虛擬系統(tǒng)在自動化測量技術(shù)中的應(yīng)用

　儀表測量技術(shù)是測量學的一個重要分支。儀表測量技術(shù)隨著科技的發(fā)展，已邁入一個全新領(lǐng)域，測量儀表和計算機之間的界限正逐步消失。沒有測量就沒有鑒別，科技就不能發(fā)展和前進。測量必須依據(jù)標準和規(guī)范按照正確測試方法進行，并以相關(guān)規(guī)定標準極限參數(shù)作為依據(jù)。

　　測量學與測量儀表的發(fā)展大致經(jīng)歷4個階段：模擬式、數(shù)字化、智能型和虛擬型測量儀表。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，誕生了自動測試系統(tǒng)，它是將計算機、通信和檢測技術(shù)有機地結(jié)合的新興技術(shù)。它經(jīng)歷了3個時期：

　　(1)組合總裝配化時期：把多種不同功能的程序控制器與多種不同功能的輸入輸出電路組合總裝配成一體的測試系統(tǒng)。這種測試系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計制造成本較高，維護困難，測試應(yīng)用有一定局限性。

　　(2)標準化接口測試時期：這類測試系統(tǒng)應(yīng)用專門的接口，按需要實施測試功能的改變，它不僅組建方便，且使用靈活，性能優(yōu)越，獲得了廣泛應(yīng)用。

　　(3)PC微機測試時期：應(yīng)用微機與通信技術(shù)組合而成的“虛擬儀器”測試技術(shù)，給測試系統(tǒng)的騰飛上了一個全新臺階，對測試理論、測試方法等諸多方面產(chǎn)生了巨大影響。虛擬儀器系統(tǒng)是自動測試系統(tǒng)發(fā)展的方向和必然趨勢。

　　一、虛擬測量系統(tǒng)軟硬件技術(shù)

　　虛擬儀器控制面板是應(yīng)用PC機顯示器的模擬仿真功能來顯示，它使用PC機軟件功能實現(xiàn)信號運算、分析與處理，通過I/O接口設(shè)備(卡)完成信號采集、測量和處理，使得各類測試功能得以完美實現(xiàn)。虛擬儀器系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。

　　1．通用儀器硬件平臺

　　組成虛擬儀器硬件平臺有兩個部分：

　　(1)PC機或工作站，是硬件平臺的核心；

　　(2)I/O接口設(shè)備；主要完成被測輸入信號的采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換。按實際情況應(yīng)用不同I/O接口設(shè)備(卡)、如數(shù)據(jù)采集板/卡(DAQ)、GPIB通用接口儀器總線、VXI總線儀器模塊和串口模塊等。

　　虛擬儀器面板上各類控制器件：如開關(guān)、按鍵、顯示器等器件模擬仿真了真實儀器的通、斷；測量信號的輸入通道、放大倍數(shù)等參數(shù)設(shè)置；測量的波形顯示、數(shù)值顯示結(jié)果均在微機顯示器獲得顯示。設(shè)計虛擬儀器面板的過程就是在前面板設(shè)計窗口中，從控制模板中選取、安排所需圖形控制器件。我們可應(yīng)用虛擬儀器軟件的開發(fā)工具，應(yīng)用圖形化編程語言，輕松完成一個實用且美觀的虛擬儀器前面板的設(shè)計。

　　2．軟件結(jié)構(gòu)

　　虛擬儀器軟件由兩部分組成：

　　(1)應(yīng)用程序：包括實現(xiàn)虛擬儀器面板功能的前面板軟件程序和定義測試功能的前面板軟件程序；

　　(2)I/O接口儀器驅(qū)動程序：用來完成特定外部硬件設(shè)備擴展、驅(qū)動與通信。

　　開發(fā)虛擬儀器，必須有合適的工具軟件。當前虛擬儀器的軟件工具已有多種，其一是文本式的編程語言軟件，如C、Visual C++、Visual Basic、LabWindows/CVI等；其二是圖形化編程語言軟件，如LabView、Agilent VEE等。在PC機為核心的硬件平臺支持下，通過應(yīng)用軟件來實現(xiàn)測量功能，并可通過不同測試功能的軟件模塊來實現(xiàn)多種測試功能。

　　二、軟件系統(tǒng)設(shè)計要求

　　在組建自動測試系統(tǒng)時，必須采用國際上通用的總線和接口，軟件和硬件也必須采用開放式模塊化結(jié)構(gòu)，使得整個測試系統(tǒng)互換性和互操作性好，系統(tǒng)標準化程度高，以方便與市場眾多的虛擬儀器兼容，且方便修改、更新和升級換代。

