虛擬儀器發(fā)展趨勢及其對軍用測試技術(shù)的影響

1　引言

從1986年NI公司提出VI概念到現在，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，不僅VI技術(shù)本身的內涵不斷豐富，外延不斷擴展，在軍事和民用領(lǐng)域均得到了廣泛的應用，而且對現代測控技術(shù)產(chǎn)生了深遠的影響。例如，VI原來(lái)最核心的思想是利用計算機的強大資源使本來(lái)需要硬件實(shí)現的技術(shù)軟件化，以便最大限度地降低系統成本，增強系統功能與靈活性。由IT產(chǎn)業(yè)特征決定了VI技術(shù)也必須走標準化、開(kāi)放性這條技術(shù)路線(xiàn)，目前VI已發(fā)展成具有GPIB、PC-DAQ、VXI和PXI四種標準體系結構的開(kāi)放技術(shù)。1998年NI又發(fā)布了虛擬硬件(Virtual Hardware)和可互換虛擬儀器(Interchangeable Virtual Instruments)的概念，按照VH概念設計的產(chǎn)品已經(jīng)面市，如(NI5911、NI5912)，而IVI基金會(huì )已于1998年8月在美國正式成立，并發(fā)布了相應的IVI技術(shù)規范?；贗VI技術(shù)開(kāi)發(fā)的應用程序完全獨立于硬件，提高了程序代碼的復用性，大大降低了應用系統的維護費用，必將成為測控技術(shù)的主要基礎技術(shù)之一。

就VI的外延而言，由于VI技術(shù)本身以計算機為平臺，具有方便、靈活的互聯(lián)能

力(conne ctivity)，因而廣泛支持諸如CAN、DeviceNet、FieldBus、PROFIBUS等各種工業(yè)總線(xiàn)標準，并有大量適于工業(yè)現場(chǎng)應用的分布式I/O(Distributed I/O)產(chǎn)品面市。盡管Internet技術(shù)最初并沒(méi)有考慮如何將嵌入式智能設備連接在一起，不過(guò)NI等公司已開(kāi)發(fā)了通過(guò)Web瀏覽器觀(guān)測這些嵌入式設備的產(chǎn)品，使人們可以通過(guò)Internet操作儀器設備，進(jìn)而形成遍布家庭、辦公室和工業(yè)現場(chǎng)的分布式測控網(wǎng)絡(luò )。而且有關(guān)MCN(Measurement and Control Networks)方面的標準正在積極進(jìn)行，并取得了一定進(jìn)展。隨著(zhù)測量、控制過(guò)程的進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò )化，一個(gè)真正虛擬化的測控時(shí)代即將到來(lái)。

2　虛擬硬件

虛擬硬件(VH)的思想源于可編程器件，使用戶(hù)通過(guò)程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數，從而依靠硬件設備的柔性(Flexibility)來(lái)增強其適用性和靈活性。例如，NI5911/ 5912就是按這種思想設計的高速(100MS/s)、高精度(8～21-bit)、柔性數采設備，其采樣率和精度都是可變的。由于一般的ADC都是用戶(hù)可變采樣率的，下邊主要介紹NI5911/5912中采用的柔性精度技術(shù)(flexible resolution technology)。

所謂柔性精度技術(shù)由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的數字濾波器、高速ADC、DAC和用于抽取與線(xiàn)性化的DSP 組成(如圖1所示)。對4～100MHz帶寬的信號，該系統可以使用常規方式按8-bit精度工作于100MS/s的實(shí)時(shí)采樣速率;當被測信號的帶寬在4MHz以下時(shí)，使用柔性精度方式，可以使有效垂直精度達到21-bit。在柔性精度模式下，采樣信號中的寬帶量化噪聲由噪聲形成電路濾除，然后數據送入DSP進(jìn)行線(xiàn)性化處理，并由DSP中的抗混疊濾波器進(jìn)一步濾除高頻噪聲，最后用抽取技術(shù)按較低速率重構波形，使有效垂直精度達到8～21bit。需要指出的是，所有信號處理是在100MHz的數據流上實(shí)時(shí)完成的，這樣可以保證采集與處理過(guò)程中不會(huì )丟失數據。

圖1　NI 5911/5912方框圖

3　圖形化與零編程開(kāi)發(fā)環(huán)境

VI系統的快速組建和測試流程的在線(xiàn)更新正在世界范圍內形成潮流。儀器總線(xiàn)的標準化和系列化為快速組建ATE系統創(chuàng )造了良好的硬件條件，而問(wèn)題的另一個(gè)方面是如何實(shí)現測試軟件的快速在線(xiàn)編程，以適應千變萬(wàn)化的測試要求。圖形化與零編程開(kāi)發(fā)環(huán)境正是為滿(mǎn)足這一需求應運而生的。

