淺析虛擬儀器在汽車檢測中的應用及問題
2021-01-28
從1986年NI公司提出VI概念到現(xiàn)在，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，不僅VI技術本身的內(nèi)涵不斷豐富，外延不斷擴展，在軍事和民用領域均得到了廣泛的應用，而且對現(xiàn)代測控技術產(chǎn)生了深遠的影響。例如，VI原來最核心的思想是利用計算機的強大資源使本來需要硬件實現(xiàn)的技術軟件化，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)功能與靈活性。由IT產(chǎn)業(yè)特征決定了VI技術也必須走標準化、開放性這條技術路線，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放技術。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基金會已于1998年8月在美國正式成立，并發(fā)布了相應的IVI技術規(guī)范?；贗VI技術開發(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(tǒng)的維護費用，必將成為測控技術的主要基礎技術之一。
就VI的外延而言，由于VI技術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)總線標準，并有大量適于工業(yè)現(xiàn)場應用的分布式I/O(Distributed I/O)產(chǎn)品面市。盡管Internet技術最初并沒有考慮如何將嵌入式智能設備連接在一起，不過NI等公司已開發(fā)了通過Web瀏覽器觀測這些嵌入式設備的產(chǎn)品，使人們可以通過Internet操作儀器設備，進而形成遍布家庭、辦公室和工業(yè)現(xiàn)場的分布式測控網(wǎng)絡。而且有關MCN(Measurement and Control Networks)方面的標準正在積極進行，并取得了一定進展。隨著測量、控制過程的進一步網(wǎng)絡化，一個真正虛擬化的測控時代即將到來。
2 虛擬硬件
虛擬硬件(VH)的思想源于可編程器件，使用戶通過程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數(shù)，從而依靠硬件設備的柔性(Flexibility)來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(shù)采設備，其采樣率和精度都是可變的。由于一般的ADC都是用戶可變采樣率的，下邊主要介紹NI5911/5912中采用的柔性精度技術(flexible resolution technology)。
所謂柔性精度技術由一個專門的數(shù)字濾波器、高速ADC、DAC和用于抽取與線性化的DSP 組成(如圖1所示)。對4～100MHz帶寬的信號，該系統(tǒng)可以使用常規(guī)方式按8-bit精度工作于100MS/s的實時采樣速率；當被測信號的帶寬在4MHz以下時，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(shù)據(jù)送入DSP進行線性化處理，并由DSP中的抗混疊濾波器進一步濾除高頻噪聲，最后用抽取技術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(shù)據(jù)流上實時完成的，這樣可以保證采集與處理過程中不會丟失數(shù)據(jù)。
VI系統(tǒng)的快速組建和測試流程的在線更新正在世界范圍內(nèi)形成潮流。儀器總線的標準化和系列化為快速組建ATE系統(tǒng)創(chuàng)造了良好的硬件條件，而問題的另一個方面是如何實現(xiàn)測試軟件的快速在線編程，以適應千變?nèi)f化的測試要求。圖形化與零編程開發(fā)環(huán)境正是為滿足這一需求應運而生的。
3.1 圖形化開發(fā)環(huán)境的體系結構
圖形化開發(fā)環(huán)境亦稱為G開發(fā)環(huán)境或G語言(Graphical Language)，日益為越來越多的測試工程師所熟悉并使用。下面以NI公司的LabVIEW為例，介紹圖形化開發(fā)環(huán)境的體系結構。
如圖2所示，一個完整的G開發(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。引擎部分是整個圖形化開發(fā)環(huán)境的核心，它包括編輯模塊、運行模塊和調(diào)試模塊。
LabVIEW開發(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接口(GUI)，集成了旋鈕、開關等用戶輸入(控制)對象；后者是程序的圖形化源代碼，它包括函數(shù)(functions)、結構(structures)、代表前面板上控制對象和顯示對象的端子(terminals)以及連線等。編輯模塊的功能就是用于進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(diào)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(shù)與功能模塊(如算術運算、儀器I/O、文件I/O和數(shù)據(jù)采集等操作)、運行模塊即程序的引擎。調(diào)試模塊包括"加亮執(zhí)行"、"設置斷點"、"探針"和"單步執(zhí)行"等調(diào)試工具，其中最具特色的是"加亮執(zhí)行"和"探針"。"探針"(probe)用于在程序運行過程中在線顯示變量值，而"加亮執(zhí)行"(execution hi ghlighting)用于跟蹤程序運行過程中的數(shù)據(jù)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(qū)動程序庫中的程序是NI及其系統(tǒng)聯(lián)盟成員或硬件廠商提供用于控制特定儀器的應用程序源代碼，以簡化應用工程師的程序開發(fā)過程。高級分析庫用于增加程序的數(shù)據(jù)處理能力，包括信號產(chǎn)生、DSP、測量、數(shù)字濾波、加窗、曲線擬合、概率與統(tǒng)計、線性代數(shù)、矩陣運算和各種附加的數(shù)值方法等模塊。
