張文廣， 秦 亮， 劉生華

(1. 海軍航空大學(xué)， 山東 煙臺(tái) 264001； 2. 海軍91115部隊(duì)， 浙江 定海 316000)

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理和軟件技術(shù)的發(fā)展，虛擬儀器(Virtual Instrumentation, VI)已經(jīng)成為測(cè)控技術(shù)的主流技術(shù)。虛擬儀器強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器，軟件就是測(cè)試”[1]。虛擬儀器充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，用計(jì)算機(jī)屏幕形象、方便地模擬各種儀器控制面板以及各種形式的檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算機(jī)突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)可比擬的效果。目前，國(guó)內(nèi)外很多高校都對(duì)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)了研究[2-6]。

1997年推出的PXI面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展(PCI extensions for Instrumentation，PXI)總線技術(shù)，綜合了外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)(Peripheral Component Interconnect，PCI)、面向儀器系統(tǒng)的VME總線擴(kuò)展(VME bus extensions for instrumentation，VXI)總線和通用接口總線(General-Purpose Interface Bus，GPIB)的優(yōu)點(diǎn)，迅速應(yīng)用于各領(lǐng)域的測(cè)試、診斷平臺(tái)技術(shù)[7-8]。PXI Express(簡(jiǎn)稱PXIe)總線作為PXI總線的擴(kuò)展，具有高數(shù)據(jù)吞吐量、模塊化集成等關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)[9]。PXIe機(jī)箱使用PCI Express(簡(jiǎn)稱PCIe)串行接口，連接它的系統(tǒng)槽和外圍設(shè)備。系統(tǒng)插槽與PXI不兼容，因此需要使用具有足夠數(shù)量的PCIe連接器的控制器或者PCIe接口來(lái)支持外設(shè)。串行接口的使用提升了外設(shè)的可用帶寬，因?yàn)樵瓌t上它不是共享帶寬，每個(gè)外設(shè)獲得一個(gè)或多個(gè)具有2.5 Gb/s的串行連接。

為推動(dòng)測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，并結(jié)合課程建設(shè)需要，開(kāi)發(fā)了一套基于PXIe總線的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和操作，提升學(xué)生的融會(huì)貫通和動(dòng)手能力，獲得相應(yīng)工程專業(yè)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)技能。多臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以通過(guò)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)控技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想是基于便攜式PXIe機(jī)箱、PXIe零槽控制器和典型功能模塊，配合教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱、教學(xué)應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上主要由安裝了功能模塊和適配接口的PXIe便攜式機(jī)箱、教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱以及接口電纜等組成，其外觀和連接關(guān)系如圖1所示。其中，用3根接口電纜將PXIe便攜式機(jī)箱與教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱依次連接(如圖1中①～④所示)。系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用了主流的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Lab Windows/CVI 9.0。

圖1 單臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)外觀和連接圖

單臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱設(shè)置有自動(dòng)和手動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ介_(kāi)關(guān)，撥動(dòng)該開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降那袚Q。

圖2 單臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理示意圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)

虛擬儀器技術(shù)是測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，融合了測(cè)試?yán)碚?、儀器原理和技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、高速總線技術(shù)以及圖形軟件編程技術(shù)于一體，而測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)前測(cè)控技術(shù)的發(fā)展方向[10]。因此，將虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)控功能，網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，并已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[11-14]。

目前網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器有兩種組建模式[15]：(1) 即客戶機(jī)/服務(wù)器模式(Client/Server,C/S)，適用于交互性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性要求高，數(shù)據(jù)傳輸量大的程序；(2) 即瀏覽器/服務(wù)器模式(Browser/Server,B/S)，適用于模塊性、事務(wù)性強(qiáng)，應(yīng)用邏輯復(fù)雜，交互少，數(shù)據(jù)傳輸量小的程序。

考慮到系統(tǒng)的安全、工作效率、維護(hù)的便捷以及開(kāi)放性等方面的要求，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)選擇3層C/S模式，即客戶應(yīng)用程序、服務(wù)管理程序和中間件。其中，中間件是一種介于客戶端和服務(wù)器端之間的軟件。DataSocket作為一種通信中間件，是NI公司專門針對(duì)測(cè)控領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信和控制服務(wù)器，以特定的協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，將網(wǎng)絡(luò)通信的復(fù)雜性從客戶端和服務(wù)器端分離出來(lái)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是良好的實(shí)時(shí)效果。

如圖3所示，遠(yuǎn)程測(cè)控功能是客戶端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程控制測(cè)試系統(tǒng)(服務(wù)器端)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)測(cè)試測(cè)量實(shí)驗(yàn)，達(dá)到遠(yuǎn)程教學(xué)的目的。

