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概念到現在，經過十幾年的發展，不僅VI技術本身的內涵不斷豐富，外延不斷擴展，在軍事和民用領域均得到了廣泛的應用，而且對現代測控技術產生了深遠的影響。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的技術軟件化，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產業特征決定了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概念設計的產品已經面市，如(NI5911、NI5912)，而IVI基金會已于1998年8月在美國正式成立，并發布了相應的IVI技術規范。基于IVI技術開發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、靈活的互聯能力(conne ctivity)，因而廣泛支持諸如CAN、DeviceNet、FieldBus、PROFIBUS等各種工業總線標準，并有大量適于工業現場應用的分布式I/O(Distributed I/O)產品面市。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等公司已開發了通過Web瀏覽器觀測這些嵌入式設備的產品，使人們可以通過Internet操作儀器設備，進而形成遍布家庭、辦公室和工業現場的分布式測控網絡。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，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，該系統可以使用常規方式按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，然后數據送入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的數據流上實時完成的，這樣可以保證采集與處理過程中不會丟失數據。
VI系統的快速組建和測試流程的在線更新正在世界范圍內形成潮流。儀器總線的標準化和系列化為快速組建ATE系統創造了良好的硬件條件，而問題的另一個方面是如何實現測試軟件的快速在線編程，以適應千變萬化的測試要求。圖形化與零編程開發環境正是為滿足這一需求應運而生的。
3.1 圖形化開發環境的體系結構
圖形化開發環境亦稱為G開發環境或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，介紹圖形化開發環境的體系結構。
如圖2所示，一個完整的G開發環境(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環境的核心，它包括編輯模塊、運行模塊和調試模塊。
LabVIEW開發環境分為前面板(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(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"、"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)用于在程序運行過程中在線顯示變量值，而"加亮執行"(execution hi ghlighting)用于跟蹤程序運行過程中的數據流。儀器接口模塊包括VISA庫、GPIB庫、串口庫、DAQ庫和VXI庫等。儀器驅動程序庫中的程序是NI及其系統聯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過程。高級分析庫用于增加程序的數據處理能力，包括信號產生、DSP、測量、數字濾波、加窗、曲線擬合、概率與統計、線性代數、矩陣運算和各種附加的數值方法等模塊。
3.2 零編程開發環境的體系結構
G開發環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，為人們提供了實現儀器編程與數據采集系統的便捷途徑。即使如此，在工業自動化領域，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，為縮短程序開發周期，提高程序質量，NI推出了既有G開發環境特點，又有零編程(no programming)特點的軟件開發環境--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是用戶開發的應用程序，包括GUI、監控程序、數據分析與可視化以及過程實時控制等。MMI/SCADA的開發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、歷史數據記錄和報警事件等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據庫交換數據。設備服務器實時收集Tag值和狀態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等跨平臺開發環境雖然保證了改變操作系統無需修改測試程序，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動程序之間缺乏統一標準而引起的。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規范的核心是IVI設備驅動程序庫。該程序庫將所有設備的驅動程序分成示波器、萬用表、信號源、開關和電源五大類驅動程序(five class drivers)，它規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實的。IVI規范將每類儀器驅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。
標準的儀器類驅動程序是按"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，程序在運行中會動態地自動裝載到FL 45-Configure。如果以后將測試系統中的FL 45DMM換成了HP 34401 DMM，IviDMM驅動程序會自動定向到調用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
在冷戰時期，最先進的ATE技術首先服務于軍事目的，隨后經過商業化發展逐漸轉為民用。冷戰結束后，經濟和科技都發生了重大變革，美國國防部的戰略也隨之發生了變化-- 既要確保武器裝備的卓越性能，又要考慮經濟承受能力，即"少花錢多辦事"。例如，為了實現一臺(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成的商用和通用軟、硬件產品，以期實現軍用自動測試系統的標準化和通用化。由此可見民兩用測試技術的發展經歷了一個完整的周期--首先應用于軍事的技術(如VXI)，經過商業開發進一步降低成本，變成先進的民用技術，最后又賣給部隊使用。
世界軍用ATE的發展趨勢研究表明，設計驗證，生產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將是今后發展的基本方向。同時，軍用ATE系統的壽命一般要求為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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