3.2 零編程開發(fā)環(huán)境的體系結構
G開發(fā)環(huán)境利用科學家和工程師所熟悉的術語、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描述程序的行為，因此，為人們提供了實現(xiàn)儀器編程與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。即使如此，在工業(yè)自動化領域，由于存在諸如OPC(OLR for Process Control),F oundation FieldBus等開放標準，而且應用工程師需要開發(fā)具有很多共性特征的人機接口( man-machine interface,MMI)或監(jiān)控與數(shù)采(supervisory control and data acquisition, SCADA)程序，為縮短程序開發(fā)周期，提高程序質(zhì)量，NI推出了既有G開發(fā)環(huán)境特點，又有零編程(no programming)特點的軟件開發(fā)環(huán)境--Bridge VIEW。
如圖3所示，Bridge VIEW是由MMI/SCADA、引擎(Engine)和設備服務器(Device Server) 三部分組成的客戶-服務器體系結構。MMI/SCADA是用戶開發(fā)的應用程序，包括GUI、監(jiān)控程序、數(shù)據(jù)分析與可視化以及過程實時控制等。MMI/SCADA的開發(fā)既可以用前面介紹的G語言完成，也可用所謂的Tag標記完成。通過Tag標記配置您所需接入的I/O點、參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)記錄和報警事件等Tag屬性而無需編程即可完成程序設計。應用程序通過與引擎共享實時數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)。設備服務器實時收集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，若更換操作系統(tǒng)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等跨平臺開發(fā)環(huán)境雖然保證了改變操作系統(tǒng)無需修改測試程序，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。這個問題是由于不同硬件廠商的設備驅(qū)動程序之間缺乏統(tǒng)一標準而引起的。IVI基金會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(guī)范的核心是IVI設備驅(qū)動程序庫。該程序庫將所有設備的驅(qū)動程序分成示波器、萬用表、信號源、開關和電源五大類驅(qū)動程序(five class drivers)，它規(guī)定了與每一類儀器通訊的標準編程接口。而每一類中的所有儀器不可能具有完全相同的功能或能力。因此規(guī)定一個唯一的標準接口保證所有同類中的儀器都能正常工作是不現(xiàn)實的。IVI規(guī)范將每類儀器驅(qū)動程序分為基本能力(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的許多特殊的功能與屬性。
標準的儀器類驅(qū)動程序是按"虛擬"方式工作的。例如，應用程序調(diào)用IviDmm-Configu re而不是直接調(diào)用FL 45-configure或者HP34401-Configure。這樣，當系統(tǒng)中使用的是FL 4 5DMM時，程序在運行中會動態(tài)地自動裝載到FL 45-Configure。如果以后將測試系統(tǒng)中的FL 45DMM換成了HP 34401 DMM，IviDMM驅(qū)動程序會自動定向到調(diào)用HP34401-Configure。按照這種"虛擬"方式(如圖4所示)把同一類儀器中的不同儀器的特性差異"屏蔽"起來，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)。
5 虛擬儀器對軍用測試技術的影響
在冷戰(zhàn)時期，最先進的ATE技術首先服務于軍事目的，隨后經(jīng)過商業(yè)化發(fā)展逐漸轉(zhuǎn)為民用。冷戰(zhàn)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(zhàn)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"少花錢多辦事"。例如，為了實現(xiàn)一臺(套)設備能同時完成Forward、Intermediate和Depot三級維護測試任務的目標，美國國防部要求三軍廣泛采用現(xiàn)成的商用和通用軟、硬件產(chǎn)品，以期實現(xiàn)軍用自動測試系統(tǒng)的標準化和通用化。由此可見民兩用測試技術的發(fā)展經(jīng)歷了一個完整的周期--首先應用于軍事的技術(如VXI)，經(jīng)過商業(yè)開發(fā)進一步降低成本，變成先進的民用技術，最后又賣給部隊使用。
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總線標準上的ATE將是今后發(fā)展的基本方向。同時，軍用ATE系統(tǒng)的壽命一般要求為20～30年，在很多時候，儀器硬件不是過時就是需要更新。因此，還需要一種無需改動程序代碼就可用新的儀器硬件改進系統(tǒng)的方法-IVI。軍用測試軟件工具和標準化需要巨額投資，但隨著技術的更新，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(guī)范(如ATLAS)和商用技術工具之間建立一種橋梁機制奠定了基礎。
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