秦氏模型虚拟仪器及VMIDS开发系统研究（可编辑）

秦氏模型虚拟仪器及VMIDS开发系统研究（可编辑） 秦氏模型虚拟仪器及VMIDS开发系统研究 重庆大学 博士学位论文 秦氏模型虚拟仪器及VMIDS开发系统的研究 姓名:尹爱军 :博士 申请学位级别 专业:机械电子工程 指导教师:秦树人 20060101中文摘要 摘 要 测控仪器发展至今,大致可分为三种模式:传统硬件化仪器、现在流行的以 软件为主体的虚拟仪器、智能控件化虚拟仪器。智能控件化虚拟仪器也称为秦氏 模型虚拟仪器,本文对这一仪器模式的概念、形成原理、科学内涵、数学建模、 软件构架,以及开发该模式仪器的零编程开发系统等方面展开了深入研究。 深层次论述了秦氏模型的概念、原理、科学内涵以及这一思想的深入发展? ?“岩石模型”等内容。秦氏模型虚拟仪器是一种新的仪器模式,智能虚拟控件 是其核心内容。秦氏模型思想的基本内容是:将非智能虚拟控件经“功能赋予” 后与仪器功能进行“测试融合”,从而形成“智能仪器单元”??智能虚拟控件, 对这些智能虚拟控件进行积木式的随意拼搭,即可直接在 PC机内形成成百上千、 类型用途各异的虚拟仪器,并显示在屏幕上直接供用户使用。在秦氏模型思想中, “功能赋予”、“测试融合”和“积木式拼搭”是三个基本而重要的概念,是 开发系统的理论与技术基础。文章从秦氏模型的概念、原理,智能虚拟控件的模 型要素,基于“功能赋予”和“测试融合”的智能虚拟控件的形成原理,以及“功 能赋予”和“测试融合”的具体实现??E-F函数等方面阐述了这一思想。智能虚 拟控件的在大特点是使仪器中的功能模块与空间模型实现了融合,把仪器的功能、 性能、控制关系等全部由记得融合于一个或几个部件之中,它的实现使仪器从传 统的整机演变为部件,从根本上改变了仪器的设计与制造模式。智能虚拟控件的 实现也使得仪器更高层次的集成成为可能。“岩石模型”是对秦氏模型的继承和发 展,是对测试功能和仪器进行多次、深度的集成,在理论上对全部机械测试类仪 器建立“有界无限”的统一模型,创成一个巨型仪器库。“岩石模型”大型仪器库 的出现,结束了测试领域的单机时代,从此用户使用测试仪器将不仅以单机 为使 用单位,而且可以用一个包罗系列仪器在内的仪器库作为使用单位。 研究了系统建模五元模型和模块化建模方法,并以此建立了秦氏模型虚拟仪 器开发系统模型、秦氏模型虚拟仪器统一模型,深入阐述了模型的组成结构。两 个系统模型的建立,为秦氏模型虚拟仪器开发系统以及秦氏模型虚拟仪器的设计、 开发提供了理论基础、统一的规则,提高了系统运行效率,增强了系统的可 理解性,使得系统增量开发的速度得到大大提升。根据两个系统模型,通过对多 种测控分析仪器的原理、功能、性能、精度指标和使用环境等的研究,论述了对 虚拟仪器典型功能的模块化数学建模,建立了部分信号基本处理和扩展处理的数 学模型。通过对虚拟控件界面技术的研究,提出了椭球体三维数据场可视化模型, 详细阐述了其实现方法,并依据该模型,对虚拟选择开关进行了界面建模。同时 I 重庆大学博士学位论文 椭球体三维数据场可视化模型也可应用于科学计算三维可视化研究。两类建模方 将秦氏模法的研究、两个系统模型和椭球体三维数据场可视化模型的建立,型虚 拟仪器和虚拟控件从技术研究提升到理论建模的基础研究。通过对层次消息 总线软件体系结构的研究,提出了动态路由层次消息总线软 件体系结构模式,研究了这一模式的风格、构件、连接件和配置,并采用软件体 系结构描述语言??Wright语言分别进行了形式化的描述。该模式是对层次消息 总线的发展,采用统一的方式刻画智能虚拟控件和有智能虚拟控件构成的秦氏模 型虚拟仪器系统。动态路由消息层次总线保留了层次消息总线的优点,具有层次 消息总线结构的信息传递方式,并支持系统运行时刻的动态演化;克服了层次消 息总线模式应用在秦氏模型虚拟仪器开发系统时的缺陷,使得系统效率得到提高, 控件复用程度增加,系统增量开发的速度大大提升。动态路由层次消息总线构架 是秦氏模型虚拟仪器开发系统的实现蓝图,为智能虚拟控件的集成组装提供了坚 实的技术基础。 综合运用有关原理、方法和技术,设计制造了基于复用的智能虚拟控件,实 现了面向用户的基于柔性综合集成技术的秦氏模型虚拟仪器零编程开发系统?? VMIDSVirtual Measurement Instrument Development System开发系统。智能虚拟控 件是秦氏模型的核心组成部分,由仪器拼搭场所拼搭出的仪器的种类和数量,取 决于智能虚拟控件成品库的可复用控件的种类和数量的多少。文章从控件的内聚、 耦合和复用三个方面讨论控件的优化设计准则,编制了非智能虚拟控件电子分类 档案,介绍了功能库的设计,以及如何由非智能虚拟控件和功能库设计制造智能 虚拟控件。秦氏模型虚拟仪器零编成开发系统是基于知识的柔性综合集成开发系 统。本文在介绍了面向控制、数据和显示的综合集成技术的基础上,论述了秦氏 模型虚拟仪器零编程拼搭机理??基于知识的柔性综合集成技术;利用该技术, 研制成功了秦氏模型虚拟仪器开发系统??VMIDS3.0 开发系统。最后介绍了在 VMIDS3.0开发系统中怎么开发秦氏模型虚拟仪器,同时给出了典型秦氏模型虚拟 仪器的有关应用实例。 文章最后对本文工作进行了总结和对秦氏模型虚拟仪器的研究进行了展望。 