3.1　圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境的體系結構

圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境亦稱(chēng)為G開(kāi)發(fā)環(huán)境或G語(yǔ)言(Graphical Language)，日益為越來(lái)越多的測試工程師所熟悉并使用。下面以NI公司的LabVIEW為例，介紹圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境的體系結構。

如圖2所示，一個(gè)完整的G開(kāi)發(fā)環(huán)境(Full Development System)包括基本模塊(BasePack age)和擴展模塊(Extention Package)兩部分。引擎部分是整個(gè)圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境的核心，它包括編輯模塊、運行模塊和調試模塊。

圖2　圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境的體系結構

LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境分為前面板(front panel)和流程圖(block diagram)兩部分，前者是用于人機交互的程序圖形用戶(hù)接口(GUI)，集成了旋鈕、開(kāi)關(guān)等用戶(hù)輸入(控制)對象;后者是程序的圖形化源代碼，它包括函數(functions)、結構(structures)、代表前面板上控制對象和顯示對象的端子(terminals)以及連線(xiàn)等。編輯模塊的功能就是用于進(jìn)行前面板和流程圖的編程工作，而圖形化元素庫則用于編輯、調試前面板和流程圖上對象的工具(tools) 。前面板中使用的控制與顯示對象和流程圖使用的函數與功能模塊(如算術(shù)運算、儀器I/O、文件I/O和數據采集等操作)、運行模塊即程序的引擎。調試模塊包括加亮執行、設置斷點(diǎn)、探針和單步執行等調試工具，其中最具特色的是加亮執行和探針。探針(probe)用于在程序運行過(guò)程中在線(xiàn)顯示變量值，而加亮執行(execution hi ghlighting)用于跟蹤程序運行過(guò)程中的數據流。儀器接口模塊包括VISA庫、GPIB庫、串口庫、DAQ庫和VXI庫等。儀器驅動(dòng)程序庫中的程序是NI及其系統聯(lián)盟成員或硬件廠(chǎng)商提供用于控制特定儀器的應用程序源代碼，以簡(jiǎn)化應用工程師的程序開(kāi)發(fā)過(guò)程。高級分析庫用于增加程序的數據處理能力，包括信號產(chǎn)生、DSP、測量、數字濾波、加窗、曲線(xiàn)擬合、概率與統

計、線(xiàn)性代數、矩陣運算和各種附加的數值方法等模塊。

3.2　零編程開(kāi)發(fā)環(huán)境的體系結構

G開(kāi)發(fā)環(huán)境利用科學(xué)家和工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標和概念，使用圖形化的符號而不是文本式的指令代碼來(lái)描述程序的行為，因此，為人們提供了實(shí)現儀器編程與數據采集系統的便捷途徑。即使如此，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，由于存在諸如OPC(OLR for Process Control),F oundation FieldBus等開(kāi)放標準，而且應用工程師需要開(kāi)發(fā)具有很多共性特征的人機接口( man-machine interface,MMI)或監控與數采(supervisory control and data acquisition, SCADA)程序，為縮短程序開(kāi)發(fā)周期，提高程序質(zhì)量，NI推出了既有G開(kāi)發(fā)環(huán)境特點(diǎn)，又有零編程(no programming)特點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境--Bridge VIEW。

圖3　Bridge VIEW 的體系結構

如圖3所示，Bridge VIEW是由MMI/SCADA、引擎(Engine)和設備服務(wù)器(Device Server) 三部分組成的客戶(hù)-服務(wù)器體系結構。MMI/SCADA是用戶(hù)開(kāi)發(fā)的應用程序，包括GUI、監控程序、數據分析與可視化以及過(guò)程實(shí)時(shí)控制等。MMI/SCADA的開(kāi)發(fā)既可以用前面介紹的G語(yǔ)言完成，也可用所謂的Tag標記完成。通過(guò)Tag標記配置您所需接入的I/O點(diǎn)、參數、歷史數據記錄和報警事件等Tag屬性而無(wú)需編程即可完成程序設計。應用程序通過(guò)與引擎共享實(shí)時(shí)數據庫交換數據。設備服務(wù)器實(shí)時(shí)收集Tag值和狀態(tài)信息并將其傳入引擎。需要指出的是，應用程序、引擎和設備服務(wù)器三者在BridgeVIEW中是分別運行的，因此可獲得很高的運行速度。

