發信人: ilyfe (伊犁*飛), 信區: LabVIEW
標  題: 第八章 虛擬儀器系統集成
發信站: 飲水思源 (2003年05月04日13:26:33 星期天), 站內信件

第八章 虛擬儀器系統集成
本章結合系統實例，介紹了虛擬儀器系統集成的理論和一般步驟，并提出了一種虛
擬儀器系統軟件結構描述語言，用于結構化地描述虛擬儀器應用程序的設計與開發
，為圖形化的應用程序開發平臺提供接口。

8.1 虛擬儀器系統的特點與集成目的
在前幾章中詳細討論了虛擬儀器系統接口軟件—VISA、虛擬儀器驅動程序、軟面板
及知識庫文件的規范與設計方法，為虛擬儀器模塊的開發提供了技術指導。然而，
在實際的自動測試領域中，更常見的任務是如何按照一定的系統模式將各個虛擬儀
器組織起來，實現系統的數據采集、數據分析與數據處理、數據顯示與輸出等功能
，完成工業化的自動測試任務，其中需要解決的問題是不同類型、不同生產廠家的
硬件模塊與軟件模塊之間的互兼容性與互操作性。
根據Webster曾對計算機系統做出的定義：“計算機系統是一個遵循一定信息處理
的預定義目標的元件集組合”，顯然虛擬儀器系統是一個典型的計算機系統，它由
多個模塊組成，遵循一定信息處理的預定義目標，實現特定的信息測量、分析處理
與控制任務。在一般的計算機系統通性基礎上，虛擬儀器系統具有以下一些特點：

1、 虛擬儀器系統是一個開放系統。所謂開放系統是指它是不斷發展的、廠家中立
的，它的應用和組成部件可以由不同廠家的其它相同部分實現替代，因此，整個系
統的配置、操作和替換均需符合一定格式的接口與服務協議規范。
2、 虛擬儀器系統的開放范疇是基于行業內部的，即基于自動測試系統領域的，因
此，虛擬儀器系統的開放性并不一定適用于其它的特定領域，如工業生產自動化系
統關心的技術與虛擬儀器系統技術不盡相同。
3、 虛擬儀器系統結構內部具有統一性，各硬件模塊與軟件模塊之間的實現形式與
設計方法也具有統一性，各模塊之間可實現數據與信息的交互性與互操作性。
4、 虛擬儀器系統由系統硬件結構與軟件結構兩部分組成，各種接口技術為這兩者
之間提供了融合與交互，系統硬件結構具有更明確的規范性，而軟件結構的設計在
體現整個系統的性能與靈活性作用更大，系統規模與質量指標更取決于軟件結構。

根據虛擬儀器系統的特點，虛擬儀器系統集成的任務也是明確的，即如何根據具體
的測試需求，提出硬件結構與軟件結構的設計模型，依據自頂向下的分析與設計方
法，逐步細化地到每一個模塊的選擇與設計，并經過完整、嚴格的綜合測試，實現
一個開放的、高性能的虛擬儀器系統。基于本課題的主題，本文的論述將重點放在
虛擬儀器系統軟件結構的設計實現上。

