pci简易通讯控制器

虚拟仪器发展及应用实例

27年前，美国国家仪器公司NI（NationalInstruments）提出“软件即是仪

器”的概念，推出了LabVIEW直观的流程图编程风格的软件开发和运行平台，

引发了测控技术领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入仪器

领域，开启了虚拟仪器（VI）的先河。

虚拟仪器可以充分利用现有计算机资源，配以独特设计的软硬件，实现普通

仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。它依赖软件，通过计算

机来控制测试硬件、分析和提供测试数据。由于没有专门的前面板、显示器和电

源，其硬件通常在PC或VXI/CPCI主机中，所有仪器面板和显示器都在监视器

上模拟，所以称为虚拟仪器。虚拟仪器不但功能多样、测量准确，而且界面友好、

操作简易，与其它设备集成方便灵活。虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器

由厂家定义、用户无法改变的模式，给用户一个充分发挥自己才能和想象力的空

间。用户可以根据不同要求，设计自己的仪器系统，满足多样的应用需求。其特

点是价格适中、功能强、测试速度快、可重组。有趋势表明，虚拟仪器最终要取

代大量的传统仪器成为仪器领域的主流产品，成为测量、分析、控制、自动化仪

表的核心，并成为机器人的核心技术。

目前，虚拟仪器有两类。一类基于PC，它是由PC、能插入PC机箱的插卡

或模块和相关测试软件（如LabVIEW）所构成。采用这种结构能构成基于PC

的示波器、任意波形发生器、波形分析仪、函数发生器、逻辑分析仪、电压表和

数据采集产品。另一类基于VXI或CPCI/PXI专用系统，采用这种结构能构成用

于生产测试的高性能专用测试系统、数据采集系统和自动测试设备（ATE）。

插卡型虚拟仪器：ISA、PCMCIA、PCI

基于通用PC的硬件，可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器，是现在比

较流行的虚拟仪器系统。这种方式借助于插入PC机或工控机内的数据采集卡与

专用的软件相结合，完成测试任务。它充分利用计算机的总线、机箱、电源及系

统软件的便利，其关键在于A/D转换技术。

插卡类型有ISA卡、PCMCIA卡和PCI卡等多种类型。随着计算机的发展，

ISA型插卡已经逐渐退出舞台。PCMCIA卡由于受到结构连接强度太弱的限制影

响了它的工程应用。而PCI总线正在广泛使用，已经成为PC的事实标准。它是

一种同步的独立于CPU的32位或64位局部总线，时钟频率为33MHz，数据传

输率高达132～264MBps，PCI总线技术的无限读写突发方式，可在一瞬间发送

大量数据。PCI总线上的外围设备可与CPU并发工作，从而提高了整体性能。

PCI总线还有自动配置功能，从而使所有与PCI兼容的设备实现真正的“即插即

用”(plug&play)。

由于插卡型仪器多数没有抗混滤波器且分时采样，特别要注意混叠现象和通

道间相位差。因个人计算机数量非常庞大，插卡式仪器价格最便宜，因此其用途

广泛，特别适合于教学部门和各种实验室使用。目前仍有强大的生命力。

外挂型虚拟仪器：RS232串口总线、USB通用串口总线、IEEE1394总线

由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等，操作不便。

而且主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测

信号对计算机的安全造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信

号也会造成很大的影响，故以串口接口总线方式的外挂式虚拟仪器系统成为廉价

型虚拟仪器测试系统的主流。

虚拟仪器系统采用的总线包括传统的RS232串行总线、USB通用串行总线

和IEEE1394总线（即Firewire，也叫做火线）。RS232总线是PC机早期采用的

串行总线，技术成熟，应用广泛，至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系

统。近年来，USB总线得到广泛的支持，微软的全系列操作系统均支持USB。

但是，USB总线也只限于用在较简单的测试系统中。用虚拟仪器组建自动测试

系统，更有前途的是采用IEEE1394串行总线，这是因为这一种高速串行总线，

能够以100、200或400Mb／s的速率传送数据，显然会成为虚拟仪器发展最有

