基于虚拟仪器的集成控制系统设计

孙滢

（南京国睿安泰信科技股份有限公司，南京210013）



基于虚拟仪器的集成控制系统设计

孙滢

（南京国睿安泰信科技股份有限公司，南京210013）

摘要：

关键词：

0　引言

电子测量技术在现代科技的诸多领域中都应用十分广泛。随着生产的发展和科技的进步，新的测试理论、方法、领域，以及新的仪器结构不断出现，在很多方面已经突破了传统仪器的概念。计算机技术与智能仪器相结合的自动测试技术逐渐取代了传统的人工观察记录测试，大大地提高了测试的速度和精度，实现了大数据量的实时采集，为进一步的研究提供更准确的数据支持。自动测试系统在计算机的控制下，执行预先编制好的测试程序，让若干可程控的通用设备共同完成测试任务。

由于自动测试系统预先编制好的程序无法预计测试过程中会出现的每一种情况，在需要人工判断测试的情况下，若使用传统的手动测试方式往往会耗时耗力。且在实际应用中，有些测试环境对外封闭，造成人工手动测试困难。最好的解决方法是将人工思维判断与仪器程控测试结合进行测试对象的参数调试和数据记录。

虚拟仪器是电子仪器与计算机技术相结合而产生的一种新的仪器模式，它是计算机、功能仪器卡及相应软件的有机结合，是具有虚拟仪器面板的个人计算机仪器。它把计算机资源、模块化功能硬件与用于数据分析、过程通信及图形用户界面的应用软件有机结合在一起，形成测试的特定需求。

基于虚拟仪器的集成控制测试系统是人工判断干预与虚拟仪器程控软面板相结合进行数据采集处理和分析，解决部分自动测试系统测试限制的问题。它在设计上与自动测试系统的部分架构相同，因此具有自动测试系统的一些优点。同时，作为一种特殊的辅助测试方式，它具有小巧、简洁灵活等自身独特的优点。

1　软件功能和特点

集成控制测试系统的硬件部分不限于传统的自动测试系统硬件，也可用于开放式硬件体系结构。为适应系统硬件特性，软件具备下述功能：

（1）虚拟高级仪器

可在模块化功能硬件或简单仪器功能的基础上，使用集成控制测试系统软件进行曲线拟合、卷积、分解等数值计算来实现高级仪器功能，并将处理结果以列表或图形的形式呈现。由于通用计算机进行数据处理的能力比传统仪器中的微处理器强得多，可大大减少硬件成本，提高测试效率。

（2）远程控制

集成控制测试系统软件通过通用总线协议实现对智能测试仪器的远程控制。此功能实现了实际测试环境现场与主控计算机的分离，可用于封闭的测试环境或多仪器分散的测试情况。

（3）集成控制

集成控制测试系统软件可对仪器型号、程控接口、地址和驱动等信息进行统一配置管理。在软件用户界面中，主面板只有一个，它在执行过程中始终打开，处于激活状态。子面板包括一个或多个可被主面板调用的虚拟仪器面板［2］。每个子面板都具有个体独立性，可单独进行仪器数据交互。

（4）功能定制

对于功能复杂的智能仪器，可通过插件加载/卸载的方式在界面上选择配置需要的仪器功能。仪器功能插件的编写遵循一定的接口，便于整体管理，实现仪器功能定制。

集成控制测试系统软件在实现以上功能的同时，为适应用户操作需求，具有以下特点：界面简单、易操作；系统实时响应仪器状态；具有很强的容错能力，在用户操作失误时进行仪器安全保护，并给出明显提示信息；在实际应用过程中通过重新配置仪器相关信息，可实现对不同厂家、不同型号的同类型仪器的兼容复用。

2　软件逻辑设计

集成控制测试系统软件的逻辑结构划分为若干层次，层次之间的接口和调用关系遵循一定调用规范，采用面向对象技术的组件化设计，建立良好的扩充、裁减性，利用数据配置文件，建立软件系统驱动引擎，支撑整个软件环境。每一层为上层提供服务，并作为下一层的客户，内部的层只对相邻的层可见。在最外层，构建完成界面层的操作；在最内层，构建完成与操作系统的连接；中间层提供各种实用程序和应用软件功能［3］。系统软件逻辑结构图如图1所示。

物理层包括仪器驱动程序、VISA库及其他底层驱动程序，提供硬件、仪器的直接驱动。物理层是测试软件的硬件基础，本层具有很高的稳定性，以保证测试软件顺利进行硬件测试。

抽象层通过软件完成系统功能的抽象，抽象层包括软件系统的主控核心程序（接口管理程序）模块，由它来解释、分析用户的操作，确定软件界面功能应调用的函数。所有功能的实现依赖对数据层（包括数据库、配置文件等）的调用，以实现通用性。

