IVI技術(shù)研究

方案綜述:


引言


　　長(zhǎng)期以來(lái)，互換性成為許多工程師建造測(cè)試系統(tǒng)的目標(biāo)。因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，儀器硬件不是過(guò)時(shí)就是需要更換，因此迫切需要一種無(wú)需改變測(cè)試程序代碼就可用新的儀器硬件改進(jìn)系統(tǒng)的方法。針對(duì)這一問(wèn)題，在1998年9月成立了IVI（Interchangeable Virtual Instrument）基金會(huì)。IVI基金會(huì)是最終用戶、系統(tǒng)集成商和儀器制造商的一個(gè)開放的聯(lián)盟。目前，該組織已經(jīng)制訂了五類儀器的規(guī)范一一示波器/數(shù)字化儀（IVIScope）、數(shù)字萬(wàn)用表（IVIDmm）、任意波形發(fā)生器/函數(shù)發(fā)生器（IVIFGen）、開關(guān)/多路復(fù)用器/矩陣（IVISwitch）及電源（IVIPower）。美國(guó)國(guó)家儀器公司（簡(jiǎn)稱NI）作為IVI的系統(tǒng)聯(lián)盟之一，積極響應(yīng)IVI的號(hào)召，開發(fā)了基于虛擬儀器軟件平臺(tái)的IVI驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)。

　　IVI基金會(huì)成員經(jīng)常召開系統(tǒng)聯(lián)盟會(huì)議，來(lái)討論儀器類的規(guī)范和制訂新儀器類規(guī)范。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，將會(huì)成立專門的工作組來(lái)處理特殊技術(shù)問(wèn)題，如：

　　為新儀器類建立規(guī)范；

　　結(jié)合儀器規(guī)范，模括應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)（如設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)波形的文件格式和幫助文件）；

　　定義儀器驅(qū)動(dòng)程序的測(cè)試步驟；

　　建立故障報(bào)告和分布式更新機(jī)制；

　　調(diào)查計(jì)算機(jī)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為軟件通信、軟件封裝制訂規(guī)范

　　IVI基金會(huì)努力從基本的互操作性（Interoperability）到可互換性（Interchangeability），為儀器驅(qū)動(dòng)程序提升了標(biāo)準(zhǔn)化水平。通過(guò)為儀器類制訂一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范，使測(cè)試工程師獲得更大的硬件獨(dú)立性，減少了軟件維護(hù)和支持費(fèi)用、縮短了儀器編程時(shí)間、提高了運(yùn)行性能。運(yùn)用IVI技術(shù)可以使許多部門獲益。例如使用IVI技術(shù)的事務(wù)處理系統(tǒng)可以把不同的儀器用在其系統(tǒng)中，當(dāng)儀器陳舊或者有升級(jí)的、高性能或低造價(jià)的儀器時(shí)，可以任意更換，而不需要改變測(cè)試程序的源代碼；在電信和電子消費(fèi)產(chǎn)品中，當(dāng)儀器出現(xiàn)故障或者需要修復(fù)時(shí)，可以保持他們的生產(chǎn)線正常運(yùn)行；各種大的制造公司可以很容易地在部門和設(shè)備之間復(fù)用及共享測(cè)試代碼，而沒(méi)有必要強(qiáng)迫用同樣的儀器硬件。


IVI規(guī)范及體系結(jié)構(gòu)


　　因?yàn)樗�有的儀器不可能具有相同的功能，因此不可能建立一個(gè)單一的編程接口。正因?yàn)槿绱耍琁VI基金會(huì)制訂的儀器類規(guī)范被分成基本能力和擴(kuò)展屬性兩部分。前者定義了同類儀器中絕大多數(shù)儀器所共有的能力和屬性（IVI基金會(huì)的目標(biāo)是支持某一確定類儀器中95%的儀器）；后者則更多地體現(xiàn)了每類儀器的許多特殊功能和屬性。以下簡(jiǎn)要地把這五類規(guī)范作一介紹：

