虛擬儀器技術2-軟件標準

主講教師：章娟任課老師姓名：章娟 Email:課程公共郵箱：密碼:vi123456授課方案參考文獻第1章虛擬儀器概述(復習&補充〕1.1虛擬儀器的根本概念1.虛擬儀器的定義傳統(tǒng)儀器：特定功能和儀器外觀。虛擬儀器〔VI，VirtualInstrumentation〕：是一種以計算機和測試模塊的硬件為根底、以計算機軟件為核心所構成的，并且在計算機顯示屏幕上虛擬的儀器面板，以及由計算機所完成的儀器功能，都可由用戶軟件來定義的計算機儀器。如：虛擬示波器虛擬數(shù)字電壓表基于虛擬儀器的溫度檢測與控制2.虛擬儀器的特點從虛擬儀器的組成結構上來看：〔1〕虛擬儀器的硬件是通用的〔包括通用計算機硬件平臺和通用的測量功能硬件〕；〔2〕良好的人機界面。虛擬儀器的面板〔或稱軟面板〕是虛擬的〔通過“控件〞虛擬出面板〕；〔3〕功能強。虛擬儀器的功能是由用戶軟件定義的?！?〕虛擬儀器之“虛擬〞含義：虛擬儀器面板；軟件實現(xiàn)儀器功能。如：基于高速數(shù)據(jù)采集硬件，通過計算機軟件編程可實現(xiàn)“虛擬示波器〞、“虛擬頻譜儀〞、“虛擬交流數(shù)字電壓表〞、“虛擬頻率計〞、“虛擬相位計〞等不同儀器?！?〕因此，軟件是虛擬儀器的核心，NI提出“軟件即儀器〞〔Thesoftwareistheinstrument〕。比較內容虛擬儀器傳統(tǒng)儀器系統(tǒng)構成軟件和通用硬件。軟件是關鍵專用硬件系統(tǒng)開發(fā)周期開發(fā)時間短、技術要求低、系統(tǒng)通用性強開發(fā)時間長、技術要求高、系統(tǒng)功能較專一開發(fā)費用軟件使得開發(fā)和維護費用降至最低開發(fā)與維修開銷高技術更新周期短（1~2年）長（5~10年）價格價格低、可復用與可重配置性強價格昂貴功能可塑性用戶定義儀器功能，柔性廠商定義儀器功能，剛性系統(tǒng)開放性開放、靈活，與計算機技術同步發(fā)展封閉、固定構成復雜系統(tǒng)能力易與網絡及其他周邊設備互連功能單一的獨立設備人機交互無限的顯示選項、界面友好有限的顯示選項虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較：1.2虛擬儀器的形成和開展1.虛擬儀器形成的背景〔1〕電子測量儀器(ElectronicInstruments)及自動測試系統(tǒng)(AutomaticTestSystem,ATS)的開展儀器與自動測試系統(tǒng)幾種常用總線的比較摘自：EvaluatingPXIandVXIPlatformsforyourMeasurementandAutomationNeeds，NI1.3虛擬儀器的系統(tǒng)結構1.虛擬儀器系統(tǒng)組成及各局部根本功能〔1〕虛擬儀器的系統(tǒng)構成硬件和軟件兩大局部構成。硬件是根底，軟件是核心?！?〕各局部根本功能虛擬儀器的內部功能，可劃分為信號采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結果表示與輸出三大功能模塊。信號采集與控制主要由虛擬儀器的通用硬件平臺，并配合儀器驅動程序共同完成，而數(shù)據(jù)分析與處理、結果表達與輸出那么主要由用戶應用軟件完成。2.虛擬儀器的通用硬件平臺〔1〕通用硬件平臺的根本功能信號采集〔模擬、數(shù)字輸入〕；信號產生〔模擬、數(shù)字輸出〕；信號調理〔信號幅度、頻率、驅動、隔離等〕；定時與計數(shù)；大容量數(shù)據(jù)存儲。實時信號處理?？偩€與通信?！?〕通用硬件平臺的組成3.虛擬儀器通用硬件平臺的構成形式通常為帶有某種標準總線接口的各種測試設備〔分立式或模塊式儀器〕，主要有PC總線的數(shù)據(jù)采集模塊〔PC-DAQ〕、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、PXI總線儀器模塊、RS-232串口、USB接口儀器等類型，或多種類型的組合。1.4虛擬儀器的軟件系統(tǒng)1.虛擬儀器的軟件結構虛擬儀器系統(tǒng)的軟件結構包括I/O接口軟件、儀器驅動程序和應用軟件三局部?！?〕I/O接口軟件〔VISA庫〕I/O接口軟件存在于儀器設備〔即I/O接口設備〕與儀器驅動程序之間，是一個完成對儀器存放器進行直接存取數(shù)據(jù)操作，并為儀器設備與儀器驅動程序提供信息傳遞的底層軟件。VPP標準了虛擬儀器的I/O接口軟件的特點、組成、內部結構與實現(xiàn)標準，并將符合VPP標準的虛擬儀器I/O接口軟件定義為VISA〔虛擬儀器軟件結構〕軟件。