8.2 虛擬儀器系統集成的一般步驟
提出完整的虛擬儀器系統集成步驟，可以有效地指導虛擬儀器系統開發，從而可加
快系統開發速度，減少系統開發復雜度，提高系統性能質量。HP公司和NI公司分別
提出了基于VXI儀器系統的系統集成原則，然而，這些系統集成原則中強調了VXI儀
器的特性，均以硬件結構設計為重點，對于更一般的虛擬儀器系統集成的實際參考
價值受到限制，實際可操作性不強。本文在參考這些系統集成原則的基礎上，結合
計算機系統集成的一般理論，提出了虛擬儀器系統集成的一般方法：
1、 虛擬儀器系統分析：系統分析的目標是識別用戶要求；評價系統的可行性；進
行經濟分析和技術分析；進行系統功能分解；建立成本和進度限制；并生成系統規
格說明，形成所有后續工程的基礎。系統分析需要硬件和軟件專家共同合作來實現
以上目標。分解系統分析工作，可分為幾個方面：
l   首先對問題進行識別，提出所集成的系統總的設計目標，列舉出系統的功能要求
與具體技術性能指標，給出系統運行的環境限制要求，并提出系統可靠性要求、安
全性要求、用戶界面需求、資源使用需求、成本消耗與開發進度需求等。
l   第二步是進行問題分析與方案綜合，分析員逐步細化系統的功能與性能指標，將
虛擬儀器系統分解為硬件結構與軟件結構，賦予硬件結構與軟件結構的各自作用范
圍，提出結構之間及結構內部的接口模式，找出系統各元素之間的聯系、接口特性
和設計上的限制，最終綜合成系統的解決方案，給出目標系統的基本模型。在這個
過程中，分析和綜合工作反復進行，直到系統設計人員可以正確把握系統結構模型
為止。
l   第三步是編制系統分析的文檔，并對系統作進一步分析。
l   最后一步是對系統分析進行評審，對系統的功能與性能的正確性、完整性和清晰
性等需求進行評價。系統集成的質量很大程度上取決于系統分析的完整性和清晰性
。在系統分析基礎上，根據虛擬儀器系統的組成，將系統集成工作也先分離為硬件
結構的集成與軟件結構的集成兩部分。硬件結構集成更注重于系統的性能指標的實
現，而軟件結構集成更注重于系統的功能指標的實現。
2、 虛擬儀器系統硬件結構的設計：與一般的管理信息系統（MIS）為代表的計算
機系統不一樣的，虛擬儀器系統必定包含著多個虛擬儀器實體，儀器數目與儀器類
型的多少，是由虛擬儀器系統所要完成的測試任務而決定的。對于VXI儀器而言，
它比其它的虛擬儀器更具有規范性，硬件結構的組成也更具有模型性。下面以VXI
儀器系統為主，描述虛擬儀器系統的硬件結構組成與設計步驟。
l   首先是選擇或設計系統控制器，VXI儀器系統對系統中各硬件模塊的控制是通過
系統控制器來控制與協調的，I/O接口軟件、應用程序開發環境以及應用程序均安
裝在系統控制器中進行運行調用。對于系統測試速度、運算處理能力與體系結構來
說，確定系統控制器是首要因素。根據VXI規范及近年來的技術新發展，VXI儀器系
統控制器有幾種實現方法：第一種是將對VXI總線具有控制能力的計算機制成符合
VXI總線規范要求的組件模塊，嵌入到VXI總線主機箱的零槽位，構成內嵌式計算機
模式。這種模式的特點是數據傳輸率高、工作速度快、系統尺寸小，但存在著價格
高、一次性投資大的缺點，且更新速度不快。第二種是利用GPIB控制器，通過
488-GPIB接口，控制VXI儀器系統操作，計算機系統采用外接式GPIB主控機。這種
模式投資小，但數據傳輸率低，效率不高。第三種是利用多VXI總線機箱互連鏈路
總線（MXI）連接外接主控計算機與VXI總線，MXI總線是一種高速、多節點的互連
總線，系統中可包含MXI-VXI總線接口器件引入系統控制器。第四種是最新推出的
基于IEEE-1394高速數據傳輸接口的系統控制器模式，這種新的接口不僅能以
400Mbit/s的速率傳輸數據，而且價格比MXI接口模式大為便宜，實現了性能價格比
的突破。在本課題系統研制工作中，即選用了基于IEEE-1394接口的系統控制器，
使系統的高性能、低成本得以保證。
l   主機箱的選擇：VXI儀器必須包含在一個主機箱內，主機箱符合四種尺寸類別之
一：提供J1背板，并只準插入A尺寸模塊的主機箱稱為A型主機箱，它與VME總線機
箱規定相符；最大允許插入B尺寸模塊的主機箱稱為B型主機箱，它與VME總線機箱
規定相符；最大允許插入C尺寸模塊的主機箱稱為C型主機箱，J1背板是必需的，
J2背板是任選的；最大允許插入D尺寸模塊的主機箱稱為D型主機箱，J1背板是必需
的，J2和J3背板是任選的。選擇主機箱主要考慮機箱的大小、電源特性、冷卻特性
、電磁兼容性、內部噪聲特性以及輸入/輸出的連接等因素。根據系統大小，單機
箱可以選擇6槽、9槽、13槽、20槽等結構，還可以利用主機箱擴展器組成多機箱系
統。而最近各個主機箱生產廠家又都推出了具有特定性能的主機箱類型，如適用于
微波頻段環境的微波主機箱，以及可利用機箱內部的傳感器系統構成的具有完善的
電源管理、冷卻特性管理、溫度自適應等功能的智能主機箱。在一般VXI儀器系統
中，以C尺寸普通機箱應用最為廣泛。
l   儀器模塊的選擇與設計：在選擇儀器模塊過程中，第一項工作是形成匯編信號說
明一覽表，這種一覽表用于快速參考和識別，例如，其它工程師也能參看這一列表
并且快速識別如何對一種特殊信號進行測試。根據這份一覽表可以建立要求一致的
