李宥謀, 趙夢屹, 王 萌

(西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 陜西 西安 710121)

基于IVI引擎技術(shù)的虛擬儀器互換管理系統(tǒng)

李宥謀, 趙夢屹, 王 萌

(西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 陜西 西安 710121)

針對虛擬儀器的IVI驅(qū)動(dòng)管理，設(shè)計(jì)一種儀器硬件和IVI驅(qū)動(dòng)的管理系統(tǒng)?；赩ISA和IVI技術(shù)，結(jié)合兩臺(tái)不同型號的示波器，使用示波器軟面板應(yīng)用程序，完成對兩臺(tái)儀器進(jìn)行互連測試。測試結(jié)果表明，通過該系統(tǒng)能夠滿足儀器設(shè)備的快速互換，實(shí)現(xiàn)儀器的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和IVI驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)配置功能。

虛擬儀器；IVI技術(shù)；IVI引擎；儀器互換

虛擬儀器將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用到儀器測量系統(tǒng)中，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起[1]。為了實(shí)現(xiàn)儀器的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，可互換儀器(Interchangeable Virtual Instruments，IVI)模型和規(guī)范被提出，通過建立IVI儀器驅(qū)動(dòng)，解決了不同型號儀器的可互換性和可執(zhí)行性[1]。隨著越來越多儀器接入量的增加，不同接口、不同類型的儀器需要進(jìn)行探測發(fā)現(xiàn)，并完成儀器的可互換性配置[2]。但在現(xiàn)有的虛擬儀器管理中，針對實(shí)體儀器和對應(yīng)互換配置通常分開管理，對新接入的實(shí)體儀器在使用前需要大量的配置工作，才能完成儀器的互換性操作[3]。對于傳統(tǒng)的儀器需要工作人員檢測儀器廠商、型號等信息，人工進(jìn)行IVI儀器互換驅(qū)動(dòng)功能的信息配置。所以當(dāng)需要在測試系統(tǒng)中添加或者更換同類型但不同型號或不同廠商生產(chǎn)的儀器時(shí)，就需要工作人員對接入的不同類型儀器進(jìn)行檢測，并配置IVI對相應(yīng)信息。本文利用IVI引擎技術(shù)，設(shè)計(jì)一種儀器接入的自動(dòng)監(jiān)測和IVI自動(dòng)配置的系統(tǒng)，以此實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備在本地和互聯(lián)網(wǎng)上的即插即用，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)儀器硬件設(shè)備，進(jìn)行自動(dòng)檢測、自動(dòng)配置IVI參數(shù)和自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的儀器驅(qū)動(dòng)程序。

1 IVI引擎技術(shù)

IVI引擎一項(xiàng)重要的工作就是實(shí)現(xiàn)儀器專用驅(qū)動(dòng)與類驅(qū)動(dòng)器的映射。在IVI規(guī)范中，IVI類驅(qū)動(dòng)定義了符合IVI儀器類規(guī)范的API，包括某一類儀器通用的屬性和函數(shù)，類驅(qū)動(dòng)不能直接控制具體的物理儀器，需要調(diào)用相應(yīng)的專用驅(qū)動(dòng)才能完成對具體儀器的操作。IVI引擎作為軟硬件之間的橋梁，完成軟件到硬件的映射工作。

在IVI測試系統(tǒng)模型中，儀器驅(qū)動(dòng)的配置被當(dāng)做儀器的一種屬性，可由IVI引擎進(jìn)行配置。IVI引擎中提供獲取、確認(rèn)和更新這些儀器屬性的方法，并且可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)緩存、范圍檢測、狀態(tài)檢測以及儀器仿真等功能。