4　可互換虛擬儀器

多少年來(lái)，若更換操作系統或儀器硬件就得重新修改測試程序。象前文所述的LabVIEW 和Lab Windows/CVI等跨平臺開(kāi)發(fā)環(huán)境雖然保證了改變操作系統無(wú)需修改測試程序，但如果更換硬件設備(如將HP的DMM換成Fluke 的DMM)則需要修改測試程序。這個(gè)問(wèn)題是由于不同硬件廠(chǎng)商的設備驅動(dòng)程序之間缺乏統一標準而引起的。IVI基金會(huì )的宗旨就是致力于制訂新的儀器編程標準，使應用程序完全獨立于硬件設備。

IVI規范的核心是IVI設備驅動(dòng)程序庫。該程序庫將所有設備的驅動(dòng)程序分成示波器、萬(wàn)用表、信號源、開(kāi)關(guān)和電源五大類(lèi)驅動(dòng)程序(five class drivers)，它規定了與每一類(lèi)儀器通訊的標準編程接口。而每一類(lèi)中的所有儀器不可能具有完全相同的功能或能力。因此規定一個(gè)唯一的標準接口保證所有同類(lèi)中的儀器都能正常工作是不現實(shí)的。IVI規范將每類(lèi)儀器驅動(dòng)程序分為基本能力(fundamental capabilitices)和擴能屬性(extensions)兩部分。前者定義了同類(lèi)儀器中95%以上的儀器設備所共有的能力與屬性;后者則定義了每種儀器類(lèi)的許多特殊的功能與屬性。

標準的儀器類(lèi)驅動(dòng)程序是按虛擬方式工作的。例如，應用程序調用IviDmm-Configu re而不是直接調用FL 45-configure或者HP34401-Configure。這樣，當系統中使用的是FL 4 5DMM時(shí)，程序在運行中會(huì )動(dòng)態(tài)地自動(dòng)裝載到FL 45-Configure。如果以后將測試系統中的FL 45DMM換成了HP 34401 DMM，IviDMM驅動(dòng)程序會(huì )自動(dòng)定向到調用HP34401-Configure。按照這種虛擬方式(如圖4所示)把同一類(lèi)儀器中的不同儀器的特性差異屏蔽起來(lái)，保證應用程序完全獨立于硬件設備，也就是保證了儀器設備的可互換性(interchangeab ility)。

圖4　IVI類(lèi)驅動(dòng)程序保證在不修改程序的條件下更換系統中的儀器設備

IVI標準給用戶(hù)帶來(lái)的好處主要體現在以下四個(gè)方面：

1)降低應用程序的長(cháng)期維護費用;

2)減少系統停機時(shí)間，保證生產(chǎn)不受影響;

3)提高應用程序的復用性(reusability);

4)提高編程效率和程序運行速度。

5　虛擬儀器對軍用測試技術(shù)的影響

在冷戰時(shí)期，最先進(jìn)的ATE技術(shù)首先服務(wù)于軍事目的，隨后經(jīng)過(guò)商業(yè)化發(fā)展逐漸轉為民用。冷戰結束后，經(jīng)濟和科技都發(fā)生了重大變革，美國國防部的戰略也隨之發(fā)生了變化-- 既要確保武器裝備的卓越性能，又要考慮經(jīng)濟承受能力，即少花錢(qián)多辦事。例如，為了

實(shí)現一臺(套)設備能同時(shí)完成Forward、Intermediate和Depot三級維護測試任務(wù)的目標，美國國防部要求三軍廣泛采用現成的商用和通用軟、硬件產(chǎn)品，以期實(shí)現軍用自動(dòng)測試系統的標準化和通用化。由此可見(jiàn)軍民兩用測試技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)完整的周期--首先應用于軍事的技術(shù)(如VXI)，經(jīng)過(guò)商業(yè)開(kāi)發(fā)進(jìn)一步降低成本，變成先進(jìn)的民用技術(shù)，最后又賣(mài)給部隊使用。

世界軍用ATE的發(fā)展趨勢研究表明，設計驗證，生產(chǎn)檢測和診斷維修一體化、標準化將成為軍用ATE的基本要求，而建立在VXI、PXI總線(xiàn)標準上的ATE將是今后發(fā)展的基本方向。同時(shí)，軍用ATE系統的壽命一般要求為20～30年，在很多時(shí)候，儀器硬件不是過(guò)時(shí)就是需要更新。因此，還需要一種無(wú)需改動(dòng)程序代碼就可用新的儀器硬件改進(jìn)系統的方法-IVI。軍用測試軟件工具和標準化需要巨額投資，但隨著(zhù)技術(shù)的更新，這些軟件和標準的維護費用昂貴且非常難以升級。IVI為軍用軟件測試規范(如ATLAS)和商用技術(shù)工具之間建立一種橋梁機制奠定了基礎。