本文得到了国家自然科学基金重点项目“面向机械测试的控件化虚拟仪器系 统的研究(No.50135050)”和国家自然科学基金面向项目“机械测试系统中零编 程方法的研究(No.50405009)”的资助。 关键词:秦氏模型,智能虚拟控件,岩石模型,虚拟仪器,软件体系结构, 数学模型,零编程开发系统 II 英文摘要 ABSTRACT There are three modes of the measuring instruments since they came out: traditional hardware instrument, now popular software based virtual instrument VI and intelligent controls-oriented virtual instrument ICVI which is call Qin’s Model virtual instrument. The main aspects of the research are the concept, forming principle, scientific connotation, mathematical modeling, software architecture of this mode of instruments and its non-programming development systemThe concept, principle, scientific connotation of Qin’s Model and its further development?rock model are deep discussed. ICVI is a new pattern of instruments, and its heart is Intelligent Virtual Controls IVC. The main idea of Qin’s Model is: unintelligent virtual controls Non-IVC can be turned into intelligent instrument units with the function of measurement instruments by the function endowing and test fusing, which can be used as basic building blocks for various complex virtual measurement instruments on a PC. Three important concept of Qin’s Model are function endowing, test fusing and assembling like building blocks, which are the basis of the theory and technology for designing development system. The concept and principle of Qin’s Model, model element of IVC, forming principle of IVC based on function endowing and test fusing, and E-F function about the implement of function endowing and test fusing are introduced. The characteristic of IVC is it fuses the function modules and the controls modules so that the relationship between the functions and controls of an instrument is imbedded in one or more units. The implementation of IVC evolves instrument from whole to part, and changes radically the mode of design and manufacture instruments, and makes the instrument integration of higher level possibleRock Model is the inheritance and development of Qin’s Model, which deep integrates measuring functions and instruments. Rock Model builds the border existed but no limitation uniform model of the mechanical measuring instruments and sets up a huge instrument bank. The emergence of huge instrument bank based on rock model ends the era of