1.1 IVI互換原理

IVI測試系統(tǒng)中的儀器互換是通過使用類驅(qū)動(dòng)接口結(jié)合配置文件來實(shí)現(xiàn)的，將類驅(qū)動(dòng)映射到專用驅(qū)動(dòng)，從專用驅(qū)動(dòng)獲得儀器的對應(yīng)函數(shù)。IVI驅(qū)動(dòng)將儀器驅(qū)動(dòng)分為儀器類驅(qū)動(dòng)和儀器專用驅(qū)動(dòng)兩層[4]。應(yīng)用層程序可以直接調(diào)用儀器專用驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)儀器的控制與測量，也可以通過調(diào)用類驅(qū)動(dòng)來間接調(diào)用專用驅(qū)動(dòng)程序[5]。應(yīng)用層程序在調(diào)用類驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，可以在不改變上層應(yīng)用程序代碼的情況下，只需要調(diào)用相應(yīng)的專用驅(qū)動(dòng)程序，就可以完成儀器的互換。在應(yīng)用層程序調(diào)用類驅(qū)動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用IVI類驅(qū)動(dòng)庫中初始化函數(shù)，并通過IVI引擎的配置文件得到儀器驅(qū)動(dòng)的映射信息，通過IVI定義的規(guī)范進(jìn)行類驅(qū)動(dòng)函數(shù)到特定驅(qū)動(dòng)函數(shù)的匹配，實(shí)現(xiàn)從類驅(qū)動(dòng)到專用驅(qū)動(dòng)的映射[5]。

以IVI驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置儀器某屬性為例，如圖1所示。儀器驅(qū)動(dòng)器調(diào)用高層函數(shù)來設(shè)置儀器的屬性，IVI引擎可以通過讀取屬性范圍表檢測和強(qiáng)制設(shè)定，并與緩存值進(jìn)行比較來確定是否調(diào)用底層的特定儀器驅(qū)動(dòng)。儀器驅(qū)動(dòng)程序?qū)x器進(jìn)行硬件操作需要花費(fèi)較多的時(shí)間，因此IVI技術(shù)可以通過檢測儀器屬性，調(diào)整高層函數(shù)和底層的I/O函數(shù)操作，對儀器操作可以做到靈活掌握，并提高驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)行效率。

圖1 IVI引擎工作原理

1.2 IVI引擎機(jī)制

IVI引擎機(jī)制的設(shè)置，都會(huì)以元素的形式在配置倉的配置文件中以標(biāo)簽的形式進(jìn)行體現(xiàn)，通過配置文件，完成對不同儀器的IVI引擎的屬性配置。

(1)范圍檢查

范圍檢查機(jī)制會(huì)為儀器提供一個(gè)量程，引擎檢測程序設(shè)置的屬性值是否在這個(gè)量程內(nèi)，如果不在量程范圍則自動(dòng)賦以缺省值。用戶可以禁止使用范圍檢查機(jī)制以提高測試性能。只有在開啟范圍檢測機(jī)制的情況下，引擎才會(huì)提供量程范圍供屬性值參考。

(2)狀態(tài)緩存

狀態(tài)緩存機(jī)制是在IVI配置系統(tǒng)中調(diào)用此機(jī)制后，IVI引擎在本機(jī)內(nèi)存中保存了儀器的屬性信息。狀態(tài)緩存的引入減少了儀器接收冗余的操作指令。當(dāng)程序設(shè)置儀器屬性時(shí)，IVI引擎對內(nèi)存中緩存的儀器屬性值和程序需要設(shè)定的屬性值進(jìn)行比較，當(dāng)兩者不等時(shí)才進(jìn)行設(shè)置，狀態(tài)緩存機(jī)制使測試系統(tǒng)的性能得到了提高。

(3)儀器仿真

仿真功能依靠引擎進(jìn)行測試功能上的仿真。IVI仿真通過范圍檢查以及范圍表為用戶提供仿真數(shù)據(jù)，開發(fā)人員不需要實(shí)際的實(shí)體儀器就可以進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)儀器測試系統(tǒng)的仿真。

(4)狀態(tài)檢查

狀態(tài)檢查機(jī)制是在程序?qū)x器執(zhí)行I/O操作后，由IVI引擎自動(dòng)對儀器的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行檢測，確保儀器在操作后的屬性及運(yùn)行狀態(tài)正常。

