下一代綜合測(cè)試系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

楊 蘇，劉亞軍

(重慶大學(xué)軟件學(xué)院，重慶400030)

1 引言

電子測(cè)量?jī)x器業(yè)自上世紀(jì)60年代開始一直追求更快、更可靠、更簡(jiǎn)便的儀器總線，采用智能儀器構(gòu)建大型測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)就是總線技術(shù)。隨著以太網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)PC技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)的總線技術(shù)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代測(cè)試行業(yè)的要求。2004年Agilent公司和VXI科技公司結(jié)合GPIB和VXI的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了新一代模塊化儀器總線——LXI。LXI是基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，由中小型總線模塊組成的新型儀器平臺(tái)。LXI儀器是嚴(yán)格基于IEEE802.3、TCP/IP、網(wǎng)絡(luò)總線、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、IVI－COM驅(qū)動(dòng)程序、時(shí)鐘同步協(xié)議(IEEE1588)和標(biāo)準(zhǔn)模塊尺寸的新型儀器。LXI儀器采用IVI－COM驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信，能夠充分利用軟件已有的資源，使系統(tǒng)具有更高的靈活性。利用LAN技術(shù)組建測(cè)控系統(tǒng)，可以解決航空航天、軍事國(guó)防、信息通信、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)應(yīng)用、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的需要。

2 LXI總線標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)述

LXI標(biāo)準(zhǔn)由LXI國(guó)際聯(lián)盟(LXI Consortium)負(fù)責(zé)管理，LXI聯(lián)盟主要是由測(cè)試測(cè)量公司組成的非營(yíng)利機(jī)構(gòu)，其目的是開發(fā)、支持和推廣LXI標(biāo)準(zhǔn)。自從LXI聯(lián)盟發(fā)布LXI標(biāo)準(zhǔn)1.0以來，不斷有相關(guān)的產(chǎn)品推出，目前對(duì)標(biāo)準(zhǔn)1.0版本進(jìn)行了部分修改，已更新至1.3版本。

LXI按照同步和觸發(fā)的精度不同分為三個(gè)基本類型:A、B、C類。C類最簡(jiǎn)單，是基本類，也是一致性的LAN實(shí)現(xiàn)，對(duì)觸發(fā)沒有特殊要求。B類包括C類的全部功能，且增加了一種新的觸發(fā)類型，用IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議(需要 TCP/UDP，Multi Cast的支持)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)功能。A類在包括B類和C類的全部功能外，又增加了另一種觸發(fā)方式，通過總線實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的功能如圖1所示。

圖1 LXI不同等級(jí)的性能區(qū)別

LXI總線具有以下5大優(yōu)點(diǎn):

(1)開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

LAN是眾多儀器生產(chǎn)廠商支持的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試開發(fā)快速、簡(jiǎn)單，能保證兼容性和測(cè)試壽命。LAN是業(yè)界最穩(wěn)定、生命周期最長(zhǎng)的開放式局域網(wǎng)絡(luò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)成本低廉，使得儀器生產(chǎn)廠商很容易將現(xiàn)有的儀器產(chǎn)品移植到LXI儀器平臺(tái)上來。

(2)向后兼容性

LXI模塊只占1/2的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜寬度，體積比VXI、PXI等可擴(kuò)展式儀器更小，不需重新配置即可升級(jí)現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)，并允許擴(kuò)展為大型卡式虛擬儀器(VXI、PXI)系統(tǒng)。

(3)成本低廉

在滿足軍用和民用客戶要求的同時(shí)，保留了現(xiàn)有臺(tái)式儀器的核心技術(shù)，結(jié)合最新科技，使得LXI模塊的成本明顯低于相應(yīng)的臺(tái)式儀器和VXI、PXI儀器。

(4)互操作性

LXI測(cè)量功能模塊可以方便快捷的組成合成儀器，可高效、靈活地組合成面向目標(biāo)服務(wù)的各種測(cè)試單元，大大降低了測(cè)試系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)靈活性。

(5)新技術(shù)及時(shí)方便的引入

LXI測(cè)量功能模塊具備完備的I/O定義文檔，因而模塊和系統(tǒng)升級(jí)時(shí)只需核實(shí)新技術(shù)是否涵蓋其替代產(chǎn)品的全部功能即可。

3 IVI儀器驅(qū)動(dòng)器

儀器驅(qū)動(dòng)器是完成對(duì)某一特定儀器控制與通信的軟件程序集，是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)儀器控制的橋梁。1998年美國(guó)NI公司最先提出一種新的基于狀態(tài)管理的儀器驅(qū)動(dòng)器體系結(jié)構(gòu)，即可互換儀器驅(qū)動(dòng)器(Interchangeable Virtual Instrument，IVI)模型和規(guī)范，并開發(fā)了基于虛擬儀器軟件平臺(tái)的IVI驅(qū)動(dòng)程序庫。NI公司設(shè)計(jì)的IVI體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IVI通用結(jié)構(gòu)