single instrument. From now on the operation unit is not only a single instrument but also an instrument bank including series of instrumentsThe development system model and the uniform model of ICVI, and the configuration of the models are introduced through studying the quintuple model of system modeling and the method of modularized modeling. The formation of models 重庆大学博士学位论文 III provides the theoretical basis and uniform criterion for design and development of the ICVI, enhances the systematic efficiency and understandability and boosts the development speed. According to the two models and by studying the principle, function, performance, precision indicator, working condition of various measuring and testing instruments, the modularized mathematical modeling of typical instrumental functions is discussed, and parts of mathematical models of basal signal processing and its extension are set up. By investigating the virtual control interface technology, the paper proposes the ellipsoid 3D data field visualization model, and introduces in detail the implement of it. According to it the interface model of virtual option switch is gained. The model can also be used in the research of 3D visualization in scientific calculation. These boost the research on the ICVI and virtual controls from technological research to foundation research of theoretical modelingThrough researching into the hierarchical message bus architecture HMB pattern, the paper proposes dynamic route hierarchical message bus architecture DR-HMB pattern, studies its style, component, connector and configuration, and describes it using the software architecture description language SADL?? Wright. It is the development of HMB, which portrays IVC and ICVI in a uniform way. DR-HMB preserves the advantages of HMB and it overcomes the disadvantage of it in applying to ICVI development system, therefore enhances the systematic efficiency, increases the reuse of controls and boosts the speed of systematic incremental developmentDR-HMB is the blueprint of ICVI development system and provides technological basis for integral assembly of IVCsSynthetically using related principles, methods and technologies, the design and manufacture of reusable IVC have been done. And the