VISA庫，實質就是標準的I/O函數(shù)庫及其相關標準的總稱。VISA函數(shù)庫駐留于計算機系統(tǒng)中，是計算機與儀器之間的標準軟件通信接口，用以實現(xiàn)對儀器的控制?！?〕儀器驅動程序連接上層應用程序與底層I/O接口儀器的紐帶和橋梁。是完成對某一特定儀器的控制與通信的軟件程序集合。儀器廠商提供有相應儀器的驅動程序〔原代碼〕，為用戶提供對儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集?！?〕程控儀器標準命令SCPISCPI〔StandardCommandsforProgrammableInstruments，可程控儀器標準命令〕。面向測試功能而非儀器?！?〕應用軟件建立在儀器驅動程序之上，直接面對用戶操作。提供直觀、友好的操作界面、豐富的數(shù)據(jù)分析與處理〔時域、頻域、數(shù)字濾波等〕功能，完成自動測試任務。通常，包括測試管理軟件和測試功能軟件兩局部。2.虛擬儀器軟件開發(fā)平臺〔1〕虛擬儀器軟件框架結構〔2〕通用的可視化軟件編程環(huán)境Microsoft公司的VisualC++和VisualBasic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等?！?〕專用于虛擬儀器開發(fā)的軟件編程環(huán)境圖形化編程〔G語言〕環(huán)境：AgilentVEE、NILabVIEW；文本編程環(huán)境：NILabWindows/CVI。其中，LabVIEW是目前最流行、應用最廣、開展最快、功能最強的圖形化軟件。非常適于儀器、測量與控制領域的虛擬儀器軟件開發(fā)。NI公司還推出了用于數(shù)據(jù)采集、自動測試、工業(yè)控制與自動化等領域的多種設備驅動軟件和應用軟件，如：LabVIEW的實時應用版本LabVIEWRT；工業(yè)自動化軟件BridgeVIEW；工業(yè)組態(tài)軟件Lookout；基于Excel的測量與自動化軟件Measure；即時可用的虛擬儀器平臺VirtualBench；生理數(shù)據(jù)采集與分析軟件Biobench；測試執(zhí)行與管理軟件TestStand；還包括NI-488.2、NI-VISA、NI-VXI、NI-DAQ、NI-IMAQ、NI-CAN、NI-FBUS等設備驅動軟件；以及各種LabVIEW和LabWindows/CVI的增值軟件工具包。1.5虛擬儀器系統(tǒng)設計及系統(tǒng)集成虛擬儀器系統(tǒng)的設計過程主要包括測試需求分析、系統(tǒng)總體方案設計、系統(tǒng)硬件設計、系統(tǒng)軟件設計、系統(tǒng)集成及系統(tǒng)調試等。〔1〕測試需求分析分析被測參數(shù)的形式〔電量還是非電量、數(shù)字量還是模擬量〕、范圍〔幅度、頻率〕和數(shù)量〔通道數(shù)〕，鼓勵信號的形式和范圍要求；性能指標〔測量精度、速度〕要求；功能〔用戶接口界面、數(shù)據(jù)分析與處理、存儲與顯示、外部通信接口等〕要求?！?〕系統(tǒng)總體方案設計根據(jù)測試任務要求，確定測試方法；系統(tǒng)組成結構設計?！?〕系統(tǒng)硬件設計自制或購置；硬件系統(tǒng)集成。〔4〕系統(tǒng)軟件設計選擇軟件開發(fā)環(huán)境；底層驅動設計；上層應用軟件設計〔用戶界面設計、測量數(shù)據(jù)分析與處理、算法設計、測量結果表達〕?！?〕軟硬件集成與調試功能測試；指標測試；系統(tǒng)優(yōu)化。測試測量工業(yè)自動化聲學測試設備測試工業(yè)自動化食品加工汽車測試生物醫(yī)學研究控制工程機器視覺計量校準電子與非電子測試石油和天然氣工程制藥生產光纖校準光學度量和測定工業(yè)機器人過程自動化研發(fā)調試半導體測試SCADA統(tǒng)計流程控制通信測試振動測試晶片傳送手臂機械制造第2章虛擬儀器軟件標準虛擬儀器的開展歷程第一階段：利用計算機增強傳統(tǒng)儀器的功能使用通訊總線〔GPIB等〕控制臺式儀器第二階段：開放式的儀器構成 出現(xiàn)了插卡式儀器和儀器總線〔VXI總線〕，計算機成為儀器的重要組成局部。PXI機箱和模塊PXI:PCI總線在儀器領域的擴展VXI機箱和模塊VXI:VME總線在儀器領域的擴展第三階段：虛擬儀器框架得到了廣泛認同和采用 虛擬儀器成為主流，幾個虛擬儀器平臺成為標準工具，產生了虛擬儀器軟件標準。

