第八章 虚拟仪器系统集成文档格式.docx
《第八章 虚拟仪器系统集成文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第八章 虚拟仪器系统集成文档格式.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
快系统开发速度，减少系统开发复杂度，提高系统性能质量。
HP公司和NI公司分别
提出了基于VXI仪器系统的系统集成原则，然而，这些系统集成原则中强调了VXI仪
器的特性，均以硬件结构设计为重点，对于更一般的虚拟仪器系统集成的实际参考
价值受到限制，实际可操作性不强。
本文在参考这些系统集成原则的基础上，结合
计算机系统集成的一般理论，提出了虚拟仪器系统集成的一般方法：
1、虚拟仪器系统分析：
系统分析的目标是识别用户要求；
评价系统的可行性；
进
行经济分析和技术分析；
进行系统功能分解；
建立成本和进度限制；
并生成系统规
格说明，形成所有后续工程的基础。
系统分析需要硬件和软件专家共同合作来实现
以上目标。
分解系统分析工作，可分为几个方面：
l首先对问题进行识别，提出所集成的系统总的设计目标，列举出系统的功能要求
与具体技术性能指标，给出系统运行的环境限制要求，并提出系统可靠性要求、安
全性要求、用户界面需求、资源使用需求、成本消耗与开发进度需求等。
l第二步是进行问题分析与方案综合，分析员逐步细化系统的功能与性能指标，将
虚拟仪器系统分解为硬件结构与软件结构，赋予硬件结构与软件结构的各自作用范
围，提出结构之间及结构内部的接口模式，找出系统各元素之间的联系、接口特性
和设计上的限制，最终综合成系统的解决方案，给出目标系统的基本模型。
在这个
过程中，分析和综合工作反复进行，直到系统设计人员可以正确把握系统结构模型
为止。
l第三步是编制系统分析的文档，并对系统作进一步分析。
l最后一步是对系统分析进行评审，对系统的功能与性能的正确性、完整性和清晰
性等需求进行评价。
系统集成的质量很大程度上取决于系统分析的完整性和清晰性
。
在系统分析基础上，根据虚拟仪器系统的组成，将系统集成工作也先分离为硬件
结构的集成与软件结构的集成两部分。
硬件结构集成更注重于系统的性能指标的实
现，而软件结构集成更注重于系统的功能指标的实现。
2、虚拟仪器系统硬件结构的设计：
与一般的管理信息系统（MIS）为代表的计算
机系统不一样的，虚拟仪器系统必定包含着多个虚拟仪器实体，仪器数目与仪器类
型的多少，是由虚拟仪器系统所要完成的测试任务而决定的。
对于VXI仪器而言，
它比其它的虚拟仪器更具有规范性，硬件结构的组成也更具有模型性。
下面以VXI
仪器系统为主，描述虚拟仪器系统的硬件结构组成与设计步骤。
l首先是选择或设计系统控制器，VXI仪器系统对系统中各硬件模块的控制是通过
系统控制器来控制与协调的，I/O接口软件、应用程序开发环境以及应用程序均安
装在系统控制器中进行运行调用。
对于系统测试速度、运算处理能力与体系结构来
说，确定系统控制器是首要因素。
根据VXI规范及近年来的技术新发展，VXI仪器系
统控制器有几种实现方法：
第一种是将对VXI总线具有控制能力的计算机制成符合
VXI总线规范要求的组件模块，嵌入到VXI总线主机箱的零槽位，构成内嵌式计算机
模式。
这种模式的特点是数据传输率高、工作速度快、系统尺寸小，但存在着价格
高、一次性投资大的缺点，且更新速度不快。
第二种是利用GPIB控制器，通过
488-GPIB接口，控制VXI仪器系统操作，计算机系统采用外接式GPIB主控机。
这种
模式投资小，但数据传输率低，效率不高。
第三种是利用多VXI总线机箱互连链路
总线（MXI）连接外接主控计算机与VXI总线，MXI总线是一种高速、多节点的互连
总线，系统中可包含MXI-VXI总线接口器件引入系统控制器。
第四种是最新推出的
基于IEEE-1394高速数据传输接口的系统控制器模式，这种新的接口不仅能以
400Mbit/s的速率传输数据，而且价格比MXI接口模式大为便宜，实现了性能价格比
