虚拟测量系统的结构组成及软硬件设计

仪表测量技术是测量学的一个重要分支。仪表测量技术随着科技的发展，已迈入一个全新领域，测量仪表和计算机之间的界限正逐步消失。没有测量就没有鉴别，科技就不能发展和前进。测量必须依据标准和规范按照正确测试方法进行，并以相关规定标准极限参数作为依据。

测量学与测量仪表的发展大致经历4个阶段：模拟式、数字化、智能型和虚拟型测量仪表。随着科学技术的发展，诞生了自动测试系统，它是将计算机、通信和检测技术有机地结合的新兴技术。它经历了3个时期：

(1)组合总装配化时期：把多种不同功能的程序控制器与多种不同功能的输入输出电路组合总装配成一体的测试系统。这种测试系统的开发设计制造成本较高，维护困难，测试应用有一定局限性。

(2)标准化接口测试时期：这类测试系统应用专门的接口，按需要实施测试功能的改变，它不仅组建方便，且使用灵活，性能优越，获得了广泛应用。

(3)PC微机测试时期：应用微机与通信技术组合而成的“虚拟仪器”测试技术，给测试系统的腾飞上了一个全新台阶，对测试理论、测试方法等诸多方面产生了巨大影响。虚拟仪器系统是自动测试系统发展的方向和必然趋势。

一、虚拟测量系统软硬件技术

虚拟仪器控制面板是应用PC机显示器的模拟仿真功能来显示，它使用PC机软件功能实现信号运算、分析与处理，通过I/O接口设备(卡)完成信号采集、测量和处理，使得各类测试功能得以完美实现。虚拟仪器系统由硬件和软件两部分组成。

1．通用仪器硬件平台

组成虚拟仪器硬件平台有两个部分：

(1)PC机或工作站，是硬件平台的核心；

(2)I/O接口设备；主要完成被测输入信号的采集、放大、A/D转换。按实际情况应用不同I/O接口设备(卡)、如数据采集板/卡(DAQ)、GPIB通用接口仪器总线、VXI总线仪器模块和串口模块等。

虚拟仪器面板上各类控制器件：如开关、按键、显示器等器件模拟仿真了真实仪器的通、断；测量信号的输入通道、放大倍数等参数设置；测量的波形显示、数值显示结果均在微机显示器获得显示。设计虚拟仪器面板的过程就是在前面板设计窗口中，从控制模板中选取、安排所需图形控制器件。我们可应用虚拟仪器软件的开发工具，应用图形化编程语言，轻松完成一个实用且美观的虚拟仪器前面板的设计。

2．软件结构

虚拟仪器软件由两部分组成：

(1)应用程序：包括实现虚拟仪器面板功能的前面板软件程序和定义测试功能的前面板软件程序；

(2)I/O接口仪器驱动程序：用来完成特定外部硬件设备扩展、驱动与通信。

开发虚拟仪器，必须有合适的工具软件。当前虚拟仪器的软件工具已有多种，其一是文本式的编程语言软件，如C、Visual C++、Visual Basic、LabWindows/CVI等；其二是图形化编程语言软件，如LabView、Agilent VEE等。在PC机为核心的硬件平台支持下，通过应用软件来实现测量功能，并可通过不同测试功能的软件模块来实现多种测试功能。

二、软件系统设计要求

在组建自动测试系统时，必须采用国际上通用的总线和接口，软件和硬件也必须采用开放式模块化结构，使得整个测试系统互换性和互操作性好，系统标准化程度高，以方便与市场众多的虚拟仪器兼容，且方便修改、更新和升级换代。

软件设计必须达到以下要求：较高可靠性；较高效率；尽可能保持不同平台和不同操作系统之间可移植性，不同测试接口之间最大兼容性及互换性和不同测试系统之间的通用性。在软件设计时必须应用如下关键技术：

(1)为保证不同平台和不同操作系统之间的可移植性，必须采用符合VPP(VXI Plug&Plag)规范软件的开发环境；

(2)采用虚拟仪器软件VISA软件的结构技术，保证不同测试接口间最大的兼容性及互换性；

(3)采用VPP规范软件的驱动程序结构，保证仪器驱动程序良好的兼容性及通用性；

(4)应用开放数据库ODBC互联技术及SQL数据库查询语言，保证软件通用性；

(5)应用模块化软件结构的设计方法，提高系统软件的灵活性、可移植性和可维护性，降低系统复杂性。

三、软件操作面板的设计

VPP系统软面板由主、副两种类别面板组成：

主面板为操作用户界面，在执行过程中始终处于打开状态，它可能处于非激活状态，但在操作应用过程中必须打开且是可见的；

副面板是主面板调用的面板。

虽然主、副面板应用特点和格式有所不同，但均应为操作用户提供退出或取消操作的方法和功能。

软面板设计方法如下：由于必须使用在不同的平台和计算机显示器执行完成各类操作，所以应保证软面板在不同平台和计算机显示器之间是可移植的。软面板在开发时应选择其分辨力不大于640×480个像素的标准VGA显示器，以便确保与高分辨力显示器相兼容。

中、英文字体的选择也应具备可移植性和易读性。字体应与显示器和平台无关，在不同的平台和计算机显示器上所使用的字体应显示相同大小和形状。软面板上的控制器和指示器都必须有标签，每个标签都应当恰当地表示它所代表的动作、意义明确。标签编制完后，其颜色、字体、装版与布局必须具备完美的易读性、可移植性和显示性。标签应尽可能小，选择浅淡的背景颜色与深色文本使得标签醒目；字体选择按照上述设计方法；当移植到其他窗口管理器上时，完美得体的字体装版和布局是避免控制器上的标签相互重叠的关键。

不同功能的控制器和指示器都必须是一致的、易读的，标准控制器常规应有数字、逻辑、字符串与图形等4个功能组。通过装饰物来区别控制器和指示器属于那种功能，装饰物包含Raised Box、Raised Frame、Round Box等。副面板矩形标签应配置connect、Cancel和OK等命令操作键。

软面板应支持鼠标或键盘操作，各类功能的键盘操作可通过Tab键、箭头键、空格键和Enter键组合完成。

四、自动测试网络测控系统平台

自虚拟仪器的概念提出以来，以软件代替硬件、以图形代替代码、以组态码代替编程，以虚拟仪器代替传统仪器组建自动测试系统平台得到迅速发展。当前国内在虚拟仪器测控系统研究方面，多应用GPIB总线的台式仪器，采用单台仪器设备与PC微机连接，在局域网上组建测试系统，构成专用测试系统的居多。我们采用PXI总线仪器、VXI总线模块仪器、GPIB总线台式仪器、SCXI总线调理模块、PC板卡仪器等进行多种总线仪器混合互连，构成了示波器、信号源、计数器、多用表、数据采集与图像采集等多种仪器的连接，组成了集测量、控制和现场监视为一体的自动测试系统平台，使测量技术上了全新台阶。随着微电子技术飞速发展，自动测试系统与计算机技术融为一体，使其测试内容更加丰富，目前世界多家著名公司已都致力于开发通过Internet网络进行远程测试的系统平台。

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