non-programming developing system of ICVI??virtual measurement instrument development system VMIDS has been realized by the flexibility integration technology. IVC is the heart of Qin’s model, and the variety and quantity of VIs assembled by the instrument assemblage site of the developing system depend on the reusable controls in the IVC base. The optimizing design method of control is discussed through discussing the cohesion, coupling and reuse of controls, and the electronical classification files of Non-IVC are edited. And the paper introduces the design of function bank and how to make an IVC from a Non-IVCVMIDS is a knowledge based flexibility integration system FIS. The integration technology of control, data and display are introduced. And using this technology, the paper successfully develops the VMIDS3.0. Finally, the paper introduces how to IV 英文摘要 develop ICVI in the VNIDS3.0 and gives typical applications of ICVISummarization of the article and expectation of the ICVI development are in the end of articleThe paper is supported by the key project of NSFC, and the project is “Study on mechanical measurement oriented system of IVC-based-VI No.50135050”. It is also supported by the general project of NSFC, and the project is “Study on non-program way in mechanical measurement system No. 50405009” Keywords: Qin’s Model, Intelligent Virtual Controls, Rock Model,Virtual Instrument, Software Architecture,Mathematical Model, Non-Program Development System V 1 绪 论 1 绪 论 1.1 课来源 本课题是国家自然科学基金重点项目“面向机械测试的控件化虚拟仪器系统 的研究”(批准号:50135050)和国家自然科学基金面向项目“机械测试系统 中零 编程方法的研究”(批准号:50405009)的子项目。 1.2 测试仪器的三种模式 测试与测量是人类认识自然界客观事物并对这些事物的若干现象进行量化 从 而取得深入认识其本质的必不可少的手段。测试测量仪器则是实现测试测量的基 本工具。测试测量仪器发展至今,大致可分为三种模式:传统硬件化仪器、现在 [1] ~ [8] 流行的以软件为主体的虚拟仪器、本文研究的智能控件化虚拟仪器 。 1.2.1 传统硬件化仪器 从 20世纪 30年代初,传统硬件化测试测量仪器发展了大半个世纪,其自身 也经历了模拟??数字??智能的发展过程。 1)模拟仪器。18世纪末至 20世纪初,科学家在发现描述物理现象的定律之 后,发明了基于物理定律的模拟式仪表。最典型的有伏特表、安培表、功率表、 压力表和测温仪以及磁电式模拟仪表。这些仪表虽很简单但都解决了当时许多物 理量的测量问题。随着电子管、离子管这类全新电子器件的出现,以及测试测量 理论和方法与新兴的电子技术、控制技术相结合,又出现了电子仪器仪表,产生 了以记录仪、电子示波器、信号发生器等为代表的模拟式电子仪器。 2)数字仪器。随着晶体管与集成电路的出现,数字技术在测试测量仪器中获 得成功的应用。20世纪 50至 60年代出现的数字式仪表如数字电压表、数字电流 表、数字频率计、数显表、记忆示波器等是第二代数字式测量仪器的典型代表。 数字式仪器的特点是将模拟信号的测量转变为对数字信号的测量并以数字形式显 示和输出测量结果。这类仪器特别适于要求快速响应和高精度的测量领域。 3)智能仪器。