等協(xié)議，由用戶根據(jù)實(shí)際測(cè)試總線控制接口選擇。儀器驅(qū)動(dòng)按自定義接口對(duì)底層IVI驅(qū)動(dòng)或程控指令封裝編寫(xiě)。

儀器配置信息可以存儲(chǔ)為文本文件、XML文件或數(shù)據(jù)庫(kù)文件等形式。其中XML（即可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言）文件提供了一種描述結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的格式，能夠更精確地聲明內(nèi)容，可讀性強(qiáng)、擴(kuò)展方便、跨平臺(tái)移植性好，適合數(shù)據(jù)量不大的集成控制測(cè)試系統(tǒng)。

隨著電子測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展，測(cè)試儀器的功能不斷組合附加，許多儀器廠商都會(huì)提供一些可供選擇的功能選件。為了適應(yīng)各種測(cè)試需求，也為了方便在儀器升級(jí)后進(jìn)行相應(yīng)功能升級(jí)，儀器軟面板在具有基礎(chǔ)功能的同時(shí)增加功能插件接口?？蓪④浢姘迳先鄙俚墓δ馨匆欢ǖ臉?biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)封裝為插件后，保存相關(guān)信息至配置文件，在界面加載時(shí)調(diào)用。插件接口的定義方式可有多種，但一定要包含方便調(diào)用的基本信息，例如以下的定義：

指定了插件類(lèi)型、文件路徑、程序調(diào)用入口函數(shù)等信息。

集成控制測(cè)試系統(tǒng)的人工干預(yù)多于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，所以界面要更加簡(jiǎn)潔易操作，人機(jī)交互界面要友好。除了基本的測(cè)試功能，需實(shí)時(shí)判斷儀器的在線狀態(tài)，實(shí)時(shí)將儀器直接返回或經(jīng)過(guò)后期計(jì)算處理的測(cè)試數(shù)據(jù)以列表、圖形跡線等明顯形式的形式呈現(xiàn)給用戶。在顯示多儀器面板時(shí)可自動(dòng)排列。為方便用戶使用，還可附加配置信息存取、界面截圖和制定格式數(shù)據(jù)報(bào)表導(dǎo)出等功能。

4　程序運(yùn)行界面效果

以一個(gè)簡(jiǎn)單的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀集成控制測(cè)試系統(tǒng)為例。此系統(tǒng)的硬件部分是一個(gè)分布式矢量網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，每臺(tái)測(cè)試儀器設(shè)置在不同地方，共同執(zhí)行自動(dòng)測(cè)試任務(wù)和數(shù)據(jù)上傳。在使用集成控制測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，可以在服務(wù)器端單獨(dú)控制其中一臺(tái)儀表（如圖3所示），也可根據(jù)需要選擇多儀表測(cè)試（如圖4所示）。

圖3　遠(yuǎn)程控制單臺(tái)儀表

圖4　遠(yuǎn)程控制多臺(tái)儀表

參考文獻(xiàn)：

［1］陳尚松，郭慶，雷加．電子測(cè)量與儀器．北京：電子工業(yè)出版社，2009，7.

［2］劉傳清，胡榮玉．虛擬儀器軟面板設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.襄樊學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（9）:14-17.

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［4］劉思久，張禮勇.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)與虛擬儀器原理·開(kāi)發(fā)·應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社，2009，8.

［5］梅勁松.軍用電子測(cè)量?jī)x器應(yīng)用指南．北京：電子工業(yè)出版社，2001，8.

Design of Integrated Control System Based on Virtual Instrument

SUN Ying
（Nanjing Glarun-Atten Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210013）

Abstract：

Keywords：

虛擬儀器實(shí)現(xiàn)的集成控制測(cè)試系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)，具有良好的可重復(fù)性、可擴(kuò)展性，比大型的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，更加靈活?？沙炭貑闻_(tái)儀器，也可在完整的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)柜上進(jìn)行測(cè)試對(duì)象的參數(shù)調(diào)試，作為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的輔助測(cè)試。

虛擬儀器；組合；集成控制測(cè)試系統(tǒng)

文章編號(hào)：1007-1423（2016）13-0072-04

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.13.019

作者簡(jiǎn)介：

孫瀅（1987-），女，江蘇南京人，本科，助理工程師，從事領(lǐng)域?yàn)樽詣?dòng)測(cè)試

收稿日期：2016-03-08修稿日期：2016-04-18

Integrated control system design of virtual instrument has good repeatability，scalability，compared with large automatic test system，it's simple operation，more flexible，can be used to control a single instrument，can also be conducted on a complete automatic test system parameter debugging，as the auxiliary test automatic test system.

Virtual Instrument；Compose；Integrated Control System