張文廣， 秦 亮， 劉生華

(1. 海軍航空大學， 山東 煙臺 264001； 2. 海軍91115部隊， 浙江 定海 316000)

0 引 言

隨著計算機、信號處理和軟件技術的發(fā)展，虛擬儀器(Virtual Instrumentation, VI)已經成為測控技術的主流技術。虛擬儀器強調“軟件就是儀器，軟件就是測試”[1]。虛擬儀器充分利用計算機技術實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能，用計算機屏幕形象、方便地模擬各種儀器控制面板以及各種形式的檢測結果，計算機突破了傳統(tǒng)儀器在數據處理、表達、傳送、存儲等方面的限制，達到傳統(tǒng)儀器無可比擬的效果。目前，國內外很多高校都對虛擬儀器實驗室展開了研究[2-6]。

1997年推出的PXI面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展(PCI extensions for Instrumentation，PXI)總線技術，綜合了外設部件互連標準(Peripheral Component Interconnect，PCI)、面向儀器系統(tǒng)的VME總線擴展(VME bus extensions for instrumentation，VXI)總線和通用接口總線(General-Purpose Interface Bus，GPIB)的優(yōu)點，迅速應用于各領域的測試、診斷平臺技術[7-8]。PXI Express(簡稱PXIe)總線作為PXI總線的擴展，具有高數據吞吐量、模塊化集成等關鍵技術優(yōu)勢[9]。PXIe機箱使用PCI Express(簡稱PCIe)串行接口，連接它的系統(tǒng)槽和外圍設備。系統(tǒng)插槽與PXI不兼容，因此需要使用具有足夠數量的PCIe連接器的控制器或者PCIe接口來支持外設。串行接口的使用提升了外設的可用帶寬，因為原則上它不是共享帶寬，每個外設獲得一個或多個具有2.5 Gb/s的串行連接。

為推動測控技術實驗教學改革，并結合課程建設需要，開發(fā)了一套基于PXIe總線的網絡化測控技術實驗系統(tǒng)。通過各種實驗的設計和操作，提升學生的融會貫通和動手能力，獲得相應工程專業(yè)的設計和開發(fā)技能。多臺實驗系統(tǒng)可以通過以太網，實現(xiàn)測控技術的網絡化實驗教學。

1 系統(tǒng)設計

1.1 總體設計

系統(tǒng)總體設計思想是基于便攜式PXIe機箱、PXIe零槽控制器和典型功能模塊，配合教學實驗箱、教學應用軟件來實現(xiàn)教學實驗。系統(tǒng)在硬件結構上主要由安裝了功能模塊和適配接口的PXIe便攜式機箱、教學實驗箱以及接口電纜等組成，其外觀和連接關系如圖1所示。其中，用3根接口電纜將PXIe便攜式機箱與教學實驗箱依次連接(如圖1中①～④所示)。系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺選用了主流的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺Lab Windows/CVI 9.0。

圖1 單臺實驗系統(tǒng)外觀和連接圖

單臺實驗系統(tǒng)工作原理如圖2所示。教學實驗箱設置有自動和手動實驗模式開關，撥動該開關進行自動和手動實驗模式的切換。

圖2 單臺實驗系統(tǒng)工作原理示意圖

1.2 網絡化設計

虛擬儀器技術是測試技術和計算機技術相結合的產物，融合了測試理論、儀器原理和技術、計算機接口技術、高速總線技術以及圖形軟件編程技術于一體，而測控系統(tǒng)網絡化是當前測控技術的發(fā)展方向[10]。因此，將虛擬儀器技術和網絡技術相結合可以實現(xiàn)遠程測控功能，網絡化的測控技術實驗室，并已經得到了廣泛應用[11-14]。

目前網絡化虛擬儀器有兩種組建模式[15]：(1) 即客戶機/服務器模式(Client/Server,C/S)，適用于交互性強，實時性要求高，數據傳輸量大的程序；(2) 即瀏覽器/服務器模式(Browser/Server,B/S)，適用于模塊性、事務性強，應用邏輯復雜，交互少，數據傳輸量小的程序。