在数字式仪器中置入微处理器,将计算机技术与仪器仪表技术 紧密结合,使仪器具有数据存贮、数据处理(即运算)、逻辑判断、自动选程、 自 动补偿、仪器自检等功能,从而部分取代人脑的工作,因此称这类仪器为智能仪 器。 就总体而言,传统硬件化仪器由决定仪器功能、性能和技术指标的电子板卡, 带有插槽的底盘,装有各类控件的面板、显示器和机箱等组成。图 1.1为传统硬件 化仪器系统,它由硬件化仪器、调理、采集以及传感装置等组成。 重庆大学博士学位论文 1 硬件化测控仪器是一个封闭系统,所谓“封闭”,是指这种仪器系统一经制造 完毕便不能随意改动,这样它就失去了灵活性和用户的参与性,导致的最终结果 是无论对技术的进步还是对市场的需求其响应速度都比较慢,这在很大程度上阻 碍了仪器科学和仪器行业的快速发展。 图 1.1 集传统硬件化仪器系统 Fig1.1 Traditional hardware instrument system[9]~[17] 1.2.2 虚拟仪器 20世纪 80年代中期,随着计算机技术与电子技术的飞速发展,在以计算机为 平台的测控仪器中软件和总线的作用日益突出,测试仪器的物理功能越来越多, 需要计算的功能越来越强,传统的硬件化仪器的固有缺点(如封闭性、缺乏灵活 性、响应速度慢等)已使它越来越不能满足测试仪器功能日益强大的要求, 因此 用软件取代硬件便成为仪器仪表领域的一个迫切需要解决的问题;同时因为被测 对象的频率范围越来越宽,因此要求总线具有相应的高速数据传输能力和灵活的 扩展性能;另外,面对各种各样复杂的测试要求,希望软件系统不仅能完成测试 所需的功能,而且还要易于使用。计算机总线技术、软件技术及相关技术的发展, 使得微机在计算机仪器上的作用远远超出了计算机仪器发展初期主要是用 来完成 控制的范围。特别是近 10年来出现的数字信号处理器(DSP),它与微机软件相结 合将产生强大的计算与控制能力,这使其在一定的实时性要求下取代了许多原来 由硬件完成的功能并能完成许多硬件不能胜任的其他功能,这标志着“软件即仪 器”(The software is the instrument)时代的到来。这种全新模式的“软件化仪器” 被称为“虚拟仪器”,它是继智能仪器之后的一类全新的仪器模式。虚拟仪器不仅 使仪器技术与计算机软、硬件技术和总线技术紧密结合,而且还采用了数字信号 处理,系统辨识和数学建模等现代方法。虚拟仪器的出现是对传统硬件仪器观念 的一次变革,是 21世纪测控仪器的重要发展方向。 1)虚拟仪器的概念 2 1 绪 论 虚拟仪器Virtual Instrument,简称 VI是日益发展的计算机硬、软件和总线技术 在向其它相关技术领域密集渗透的过程中,与测试技术、仪器仪表技术密切结合共 同孕育出的一项全新的成果。20世纪中期,美国国家仪器公司(National Instruments Corporation 简称 NI)首先提出了虚拟仪器的概念,认为虚拟仪器是由计算机硬件 资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测 控系统,是一种由计算机操纵的模块化仪器系统。如果再作进一步说明,那么虚拟 仪器是一种以计算机作为仪器统一硬件平台,充分利用计算机独具的运算、存储、 回放、调用、显示以及文件管理等基本智能化功能,同时把传统仪器的专业化功能 和面板控件软件化,使之与计算机结合起来融为一体,这样便构成了一台从外观到 功能都完全与传统硬件仪器一致,同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系 统。由于仪器的专业化功能和面板控件都是由软件形成,因此国际上把这类新型的 仪器称为“虚拟仪器”。有的资料上甚至直接将虚拟仪器这种形式称为“软件即仪器”。 虚拟仪器由计算机、仪器软件和仪器硬件组成,其系统构成如图 1.2所示。 图1.2 虚拟仪器系统 Fig1.2 Virtual instrument system 作为一种新的仪器模式与传统的硬件化仪器比较。虚拟仪器主要有以下特点: (1)功能软件化 功能软件模块化 (2) (3)模块控件化 仪器控件模块化 (4) (5)硬件接口化 (6)系统集成化 (7)程序设计图形化 (8)计算可视化 3 重庆大学博士学位论文 (9)硬件接口软件驱动化 2)虚拟仪器的硬件系统 虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。计算机硬件 平台可以是各种类型的计算机,如 PC机、便携式计算机、工作站、嵌入式计算机 等。计算机管理着虚拟仪器的硬软件资源,是虚拟仪器的硬件支撑。计算机技术 在显示、存储能力、处理性能、网络、总线标准等方面的发展,推动着虚拟仪器 系统的发展。 按照测控功能硬件的不同,虚拟仪器可分为 GPIB、VXI、PXI和 DAQ四种标 准体系结构。以下作一些简单介绍。 (1)GPIB(General Purpose Interface Bus)通用接口总线 这种接口总线是计算机和仪器间的标准通讯协议。GPIB的硬件规格和软件协 议已纳入国际工业标准 IEEE 488.1和 IEEE 488.2。它是最早的仪器总线,目前多 数仪器都配置了遵循 IEEE 488的 GPIB接口。典型的 GPIB测试系统包括一台计 算机、一块 GPIB接口卡和若干台 GPIB仪器。