2.1概述2.1.1可編程儀器標準命令SCPI2.1.2VXIPlug&Play與VISA2.1.3

IVI返回本章首頁儀器驅動程序的歷史1975年在HP-IB根底上IEEE488.1GPIB1987年IEEE488.21990年SCPI模塊化儀器驅動程序〔Driver〕VXI即插即用儀器驅動程序〔VXIplug&play，VPP〕——1993年可互換虛擬儀器驅動程序〔IVI〕——1998年，還在不斷完善2.1.1SCPI可編程儀器標準命令〔StandardCommandsforProgrammableInstruments,SCPI〕是1990年由儀器制造商國際協(xié)會在IEEE488.2根底上擴充得到的，目的是解決程控儀器編程進一步標準化而制定的標準語言，已經成為重要的程控儀器軟件標準之一。2.1.2VXIPlug&Play與VISA

VPP的優(yōu)點：互操作性：不同廠家的硬件、軟件可以一起工作，便于集成，確保效率可移植性：儀器驅動的源代碼可以移植到測試程序，提高軟件的可重用性和可維護性多功能性：軟面板可以用于演示、熟悉儀器功能，方便集成和調試VPP標準的內容標準代號標準名稱VPP-1VPP系統(tǒng)聯(lián)盟章程VPP-2VPP系統(tǒng)框架規(guī)范VPP-3儀器驅動程序規(guī)范VPP-3.1VPP儀器驅動程序結構和設計規(guī)范VPP-3.2VPP儀器驅動程序函數(shù)體規(guī)范VPP-3.3VPP儀器驅動程序交互式開發(fā)接口規(guī)范VPP-3.4VPP儀器驅動程序編程式開發(fā)接口規(guī)范VPP-4.3虛擬儀器軟件結構規(guī)范VPP-4.3VISA庫VPP-4.3.2文本語言VISA實現(xiàn)規(guī)范VPP-4.3.3G語言VISA實現(xiàn)規(guī)范VPP-6安裝和包裝規(guī)范VPP-7軟面板規(guī)范VPP-8VXI模塊/機箱和接收器互連VPP-9儀器制造商縮寫規(guī)則VPP標準的特點由儀器生產廠家提供提供程序源代碼程序結構化與模塊化設計與實現(xiàn)的一致性兼容性與開放性VPP標準對儀器驅動程序的要求不僅適用于VXI儀器，也同樣適用于GPIB儀器、PXI儀器、串行口儀器、網絡儀器、USB儀器等。已經成為了虛擬儀器驅動程序設計的事實標準。儀器驅動程序設計(VPP-3)外部接口模型內部設計模型2.1.2VXIPlug&Play與VISAVISA是儀器編程標準I/O函數(shù)庫及其相關標準的總稱。NI-VISA的層次如以下圖所示。VISA串口儀器GPIB儀器VXI儀器2.1.2VXIPlug&Play與VISAVISA的優(yōu)點：接口無關性可擴展性功能和靈活性2.1.3

