基于VI技術的USB系統監控設計

摘 要：闡述了虛擬儀器技術發展的現狀，結合USB系統現有監控手段的局限性提出構建基于VI技術的監控系統；分析了虛擬儀器監控系統網絡模式；進行了USB系統監控設計；根據USB系統實際情況，利用LabVIEW軟件對系統監控進行了模擬仿真。仿真結果表明，基于虛擬儀器技術的測控系統監控設計簡潔高效，準確反映了實時信號的特征，大大拓展了系統監控臺的功能，集成度高，能有效減少硬件設備的使用，節省大量裝備經費，完全符合測控系統發展的需要。

關鍵詞： 虛擬儀器技術； 監控系統； USB系統； LabVIEW

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）04?0151?03

出現虛擬儀器的概念以后，由于其性價比、開放性等優勢迅速成為測控儀器新的經濟增長點。最早和最具影響的開發軟件，是NI公司的LabVIEW軟件和LabWindows/CVI開發軟件。其中，LabVIEW軟件應用最為廣泛，它采用圖形化編程方案，是非常實用的開發軟件。監控系統是測控系統的重要組成部分，是測控系統的熱門研究課題之一。在傳統的監控系統中，硬件設備的研究是關鍵。隨著虛擬儀器技術的出現和不斷發展，軟件平臺的研究成了核心，在監控系統的研究中融入虛擬儀器的理念成為廣大科技工作者關注的焦點。船載USB系統現有監控手段有以下局限性[1]，其一，硬件設備昂貴，維護費用高；其二，技術更新困難，更新周期長；其三，監控功能有限，監控效率低。因此，將虛擬儀器技術與監控研究相結合構建基于虛擬儀器技術的監控系統是很有必要的。

1 虛擬儀器監控系統分析

在LabVIEW平臺上建立監控系統，其軟件技術基礎是虛擬儀器技術和網絡通信技術。虛擬儀器技術和網絡通信技術用于聯系和管理數據I/O卡、控制部件和通信網絡等硬件，使它們相互協調、相互通信，從而實現人機之間的信息交換，以及通過網絡的信息交換，實現監控功能。虛擬儀器的硬件模塊有4類接口[2]：插入式數據/圖像采集板卡、VXI總線、串行通信端口GPIB和串行工業網絡。目前，有許多適用于各種總線結構，在這些硬件的基礎上，再加上必要的控制元件構成了測控系統的基本組件，利用豐富的Internet網絡資源，依照一定的通信協議就可以迅速地建立監控系統。

NI公司提供的DataSocket，它由DataSocket API和DataSocket Server兩部分組成[3]。其更好的實時性、更高的數據交換率、更安全的服務控制管理措施使得它成為一個開發監控系統的優秀工具。DataSocket 前面板對象鏈接是一種無需編程的網絡數據傳輸方法。它通過DataSocket Server 將兩個程序的前面板對象鏈接起來，一個對象發送數據，另一個對象接收數據，從而實現對程序的監控等功能。

2 基于虛擬儀器技術的船載USB系統監控設計

虛擬儀器的體系結構如圖1所示。它由被測對象、信號調理、信號采集與控制、通用或工控計算機、虛擬儀器軟件、網絡等軟硬件單元有機組成。其中，模塊化的硬件是虛擬儀器系統的關鍵，它們主要實現信號的調理、傳輸、采集和控制等；功能強大的軟件是虛擬儀器的核心，它們主要實現信號的處理、分析和顯示等。在實際應用過程中，硬件和軟件是有機結合起來共同完成測控任務的[4]。

虛擬儀器軟件標準主要有2種：VISA和IVI。其中，VISA技術在航天測控領域得到了廣泛的應用， VISA的實質就是一個標準的I/O函數庫（一般稱這個I/O函數庫為VISA庫[5]）及其相關規范的總稱。這些庫函數用于編寫儀器的驅動程序，完成計算機與儀器間的命令和數據傳輸，以實現對儀器的控制。VISA在整個測控系統中的位置如圖2所示。

VXI零槽模塊與其他儀器一起，構成了自動測試系統的硬件結構。在這些儀器中，既可以是GPIB儀器、VXI儀器，也可以是異步串行通信儀器等。VISA庫作為底層I/O接口軟件駐留在系統管理器——計算機系統中，是實現計算機系統與儀器之間命令與數據傳輸的橋梁和紐帶。USB系統主要由接收分系統、伺服分系統、基帶分系統、發射分系統和時頻分系統等組成[6]，結合虛擬儀器構成和虛擬儀器的軟件標準，設計監控總體架構如圖3所示。