2 儀器發(fā)現(xiàn)和配置管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)儀器管理自動(dòng)化檢測與配置，滿足儀器互換操作性能，首先要對儀器設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和檢測，之后對新發(fā)現(xiàn)的儀器設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和自動(dòng)配置。主要設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分: 一部分是儀器硬件接口檢測部分，另一部分是IVI儀器驅(qū)動(dòng)的配置管理部分。

儀器設(shè)備的發(fā)現(xiàn)過程是通過儀器管理系統(tǒng)調(diào)用VISA驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的，自動(dòng)查詢接入儀器設(shè)備的信息，并建立對應(yīng)的IVI配置文件。IVI驅(qū)動(dòng)配置部分將配置文件中的儀器硬件地址和IVI的配置參數(shù)進(jìn)行處理后形成IVI驅(qū)動(dòng)下物理和邏輯層之間的映射關(guān)系[6]，實(shí)現(xiàn)IVI引擎環(huán)境下儀器設(shè)備的自動(dòng)配置。

2.1 儀器發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)

VISA函數(shù)庫中提供的資源管理類，通過與資源管理器建立對話進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)與儀器設(shè)備的邏輯連接，就可以完成儀器設(shè)備的查詢功能[7]。針對不同儀器接口VISA函數(shù)庫都提供了相應(yīng)的接口函數(shù)[8]。

在實(shí)現(xiàn)儀器檢測的過程中主要有以下步驟。

(1)使用函數(shù)viOpenDefaultDM(ViPSession sesn)，打開VISA的資源管理器；

(2)打開VISA的儀器會(huì)話，使用函數(shù)viFindRsrc(ViSession sesn,ViString expr,ViPFindList findList,ViPUInt32 retcnt,ViPRsrc instrDesc)訪問具體的實(shí)體儀器；

(3)利用VISA函數(shù)庫中的viWrite()寫函數(shù)向儀器發(fā)送查詢信息；

(4)利用VISA函數(shù)庫中的viRead()函數(shù)完成對儀器響應(yīng)信息的讀??；

(5)使用函數(shù)viClose()關(guān)閉VISA會(huì)話，釋放所占用的資源。

儀器發(fā)現(xiàn)過程流程如圖2所示。

圖2 儀器發(fā)現(xiàn)流程圖

2.2 IVI引擎自動(dòng)配置設(shè)計(jì)

IVI引擎通過IVI配置文件實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)層之間的映射和IVI引擎的配置，達(dá)到儀器的互換目的。在IVI配置文件中要建立測試應(yīng)用程序與硬件儀器、儀器驅(qū)動(dòng)器之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)類驅(qū)動(dòng)到特定驅(qū)動(dòng)的映射[9]。為了實(shí)現(xiàn)硬件無關(guān)性的操作，應(yīng)用程序在配置管理中，設(shè)置虛擬儀器的邏輯名稱，并通過管理配置文件與驅(qū)動(dòng)會(huì)話進(jìn)行映射。驅(qū)動(dòng)會(huì)話是指類驅(qū)動(dòng)與特定驅(qū)動(dòng)的映射會(huì)話，應(yīng)用程序在調(diào)用儀器類驅(qū)動(dòng)中的函數(shù)時(shí)，IVI引擎通過驅(qū)動(dòng)會(huì)話將類驅(qū)動(dòng)函數(shù)映射到相應(yīng)儀器的驅(qū)動(dòng)器上，完成對底層硬件的控制。利用IVI的配置文件可以進(jìn)行IVI引擎配置，包括儀器設(shè)備的仿真、狀態(tài)緩存、狀態(tài)檢查等功能。當(dāng)系統(tǒng)中更換不同型號的儀器時(shí)，只需在管理配置文件中將儀器邏輯名稱重新設(shè)置，即可實(shí)現(xiàn)儀器的互換[10]。

配置管理文件主要作用有兩方面。

(1)管理已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的儀器，添加相應(yīng)的儀器信息和描述；