前途的总线。目前国际上虚拟仪器所用IEEE1394总线的传站速度已经达到

100Mb／s。

利用PC机的各种串口通讯，可把硬件集成在一个采集盒里或一个探头上，

软件装在PC机上，通常可以完成各种虚拟仪器的功能。它们的最大好处是可以

与笔记本计算机相连，方便野外作业。又可与台式PC机或工控机相连，实现台

式和便携式两用，非常方便。特别是USB口和1394口具由于传输速度快、可以

热插拔、联机使用方便的特点，很有发展前途，将成为未来虚拟仪器有巨大发展

前景和广泛市场的主流平台。通过各种不同的接口总线，可以组建不同规模的自

动测试系统。它可以借助不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各

种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。

世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总

线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活地组建不

同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。

高精度集成系统：GPIB→VXI→PXI仪器总线

除了利用通用计算机或工控机开发虚拟仪器外，专用的仪器总线系统也在不

断发展，成为构建高精度、集成化仪器系统的专用平台。

GPIB总线(即IEEE488总线)是一种数字式并行总线，主要用于连接测试

仪器和计算机。该总线最多可以连接15个设备(包括作为主控器的主机)。如果

采用高速HS488交互握手协议，传输速率可高到8MBps。作为早期虚拟仪器发

展的产物，目前已经逐步退出市场。

VXI总线(即IEEE1155总线)是一种高速计算机总线—VME总线在仪器领

域的扩展。VXI总线具有标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强，最高可达

40MBps，定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的特点，因此

得到了广泛的应用。经过10多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，

尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合。然而，组

建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高，其推广应

用受到一定限制，主要应用集中在航空、航天等国防军工领域。目前这种类型也

有逐渐退出市场的趋势。

PXI总线是以CompactPCI为基础的，由具有开放性的PCI总线扩展而来(NI

公司于1997年提出)。PXI总线符合工业标准，在机械、电气和软件特性方面充

分发挥了PCI总线的全部优点。PXI构造类似于VXI结构，但它的设备成本更

低、运行速度更快，体积更紧凑。目前基于PCI总线的软硬件均可应用于PXI

系统中，从而使PXI系统具有良好的兼容性。PXI还有高度的可扩展性，它有8

个扩展槽，而台式PCI系统只有3～4个扩展槽。PXI系统通过使用PCI-PCI桥

接器，可扩展到256个扩展槽。PXI总线的传输速率已经达到132Mbps(最高为

500Mbps)，是目前已经发布的最高传输速率。

因此，基于PXI总线的仪器硬件将会得到越来越广泛的应用。把台式PC的

性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来主流的虚

拟仪器平台之一。

网络化虚拟仪器：现场总线、工业以太网、Internet

为了共享测试系统资源，越来越多的用户正在转向网络。工业现场总线是一

个网络通讯标准，它使得不同厂家的产品通过通讯总线使用共同的协议进行通

讯。现在，各种现场总线在不同行业均有一定应用；工业以太网也有望进入工业

现场，应用前景广阔；Internet已经深入各行各业乃至千家万户。嵌入式智能仪

器设备联网的需求将越来越广泛。

为此，NI等公司已开发了通过Web浏览器观测嵌入式仪器设备的产品，使

人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，人们能够方便地将

虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试