图1　系统软件逻辑结构图

应用层包括用户界面、用户事件等。应用层通过抽象层的接口来调用数据层和物理层的资源完成系统各项功能。

应用层、抽象层等构成系统软件的通用公共部分。软件接口管理程序根据外配置文件信息、数据库数据调用指定功能模块来完成用户通过应用层发送的包括被测件测试、数据输出等任务。

系统数据层由配置文件和接口的具体实现方法构成。配置文件包括仪器设置信息、界面定制功能信息等，数据库数据作为功能函数的参数被系统调用。

3　软件功能设计

软件具体功能结构如图2所示。

图2　软件功能结构图

测试设备资源是测试系统的基础。测试设备资源整体管理、分开使用。集成控制测试系统的用户界面显示为多个虚拟仪器软面板，各面板程控一台仪器，即从已录入的仪器信息库中选择的一台逻辑仪器。测试设备资源管理利用软件平台提供的“仪器信息配置”管理测试系统中的仪器设备资源，其目的是将仪器设备硬件资源与包括前期开发的仪器设备驱动库等软件资源进行映射关联，完成系统硬件资源与软件资源的结合。计算机软件通过GPIB、LAN总线一类接口控制通用测试仪器，发送相关仪器参数设置指令，读取测试数据。仪器信息包括仪器基本信息和仪器测试信息。仪器基本信息是指仪器厂家、型号等。仪器测试信息是指程控协议接口、仪器地址和驱动文件路径等信息。其中，程控协议接口是指GPIB、TCP/IP、串口等协议，由用户根据实际测试总线控制接口选择。仪器驱动按自定义接口对底层IVI驱动或程控指令封装编写。

仪器配置信息可以存储为文本文件、XML文件或数据库文件等形式。其中XML（即可扩展标记语言）文件提供了一种描述结构数据的格式，能够更精确地声明内容，可读性强、扩展方便、跨平台移植性好，适合数据量不大的集成控制测试系统。

随着电子测量技术不断发展，测试仪器的功能不断组合附加，许多仪器厂商都会提供一些可供选择的功能选件。为了适应各种测试需求，也为了方便在仪器升级后进行相应功能升级，仪器软面板在具有基础功能的同时增加功能插件接口。可将软面板上缺少的功能按一定的标准编写封装为插件后，保存相关信息至配置文件，在界面加载时调用。插件接口的定义方式可有多种，但一定要包含方便调用的基本信息，例如以下的定义：

指定了插件类型、文件路径、程序调用入口函数等信息。

集成控制测试系统的人工干预多于自动测试系统，所以界面要更加简洁易操作，人机交互界面要友好。除了基本的测试功能，需实时判断仪器的在线状态，实时将仪器直接返回或经过后期计算处理的测试数据以列表、图形迹线等明显形式的形式呈现给用户。在显示多仪器面板时可自动排列。为方便用户使用，还可附加配置信息存取、界面截图和制定格式数据报表导出等功能。

4　程序运行界面效果

以一个简单的矢量网络分析仪集成控制测试系统为例。此系统的硬件部分是一个分布式矢量网络自动测试系统，每台测试仪器设置在不同地方，共同执行自动测试任务和数据上传。在使用集成控制测试系统时，可以在服务器端单独控制其中一台仪表（如图3所示），也可根据需要选择多仪表测试（如图4所示）。

图3　远程控制单台仪表

图4　远程控制多台仪表

参考文献：

［1］陈尚松，郭庆，雷加．电子测量与仪器．北京：电子工业出版社，2009，7.

［2］刘传清，胡荣玉．虚拟仪器软面板设计技术［J］.襄樊学院学报，2002（9）:14-17.

［3］Roger S. Pressman.软件工程．梅宏译．北京：机械工业出版社，2005，12.

［4］刘思久，张礼勇.自动测试系统与虚拟仪器原理·开发·应用．北京：电子工业出版社，2009，8.

［5］梅劲松.军用电子测量仪器应用指南．北京：电子工业出版社，2001，8.

Design of Integrated Control System Based on Virtual Instrument

SUN Ying
（Nanjing Glarun-Atten Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210013）

Abstract：

Keywords：

虚拟仪器实现的集成控制测试系统分层设计，具有良好的可重复性、可扩展性，比大型的自动测试系统操作简单，更加灵活。可程控单台仪器，也可在完整的自动测试系统机柜上进行测试对象的参数调试，作为自动测试系统的辅助测试。

虚拟仪器；组合；集成控制测试系统

文章编号：1007-1423（2016）13-0072-04

DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.13.019

作者简介：

孙滢（1987-），女，江苏南京人，本科，助理工程师，从事领域为自动测试

收稿日期：2016-03-08修稿日期：2016-04-18

Integrated control system design of virtual instrument has good repeatability，scalability，compared with large automatic test system，it's simple operation，more flexible，can be used to control a single instrument，can also be conducted on a complete automatic test system parameter debugging，as the auxiliary test automatic test system.

Virtual Instrument；Compose；Integrated Control System