　　軟件設(shè)計必須達到以下要求：較高可靠性；較高效率；盡可能保持不同平臺和不同操作系統(tǒng)之間可移植性，不同測試接口之間最大兼容性及互換性和不同測試系統(tǒng)之間的通用性。在軟件設(shè)計時必須應(yīng)用如下關(guān)鍵技術(shù)：

　　(1)為保證不同平臺和不同操作系統(tǒng)之間的可移植性，必須采用符合VPP(VXI Plug&Plag)規(guī)范軟件的開發(fā)環(huán)境；

　　(2)采用虛擬儀器軟件VISA軟件的結(jié)構(gòu)技術(shù)，保證不同測試接口間最大的兼容性及互換性；

　　(3)采用VPP規(guī)范軟件的驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)，保證儀器驅(qū)動程序良好的兼容性及通用性；

　　(4)應(yīng)用開放數(shù)據(jù)庫ODBC互聯(lián)技術(shù)及SQL數(shù)據(jù)庫查詢語言，保證軟件通用性；

　　(5)應(yīng)用模塊化軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，提高系統(tǒng)軟件的靈活性、可移植性和可維護性，降低系統(tǒng)復(fù)雜性。

　　三、軟件操作面板的設(shè)計

　　VPP系統(tǒng)軟面板由主、副兩種類別面板組成：

　　主面板為操作用戶界面，在執(zhí)行過程中始終處于打開狀態(tài)，它可能處于非激活狀態(tài)，但在操作應(yīng)用過程中必須打開且是可見的；

　　副面板是主面板調(diào)用的面板。

　　雖然主、副面板應(yīng)用特點和格式有所不同，但均應(yīng)為操作用戶提供退出或取消操作的方法和功能。

　　軟面板設(shè)計方法如下：由于必須使用在不同的平臺和計算機顯示器執(zhí)行完成各類操作，所以應(yīng)保證軟面板在不同平臺和計算機顯示器之間是可移植的。軟面板在開發(fā)時應(yīng)選擇其分辨力不大于640×480個像素的標準VGA顯示器，以便確保與高分辨力顯示器相兼容。

　　中、英文字體的選擇也應(yīng)具備可移植性和易讀性。字體應(yīng)與顯示器和平臺無關(guān)，在不同的平臺和計算機顯示器上所使用的字體應(yīng)顯示相同大小和形狀。軟面板上的控制器和指示器都必須有標簽，每個標簽都應(yīng)當恰當?shù)乇硎舅淼膭幼?、意義明確。標簽編制完后，其顏色、字體、裝版與布局必須具備完美的易讀性、可移植性和顯示性。標簽應(yīng)盡可能小，選擇淺淡的背景顏色與深色文本使得標簽醒目；字體選擇按照上述設(shè)計方法；當移植到其他窗口管理器上時，完美得體的字體裝版和布局是避免控制器上的標簽相互重疊的關(guān)鍵。

　　不同功能的控制器和指示器都必須是一致的、易讀的，標準控制器常規(guī)應(yīng)有數(shù)字、邏輯、字符串與圖形等4個功能組。通過裝飾物來區(qū)別控制器和指示器屬于那種功能，裝飾物包含Raised Box、Raised Frame、Round Box等。副面板矩形標簽應(yīng)配置connect、Cancel和OK等命令操作鍵。

　　軟面板應(yīng)支持鼠標或鍵盤操作，各類功能的鍵盤操作可通過Tab鍵、箭頭鍵、空格鍵和Enter鍵組合完成。

　　四、自動測試網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)平臺

　　自虛擬儀器的概念提出以來，以軟件代替硬件、以圖形代替代碼、以組態(tài)碼代替編程，以虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器組建自動測試系統(tǒng)平臺得到迅速發(fā)展。當前國內(nèi)在虛擬儀器測控系統(tǒng)研究方面，多應(yīng)用GPIB總線的臺式儀器，采用單臺儀器設(shè)備與PC微機連接，在局域網(wǎng)上組建測試系統(tǒng)，構(gòu)成專用測試系統(tǒng)的居多。我們采用PXI總線儀器、VXI總線模塊儀器、GPIB總線臺式儀器、SCXI總線調(diào)理模塊、PC板卡儀器等進行多種總線儀器混合互連，構(gòu)成了示波器、信號源、計數(shù)器、多用表、數(shù)據(jù)采集與圖像采集等多種儀器的連接，組成了集測量、控制和現(xiàn)場監(jiān)視為一體的自動測試系統(tǒng)平臺，使測量技術(shù)上了全新臺階。隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展，自動測試系統(tǒng)與計算機技術(shù)融為一體，使其測試內(nèi)容更加豐富，目前世界多家著名公司已都致力于開發(fā)通過Internet網(wǎng)絡(luò)進行遠程測試的系統(tǒng)平臺。

