孫瀅

（南京國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)設計

孫瀅

（南京國睿安泰信科技股份有限公司，南京210013）

摘要：

關鍵詞：

0　引言

電子測量技術在現(xiàn)代科技的諸多領域中都應用十分廣泛。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進步，新的測試理論、方法、領域，以及新的儀器結構不斷出現(xiàn)，在很多方面已經(jīng)突破了傳統(tǒng)儀器的概念。計算機技術與智能儀器相結合的自動測試技術逐漸取代了傳統(tǒng)的人工觀察記錄測試，大大地提高了測試的速度和精度，實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)量的實時采集，為進一步的研究提供更準確的數(shù)據(jù)支持。自動測試系統(tǒng)在計算機的控制下，執(zhí)行預先編制好的測試程序，讓若干可程控的通用設備共同完成測試任務。

由于自動測試系統(tǒng)預先編制好的程序無法預計測試過程中會出現(xiàn)的每一種情況，在需要人工判斷測試的情況下，若使用傳統(tǒng)的手動測試方式往往會耗時耗力。且在實際應用中，有些測試環(huán)境對外封閉，造成人工手動測試困難。最好的解決方法是將人工思維判斷與儀器程控測試結合進行測試對象的參數(shù)調(diào)試和數(shù)據(jù)記錄。

虛擬儀器是電子儀器與計算機技術相結合而產(chǎn)生的一種新的儀器模式，它是計算機、功能儀器卡及相應軟件的有機結合，是具有虛擬儀器面板的個人計算機儀器。它把計算機資源、模塊化功能硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的應用軟件有機結合在一起，形成測試的特定需求。

基于虛擬儀器的集成控制測試系統(tǒng)是人工判斷干預與虛擬儀器程控軟面板相結合進行數(shù)據(jù)采集處理和分析，解決部分自動測試系統(tǒng)測試限制的問題。它在設計上與自動測試系統(tǒng)的部分架構相同，因此具有自動測試系統(tǒng)的一些優(yōu)點。同時，作為一種特殊的輔助測試方式，它具有小巧、簡潔靈活等自身獨特的優(yōu)點。

1　軟件功能和特點

集成控制測試系統(tǒng)的硬件部分不限于傳統(tǒng)的自動測試系統(tǒng)硬件，也可用于開放式硬件體系結構。為適應系統(tǒng)硬件特性，軟件具備下述功能：

（1）虛擬高級儀器

可在模塊化功能硬件或簡單儀器功能的基礎上，使用集成控制測試系統(tǒng)軟件進行曲線擬合、卷積、分解等數(shù)值計算來實現(xiàn)高級儀器功能，并將處理結果以列表或圖形的形式呈現(xiàn)。由于通用計算機進行數(shù)據(jù)處理的能力比傳統(tǒng)儀器中的微處理器強得多，可大大減少硬件成本，提高測試效率。

（2）遠程控制

集成控制測試系統(tǒng)軟件通過通用總線協(xié)議實現(xiàn)對智能測試儀器的遠程控制。此功能實現(xiàn)了實際測試環(huán)境現(xiàn)場與主控計算機的分離，可用于封閉的測試環(huán)境或多儀器分散的測試情況。

（3）集成控制

集成控制測試系統(tǒng)軟件可對儀器型號、程控接口、地址和驅動等信息進行統(tǒng)一配置管理。在軟件用戶界面中，主面板只有一個，它在執(zhí)行過程中始終打開，處于激活狀態(tài)。子面板包括一個或多個可被主面板調(diào)用的虛擬儀器面板［2］。每個子面板都具有個體獨立性，可單獨進行儀器數(shù)據(jù)交互。

（4）功能定制

對于功能復雜的智能儀器，可通過插件加載/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遵循一定的接口，便于整體管理，實現(xiàn)儀器功能定制。

集成控制測試系統(tǒng)軟件在實現(xiàn)以上功能的同時，為適應用戶操作需求，具有以下特點：界面簡單、易操作；系統(tǒng)實時響應儀器狀態(tài)；具有很強的容錯能力，在用戶操作失誤時進行儀器安全保護，并給出明顯提示信息；在實際應用過程中通過重新配置儀器相關信息，可實現(xiàn)對不同廠家、不同型號的同類型儀器的兼容復用。

2　軟件邏輯設計

集成控制測試系統(tǒng)軟件的邏輯結構劃分為若干層次，層次之間的接口和調(diào)用關系遵循一定調(diào)用規(guī)范，采用面向對象技術的組件化設計，建立良好的擴充、裁減性，利用數(shù)據(jù)配置文件，建立軟件系統(tǒng)驅動引擎，支撐整個軟件環(huán)境。每一層為上層提供服務，并作為下一層的客戶，內(nèi)部的層只對相鄰的層可見。在最外層，構建完成界面層的操作；在最內(nèi)層，構建完成與操作系統(tǒng)的連接；中間層提供各種實用程序和應用軟件功能［3］。系統(tǒng)軟件邏輯結構圖如圖1所示。