3 LabVIEW模擬仿真

LabVIEW是一種可以用圖形來建立程序的軟件開發工具。它使用數據流編程方法來描述程序的執行[7]。LabVIEW用圖形語言（G語言）、圖標和連線代替文本的形式編寫程序。它能夠完成一般的數學運算與邏輯運算和輸入/輸出功能，也有專門的數據采集和儀器控制庫函數、開發上具有專門的數學分析程序包，能夠滿足復雜的工程計算和分析要求。LabVIEW環境下開發的程序稱為VI，VI由程序前面板、框圖程序和圖標/連接器組成。按照使用形式不同，這些VI可以分為2類。一類為應用級VI也就是可供使用的虛擬儀器本身；另一類為子VI所示，類似于傳統編程語言的函數或子程序，供上層VI調用，它具有嚴格的輸入輸出接口和類型。通過連接器就可以把一個復雜的應用程序逐步劃分為一系列簡單的子任務，為每一個子任務創建一個VI，再把它們裝配到另一個框圖程序中完成一個復雜的任務。此類功能，使得LabVIEW符合模塊化的程序設計概念[8]。LabVIEW開發環境的前面板用于設置輸入數值和觀察輸出量，模擬真實儀表的面板，其輸入量被稱為控制（Controls），輸出量被稱為顯示（Indicators）。控制和顯示是以各種形象的圖形形式出現在前面板上，如開關、按鈕、旋鈕、圖表、圖形等顯示控件，這使得前面板直觀易懂。每一個前面板的控件對應著后臺面板的一個圖標或函數，每一個前面板對應著—段框圖程序。框圖程序由端口、節點、圖框和連線等構成。其中節點被用來實現函數和功能調用，端口被用來同程序前面板的控制和顯示傳遞數據，節點與外界通過端口進行數據交換。結合USB系統實際工作情況，設計測控系統監控的服務器端為系統監控臺，客戶端為測控系統各分機。系統主要包括系統監控臺監控、系統監控臺參數設置和系統監控臺分機監控3個模塊[9]。為達到仿真效果，在程序框圖中加入模擬信號，模擬實戰任務中監控系統工作狀態。系統監控臺監控主界面由左、中、右兩部分組成，如圖4所示。左側提供示波器、頻譜儀、和信號分析結果框，實時顯示USB系統下行高頻信號、下行中頻信號、上行中頻信號和上行發射信號的波形、頻譜及信號分析結果；中間實時顯示信號強度曲線和信號強度值，并通過指示燈給出信號強弱的告警提示；右側提供USB系統各主要設備的實時狀態信息。

系統監控臺參數設置界面由目標參數和系統工作參數2個選項卡組成[10]，如圖5所示。目標參數選項卡中可設置外測、遙控等參數，系統工作參數選項卡中可設置測距、功放等參數。系統監控臺分機監控界面包括多個選項卡，對應USB系統接收機、伺服、基帶、發射機和高功放各分機設備的技術狀態，主要包括監控方式、設備狀態、工作機號、切換方式等設備工作狀態信息，系統監控臺通過網絡與各分機溝通，可對各分機進行參數設置與監視，實現遠控操作。仿真結果表明，所設計基于虛擬儀器技術的USB系統監控軟件有以下優點：形式上簡潔美觀，便于操作；內容上涵蓋USB系統所有設備，監控功能全面；本質上以軟件為核心，可有效節省硬件設備的使用，節約設備購買和維護費用；技術更新周期短、成本低，大大提高工作效率。它克服了原有監控手段的局限性，能更好地服務于測控任務，符合測控系統發展的需要。

4 結 語

虛擬儀器技術先進，十分符合國際上流行的“硬件軟件化”的發展趨勢，因而常被稱作“軟件儀器”。利用LabVIEW軟件設計基于虛擬儀器技術的測控系統監控軟件，前面板的頻譜儀、示波器等設備可替代系統監控臺現有的頻譜儀設備，能有效減少硬件設備的使用，節省大量裝備經費；前面板的分析結果框利用LabVIEW程序算法可實時分析信號的幅值、頻率和相位等信息，準確反映了實時信號的特征，為實時信號分析提供了一種新的手段，大大拓展了系統監控臺的功能。所設計基于VI技術的長管任務監控系統界面簡潔美觀，易于操作，涉及設備眾多，集成化程度高，為設備監控提供了一種新的思路，為測控系統的研究提供了一種新的方法。

參考文獻

[1] 簡仕龍.航天測量船海上測控技術概論[M].北京：國防工業出版社，2009.

[2] 林靜，林振宇，鄭福仁. LabVIEW虛擬儀器程序設計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3] 陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4] 劉勝，張蘭勇，章佳榮，等.LabVIEW2009程序設計[M].北京：電子工業出版社，2010.

[5] 連海洲，趙英俊.基于LabVIEW技術的虛擬儀器系統[J].儀器與測控，1999（5）：10?14.

[6] 劉蘊才.導彈航天測控總體[M].北京：國防工業出版社，2000.

[7] 楊樂平，李海濤，肖凱，等.虛擬儀器技術概論[M].北京：電子工業出版社，2003.

[8] 張易知，肖嘯，張喜斌，等.虛擬儀器的設計與實現[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[9] 周智敏，宋千.航天無線電測控原理與系統[M].北京：電子工業出版社，2008.

[10] 孫傳友，孫曉斌.測控系統原理與設計[M].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2007.