(2)建立一個(gè)小型的IVI驅(qū)動(dòng)配置倉庫，保存到儀器管理系統(tǒng)中。

在IVI的XML配置文檔中，以元素的形式記錄IVI互換的軟硬件信息和配置信息，以IviConfigStore作為文檔的唯一的根元素，根元素下可以添加子元素，文檔形成樹狀層次結(jié)構(gòu)形式[11]。

在IVI配置文件中包括3個(gè)重要的元素。

(1)由HardwareAssets主要負(fù)責(zé)管理硬件設(shè)備的發(fā)現(xiàn)信息的儲(chǔ)存。子元素包括：Name用來描述儀器的名稱、Description用來對儀器進(jìn)行詳細(xì)的描述和IOResourceDescription儀器與計(jì)算機(jī)連接的IO接口的描述信息。

(2)儀器IVI驅(qū)動(dòng)會(huì)話的配置信息由IVIDriverSession元素進(jìn)行描述，主要負(fù)責(zé)管理存放計(jì)算機(jī)內(nèi)已有的IVI驅(qū)動(dòng)信息。子元素包括：Name用來標(biāo)識(shí)IVI驅(qū)動(dòng)的名稱、DriverSetup是IVI引擎的功能設(shè)置。在DriverSetup元素下設(shè)置IVI引擎的參數(shù)InterChangeCheck互換性檢測、QueryInstrStatus儀器狀態(tài)查詢、RangeCheck范圍檢測、RecordCoercions操作情況記錄和Simulate仿真。Description元素用于描述驅(qū)動(dòng)程序的作用，一般由IVI驅(qū)動(dòng)廠商提供。IVIHardwareAsset元素用來描述驅(qū)動(dòng)程序所對應(yīng)的硬件接口地址。

(3)LogicalNames元素實(shí)現(xiàn)將邏輯名稱與儀器的IVI驅(qū)動(dòng)會(huì)話關(guān)聯(lián)起來，在儀器軟模板測量環(huán)境中邏輯名稱為用戶提供更好理解的名稱選擇。主要參數(shù)有IviLogicalName用來記錄邏輯名的各項(xiàng)信息，子元素包括： Name為邏輯名的名稱，Description為邏輯名稱的描述。

IviDriverSession是配置文件中完成類驅(qū)動(dòng)到控制儀器的特定驅(qū)動(dòng)映射的關(guān)鍵元素，能夠設(shè)置IVI引擎需要實(shí)現(xiàn)的功能，完成引擎功能和驅(qū)動(dòng)的配置。在用戶程序調(diào)用配置函數(shù)時(shí)，文件中的每個(gè)映射元素都有唯一的ID標(biāo)識(shí)，通過標(biāo)識(shí)間的映射完成各個(gè)元素間相互關(guān)連接，例如邏輯名稱LogicalNames和IVI驅(qū)動(dòng)會(huì)話IVIDriverSession通過ID號進(jìn)行映射關(guān)聯(lián)，在邏輯名函數(shù)中雖沒有儀器的硬件信息，但是在IVI驅(qū)動(dòng)會(huì)話中保存有相關(guān)儀器的硬件地址，配置文件通過映射的方法完成應(yīng)用邏輯層到實(shí)體硬件層的連接。

以下列出了VISA驅(qū)動(dòng)下的儀器硬件信息，IVI可互換性驅(qū)動(dòng)的信息，以及應(yīng)用程序和測試軟面板進(jìn)行會(huì)話的相關(guān)信息。

3 測試結(jié)果及分析

在實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)儀器管理系統(tǒng)對不同接口儀器的發(fā)現(xiàn)和配置管理，通過分析和處理IVI配置文件，將多臺(tái)儀器設(shè)備集成到一個(gè)主機(jī)上進(jìn)行配置就可以簡化所連接的儀器配置過程，并且通過互聯(lián)網(wǎng)可以對儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制和配置管理。本文利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的兩種儀器接口實(shí)現(xiàn)管理和儀器互換的配置的檢驗(yàn)。一臺(tái)USB接口的示波器直接連接到網(wǎng)管系統(tǒng)的主機(jī)上，另外一臺(tái)示波器采用以太網(wǎng)口接口經(jīng)路由器與儀器網(wǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行連接。主機(jī)采用MFC編寫UI界面與儀器進(jìn)行交互，后臺(tái)借助VISA接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)對USB接口和以太網(wǎng)絡(luò)接口的連接檢測，顯示當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的儀器設(shè)備信息。使用UI管理配置文件，對儀器邏輯名稱、硬件信息和驅(qū)動(dòng)會(huì)話信息進(jìn)行添加、讀取顯示、修改、刪除等功能。