物理層包括儀器驅動程序、VISA庫及其他底層驅動程序，提供硬件、儀器的直接驅動。物理層是測試軟件的硬件基礎，本層具有很高的穩(wěn)定性，以保證測試軟件順利進行硬件測試。

抽象層通過軟件完成系統(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，由它來解釋、分析用戶的操作，確定軟件界面功能應調(diào)用的函數(shù)。所有功能的實現(xiàn)依賴對數(shù)據(jù)層（包括數(shù)據(jù)庫、配置文件等）的調(diào)用，以實現(xiàn)通用性。

圖1　系統(tǒng)軟件邏輯結構圖

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

應用層、抽象層等構成系統(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)庫數(shù)據(jù)調(diào)用指定功能模塊來完成用戶通過應用層發(fā)送的包括被測件測試、數(shù)據(jù)輸出等任務。

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

3　軟件功能設計

軟件具體功能結構如圖2所示。

圖2　軟件功能結構圖

測試設備資源是測試系統(tǒng)的基礎。測試設備資源整體管理、分開使用。集成控制測試系統(tǒng)的用戶界面顯示為多個虛擬儀器軟面板，各面板程控一臺儀器，即從已錄入的儀器信息庫中選擇的一臺邏輯儀器。測試設備資源管理利用軟件平臺提供的“儀器信息配置”管理測試系統(tǒng)中的儀器設備資源，其目的是將儀器設備硬件資源與包括前期開發(fā)的儀器設備驅動庫等軟件資源進行映射關聯(lián)，完成系統(tǒng)硬件資源與軟件資源的結合。計算機軟件通過GPIB、LAN總線一類接口控制通用測試儀器，發(fā)送相關儀器參數(shù)設置指令，讀取測試數(shù)據(jù)。儀器信息包括儀器基本信息和儀器測試信息。儀器基本信息是指儀器廠家、型號等。儀器測試信息是指程控協(xié)議接口、儀器地址和驅動文件路徑等信息。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)實際測試總線控制接口選擇。儀器驅動按自定義接口對底層IVI驅動或程控指令封裝編寫。

儀器配置信息可以存儲為文本文件、XML文件或數(shù)據(jù)庫文件等形式。其中XML（即可擴展標記語言）文件提供了一種描述結構數(shù)據(jù)的格式，能夠更精確地聲明內(nèi)容，可讀性強、擴展方便、跨平臺移植性好，適合數(shù)據(jù)量不大的集成控制測試系統(tǒng)。

隨著電子測量技術不斷發(fā)展，測試儀器的功能不斷組合附加，許多儀器廠商都會提供一些可供選擇的功能選件。為了適應各種測試需求，也為了方便在儀器升級后進行相應功能升級，儀器軟面板在具有基礎功能的同時增加功能插件接口?？蓪④浢姘迳先鄙俚墓δ馨匆欢ǖ臉藴示帉懛庋b為插件后，保存相關信息至配置文件，在界面加載時調(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：

指定了插件類型、文件路徑、程序調(diào)用入口函數(shù)等信息。

集成控制測試系統(tǒng)的人工干預多于自動測試系統(tǒng)，所以界面要更加簡潔易操作，人機交互界面要友好。除了基本的測試功能，需實時判斷儀器的在線狀態(tài)，實時將儀器直接返回或經(jīng)過后期計算處理的測試數(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可自動排列。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)報表導出等功能。

4　程序運行界面效果

以一個簡單的矢量網(wǎng)絡分析儀集成控制測試系統(tǒng)為例。此系統(tǒng)的硬件部分是一個分布式矢量網(wǎng)絡自動測試系統(tǒng)，每臺測試儀器設置在不同地方，共同執(zhí)行自動測試任務和數(shù)據(jù)上傳。在使用集成控制測試系統(tǒng)時，可以在服務器端單獨控制其中一臺儀表（如圖3所示），也可根據(jù)需要選擇多儀表測試（如圖4所示）。

圖3　遠程控制單臺儀表

圖4　遠程控制多臺儀表

參考文獻：

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

［2］劉傳清，胡榮玉．虛擬儀器軟面板設計技術［J］.襄樊學院學報，2002（9）:14-17.

［3］Roger S. Pressman.軟件工程．梅宏譯．北京：機械工業(yè)出版社，2005，12.

［4］劉思久，張禮勇.自動測試系統(tǒng)與虛擬儀器原理·開發(fā)·應用．北京：電子工業(yè)出版社，2009，8.

［5］梅勁松.軍用電子測量儀器應用指南．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：

虛擬儀器實現(xiàn)的集成控制測試系統(tǒng)分層設計，具有良好的可重復性、可擴展性，比大型的自動測試系統(tǒng)操作簡單，更加靈活?？沙炭貑闻_儀器，也可在完整的自動測試系統(tǒng)機柜上進行測試對象的參數(shù)調(diào)試，作為自動測試系統(tǒng)的輔助測試。

虛擬儀器；組合；集成控制測試系統(tǒng)

文章編號：1007-1423（2016）13-0072-04

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.13.019

作者簡介：

孫瀅（1987-），女，江蘇南京人，本科，助理工程師，從事領域為自動測試

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