IVI主要研究?jī)x器驅(qū)動(dòng)的可互換性、測(cè)試能力、開發(fā)靈活性。目前，IVI基金會(huì)共制定了五類儀器規(guī)范:①示波器/數(shù)字化儀(IVIScope);②數(shù)字萬用表(IVIDmm);③任意波形發(fā)生器/函數(shù)發(fā)生器(IVIFGen);④開關(guān)/多路復(fù)用器/矩陣(IVISwitch);⑤電源(IVIPower)。

與VPP儀器驅(qū)動(dòng)器相比，新的IVI儀器驅(qū)動(dòng)器具有以下特點(diǎn):①在不犧牲易用性的基礎(chǔ)上改善了儀器驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行效率;②提高了采用儀器驅(qū)動(dòng)器編程的靈活性;③提供多線程安全運(yùn)行和儀器仿真功能;④IVI儀器驅(qū)動(dòng)器與接口總線無關(guān)。

4 LXI儀器軟面板設(shè)計(jì)

LXI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種界面的使用方法:①使用標(biāo)準(zhǔn)的W3C網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的交互方法;②使用IVI驅(qū)動(dòng)程序的編程方法。下面重點(diǎn)介紹如何設(shè)計(jì)基于IVI驅(qū)動(dòng)的軟面板:

目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的虛擬儀器軟面板開發(fā)環(huán)境之一:LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench.實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái))，是美國(guó)NI公司推出的一種基于G語言的具有革命性的、圖形化虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，主要應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域。

LabVIEW采用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，LabVIEW程序又稱為虛擬儀器(簡(jiǎn)稱:Ⅵ)。VI是由圖標(biāo)、連線以及框圖構(gòu)成的應(yīng)用程序，由前面板窗口和程序框圖窗口兩部分組成。前面板窗口是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，相當(dāng)于實(shí)際儀器的控制面板，是人機(jī)交互的窗口。主要有用戶輸入和顯示輸出兩類對(duì)象，具體表現(xiàn)有開關(guān)、旋鈕、圖形等。程序框圖窗口是VI的核心，提供VI的圖形化源程序，相當(dāng)于實(shí)際儀器箱內(nèi)的東西，主要包括前面板上控件的連線端子，以及一些前面板上沒有的，但編程中必須用到的各種節(jié)點(diǎn)對(duì)象及節(jié)點(diǎn)連線等。

IVI規(guī)范定義了兩種儀器驅(qū)動(dòng)程序，即IVI－C和IVI－COM，IVI－C驅(qū)動(dòng)程序基于現(xiàn)有的VPP規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的ANSIC編程模型。IVI－COM驅(qū)動(dòng)程序基于Microsoft標(biāo)準(zhǔn)的COM(組建對(duì)象模型)技術(shù)。在LabVIEW中既可以調(diào)用IVI－C驅(qū)動(dòng)，也能調(diào)用IVI－COM驅(qū)動(dòng)。

(1)調(diào)用IVI－C驅(qū)動(dòng):選擇LabVIEW程序框圖的函數(shù)→編程→儀器I/O→儀器驅(qū)動(dòng)程序→Agilent 34401;分別對(duì)儀器進(jìn)行初始化→配置→操作→讀取→顯示→關(guān)閉等操作;

(2)調(diào)用IVI－COM驅(qū)動(dòng):選擇LabVIEW程序框圖的函數(shù)→互連接口→ActiveX;根據(jù)需要分別選擇控件:打開自動(dòng)化、屬性節(jié)點(diǎn)、調(diào)用節(jié)點(diǎn)、關(guān)閉引用等;右鍵選擇相應(yīng)的類型庫，其最簡(jiǎn)單的操作過程如圖3所示(以Agilent 34401為例)。

圖3 調(diào)用IVI－COM儀器驅(qū)動(dòng)

完成調(diào)用IVI驅(qū)動(dòng)是開發(fā)整個(gè)綜合測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，但綜合測(cè)試系統(tǒng)也離不了與用戶的溝通，這就要在LabVIEW的前面板上進(jìn)行人機(jī)接口部分的設(shè)計(jì):在前面板上添加相應(yīng)的旋鈕、下拉列表、復(fù)選框、XY圖等控件，以滿足系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)前面板

5 結(jié)束語

自LXI聯(lián)盟推出LXI標(biāo)準(zhǔn)以來，已經(jīng)得到多方的認(rèn)可和支持，近年來又發(fā)展了以LXI模塊單元為核心的LXI合成儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。目前，本系統(tǒng)已經(jīng)成功突破了眾多關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)已見雛形，但仍有需要完善的部分。LXI聯(lián)盟在2007年9月公布LXI全球的市場(chǎng)年銷售額已經(jīng)超過2億美元，而這是LXI推出僅僅兩年時(shí)間達(dá)到的數(shù)額，可見LXI必將成為下一代測(cè)試產(chǎn)品的發(fā)展方向。

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