的突破。
在本课题系统研制工作中，即选用了基于IEEE-1394接口的系统控制器，
使系统的高性能、低成本得以保证。
l主机箱的选择：
VXI仪器必须包含在一个主机箱内，主机箱符合四种尺寸类别之
一：
提供J1背板，并只准插入A尺寸模块的主机箱称为A型主机箱，它与VME总线机
箱规定相符；
最大允许插入B尺寸模块的主机箱称为B型主机箱，它与VME总线机箱
规定相符；
最大允许插入C尺寸模块的主机箱称为C型主机箱，J1背板是必需的，
J2背板是任选的；
最大允许插入D尺寸模块的主机箱称为D型主机箱，J1背板是必需
的，J2和J3背板是任选的。
选择主机箱主要考虑机箱的大小、电源特性、冷却特性
、电磁兼容性、内部噪声特性以及输入/输出的连接等因素。
根据系统大小，单机
箱可以选择6槽、9槽、13槽、20槽等结构，还可以利用主机箱扩展器组成多机箱系
统。
而最近各个主机箱生产厂家又都推出了具有特定性能的主机箱类型，如适用于
微波频段环境的微波主机箱，以及可利用机箱内部的传感器系统构成的具有完善的
电源管理、冷却特性管理、温度自适应等功能的智能主机箱。
在一般VXI仪器系统
中，以C尺寸普通机箱应用最为广泛。
l仪器模块的选择与设计：
在选择仪器模块过程中，第一项工作是形成汇编信号说
明一览表，这种一览表用于快速参考和识别，例如，其它工程师也能参看这一列表
并且快速识别如何对一种特殊信号进行测试。
根据这份一览表可以建立要求一致的
测试要求矩阵表。
测试要求矩阵表同每一测试要求是相关的，而这些测试要求必须
同相应的激励源和测量功能有关。
在计算容限时，一般用4-10之间数字作为多重因
子，这种数字多重因子一般适用于精确度和分辨率。
如确定了测量精度为1%，且多
重因子取10，那么仪器必须具有至少0.1%精度。
对于VXI仪器来说，选择的仪器规
格包括仪器的尺寸大小、仪器的电源和冷却要求、仪器占据多少槽口（除了大多数
的单槽仪器模块之外，有些仪器模块将占据多个槽位）以及仪器是基于消息的器件
还是基于寄存器的器件。
VXI总线技术还要求仪器厂商应规定每种仪器在最坏情况
的电源消耗和最低冷却要求。
由于虚拟仪器模块具有的开放性与规范性特点，对于
仪器模块的选择并不限于单一的生产厂家，可以在多个厂家的产品表中根据性能价
格比指标进行择优选择，并将这些仪器模块兼容地集成到同一硬件平台中去。
对于
VXI仪器来说，仪器模块硬件平台即是指包括了零槽控制器模块的主机箱。
需要指
出的是，在虚拟仪器系统中并不只包括VXI仪器，还可以有其它的GPIB仪器、
RS232串行接口仪器等，GPIB仪器与串行接口仪器并不能包括在一个主机箱内（NI
公司新推出PXI总线仪器也需要包括在一个主机箱内），但它们在遵循各自的总线
规范的同时，也同样遵循着虚拟仪器技术规范，这时候建立的虚拟仪器系统往往是
一种混合系统。
此外，虚拟仪器系统的硬件结构中的所有仪器模块并不一定是从各
生产厂家的产品列表中选择得来的，由于虚拟仪器的开放性与通用性，有时也会造
成一定的功能与性能的消费，为了提高整个系统的性能指标和经济指标，系统设计
人员也往往需要开发一些专用仪器模块。
HP公司于1998年推出的M-Module（母板—
贴板结构）为开发VXI仪器提供了良好的研制基础，设计人员往往只需要关注特定
的技术指标，并据此研制符合自身需要的SCP，而将与VXI总线接口交与母板完成。
虚拟仪器模块的开发除了满足各自总线规范以外设计硬件模块以外，还必须根据软
件结构微模型（模块模型）来设计仪器驱动程序、软面板、知识库文件等软件模块
，从而构成完整的虚拟仪器产品。
3.虚拟仪器系统软件结构的设计：
虚拟仪器软件结构设计的首要任务是选择结构
参考模型（见第二章），是组成一个自封闭的测试系统标准模型，还是组成一个复
杂的、开放的、集数据测试与信息管理于一身的扩展模型，从而可以确定软件系统
的规模与组成元件。
以标准模型为例，软件结构组成元件包括直接与仪器数据交换
的I/O接口软件、各个虚拟仪器的驱动程序以及上层的应用程序。
其中在软件结构