在實(shí)際測試中，USB接口的示波器自動(dòng)檢測出信息為

USB0::0x0699::0x0368::C010946::INSTR，

以太網(wǎng)接口的示波器檢測出網(wǎng)口硬件信息為

TCPIP0::192.168.1.7::INSTR，

在儀器軟面板中，將邏輯名稱分別設(shè)置為taikescopeUSB和AgiETH，并將邏輯名稱配置對應(yīng)的IVI驅(qū)動(dòng)會(huì)話和硬件信息顯示給用戶，檢測配置界面如圖3所示。

圖3 儀器配置管理界面

示波器初始化的軟面板，可以成功找到剛配置的邏輯名稱信息以及對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)會(huì)話名稱，初始化軟面板可以選擇不同接口的儀器的邏輯名稱，初始化成功后即可進(jìn)入軟面板主界面對實(shí)體儀器進(jìn)行操作，體現(xiàn)了IVI互換性的特性，軟面板初始化界面如圖4所示。

圖4 示波器軟面板初始化界面

從測試結(jié)果可見，配置界面能讀取XML配置文件信息，并生成會(huì)話和儀器驅(qū)動(dòng)的信息結(jié)構(gòu)，能顯示驅(qū)動(dòng)和邏輯名稱的具體信息，通過VISA檢測端口，可將檢測到的端口通過UI界面右側(cè)的信息添加到后臺(tái)的XML文件，并能借助已有IVI引擎，實(shí)現(xiàn)互換IVI驅(qū)動(dòng)的配置。測試界面相當(dāng)于一個(gè)小型的可互換儀器配置倉庫，實(shí)現(xiàn)了對儀器和虛擬儀器對應(yīng)的儀器驅(qū)動(dòng)的管理任務(wù)。

4 結(jié)束語

將IVI引擎和VISA技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用于儀器的探測和互換配置管理中，可以完成對接入儀器的實(shí)時(shí)探測的需求，獲取儀器完整的硬件信息，通過對本地的IVI驅(qū)動(dòng)進(jìn)行管理，設(shè)置儀器運(yùn)行時(shí)的IVI引擎的實(shí)時(shí)配置，利用配置文件的形式完成軟件和硬件之間的映射，實(shí)現(xiàn)儀器互換。通過實(shí)體儀器的測試證明，該系統(tǒng)解決了儀器接口之間的連接問題，提高了儀器的測控系統(tǒng)的效率。

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[責(zé)任編輯:祝劍]

Design of exchange management of virtual instrument based on IVI engine technology

LI Youmou, ZHAO Mengyi, WANG Meng

(School of Computer Science and Technology, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

In order to detect the local instruments and manage the instruments and IVI drivers, a management system based on the IVI and VISA technology for the instruments management and IVI configuration is designed in this paper. The test of the connection between the two scopes is completed by using the soft panel and two different types of scopes. Test result shows that the system can achieve the purpose of quick interchange of instruments and implement function of instrument automatic detection and automatic configuration.

virtual instrument, IVI technology, IVI engine, the interchange of instrument

2014-10-29

陜西省重大科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010ZKC02-08)；西安市技術(shù)轉(zhuǎn)移促進(jìn)工程基金資助項(xiàng)目(CX1252-4)

李宥謀(1959- )，男，教授，從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail:lym@xupt.edu.cn趙夢屹(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。E-mail:tjzhaomengyi@163.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.02.017

TP

A

2095-6533(2015)02-0093-06