设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复

投资。现在，有关MCN(MeasurementandControlNetworks)方面的标准已经取得

了一定进展。由此可见，MCN网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。

基于不同的通讯总线和联网总线，虚拟仪器可面向高中低端的不同应用。目

前，全球有成千上万台测控设备中正在使用虚拟仪器，虚拟仪器正在深入各行各

业，影响着人类的生产、教学、科学实验、国防等，甚至进入家庭自动化管理。

由于可充分利用PC、网络和通讯的相关技术，虚拟仪器有望取代测量技术传统

领域的各类仪器。

虚拟仪器技术在电液控制系统测试中已得到应用。大型装备往往是机电液一

体化、集多种功能于一体的综合设备，以电液控制系统为其控制核心，它们的性

能正常与否直接关系到装备的效能。对电液系统实现快速测试，以保证系统状态

的良好已成为大型装备使用中的重要环节。传统的检测方法是利用常用仪器仪

表，检查控制系统在人为设置状态下的输出是否正常，这种方法费时、费力，

难于对系统的功能进行全面和快速检查，也不适应目前装备更新快的特点。因此，

有必要通过引入虚拟仪器技术的思想和设计方法，在相对简单和通用化的硬件配

置下，建立一个主要由软件完成各项测试功能、具有良好可视化人机界面的多功

能测试系统。

测试系统的硬件以微机为核心，配备数字量和模拟量信号采集板和信号输出

板；根据被测试对象的不同，通过信号转接电路与测试对象相联系。系统的主要

功能由软件实现，其结构图如图1所示。

图1测试系统软件结构图

软件除完成一般测试仪器的信号采集和输出功能外，增加了如下几个部分：

①对被检测控制系统进行功能模拟的虚拟控制器；

②对被检测控制器控制面板进行模拟的虚拟控制面板；

③对系统中各传感器进行功能模拟的虚拟信号发生器；

④显示各类控制器输出信号状态的虚拟信号显示仪；

⑤对装备外界环境和相关设备进行功能模拟的虚拟环境产生器。

上述各虚拟单元的建立依赖于可视化图形实体库的建立。实体库为一采用面

向对象方法编制的可重用代码库，各实体是一个可视的图形界面，可与用户交互。

各虚拟单元的建立和重构通过实体选择和布置来完成定义，各图形实体对外表现

为灰箱结构，留有输入和输出接口，以实现代码的重用。

2图形实体库与虚拟单元

2.1图形实体库的建立

可视化图形实体的建立可以通过面向对象的程序编码和窗口基类的定义来

实现。窗口是用户与产生该窗口应用的程序之间的一个可视界面，通过窗口可以

接收用户的输入信息，发送或显示特定信息。将可视化图形实体看作是具有特定

功能的图形窗口，这样在窗口基类的基础上，定义和扩展窗口的功能，就可以创

建一个可视化的图形实体。

可视化图形实体的建立根据实际被测试系统的构成和测试任务的需要来不

断扩充。在大型电液控制系统虚拟测试系统中，需要创见多种实体，如以按钮类

实体来模拟控制按钮和发送脉冲信号的开关型传感器；以指示灯类实体模拟控制

面板上状态批示灯或控制输出的开关信号状态；以数值表类实体来显示模拟信号

的瞬时值；以阀类实体来模拟实现液压系统油路通断功能的换向阀的动作；设计

环境干扰源来模拟产生设备使用现场存在的各类干扰信号等。

各图形实体创建后，用户通过交互式开发环境选择和定义所需实体后，即可

构造测试仪中各虚拟功能单元。

2.2虚拟单元的构造

测试系统的主要部件是各虚拟单元，即将通常由硬件构成各主要功能部件改

由软件实现，这样构造的虚拟单元在屏幕上显示为一个窗口，在窗口内通过可视

化图形实体的设置，实现人机交互，完成相应的测试任务。

2.2.1虚拟信号产生单元

模拟产生被测系统工作过程中的各开关型传感器发出的机构动作到位信号，

及模拟量传感器发出的机构位移等连续变化信号。虚拟单元的构造可以通过选择

和定义若干个具有相应功能的图形实体来完成，如通过选择开关类实体来代表一

个到位开关。各实体通过标题来区分，各实体的信号发送可由以下两种方法来实

现：

①测试人员通过鼠标点动或键盘选择产生有效信号，用于测试控制系统在

一定输入信号作用下的功能是否正常；

②由虚拟环境产生单元控制各实体的状态，模拟各传感器在实际控制过程

中的信号产生序列及外界干扰信号的影响，用于全自动测试控制系统完成整个控

制过程的功能是否正常。

2.2.2虚拟信号显示单元

对测试系统通过数据采集板获取的信息进行直观显示，通过对具有相应功能

图形实体的选择和定义来实现。例如，对开关型信号可选择指示灯实体类对信号