2 硬件組成

(1) 安裝了模塊和適配接口的PXIe機(jī)箱。安裝了功能模塊和適配接口的便攜式PXIe機(jī)箱由12槽PXIe機(jī)箱、嵌入式零槽、其他功能模塊和適配接口組成。在儀器選擇方面，考慮到課程實(shí)驗(yàn)需要，選用了HTPXIe1061S 12槽便攜式PXIe機(jī)箱、HTPXIe4810 嵌入式零槽控制器和其他功能模塊。

便攜式PXIe機(jī)箱有1個(gè)PXIe系統(tǒng)槽、1個(gè)定時(shí)槽和10個(gè)混合槽(可兼容3U的PXI-1、PXIe模塊)，背板上每槽高達(dá)1GB/s的專用帶寬。它基于PXIe總線架構(gòu)，專為各種測(cè)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是一款12 槽3U PXIe/PXI 平臺(tái)。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化連接模式

嵌入式零槽控制器是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制中心，通信接口為4路PCIe×4，Gen2，且向下自動(dòng)兼容Gen1；采用酷睿I5雙核處理器；具有DVI、USB、LAN等接口。它在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中不僅擔(dān)負(fù)著對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理、顯示和傳輸，而且也擔(dān)負(fù)著對(duì)機(jī)箱內(nèi)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行資源配置和管理。

PXIe便攜式機(jī)箱內(nèi)還配置了其他功能模塊，包括HTPXI4387A多功能數(shù)據(jù)采集卡、HTPXI3710 50MSPS任意波形發(fā)生器、雙口隔離PXI-RS232轉(zhuǎn)換卡、雙口隔離PXI-RS422/RS485轉(zhuǎn)換卡、PXI-4065六位半數(shù)字萬(wàn)用表和HTPXI3017多路復(fù)用/矩陣開(kāi)關(guān)等，主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生、切換、采集和控制等功能。

適配接口用于PXIe機(jī)箱內(nèi)模塊與實(shí)驗(yàn)箱之間信號(hào)的轉(zhuǎn)換和調(diào)理。適配接口提供了1個(gè)10/100/1000Base-TX自適應(yīng)網(wǎng)口和2個(gè)USB2.0接口，這3個(gè)接口是HTPXIe4810嵌入式零槽控制器對(duì)應(yīng)接口的延伸。通過(guò)該網(wǎng)口可以將多臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)互連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。

(2) 教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱。教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部集成了溫度傳感器、光電傳感器、直流電動(dòng)機(jī)、固定連接器、萬(wàn)用表表筆插孔、各種實(shí)驗(yàn)用開(kāi)關(guān)等裝置，主要是為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供傳感器、被測(cè)控設(shè)備，方便學(xué)生使用機(jī)箱內(nèi)的功能模塊進(jìn)行溫度、轉(zhuǎn)速測(cè)量以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制等各種實(shí)驗(yàn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件體系架構(gòu)

虛擬儀器設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的核心是軟件的開(kāi)發(fā)。為實(shí)現(xiàn)軟件的靈活性和可擴(kuò)展型，該系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件的過(guò)程中采用了層次化思想。該系統(tǒng)的軟件體系架構(gòu)如圖4所示，共分為4層，從上至下分為為應(yīng)用軟件、I/O控制服務(wù)、總線平臺(tái)和功能模塊。

圖4 軟件體系架構(gòu)

(1) 應(yīng)用軟件層。使用正確的軟件工具并通過(guò)設(shè)計(jì)或調(diào)用特定的程序模塊，用戶可以高效地創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交互界面。Lab Windows/CVI將功能強(qiáng)大的C語(yǔ)言與測(cè)控技術(shù)有機(jī)結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)虛擬儀器及網(wǎng)絡(luò)化儀器的快速途徑，并已廣泛應(yīng)用[16-17]。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于Window 7操作系統(tǒng)選用了主流的虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Lab Windows/CVI 9.0，且編程語(yǔ)言選用C語(yǔ)言。

(2) I/O控制服務(wù)層。I/O控制服務(wù)層提供計(jì)算機(jī)與儀器硬件連接的I/O控制軟件，該層為用戶提供豐富的二次開(kāi)發(fā)接口，方便用戶按需求編寫(xiě)測(cè)試軟件。該層采用模塊化、開(kāi)放的分層結(jié)構(gòu)形式，其中包括資源管理平臺(tái)、I/O通信接口、儀器功能接口以及基于IVI-COM的可互換虛擬儀器驅(qū)動(dòng)。

資源管理平臺(tái)用于總線接口的識(shí)別與發(fā)現(xiàn)、硬件設(shè)備的識(shí)別、發(fā)現(xiàn)、配置、復(fù)位和啟動(dòng)軟面板。