中I/O接口软件、仪器驱动程序的应用与设计在前几章中均有描述，在此处描述的
重点是软件结构的应用程序开发。
虚拟仪器系统的应用程序与其它应用程序一样，
都是在特定领域内开发，为特定目的服务的一类软件，而它同时也包含了以下特点
：
l虚拟仪器系统应用程序中必然包含了对各类测试仪器的操作与控制，应用程序往
往通过调用仪器驱动程序的功能函数来实现与仪器的数据交互的。
l在虚拟仪器系统应用程序中，有着明显的模块化特点，往往包含着数据输入、数
据分析处理与数据输出几大模块。
在这几个模块下，又可以细化为多个子模块，比
如数据输入部分可以根据测试信号的不同，分为多种信号测试子模块，同时数据输
入源也可以包括外部软件引入的数据文件、数据库文件及其它应用程序引入的数据
；
数据分析处理模块也可以分为简单的数值运算子模块、复杂运算子模块、数字信
号处理子模块等；
数据输出也可以包括多种形式，如简单的数据显示、曲线显示数
据文件形式存储、数据库文件形式存储、通过DDE/OLE等方式输出给其它应用程序
，还有以激励信号的形式进行数据输出与控制。
图8.1所示为虚拟仪器系统应用程
序模块框图。
图8.1虚拟仪器系统应用程序模块框图
l虚拟仪器系统应用程序开发环境可以选择传统文本形式的语言环境，如VC、
Delphi、VB等环境，也可以选择图形化的软件开发环境。
文本形式的语言适合那些
经历过计算机专门训练的工程师，在这种环境下，尽管现在也有了具有丰富控件的
图形界面，但源代码还是一行行的代码，从头到尾地进行代码的编写与调试，对于
一个仪器工程师来说任务重、难度大，使其很难会集中时间与精力在仪器系统集成
任务上。
而图形化软件开发平台的源代码是直接可操作一个个图形控件与控件之间
的连线，整个程序流程是用户可现场组态的数据流程图，用户往往只需用鼠标将各
类控件进行连线就可以产生源代码，结构清晰，编程简单，非常适合于仪器工程师
使用。
利用图形化平台进行编程，工程师不必有丰富的编程知识，只需了解测试的
目的与顺序，然后选择与配置各个图形控件，并用线将其连接起来，就构成了系统
应用程序。
利用图形化软件开发平台进行虚拟仪器系统应用程序的开发，编程效率
高，可以大大减少系统集成的时间与精力。
在第七章中，已经比较详细地对图形化
编程软件平台进行了讨论，同时，第七章中还给了一个在VPP平台下利用HP公司的
HPE1412进行电阻值测量的图形化示例。
从该例中可以看出，图形化软件平台的源
代码类似于测试任务框图，结构清晰简单，并可利用平台的存盘与恢复功能，实现
测试子例程库的直接调用。
对于复杂的系统软件而言，还会用到平台的子模块元件
，可以将测试子系统模块封装在平台的模块元件中，在整个系统中与其它元件一起
使用，从而建构出大规模的测试系统应用程序。
为了提高系统应用程序的设计与开发效率，软件工程学中提出了不少分析与开发模
型方法，如框图结构法、E-R法（实体关系法）、状态迁移图法、时序图法、
Petri网法、结构语言描述法等，在分析比较多种方法的优缺点的基础上，考虑虚
拟仪器系统软件结构特性，本文提出了一种虚拟仪器系统软件结构描述语言VSDL（
VirtualinstrumentsystemSoftwarearchitectureDescriptionLanguage），
用于虚拟系统应用程序的设计与开发。
4、虚拟仪器系统集成测试：
虚拟仪器系统集成过程中，必须进行系统集成测试，
包括硬件结构测试与软件结构测试，本文重点讨论的是软件结构的测试。
软件结构
集成测试的主要目的是检查软件单位之间的接口是否正确，它根据集成测试计划，
一边将模块或其它软件单位组合成越来越大的系统，一边运行该系统，以分析所组
成的系统是否正确，各组成部分是否合拍。
集成测试的策略主要有自顶向下和自底
向上两种。
在整个系统集成之后，还必须进行系统测试，以验证软件系统的正确性
和性能等满足其规约所指定的要求，检查软件的行为和输出是否正确，被称为测试
的“先知者问题”。
因此，系统测试应该按照测试计划进行，其输入、输出和其它
动态运行行为应该与软件规约进行对比。