考慮到系統(tǒng)的安全、工作效率、維護的便捷以及開放性等方面的要求，該實驗系統(tǒng)選擇3層C/S模式，即客戶應用程序、服務管理程序和中間件。其中，中間件是一種介于客戶端和服務器端之間的軟件。DataSocket作為一種通信中間件，是NI公司專門針對測控領域開發(fā)的網絡遠程數據通信和控制服務器，以特定的協(xié)議進行網絡通信，將網絡通信的復雜性從客戶端和服務器端分離出來，其最大的優(yōu)點是良好的實時效果。

如圖3所示，遠程測控功能是客戶端通過網絡，遠程控制測試系統(tǒng)(服務器端)，并進行數據通信，實現(xiàn)測試測量實驗，達到遠程教學的目的。

2 硬件組成

(1) 安裝了模塊和適配接口的PXIe機箱。安裝了功能模塊和適配接口的便攜式PXIe機箱由12槽PXIe機箱、嵌入式零槽、其他功能模塊和適配接口組成。在儀器選擇方面，考慮到課程實驗需要，選用了HTPXIe1061S 12槽便攜式PXIe機箱、HTPXIe4810 嵌入式零槽控制器和其他功能模塊。

便攜式PXIe機箱有1個PXIe系統(tǒng)槽、1個定時槽和10個混合槽(可兼容3U的PXI-1、PXIe模塊)，背板上每槽高達1GB/s的專用帶寬。它基于PXIe總線架構，專為各種測量應用而設計，是一款12 槽3U PXIe/PXI 平臺。

圖3 實驗系統(tǒng)網絡化連接模式

嵌入式零槽控制器是整個實驗系統(tǒng)的控制中心，通信接口為4路PCIe×4，Gen2，且向下自動兼容Gen1；采用酷睿I5雙核處理器；具有DVI、USB、LAN等接口。它在實驗系統(tǒng)中不僅擔負著對測試數據的處理、顯示和傳輸，而且也擔負著對機箱內的各個功能模塊進行資源配置和管理。

PXIe便攜式機箱內還配置了其他功能模塊，包括HTPXI4387A多功能數據采集卡、HTPXI3710 50MSPS任意波形發(fā)生器、雙口隔離PXI-RS232轉換卡、雙口隔離PXI-RS422/RS485轉換卡、PXI-4065六位半數字萬用表和HTPXI3017多路復用/矩陣開關等，主要是實現(xiàn)信號產生、切換、采集和控制等功能。

適配接口用于PXIe機箱內模塊與實驗箱之間信號的轉換和調理。適配接口提供了1個10/100/1000Base-TX自適應網口和2個USB2.0接口，這3個接口是HTPXIe4810嵌入式零槽控制器對應接口的延伸。通過該網口可以將多臺實驗系統(tǒng)互連，實現(xiàn)網絡化。

(2) 教學實驗箱。教學實驗箱內部集成了溫度傳感器、光電傳感器、直流電動機、固定連接器、萬用表表筆插孔、各種實驗用開關等裝置，主要是為實驗系統(tǒng)提供傳感器、被測控設備，方便學生使用機箱內的功能模塊進行溫度、轉速測量以及電動機驅動和控制等各種實驗。

3 軟件設計

3.1 軟件體系架構

虛擬儀器設計及實現(xiàn)的核心是軟件的開發(fā)。為實現(xiàn)軟件的靈活性和可擴展型，該系統(tǒng)在開發(fā)系統(tǒng)軟件的過程中采用了層次化思想。該系統(tǒng)的軟件體系架構如圖4所示，共分為4層，從上至下分為為應用軟件、I/O控制服務、總線平臺和功能模塊。

圖4 軟件體系架構

(1) 應用軟件層。使用正確的軟件工具并通過設計或調用特定的程序模塊，用戶可以高效地創(chuàng)建自己的應用以及友好的人機交互界面。Lab Windows/CVI將功能強大的C語言與測控技術有機結合，是實現(xiàn)虛擬儀器及網絡化儀器的快速途徑，并已廣泛應用[16-17]。該實驗系統(tǒng)基于Window 7操作系統(tǒng)選用了主流的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺Lab Windows/CVI 9.0，且編程語言選用C語言。

(2) I/O控制服務層。I/O控制服務層提供計算機與儀器硬件連接的I/O控制軟件，該層為用戶提供豐富的二次開發(fā)接口，方便用戶按需求編寫測試軟件。該層采用模塊化、開放的分層結構形式，其中包括資源管理平臺、I/O通信接口、儀器功能接口以及基于IVI-COM的可互換虛擬儀器驅動。