測試要求矩陣表。測試要求矩陣表同每一測試要求是相關的，而這些測試要求必須
同相應的激勵源和測量功能有關。在計算容限時，一般用4-10之間數字作為多重因
子，這種數字多重因子一般適用于精確度和分辨率。如確定了測量精度為1%，且多
重因子取10，那么儀器必須具有至少0.1%精度。對于VXI儀器來說，選擇的儀器規
格包括儀器的尺寸大小、儀器的電源和冷卻要求、儀器占據多少槽口（除了大多數
的單槽儀器模塊之外，有些儀器模塊將占據多個槽位）以及儀器是基于消息的器件
還是基于寄存器的器件。VXI總線技術還要求儀器廠商應規定每種儀器在最壞情況
的電源消耗和最低冷卻要求。由于虛擬儀器模塊具有的開放性與規范性特點，對于
儀器模塊的選擇并不限于單一的生產廠家，可以在多個廠家的產品表中根據性能價
格比指標進行擇優選擇，并將這些儀器模塊兼容地集成到同一硬件平臺中去。對于
VXI儀器來說，儀器模塊硬件平臺即是指包括了零槽控制器模塊的主機箱。需要指
出的是，在虛擬儀器系統中并不只包括VXI儀器，還可以有其它的GPIB儀器、
RS232串行接口儀器等，GPIB儀器與串行接口儀器并不能包括在一個主機箱內（NI
公司新推出PXI總線儀器也需要包括在一個主機箱內），但它們在遵循各自的總線
規范的同時，也同樣遵循著虛擬儀器技術規范，這時候建立的虛擬儀器系統往往是
一種混合系統。此外，虛擬儀器系統的硬件結構中的所有儀器模塊并不一定是從各
生產廠家的產品列表中選擇得來的，由于虛擬儀器的開放性與通用性，有時也會造
成一定的功能與性能的消費，為了提高整個系統的性能指標和經濟指標，系統設計
人員也往往需要開發一些專用儀器模塊。HP公司于1998年推出的M-Module（母板—
貼板結構）為開發VXI儀器提供了良好的研制基礎，設計人員往往只需要關注特定
的技術指標，并據此研制符合自身需要的SCP，而將與VXI總線接口交與母板完成。
虛擬儀器模塊的開發除了滿足各自總線規范以外設計硬件模塊以外，還必須根據軟
件結構微模型（模塊模型）來設計儀器驅動程序、軟面板、知識庫文件等軟件模塊
，從而構成完整的虛擬儀器產品。
3.  虛擬儀器系統軟件結構的設計：虛擬儀器軟件結構設計的首要任務是選擇結構
參考模型（見第二章），是組成一個自封閉的測試系統標準模型，還是組成一個復
雜的、開放的、集數據測試與信息管理于一身的擴展模型，從而可以確定軟件系統
的規模與組成元件。以標準模型為例，軟件結構組成元件包括直接與儀器數據交換
的I/O接口軟件、各個虛擬儀器的驅動程序以及上層的應用程序。其中在軟件結構
中I/O接口軟件、儀器驅動程序的應用與設計在前幾章中均有描述，在此處描述的
重點是軟件結構的應用程序開發。虛擬儀器系統的應用程序與其它應用程序一樣，
都是在特定領域內開發，為特定目的服務的一類軟件，而它同時也包含了以下特點
：
l   虛擬儀器系統應用程序中必然包含了對各類測試儀器的操作與控制，應用程序往
往通過調用儀器驅動程序的功能函數來實現與儀器的數據交互的。
l   在虛擬儀器系統應用程序中，有著明顯的模塊化特點，往往包含著數據輸入、數
據分析處理與數據輸出幾大模塊。在這幾個模塊下，又可以細化為多個子模塊，比
如數據輸入部分可以根據測試信號的不同，分為多種信號測試子模塊，同時數據輸
入源也可以包括外部軟件引入的數據文件、數據庫文件及其它應用程序引入的數據
；數據分析處理模塊也可以分為簡單的數值運算子模塊、復雜運算子模塊、數字信
號處理子模塊等；數據輸出也可以包括多種形式，如簡單的數據顯示、曲線顯示數
據文件形式存儲、數據庫文件形式存儲、通過DDE/OLE等方式輸出給其它應用程序
，還有以激勵信號的形式進行數據輸出與控制。圖8.1所示為虛擬儀器系統應用程
序模塊框圖。
圖8.1 虛擬儀器系統應用程序模塊框圖
l   虛擬儀器系統應用程序開發環境可以選擇傳統文本形式的語言環境，如VC、
Delphi、VB等環境，也可以選擇圖形化的軟件開發環境。文本形式的語言適合那些
經歷過計算機專門訓練的工程師，在這種環境下，盡管現在也有了具有豐富控件的
圖形界面，但源代碼還是一行行的代碼，從頭到尾地進行代碼的編寫與調試，對于
一個儀器工程師來說任務重、難度大，使其很難會集中時間與精力在儀器系統集成
任務上。而圖形化軟件開發平臺的源代碼是直接可操作一個個圖形控件與控件之間
的連線，整個程序流程是用戶可現場組態的數據流程圖，用戶往往只需用鼠標將各
類控件進行連線就可以產生源代碼，結構清晰，編程簡單，非常適合于儀器工程師
使用。利用圖形化平臺進行編程，工程師不必有豐富的編程知識，只需了解測試的
目的與順序，然后選擇與配置各個圖形控件，并用線將其連接起來，就構成了系統
應用程序。利用圖形化軟件開發平臺進行虛擬儀器系統應用程序的開發，編程效率
高，可以大大減少系統集成的時間與精力。在第七章中，已經比較詳細地對圖形化
編程軟件平臺進行了討論，同時，第七章中還給了一個在VPP平臺下利用HP公司的
HPE1412進行電阻值測量的圖形化示例。從該例中可以看出，圖形化軟件平臺的源
代碼類似于測試任務框圖，結構清晰簡單，并可利用平臺的存盤與恢復功能，實現
測試子例程庫的直接調用。對于復雜的系統軟件而言，還會用到平臺的子模塊元件