的开关状态进行显示，对模拟量信号可选用示波器或数值表实体类进行图形显

示。通过虚拟信号显示单元，可以向测试人员提供实时显示测试结果的一个可视

化图形界面。

2.2.3虚拟控制器单元

用于模拟被测试系统的数据转换功能，包括两个部分：

①虚拟控制面板：具有与实际控制面板相同的外观与功能，可实现人机交互，

以模拟操作人员的实际操作情况；

②虚拟控制器：完成对控制器的功能模拟，它接受测试人员通过虚拟控制面

板传送的操作指令，确定正确的输出信号。

虚拟控制器单元的用途，一是在测试仪没有与实现被测系统相联机时，代替

控制器完成测试过程，以帮助测试人员熟悉被测对象及测试过程，同时可以实现

故障人为设置，以提高测试人员的分析判断能力；二是在联机测试过程中，它与

被测控制系统同步工作，两者具有相同的输入信号，将两者的输出信号相比较，

即可判断实际控制器的功能是否正常。

2.2.4虚拟环境产生单元

用于模拟控制系统实际工作过程中外界环境的影响及相关设备的工况，包

括：

①虚拟干扰源：模拟产生现场可能存在的干扰信号，这些信号可加入到虚拟

信号产生单元的输出信号上或控制系统的输出信号上，以测试控制系统在输入输

出信号上存在干扰情况下的功能是否正常。

②虚拟外设：用于模拟控制系统的实际控制对象的动作状况，如以图形动画

方式显示液压系统电磁换向阀在电信号作用下的通断、液压油缸的伸缩及相应机

构的运动情况等。在执行机构上可模拟安装相应的传感器件，在机构动作过程中

或到达预定位置时，控制虚拟信号产生单元相应实体的状态与信号发送，这样可

以高逼真度地仿真控制系统的实际工作过程，实现对系统功能的全自动测试。

3系统构建与信息管理

多功能测试仪的各虚拟单元是一个个独立的功能模块，系统构建与测试任务

的完成需要在总控模块的组织下，通过各单元的有机结合来完成。

3.1功能重构

基于虚拟仪器技术多功能测试仪的一个重要特征在于提供一个面向用户的

开放平台，用户可以自己定义功能和扩展系统，实现一机多功能化和系统快速重

构。系统重构可分为两个层次，一是用户通过可重用代码扩充可视化图形实体库

和实现对被测对象控制过程的功能模拟，这是较低层次上的系统功能扩展；二是

在较高层次上，利用交互式开发环境，通过对图形实体的选择与定义快速构造各

虚拟功能单元，以构成一个完整的测试系统。

3.2任务调度

根据被测试对象的不同，可以构造不同的测试系统。各测试系统功能的实现

由总控模块通过任务调度来完成。任务调度规则根据测试状态的不同而变化，包

括：

①单项测试：用于在预设状态下对系统的功能测试。控制系统处于单步工

作状态，参与测试的虚拟单元包括虚拟信号产生单元和虚拟信号显示单元，由测

试人员控制虚拟信号产生单元发送的信号为控制的输入（反馈）信号，通过虚拟

信号显示单元检查控制器的功能是否正常。

②综合测试：用于对控制系统的一个连续工作过程的功能测试。控制系统

处于步进或自动工作状态，通过控制面板进行正常操作控制，由虚拟信号产生单

元发送各到位信号，通过虚拟信号显示单元检查控制器的功能是否正常。

③全真测试：用于对控制系统整个工作过程的自动测试；控制系统处于自

动工作状态，通过控制面板进行正常操作控制，控制器的输出信号控制虚拟外设

的动作，继而控制虚拟信号产生单元发送到位信号，测试人员可通过虚拟环境干

扰源施放的干扰信号、测试系统将虚拟控制器单元的输出结果与测试结果进行比

较、分析和判断后，确定被测对象的功能是否正常。

在测试仪与被测试对象非联机状态，亦可启动测试软件以培训测试人员，此

时由各虚拟单元协同完成对实际测试过程的模拟。

3.3信息管理

通过黑板结构的建立来实现各功能单元间的信息交换，如图2所示。它实际

上是一个动态的全局信息存储区。黑板上记录有各种信息，包括测试指令与状态

设置、虚拟单元的输入或输出结果、通过数据采集板所获得的测试结果等内容，

各功能单元可以到黑板上读取各类信息或修改它有权更改的信息。在系统重构中

同时对黑板结构定义表进行定义，以保证各单元信息交换的有效进行。

图2黑板结构示意图

4结束

虚拟仪器技术的测试系统适应了大型机电液设备电液控制系统测试任务的

需要，充分发挥了现代计算机的技术优势和软硬件资源，实现了测试系统的多功

能化和高度灵活性。采用面向对象编程技术实现可视化图形实体库，成为一个可

重用代码库；基于图形实体库建立的各虚拟单元既具有特定的功能，又具有很强

的重构性；各虚拟单元的设计和协同工作，特别是虚拟环境生成单元的实现可以

极大地增强测试手段和测试过程的可视化，实现对被测对象工作过程的全自动和

高逼真度测试与模拟，其灵活性和经济性是传统测试仪器难以达到的。