但是 GPIB的数据传输速度较低, 一般低于 500KB/s,不适合对系统速度要求较高的应用,因此在应用上已经受到了 一定程度的限制。 [3] (2)VXI(VMEbus eXtension for Instrumentation)总线系统 VXI总线系统是 VME总线在仪器领域的扩展,它是在 1987年 VME总线、 Eurocard标准(机械结构标准)和 IEEE488标准等的基础上,由主要仪器制造商 共同制订立的开放性仪器总线标准。VXI系统可包含 256个装置,由主机箱、零 槽控制器、具有多种功能的模块仪器、驱动软件和系统应用软件等组成。系统中 各功能模块可随意更换,即插即用(Plug & Play)组成新系统。 (3)PXI(PCI eXtension for Instrumentation)总线系统 PXI总线系统是 PCI在仪器领域的扩展。它是 NI公司于 1997年发布的一种 新的开放性、模块化仪器总线规范。PXI是在 PCI内核技术上增加了成熟的技术规 范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时 的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等,来满足试验和测 量的要求。PXI兼容 CompactPCI机械规范,并增加了主动冷却、环境测试(温度、 湿度、振动和冲击试验)等要求。这样以来,可保证多厂商产品的互操作性和系 统的易集成性。 (4)DAQ(Data AcQuisition)数据采集系统 DAQ数据采集系统是指基于 PC计算机标准总线(如 ISA、PCI、USB等)的 数据采集功能模块。它充分地利用计算机的资源,大大增加了测试系统的灵活性 和扩展性。利用 DAQ可方便快速地组建基于计算机的仪器,实现“一机多型”和 4 1 绪 论 “一机多用”。在性能上, DAQ的采样速率已达到 Gb/s,精度可高达 24位,通 道数高达 64个,并能任意结合数字 I/O、计数器/定时器等通道。在PC计算机上 挂接 DAQ功能模块,配合相应的软件,就可以构成一台具有若干功能的PC仪器。 这种基于计算机的仪器,既可享用 PC机固有的智能资源,具有高档仪器的测量品 质,又能满足测量需求的多样性。对大多数用户来说,这种实用性强,应用 广泛,且具有很高的性能价格比,是一种特别适合于我国国情的虚拟仪器方案。 3)虚拟仪器的软件系统 虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件和软件资源,使本来由硬件实现的 功能软件化(虚拟化),以便最大限度地降低系统成本,增强系统的功能与灵活性。 “软件即仪器”这一口号正是基于软件在虚拟仪器系统中的重要作用而提出的。 VPP(VXI Play & Play)系统联盟提出了系统框架、驱动程序、VISA、软面板、 部件知识库等一系列 VPP软件标准,推动了软件标准化的进程。虚拟仪器的软件 框架从低层到顶层,包括三部分:VISA库、仪器驱动程序、仪器开发软件(应用 软件)。图 1.3表示虚拟仪器软件的结构框架。以下对软件结构的主要组成部分作 一说明。系 统 管 理 系统管理软件虚 拟 仪 器 开 发 软 件 开发软件虚 拟 仪 器 驱 动 程 序 仪器驱动程序DAQ I/O接口 接口DAQ 信 号 D/A卡 仪器硬件 A/D卡 调理器 图1.3 虚拟仪器的软件结构 Fig1.3 Software structure of virtual instrument(1)VISA(Virtual Instrumentation Software Architecture)虚拟仪器软件体系 结构 VISA体系结构是标准的 I/O函数库及其相关规范的总称。一般称这个 I/O函 数库为 VISA库。它驻留于计算机系统之中执行仪器总线的特殊功能,是计算机与 仪器之间的软件层连接,以实现对仪器的程控。它对于仪器驱动程序开发者来说 5 重庆大学博士学位论文 是一个个可调用的操作函数集。 (2)驱动程序 每个仪器模块都有自己的仪器驱动程序,仪器厂商以源码的形式提供给用户。 应用软件 (3) 应用软件建立在仪器驱动程序之上,直接面对操作用户,通过提供直观友好 的测控操作界面、丰富的数据分析与处理功能,来完成自动测试任务。 [1]~[8] 1.2.3 秦氏模型虚拟仪器 以计算机为统一硬件平台的虚拟仪器尽管较传统硬件仪器有很大的优越性, 但是它仍然还有相当大的发展空间。使用现在的虚拟仪器开发系统组建、开发虚 拟测试仪器,不能绕过仪器设计这一关,而这一关对使用者的要求似乎太高,因 此对于不具备仪器设计和软件编程的使用者要用好这一系统是有困难的,虚拟仪 器仍然需要专家来设计、制造。 及智能控件化虚智能虚拟控件(Intelligent Virtual Controls,简称 IVC)拟仪器 (Intelligent Controls-oriented Virtual Instrument, 简称 ICVI)最早由重庆大学秦树 人教授提出。智能虚拟控件是一种被仪器功能“激活”了的,带有测试功能的虚 拟部件或“智能仪器单元”,是构成新型的拼搭式虚拟仪器的核心。它不仅具有一 般虚拟控件所具有的颜色、形状、大小、真实感等属性,最主要的是它被测试功 能所“激活”,从而使它自身带有部分或全部测试仪器的功能,例如信号产生,信 号缩放和旋转,测量和调节信号的频率、幅值和相位等等。