功能测试是软件系统测试的主要方法之一
其基本思想是根据软件的功能需求，选择适当的测试数据，以检查软件是否完成
了其功能需求中所提出的所有功能要求，功能测试往往不仅要求对功能规约中列出
的功能进行测试，还要求对设计和实现中引进的功能进行测试。
随机测试是另一种
软件系统测试的重要方法，其基本思想是对软件的输入空间进行随机取样，以此作
为软件系统测试数据。
随机取样可按照软件实际使用时的概率分布进行，也可按照
其它概率分布进行，前者称为代表性随机测试，后者称为非代表性随机测试。
在虚
拟仪器系统提交给最终用户后，还必须进行验收测试，在软件维护阶段还需要进行
回归测试。
8.3虚拟仪器系统软件结构描述语言
为了正确地描述系统软件结构，提高系统软件设计与开发的效率，软件工程师提出
了多种软件结构分析与设计模型，最直观的一类即是采用箱-线（boxes-lines）框
图法进行抽象的描述，其中箱代表的是系统软件元件，线代表的是元件之间的连接
这种模型方法可用表达式8.1描述。
这种方法比较直观，但对于元件与连接均描述过于简单含糊。
对于元件来说，这种
方法只给出了抽象概念表示，并没有给出实现方式；
对于连接来说，这种方法也没
有给出明确定义，连接究竟是代表数据流、功能流、属性继承、属性包含还是属于
过程调用，没有清楚定义，往往在一个系统中，包含了多种连接方式，使系统软件
结构十分模糊。
因此，采用箱-线框图法只适用于初步的软件分析工作。
随着面向对象技术的发展，面向对象技术成为了软件设计与开发的流行方法，软件
元件以封装的类与对象的概念出现，整个软件系统由多个类与对象的集合构成，对
象与对象之间通过定义在类中的成员函数进行数据交互，可用表达式8.2表示。
这种方法在软件分析阶段通过对象的认定，确定问题空间中应当存在的类和类层次
结构，在设计阶段通过类的认定和类层次结构的组织，确定了解空间中应当存在的
类和类层次结构，并确定外部接口和主要的数据结构。
与抽象的框图定义相比，它
实用性强，所有类定义的数据结构与操作均可在具体的编程语言中实现。
然而，对
于具体的虚拟仪器系统而言，对于具体类的认定和类层次结构的组织并不容易，特
别是要求仪器工程师将问题空间抽象为可实现的类，工作量是相当大，而且由于数
据接口封装在类中，数据交互并不直接，给设计与编程均带来了一定难度。
在以前
参与过的透平压缩机组状态监测的项目中采用了面向对象软件分析与设计方法，实
际开发工作量比预期的大得多。
为了更好地描述软件结构模型，软件工程师提出了软件结构描述语言的概念，将软
件结构中的模块与连接以结构化文本的形式进行描述，其中如基于事件模型的
Rapide、基于结构设计的ArTek等，均在一定的系统中得以实用。
本文在综合分析
虚拟仪器系统软件结构特点的基础上，提出了一种虚拟仪器系统软件结构描述语言
，简称VSDL。
同样，VSDL由两部分描述组成，即软件结构元件集（Component）及元件之间的接
口模块（Interface-Module），如表达式8.3所示。
VSDL的提出，有以下几个理论基础：
1.要进行软件结构描述，系统软件结构本身必须具有几个特点：
软件结构必须是
可分离结构，软件结构组成元件之间必须独立，各元件的操作是独立的过程。
虚拟仪器系统软件结构而言，上下层采用了函数化的层次化结构，左右层采用了模
块化方案，因此系统是完全可分离的。
各软件元件之间通过统一形式的接口进行独
立的数据运算，接口模块上以数据流形式传递数据。
2.虚拟仪器系统的任务明确，结构清晰，系统集成人员可以方便地进行任务与功
能分解，分解结果可以直接以描述语言的形式存在，而不必再进行类封装，因此设
计过程比较简单。
3.对于虚拟仪器设计人员来说，在硬件模块的设计过程中，往往采用VHDL等硬件
描述语言方式进行硬件模块设计，而VSDL与VHDL在结构上有一定的相似处，容易被
仪器设计人员掌握。
4.用于系统应用程序开发的图形化平台程序的内部描述方式也往往采用了文本文
件形式的结构化描述，采用VSDL描述的结果文本，在结构上与图形化平台的描述文