I/O通信接口提供標(biāo)準(zhǔn)的GPIB函數(shù)庫(kù)接口和標(biāo)準(zhǔn)的VISA函數(shù)庫(kù)接口，用戶可以使用GPIB和VISA標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)在CVI等開(kāi)發(fā)環(huán)境中編程操作儀器設(shè)備。

儀器功能接口為數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、開(kāi)關(guān)、信號(hào)源等類型的功能模塊提供一套通用的接口函數(shù)，并且支持多任務(wù)并行。

IVI驅(qū)動(dòng)程序是IVI基金會(huì)為解決儀器互換而提出的儀器驅(qū)動(dòng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這里采用了應(yīng)用更廣泛、兼容性更好、使用更方便的IVI-COM形式。

(3) 總線平臺(tái)層?？偩€平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)與功能模塊的互連，它是基于PXIe的總線通信類模塊，比如PXIe機(jī)箱、PXIe零槽控制器等。

(4) 功能模塊層。功能模塊是構(gòu)建測(cè)控系統(tǒng)的核心組成部分，覆蓋了基于信號(hào)源類、信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集類、開(kāi)關(guān)類、萬(wàn)用表等諸多模塊類型。

3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)控實(shí)驗(yàn)組成如圖5所示，主要分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、工程應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)以及自主開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)等?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)包括典型信號(hào)頻譜分析、典型信號(hào)相關(guān)分析、典型信號(hào)的概率密度分析、數(shù)字濾波器實(shí)驗(yàn)等4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；工程應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)用于完成與測(cè)控技術(shù)課程相關(guān)的專業(yè)性實(shí)驗(yàn)，包括信號(hào)發(fā)生器、模擬信號(hào)的采集和輸出、數(shù)字量的輸入輸出、計(jì)數(shù)器輸入輸出和串口調(diào)試助手等的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，還有環(huán)境溫度測(cè)量、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量、串口控制小型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、信號(hào)復(fù)用和切換和萬(wàn)用表實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；自主開(kāi)發(fā)性實(shí)驗(yàn)是指學(xué)生自主地進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)測(cè)控技術(shù)類的實(shí)驗(yàn)，比如網(wǎng)絡(luò)化的遠(yuǎn)程測(cè)控、電子線路的測(cè)試與診斷實(shí)驗(yàn)等。

開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟件主界面如圖6所示。

圖5 測(cè)控實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

圖6 教學(xué)應(yīng)用軟件主界面

4 實(shí)驗(yàn)舉例

4.1 模擬信號(hào)采集/輸出實(shí)驗(yàn)

HTPXI4387A多功能數(shù)據(jù)采集卡具有32路16位分辨率的模擬量采集通道，4路16位分辨率的模擬量輸出通道，2個(gè)32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，32路靜態(tài)數(shù)字I/O和16路可編程數(shù)字I/O。

下面以模擬信號(hào)采集/輸出實(shí)驗(yàn)為例，利用HTPXI4387A多功能數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出功能，產(chǎn)生正弦或三角波形，用HTPXI4387A的模擬輸入進(jìn)行采集，驗(yàn)證期望產(chǎn)生的波形正確與否。模擬信號(hào)采集/輸出實(shí)驗(yàn)軟件界面如圖7所示。

圖7 模擬信號(hào)采集/輸出實(shí)驗(yàn)界面

4.2 環(huán)境溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

熱敏電阻隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小，具有負(fù)溫度系數(shù)，靈敏度高。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱上集成了10 kΩ(在25℃時(shí))的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。當(dāng)該熱敏電阻溫度在0～80 ℃溫度范圍內(nèi)變化時(shí)，其阻值就在32.94～1.24 kΩ范圍內(nèi)變化，其兩端的電壓就在+8.56～+0.32 V范圍內(nèi)變化(恒流源輸出0.26 mA的電流給熱敏電阻供電)。

下面使用HTPXI4387A的模擬輸入通道AI31采集熱敏電阻輸出的電壓，通過(guò)查表就可以得到對(duì)應(yīng)的溫度值。環(huán)境溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)軟件界面如圖8所示。

圖8 環(huán)境溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)界面

5 結(jié) 語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)室的建立不僅使實(shí)驗(yàn)室儀器資源得到了更加充分的利用，而且在提高教學(xué)水平的同時(shí)，大大節(jié)約了成本，提高了教學(xué)效率?；赑XIe總線的網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅功能強(qiáng)大、界面友好、成本低、擴(kuò)展性好、使用維護(hù)方便，而且可以通過(guò)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)控技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)目前已經(jīng)在本校的測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中大量配備，很好地滿足了測(cè)控技術(shù)與虛擬儀器、自動(dòng)測(cè)試技術(shù)等課程相關(guān)測(cè)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)需要。實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使用方便，易于擴(kuò)展，應(yīng)用前景良好。