資源管理平臺用于總線接口的識別與發(fā)現(xiàn)、硬件設備的識別、發(fā)現(xiàn)、配置、復位和啟動軟面板。

I/O通信接口提供標準的GPIB函數庫接口和標準的VISA函數庫接口，用戶可以使用GPIB和VISA標準庫在CVI等開發(fā)環(huán)境中編程操作儀器設備。

儀器功能接口為數據采集、信號調理、開關、信號源等類型的功能模塊提供一套通用的接口函數，并且支持多任務并行。

IVI驅動程序是IVI基金會為解決儀器互換而提出的儀器驅動規(guī)范標準，這里采用了應用更廣泛、兼容性更好、使用更方便的IVI-COM形式。

(3) 總線平臺層?？偩€平臺用于實現(xiàn)主控計算機與功能模塊的互連，它是基于PXIe的總線通信類模塊，比如PXIe機箱、PXIe零槽控制器等。

(4) 功能模塊層。功能模塊是構建測控系統(tǒng)的核心組成部分，覆蓋了基于信號源類、信號調理與數據采集類、開關類、萬用表等諸多模塊類型。

3.2 軟件功能設計

該實驗系統(tǒng)的測控實驗組成如圖5所示，主要分為基礎性實驗、工程應用類實驗以及自主開發(fā)性實驗等?；A性實驗包括典型信號頻譜分析、典型信號相關分析、典型信號的概率密度分析、數字濾波器實驗等4個實驗項目；工程應用類實驗用于完成與測控技術課程相關的專業(yè)性實驗，包括信號發(fā)生器、模擬信號的采集和輸出、數字量的輸入輸出、計數器輸入輸出和串口調試助手等的設計與開發(fā)，還有環(huán)境溫度測量、電動機轉速測量、串口控制小型步進電動機、信號復用和切換和萬用表實驗等實驗項目；自主開發(fā)性實驗是指學生自主地進行設計、開發(fā)測控技術類的實驗，比如網絡化的遠程測控、電子線路的測試與診斷實驗等。

開發(fā)的網絡化測控技術虛擬實驗系統(tǒng)的軟件主界面如圖6所示。

圖5 測控實驗項目

圖6 教學應用軟件主界面

4 實驗舉例

4.1 模擬信號采集/輸出實驗

HTPXI4387A多功能數據采集卡具有32路16位分辨率的模擬量采集通道，4路16位分辨率的模擬量輸出通道，2個32位定時器/計數器，32路靜態(tài)數字I/O和16路可編程數字I/O。

下面以模擬信號采集/輸出實驗為例，利用HTPXI4387A多功能數據采集卡的模擬輸出功能，產生正弦或三角波形，用HTPXI4387A的模擬輸入進行采集，驗證期望產生的波形正確與否。模擬信號采集/輸出實驗軟件界面如圖7所示。

圖7 模擬信號采集/輸出實驗界面

4.2 環(huán)境溫度測量實驗

熱敏電阻隨溫度上升電阻呈指數關系減小，具有負溫度系數，靈敏度高。該實驗系統(tǒng)教學實驗箱上集成了10 kΩ(在25℃時)的負溫度系數熱敏電阻。當該熱敏電阻溫度在0～80 ℃溫度范圍內變化時，其阻值就在32.94～1.24 kΩ范圍內變化，其兩端的電壓就在+8.56～+0.32 V范圍內變化(恒流源輸出0.26 mA的電流給熱敏電阻供電)。

下面使用HTPXI4387A的模擬輸入通道AI31采集熱敏電阻輸出的電壓，通過查表就可以得到對應的溫度值。環(huán)境溫度測量實驗軟件界面如圖8所示。

圖8 環(huán)境溫度測量實驗界面

5 結 語

網絡化實驗室的建立不僅使實驗室儀器資源得到了更加充分的利用，而且在提高教學水平的同時，大大節(jié)約了成本，提高了教學效率?；赑XIe總線的網絡化測控技術實驗系統(tǒng)，不僅功能強大、界面友好、成本低、擴展性好、使用維護方便，而且可以通過以太網，實現(xiàn)測控技術的網絡化實驗教學。該實驗系統(tǒng)目前已經在本校的測控技術重點實驗室中大量配備，很好地滿足了測控技術與虛擬儀器、自動測試技術等課程相關測控技術實驗需要。實踐表明，該實驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定，使用方便，易于擴展，應用前景良好。