IVIIVI(InterchangeableVirtualInstruments)可互換虛擬儀器驅動器是一種基于狀態(tài)管理的儀器驅動器體系結構。IVI儀器驅動器使建立在儀器驅動器根底上的測試程序獨立于儀器硬件，從互操作性和可換性方面提升了標準化水平，減少軟件維護和支持費用，縮短儀器編程時間，提高運行性能。VPP與IVI的區(qū)別同樣是一個GnenerateWFM(Type,Frequency,A,DC)Type:波形Frequency:頻率A:幅度DC:DC偏移VPP驅動中，其中一個參數(shù)改變那么需從新調用整個函數(shù)IVI那么只須改變相應的屬性2.2程控儀器標準命令SCPI2.2.1SCPI儀器模型2.2.2SCPI命令句法2.2.3

常用SCPI命令2.2程控儀器標準命令SCPI20世紀70年代中期，IEEE制定了程控儀器標準GPIB，該標準定義為IEEE488.1。標準規(guī)定了儀器在電氣、機械和根本功能方面的相容性要求，對控制儀器的代碼、格式通信協(xié)議和公用命令等系統(tǒng)相容性要求未作規(guī)定。2.2程控儀器標準命令SCPI1982年IEEE公布了IEEE728標準，給出了IEEE488接口系統(tǒng)中使用代碼與格式轉換的推薦性標準，仍未對通信協(xié)議和公用命令作出規(guī)定。1987年IEEE推出IEEE488.2標準，規(guī)定了使用GPIB總線時編碼、句法格式、信息交換控制協(xié)議和公用程控命令語句，仍未定義任何儀器相關命令。2.2程控儀器標準命令SCPI1990年由儀器制造商國際協(xié)會提出了SCPI語言。目前，SCPI已經在GPIB、VXI和串行口儀器產品中得到廣泛的應用，其最新的版本是2.2.1SCPI儀器模型SCPI與過去儀器語言的根本區(qū)別在于SCPI命令描述的是人們正在試圖測量的信號，而不是正在用以測量信號的儀器。橫向兼容性：可用于不同的儀器縱向兼容性：可擴展性，適用于儀器的更新?lián)Q代

2.2.1SCPI儀器模型每個方框對應一個SCPI子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)又有更詳細的模型描述。根據(jù)需要，找到儀器特定的功能塊，沿著樹狀網絡從頂向下尋找各分支，找到完成功能的命令。2.2.2SCPI命令句法SCPI程控命令標準由三局部組成：語法和式樣：描述命令產生規(guī)那么及根本的命令結構命令標記：給出SCPI要求和可供選擇的命令數(shù)據(jù)交換格式：儀器與應用之間、應用與應用之間、儀器與儀器之間可以使用的數(shù)據(jù)集的標準表示方法1SCPI命令語法和式樣SCPI程控題頭有兩種形式:SCPI公用命令〔采用IEEE488.2命令〕和SCPI助記符命令。1

SCPI命令語法形式關鍵詞：提供命令的名稱2SCPI命令標記命令標記：儀器公用〔IEEE488.2〕命令和SCPI主干命令2SCPI命令標記命令標記：儀器公用〔IEEE488.2〕命令和SCPI主干命令2SCPI命令標記SCPI命令子系統(tǒng)，對應儀器模型各方框功能。3