本十分类似，VSDL的描述结果文本经解析可以直接被图形化平台作为源代码进行调
用。
5.VSDL本身不是一种可编译的语言，它的描述方式比图形化平台的描述文本要抽
象。
VSDL本身不包含可执行代码，元件也没有包含执行部件，它的解析执行是通过
定义元件类型来进行的。
因此，VSDL提供了虚拟仪器软件结构与图形化软件平台的
接口，最终实现依赖于具体的图形化平台。
VSDL由三大部分构成，一是模块描述，二是元件描述，三是连线描述，其中元件描
述是核心部分，而模块描述是扩展部分，是系统可选的。
整个语言结构采用了结构
化的文本。
程序文本由多个段落组成，每个段落由段落起始符开始，以段落终止符
结束，中间包含多个属性项，段落类型包括模块段落、元件段落与连线段落两大类
在模块段落中，定义了模块基本属性段落、输入端口段落、输出端口段落、包含
元件集属性段落。
在元件段落中，定义了元件的通用属性段落、输入端口段落、输
出端口段落和自定义属性段落。
在连线段落中，定义了元件之间的连接关系。
属性
项由左项与右项组成，中间以等号“=”分隔，左项为属性名，右项为属性值。
整
个描述语言结构如图8.2所示。
图8.2VSDL描述语言结构图
模块段落以字符串“MODULE{”为段落起始符，以“MOUDLE}”为段落终止符，其间
定义了一系列属性段落：
1、基本属性段落：
段落以“BASEATTR{”为段落起始符，以“BASEATTR}”为段
落终止符，其间定义了模块标识符，这个标识符是唯一的，以标识不同的模块；
模
块显示名，用于流程图显示。
2、输入端口段落：
段落以“INPORT{”为段落起始符，以“INPORT}”为段落终
止符，其间定义了输入端口名称、数据类型、连接状态与连线名称。
3、输出端口段落：
段落以“OUTPORT{”为段落起始符，以“OUTPORT}”为段落
终止符，其间定义了输出端口名称、数据类型、连接状态与连线名称。
4、包含元件集段落：
段落以“INCOMSET{”为段落起始符，以“INCOMSET}”为
段落终止符，其间定义了模块所包含的元件标识符。
元件段落以字符串“COMPONENT{”为段落起始符，以“COMPONENT}”为段落终止符
，其间定义了一系列属性段落：
落终止符，其间定义了元件标识符，这个标识符是唯一的，以标识不同的元件；
元
件显示名，用于流程图显示；
元件类型标识，用于标识系统元件类型。
在VSDL中，
共定义了基本显示元件、数据定义元件、数据分析处理元件、基本设备元件及仪器
接口元件五类40多种类型，是基于不同的图形化平台所包含的元件类型公约集而提
出的，即VSDL中定义的元件类型在不同的图形化平台中必定有对应的元件类型，如
VSDL定义的文本显示元件V_TEXT对应于HPVEE的TEXTDISPLAY和VPP的VI_TEXT类型
在图形化实际运行中，通过对VSDL元件类型的解析，在图形化平台运行模式下执
行各自的元件执行代码；
其它还有元件显示大小、元件显示位置等属性。
4、自定义属性段落：
段落以“SELFATTR{”为段落起始符，以“SELFATTR}”为
段落终止符，其间定义了与元件相关的特定属性，如温度计元件的上下限值等。
连线段落以字符串“LINE{”为段落起始符，以“LINE}”为段落终止符，其间定义
了一系列属性段落：
1、连线名称LINENAME。
2、连线起始模块或元件LINEFROMUNIT。
3、连线终止模块或元件LINETOUNIT。
4、连线起始端口LINEFROMPORT。
5、连线终止端口LINETOPORT。
利用VSDL进行应用程序描述时，采用了自顶向下层层细化的方式，首先定义的是模
块段落，进一步进行模块单元的分解，进行详细的元件段落，模块段落定义是可以
嵌套的，连线段落的定义既可以针对模块，又可以针对元件。
程序最终的实现是通
过定义在元件段落中的元件类型标识执行的。
整个程序结构如下：
MODULE{
BASEATTR{
NAME=MODULE1
DISPLAYNAME=
BASEATTR}
升级会员 