在拼搭前、拼搭中或 拼搭后,均可对智能虚拟控件的物理属性,如颜色、形状、大小、真实感等参 数, 控件带有的测试功能以及智能虚拟控件的位置、布局等进行修改。 简单的智能虚拟控件可以只带有一个或几个功能,而复杂的智能虚拟控件不 仅可以具有某种仪器的部分或全部测试功能,而且还可以同时集成多个、多种仪 器的测试功能,从而使它形成为一个具高级、复杂功能的“智能测试仪器单元”。 这样一来,使得在系统开放的前提下将“定义仪器”、“组建仪器”的权利留给使 用者,而设计和制造仪器的任务则交给专业人员,他们在开放的环境中设计与制 造仪器,随时可对仪器功能、仪器结构按使用者的要求进行修改和增删,从而使 所有的使用者??技术基础雄厚、经验丰富的和技术、经验都比较欠缺的都能在 这类仪器系统面前处于同一起跑线。 6 1 绪 论 图1.4 智能控件化虚拟仪器 Fig1.4 Intelligent controls virtual instrument 智能虚拟控件及其仪器是一种新的仪器模式,是对虚拟仪器的重要发展。它 使虚拟仪器中的功能模块和控件模块实现了融合,把仪器的功能、性能、控制关 系等等全部有机的融合于一个或几个部件之中。若将这些部件通过积木式拼搭, 可直接在 PC机内形成各种类型的虚拟测试仪器。智能虚拟控件的实现使得 测试仪 器从传统的整机演变为部件,这一演变将测试仪器的概念、设计与制造模式都推 向一个新的阶段。图 1.4是一台智能控件化虚拟仪器。 [18] ~ [27] 1.3 虚拟仪器开发系统的研究现状 虚拟仪器的开发系统目前主要有两大类:一类是以 LabVIEW为代表的图形化 ,亦称 G开发环境或 G语言(Graphical Language);另一类是以 VC开发环境 为 代表的面向对象的开发环境。图形化开发环境大多是针对虚拟仪器而设计的专用 平台,它除了方便的可视化界面和编程外,在测量结果的数据处理、表达模式及 其变换方面也做了许多工作,发布了各种软件,建立了数据处理的高级分析库和 开发工具库,例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积 处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检测、波形发生、噪声发生、回归分 析、数值运算、时域和频域分析等,以至于很多人把虚拟仪器就等同于图形化开 发环境。 自 NI公司自 20世纪 80年代推出虚拟仪器以来,国外著名的仪器公司随后也 闻风而动,相继开发了不少虚拟仪器开发平台软件,以便使用者利用这些开发平 台软件组建自己所需的虚拟仪器或测试系统。最早和最具影响的开发软件是 NI公 司的 LabVIEW软件和 LabWindows/CVI。在 NI公司之后,美国 Agilent公司、 Keithley 7 重庆大学博士学位论文 公司和 HEM Data公司也相继推出 VEE、Testpoint、DT Measure FOUNDRY 等开 发系统。在国内则有我国自行研制的 VMIDS虚拟仪器开发系统。以下对几种典型 的开发系统作一简单介绍。 1)VMIDS开发系统 VMIDS是重庆大学研制成功的一种层次消息总线零编程虚拟仪器开发系统, 它包含了一个测控仪器软件模块化功能库和一个软件模块化控件库,在智能虚拟 仪器开发系统中以功能库和控件库中的资源为基础进行软设计、软连接、软调试 形成智能虚拟控件成品,用户在仪器拼搭场中调用智能虚拟控件进行组装自已所 需要的虚拟仪器而不需要编程。VMIDS开发系统主要是面向非专家类的使用者, 相对于美国的 LabVIEW系统而言,它降低了对用户的要求。它力图在系统自身内 部做好大量的专业性的工作,留给用户的只是进行一些简单地选择,以及其 它的 一些相当轻松的任务,比如,调整显示面板的大小和位置、确定各旋钮的位置等。 而且,在用户构造仪器的过程中,系统提供周到、仔细的帮助,提示用户每一步 的具体做法和下一步即将做什么。即使是不懂测试的人员,只要他会操作计算机, 那么,通过系统的帮助,也能很快构造出所需的仪器。 VMIDS开发系统是一个可开发生产智能虚拟控件和控件化虚拟仪器的“软性工 这一系统具备设计、装配、调试、修改、咨询、存贮等全方位的功能。 厂”, 2)LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) LabVIEW是美国 NI公司研制的图形编程虚拟仪器系统,是一种基于图形的 程序设计语言 G语言构成的,可用来进行数据采集和控制、数据分析和数据表达。 LabVIEW由面板、流程方框图、图标/连接器组成,其中面板是用户界面,流程方 框图是虚拟仪器源代码,图标/连接器是调用接口Calling Interface。流程方框图包 括输入/输出(I/O)部件、计算部件和子 VI部件,它们用图标和数据流的连线表 示;I/O部件直接与数据采集板、GPIB板、或其它外部物理仪器通信;计算部件 完成数学或其它运算与操作;子 VI部件调用其它虚拟仪器。LabVIEW是一个完 全的、开放式的虚拟仪器开发系统应用软件,利用它组建仪器测试系统和数据采 集系统可以大大简化程序的设计。