SCPI數(shù)據(jù)交換格式SCPI定義了供程序信息和響應信息使用的不同數(shù)據(jù)格式，與IEEE488.2語法兼容，分為標準參數(shù)格式和數(shù)據(jù)交換格式兩局部?！?〕標準參數(shù)格式數(shù)值參數(shù)：常用的包含正負號的數(shù)據(jù)或特殊數(shù)據(jù)離散參數(shù)：設定有限數(shù)量(如BUS,IMMediate等)布爾參數(shù)：表示單一的二進位狀態(tài)，ON/OFF或0/1字符串參數(shù)：用引號開頭結尾的任何ASCII字符集3

SCPI數(shù)據(jù)交換格式〔2〕數(shù)據(jù)交換格式可以提高數(shù)據(jù)的可互換性，以Tek公司的模擬數(shù)據(jù)交換格式〔ADIF〕為根底修改而來。采用塊結構，包括數(shù)據(jù)本身、測量條件、結構特性和其它有用的信息。2.2.3

常用SCPI命令MEASure:VOLTage:AC?[<range>[,<resolution>]][,<channel_list>]Range待測信號最大電壓值resolution有三種選擇：DEF(AUTO)|MIN|MAXChannel_list采用(@ccnn)或(@ccnn:ccnn)形式MEASure:VOLTage:AC?0.54,MAX,(@103,108)2.2.3

常用SCPI命令CONFigure配置命令READ?讀命令接口去除*CLS、啟動INIT、取數(shù)FETchFETch?取命令

2.2.3

常用SCPI命令FORMat:格式化命令，確定得到的測量數(shù)據(jù)格式FORMat[:DATA]<type>[,<length>]Type:ASCII/REALLength:32/64例如：FORMatREAL,64

2.3虛擬儀器軟件體系VISAVISA函數(shù)模型建立在設備資源無關性模型之上。資源〔Resource〕：計算機可訪問或與之通信的實體，如各種儀器，內存訪問資源，儀器的讀寫端口等。包括資源屬性、可在資源上異步執(zhí)行或由資源產生的事件、控制資源的操作。資源類：設備某種功能的定義〔如讀、寫、觸發(fā)等〕。默認資源管理器〔DefaultResourceManager〕：控制設備資源，完成VISA系統(tǒng)初始化的最高層次VISA操作。VISA的作用為整個工業(yè)界提供統(tǒng)一的軟件根底對驅動程序、應用程序不必考慮接口類型僅規(guī)定為用戶提供的標準函數(shù)，不對具體實現(xiàn)作任何說明用于編寫符合VPP標準的儀器驅動程序，完成計算機與儀器之間的命令和數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)對儀器的控制。VISA庫作為低層I/O接口軟件，運行于計算機系統(tǒng)中。2.3.1

VISA的結構VISA采用自下而上的金字塔結構。

5

4

3

2

1

2.3.2

VISA的特點VISA的特點：I/O控制功能適用于各類儀器，包括VXI、GPIB、RS-232等。具有與儀器硬件接口無關的特性，可用于VXI系統(tǒng)、或基于MXI、GPIB-VXI或1394接口系統(tǒng)，需要更換VXI系統(tǒng)控制器時，驅動程序無須改動I/O控制功能適用于單處理器系統(tǒng)結構，也適用于多處理器結構或者分布式網絡結構。2.3.3