進入新世紀，我們迎來了一個全新的電子測量新時代。
　儀表測量技術(shù)是測量學的一個重要分支。儀表測量技術(shù)隨著科技的發(fā)展，已邁入一個全新領(lǐng)域，測量儀表和計算機之間的界限正逐步消失。沒有測量就沒有鑒別，科技就不能發(fā)展和前進。測量必須依據(jù)標準和規(guī)范按照正確測試方法進行，并以相關(guān)規(guī)定標準極限參數(shù)作為依據(jù)。

　　測量學與測量儀表的發(fā)展大致經(jīng)歷4個階段：模擬式、數(shù)字化、智能型和虛擬型測量儀表。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，誕生了自動測試系統(tǒng)，它是將計算機、通信和檢測技術(shù)有機地結(jié)合的新興技術(shù)。它經(jīng)歷了3個時期：

　　(1)組合總裝配化時期：把多種不同功能的程序控制器與多種不同功能的輸入輸出電路組合總裝配成一體的測試系統(tǒng)。這種測試系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計制造成本較高，維護困難，測試應(yīng)用有一定局限性。

　　(2)標準化接口測試時期：這類測試系統(tǒng)應(yīng)用專門的接口，按需要實施測試功能的改變，它不僅組建方便，且使用靈活，性能優(yōu)越，獲得了廣泛應(yīng)用。

　　(3)PC微機測試時期：應(yīng)用微機與通信技術(shù)組合而成的“虛擬儀器”測試技術(shù)，給測試系統(tǒng)的騰飛上了一個全新臺階，對測試理論、測試方法等諸多方面產(chǎn)生了巨大影響。虛擬儀器系統(tǒng)是自動測試系統(tǒng)發(fā)展的方向和必然趨勢。

　　一、虛擬測量系統(tǒng)軟硬件技術(shù)

　　虛擬儀器控制面板是應(yīng)用PC機顯示器的模擬仿真功能來顯示，它使用PC機軟件功能實現(xiàn)信號運算、分析與處理，通過I/O接口設(shè)備(卡)完成信號采集、測量和處理，使得各類測試功能得以完美實現(xiàn)。虛擬儀器系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。

　　1．通用儀器硬件平臺

　　組成虛擬儀器硬件平臺有兩個部分：

　　(1)PC機或工作站，是硬件平臺的核心；

　　(2)I/O接口設(shè)備；主要完成被測輸入信號的采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換。按實際情況應(yīng)用不同I/O接口設(shè)備(卡)、如數(shù)據(jù)采集板/卡(DAQ)、GPIB通用接口儀器總線、VXI總線儀器模塊和串口模塊等。

　　虛擬儀器面板上各類控制器件：如開關(guān)、按鍵、顯示器等器件模擬仿真了真實儀器的通、斷；測量信號的輸入通道、放大倍數(shù)等參數(shù)設(shè)置；測量的波形顯示、數(shù)值顯示結(jié)果均在微機顯示器獲得顯示。設(shè)計虛擬儀器面板的過程就是在前面板設(shè)計窗口中，從控制模板中選取、安排所需圖形控制器件。我們可應(yīng)用虛擬儀器軟件的開發(fā)工具，應(yīng)用圖形化編程語言，輕松完成一個實用且美觀的虛擬儀器前面板的設(shè)計。

　　2．軟件結(jié)構(gòu)

　　虛擬儀器軟件由兩部分組成：

　　(1)應(yīng)用程序：包括實現(xiàn)虛擬儀器面板功能的前面板軟件程序和定義測試功能的前面板軟件程序；

　　(2)I/O接口儀器驅(qū)動程序：用來完成特定外部硬件設(shè)備擴展、驅(qū)動與通信。

　　開發(fā)虛擬儀器，必須有合適的工具軟件。當前虛擬儀器的軟件工具已有多種，其一是文本式的編程語言軟件，如C、Visual C++、Visual Basic、LabWindows/CVI等；其二是圖形化編程語言軟件，如LabView、Agilent VEE等。在PC機為核心的硬件平臺支持下，通過應(yīng)用軟件來實現(xiàn)測量功能，并可通過不同測試功能的軟件模塊來實現(xiàn)多種測試功能。

　　二、軟件系統(tǒng)設(shè)計要求

　　在組建自動測試系統(tǒng)時，必須采用國際上通用的總線和接口，軟件和硬件也必須采用開放式模塊化結(jié)構(gòu)，使得整個測試系統(tǒng)互換性和互操作性好，系統(tǒng)標準化程度高，以方便與市場眾多的虛擬儀器兼容，且方便修改、更新和升級換代　　軟件設(shè)計必須達到以下要求：較高可靠性；較高效率；盡可能保持不同平臺和不同操作系統(tǒng)之間可移植性，不同測試接口之間最大兼容性及互換性和不同測試系統(tǒng)之間的通用性。在軟件設(shè)計時必須應(yīng)用如下關(guān)鍵技術(shù)：