LabVIEW 与 Visual C++、Visual Basic、 LabWindows/CVI 等编程语言不同,后者采用的是基于文本语言的程序代码,而 LabVIEW 则是使用图形化程序设计语言 G,用方框图代替了传统的程序代码。 LabVIEW所运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致,这 使得编程过程和思维过程非常相似。图 2-4和图 2-5分别是 LabVIEW的前面板窗 口和框图程序窗口。 3)Agilent VEE(Agilent Visual Engineering Enviornment) Agilent VEE是一种用于仪表优化控制的图形语言。用户只需将对象(指组成 8 1 绪 论 试验系统的仪表和操作、运算过程)从相应的菜单中挑选出来,然后用鼠标将代 表对象的图标按流程连接起来,就可以产生程序,不必使用键盘,而程序也只是 一张数据流程图,比传统的代码方式更便于使用和理解。用户不必有丰富的编程 知识,只需了解测试的目标和顺序,然后用线把它们连接起来,程序就可完成。 Agilent VEE的优点除了有编程轻松、快速之外,还包括:灵活的输入/输出 策 略、适合仪器使用的数据类型、数学分析能力超强、显示方式方便、易于生成报 告、能与其它语言混合编程、可控制多种仪器等。 Agilent VEE的缺点有:不能生成可执行程序,必须在开发环境下运行或安装 运行库(VEE Pro RunTime)、系统执行效率较低、多任务调度能力差、用户自定 义函数功能弱以及仪器驱动局限性大等。 4)Visual Studio 6.0 Visual Studio 6.0是微软公司开发的可视化软件开发平台,由于和操作系统同 出一家,因此有着天然的优势。Visual Studio 6.0这种常用的一种工具,为程序开 发者提供了一套功能强大的可视化开发环境,在这个环境中可以用 VB或 VC++开 发 Windows应用程序、Web应用程序或组件。开发虚拟仪器的主要步骤有:第一, 开发数据采集器的驱动程序,完成数据采集功能。第二,开发虚拟仪器的面板, 以供用户交互式操作。第三,开发虚拟仪器的功能模块,完成虚拟仪器的各项功 能。第四,有机的集成前三步功能,构建出一个界面逼真、功能强大的虚拟仪器。 由于单纯使用此平台开发虚拟仪器十分困难,通常采用第三方的控件和相关的软 件包。利用 Visual Studio 6.0的可视化编程环境与各种数据采集、分析和显示功能 组件,可以大大提高文本编程语言的工作效率。轻松构建独立的测量系统或基于 网络的分布式测量系统。 1.4 本文研究的意义 虚拟仪器的核心特征是硬件功能软件化,这一过程的实质是软件编程,从而 以程序实现仪器的面板、控件和具体的功能。对一般用户而言这项工作是有一定 困难的。这是因为一方面要清楚各种仪器的原理和构成;另一方面还需要有计算 机编程经验。也就是说,用户若要自己独立开发一个虚拟仪器,需要对仪器的构 造有清楚的了解,还要有相当的编程经验,这显然不是每个用户都能做到的。而 对于专门的虚拟仪器开发人员,每开发一台仪器,都要重复一些以前做过的类似 工作,也是一种时间和精力的浪费。如果能开发一个虚拟仪器的生成系统,将构 建同一种仪器产品所需的各个部件事先做好,保存起来,到使用时直接调用,这 样相同的工作只要做一次,以后无须重复便可以满足要求了。 前面讲到的 NI公司的 LabVIEW虚拟仪器开发系统,是一个图形化的编程工 9 重庆大学博士学位论文 具,要构建一台仪器,只需按仪器功能的设计要求进行连线即可。然而,对于 普 通的使用者来说,这一种连线其实并不简单,原因在于不了解仪器的内部构造。 特别对功能复杂的仪器,更是无从下手。其实,LabVIEW提供给用户的是中间产 品,需用户进行二次开发,只适合测试和工程领域的专家使用。对于一般用户来 说,需要系统更简单一些,它既不需要用户学习难懂的 VC++编程,也不需要用户 了解仪器的内部构造,只需一些简单的操作即可得到所需要的仪器。 本文所研究的基于秦氏模型的虚拟仪器开发系统就是这样既简单又方便的 “傻瓜”型虚拟仪器开发系统,用户在仪器拼搭场中调用智能虚拟控件进行随意 拼搭便可组建成自已所需要的虚拟仪器,而这一组建过程自始至终都不需要用户 编程。 本文实际上是在前期研究的基础上,对秦氏模型进行深层次研究,从理论上 揭示 IVC和 ICVI的科学内涵,为 IVC和 ICVI的开发、使用提供理论依据和指导。 对 VMIDS系统进行深入研究,建立 IVCI的统一模型和 VMIDS的系统模型,规 范 ICVI的开发和使用。 本文将对 IVC和 ICVI的“有界无限”大型仪器库的创成??“岩石模型”进 行研究,通过建立多次、深层次集成的“仪器库”,使得在将来的测试仪器中,“仪 器库”将成为用户使用的仪器“单元”,而同一行业的用户只需使用者同一“单元” 的测试仪器库就可满足其全部测试要求。这将彻底改变现行的测试仪器的设计、 制造、调用、存储和销售的面貌和模式,使测试仪器出现真正意义上的跨越式发 展。 1.5 本文主要工作内容和创新 本文的主要工作 1.5.1 本文的研究目标:一方面是完成秦氏模型深层次科学内涵的研究,以及建立 为这类虚拟仪器系统的秦氏模型虚拟仪器中有关数学建模普遍方法的研究, 制造 奠定理论基础;另一方面是完成基于动态路由层次消息总线的软件体系结构的研 究,建立基于知识的柔性综合集成系统,研制出面向用户的秦氏模