VISA的編程翻開儀器資源寫命令從儀器緩存中讀取數(shù)據(jù)關閉儀器資源串口通訊2.4IVI儀器驅動器2.4.1IVI的開展簡史對于壽命長的測試系統(tǒng)，能否做到在更換陳舊儀器時使測試軟件無需改動？一個測試軟件包能否適用于不同儀器硬件構成的測試系統(tǒng)？測試代碼能否被移植到不同的儀器上？當儀器故障或需要校準時，測試系統(tǒng)能否不間斷運行？2.4.1IVI的開展簡史1998年美國NI最先提出了一種新的基于狀態(tài)管理的儀器驅動器編程模型，并開發(fā)了基于虛擬儀器軟件平臺的IVI驅動程序庫1998年9月儀器測試界成立了IVI基金會，致力于在VPP兼容框架的根底上定義一系列標準儀器編程模型2.4.1IVI的開展簡史2.4.2IVI驅動器的功能IVI驅動器具有與傳統(tǒng)驅動器不同的功能和特點通用標準配置(StandardizedConfigurationUtility)標準化(Standardization)狀態(tài)緩存(StateCaching)范圍檢查(RangeChecking)仿真(Simulation)狀態(tài)檢查(StatusChecking)強制記錄(CoercionRecording)2.4.2IVI驅動器的功能通用標準配置(StandardizedConfigurationUtility)用戶可以通過配置IVI驅動器來設置測試應用程序，也可利用MAX的IVI組件來創(chuàng)立儀器驅動器。編程過程中，用戶可以使用預先設置的虛擬儀器名稱代替VISA標準資源名稱字符串，允許用戶創(chuàng)立數(shù)個不同的儀器驅動器配置，應用程序通過資源名稱字符串來使用這些配置。2.4.2IVI驅動器的功能標準化(Standardization)IVI是VXIPlug&Play標準的擴展，能處理VPP不能處理的區(qū)域。IVI設置了內部結構和相似儀器程控接口的準那么，引入了儀器類(InstrumentsClasses)的概念,規(guī)定了每個儀器類的特征和功能，指定了用于這些不同的儀器類的編程接口。2.4.2IVI驅動器的功能狀態(tài)緩存(StateCaching)IVI驅動器保持了儀器在軟件緩存中的物理狀態(tài)，以增加儀器驅動器的效率和速度。IVI驅動器利用狀態(tài)緩存器消除了多余的命令，當儀器設置發(fā)生變化時，IVI引擎才會向儀器發(fā)送屬性設置命令。2.4.2IVI驅動器的功能范圍檢查(RangeChecking)IVI驅動器會檢查用戶為屬性設置的值是否有效。IVI驅動器會檢查用戶的全部設置，為了提高運行速度，在調試完應用程序后可以禁用RangeChecking功能。如果輸入錯誤，會報告錯誤，返回錯誤信息，并強制數(shù)值舍入到儀器實際使用值。2.4.2IVI驅動器的功能仿真(Simulation)IVI驅動器仿真模式可以使用戶在不與儀器建立連接的情況下調用IVI驅動器。仿真的功能包括：提供可以使用的儀器句柄；不改變驅動器操作的任何行為，就像一個真實的物理儀器存在時一樣；可以模擬通常情況下采集的數(shù)據(jù)，用實際數(shù)據(jù)測試用戶的程序。2.4.2IVI驅動器的功能狀態(tài)檢查(StatusChecking)傳統(tǒng)的LabVIEW驅動器提供ErrorQueryVis，可以用來檢查儀器的狀態(tài)，增加了編程者的負擔。使用IVI驅動器可以在每個與儀器進行交互的功能模塊之后檢查儀器的狀態(tài)，對程序進行徹底測試和檢驗后，可以禁用狀態(tài)檢查以提高效率。IVI引擎只有在功能函數(shù)向儀器寫入數(shù)據(jù)或讀取數(shù)據(jù)時才會檢查儀器的狀態(tài)。2.4.2IVI驅動器的功能強制記錄(CoercionRecording)如果用戶選擇的屬性值超出了儀器允許的范圍，儀器會把用戶選擇的屬性值強制轉化為幾個可選值中的一個，為了使狀態(tài)檢查能夠正常工作，IVI引擎會把強制轉換后的數(shù)值存儲到狀態(tài)存放器中，代替了儀器所進行的屬性值強制轉換。2.4.3

IVI驅動器的特點通過儀器的可互換性，節(jié)省測試系統(tǒng)的開發(fā)費用，IVI驅動器與接口總線無關提供多線程平安運行和儀器仿真功能通過狀態(tài)緩存，改善測試性能 在不犧牲易用性的根底上，改善了儀器驅動器的運行效率通過仿真，使測試開發(fā)更容易、更經濟2.4.3

IVI驅動器的特點通過儀器的可互換性，節(jié)省測試系統(tǒng)的開發(fā)費用，IVI驅動器與接口總線無關提供多線程平安運行和儀器仿真功能通過狀態(tài)緩存，改善測試性能 在不犧牲易用性的根底上