　　(1)為保證不同平臺和不同操作系統(tǒng)之間的可移植性，必須采用符合VPP(VXI Plug&Plag)規(guī)范軟件的開發(fā)環(huán)境；

　　(2)采用虛擬儀器軟件VISA軟件的結(jié)構(gòu)技術(shù)，保證不同測試接口間最大的兼容性及互換性；

　　(3)采用VPP規(guī)范軟件的驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)，保證儀器驅(qū)動程序良好的兼容性及通用性；

　　(4)應(yīng)用開放數(shù)據(jù)庫ODBC互聯(lián)技術(shù)及SQL數(shù)據(jù)庫查詢語言，保證軟件通用性；

　　(5)應(yīng)用模塊化軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，提高系統(tǒng)軟件的靈活性、可移植性和可維護性，降低系統(tǒng)復(fù)雜性。

　　三、軟件操作面板的設(shè)計

　　VPP系統(tǒng)軟面板由主、副兩種類別面板組成：

　　主面板為操作用戶界面，在執(zhí)行過程中始終處于打開狀態(tài)，它可能處于非激活狀態(tài)，但在操作應(yīng)用過程中必須打開且是可見的；

　　副面板是主面板調(diào)用的面板。

　　雖然主、副面板應(yīng)用特點和格式有所不同，但均應(yīng)為操作用戶提供退出或取消操作的方法和功能。

　　軟面板設(shè)計方法如下：由于必須使用在不同的平臺和計算機顯示器執(zhí)行完成各類操作，所以應(yīng)保證軟面板在不同平臺和計算機顯示器之間是可移植的。軟面板在開發(fā)時應(yīng)選擇其分辨力不大于640×480個像素的標準VGA顯示器，以便確保與高分辨力顯示器相兼容。

　　中、英文字體的選擇也應(yīng)具備可移植性和易讀性。字體應(yīng)與顯示器和平臺無關(guān)，在不同的平臺和計算機顯示器上所使用的字體應(yīng)顯示相同大小和形狀。軟面板上的控制器和指示器都必須有標簽，每個標簽都應(yīng)當恰當?shù)乇硎舅淼膭幼鳌⒁饬x明確。標簽編制完后，其顏色、字體、裝版與布局必須具備完美的易讀性、可移植性和顯示性。標簽應(yīng)盡可能小，選擇淺淡的背景顏色與深色文本使得標簽醒目；字體選擇按照上述設(shè)計方法；當移植到其他窗口管理器上時，完美得體的字體裝版和布局是避免控制器上的標簽相互重疊的關(guān)鍵。

　　不同功能的控制器和指示器都必須是一致的、易讀的，標準控制器常規(guī)應(yīng)有數(shù)字、邏輯、字符串與圖形等4個功能組。通過裝飾物來區(qū)別控制器和指示器屬于那種功能，裝飾物包含Raised Box、Raised Frame、Round Box等。副面板矩形標簽應(yīng)配置connect、Cancel和OK等命令操作鍵。

　　軟面板應(yīng)支持鼠標或鍵盤操作，各類功能的鍵盤操作可通過Tab鍵、箭頭鍵、空格鍵和Enter鍵組合完成。

　　四、自動測試網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)平臺

　　自虛擬儀器的概念提出以來，以軟件代替硬件、以圖形代替代碼、以組態(tài)碼代替編程，以虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器組建自動測試系統(tǒng)平臺得到迅速發(fā)展。當前國內(nèi)在虛擬儀器測控系統(tǒng)研究方面，多應(yīng)用GPIB總線的臺式儀器，采用單臺儀器設(shè)備與PC微機連接，在局域網(wǎng)上組建測試系統(tǒng)，構(gòu)成專用測試系統(tǒng)的居多。我們采用PXI總線儀器、VXI總線模塊儀器、GPIB總線臺式儀器、SCXI總線調(diào)理模塊、PC板卡儀器等進行多種總線儀器混合互連，構(gòu)成了示波器、信號源、計數(shù)器、多用表、數(shù)據(jù)采集與圖像采集等多種儀器的連接，組成了集測量、控制和現(xiàn)場監(jiān)視為一體的自動測試系統(tǒng)平臺，使測量技術(shù)上了全新臺階。隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展，自動測試系統(tǒng)與計算機技術(shù)融為一體，使其測試內(nèi)容更加豐富，目前世界多家著名公司已都致力于開發(fā)通過Internet網(wǎng)絡(luò)進行遠程測試的系統(tǒng)平臺。

　　進入新世紀，我們迎來了一個全新的電子測量新時代。