　　IVI示波器類把示波器視為一個(gè)通用的、可以采集變化電壓波形的儀器來(lái)使用。用基本能力來(lái)設(shè)置示波器，例如設(shè)置典型的波形采集（包括設(shè)置水平范圍、垂直范圍和觸發(fā)）、波形采集的初始化及波形讀取�；�本能力僅僅支持沿觸發(fā)和正常的采集；除了基本能力外，IVI示波器類定義了它的擴(kuò)展屬性：自動(dòng)配置、求平均值、包絡(luò)值和峰值、設(shè)置高級(jí)觸發(fā)（如視頻、毛刺和寬度等觸發(fā)方式）、執(zhí)行波形測(cè)量（如求上升時(shí)間、下降時(shí)間和電壓的峰，峰值等）。

　　IVI電源類把電源視為儀器，并可以作為電壓源或電流源，其應(yīng)用領(lǐng)域非常寬廣。IVI電源類支持用戶自定義波形電壓和瞬時(shí)現(xiàn)象產(chǎn)生的電壓。用基本能力來(lái)設(shè)置供電電壓及電流的極限、打開或者關(guān)閉輸出；用擴(kuò)展屬性來(lái)產(chǎn)生交、直流電壓、電流及用戶自定義的波形、瞬時(shí)波形、觸發(fā)電壓和電流等。

　　IVI函數(shù)發(fā)生器類定義了產(chǎn)生典型函數(shù)的規(guī)范。輸出信號(hào)支持任意波形序列的產(chǎn)生，包括用戶自定義的波形。用基本能力來(lái)設(shè)置基本的信號(hào)輸出函數(shù)，包括設(shè)置輸出阻抗、參考時(shí)鐘源、打開或者關(guān)閉輸出通道、對(duì)信號(hào)的初始化及停止產(chǎn)生信號(hào)：用擴(kuò)展屬性來(lái)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的周期波形或者特殊類型的波形，并可以通過(guò)設(shè)置幅值、偏移量、頻率和初相位來(lái)控制波形。

　　IVI開關(guān)類規(guī)范是由廠商定義的一系列VO通道。這些通道通過(guò)內(nèi)部的開關(guān)模塊連接在一起。用基本能力來(lái)建立或斷開通道間的相互連接，并判斷在兩個(gè)通道之間是否有可能建立連接；用擴(kuò)展屬性可以等待觸發(fā)，來(lái)建立連接。

　　IVI萬(wàn)用表類支持典型的數(shù)字萬(wàn)用表。用基本能力來(lái)設(shè)置典型的測(cè)量參數(shù)（包括設(shè)置測(cè)量函數(shù)、測(cè)量范圍、分辨率、觸發(fā)源、測(cè)量初始化及讀取測(cè)量值）；用擴(kuò)展屬性來(lái)配置高級(jí)屬性，如自動(dòng)范圍設(shè)置及回零。萬(wàn)用表類定義了兩個(gè)擴(kuò)展的屬性：IVIDmmMultipoint擴(kuò)展屬性對(duì)每一個(gè)觸發(fā)采集多個(gè)測(cè)量值；IVIDmmDeviceinfo查詢各種屬性。

　　NI開發(fā)的IVI驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)包括IVI基金會(huì)定義的五類儀器的標(biāo)準(zhǔn)Class Driver 、仿真驅(qū)動(dòng)程序和軟面板。該軟件包為儀器的交換做了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，通過(guò)定義一個(gè)可互換性虛擬儀器的驅(qū)動(dòng)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)儀器的互換性，


　　IVI驅(qū)動(dòng)程序比VXIPlug&Play（簡(jiǎn)稱VPP）聯(lián)盟制訂的VISA規(guī)范更高一層。它擴(kuò)展了VPP儀器驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)，并加上了儀器的可互換性、仿真和狀態(tài)緩存等特點(diǎn)，使得儀器廠商以繼續(xù)用他們的儀器特征和新增功能。因此，IVI基金會(huì)是對(duì)VPP系統(tǒng)聯(lián)盟的一個(gè)很好的補(bǔ)充。

　　測(cè)試程序可以直接調(diào)用儀器Spmile Driver，也可通過(guò)Class Driver來(lái)調(diào)用SpmikDriver。采用直接調(diào)用方式時(shí)，可以執(zhí)行狀態(tài)緩存、范圍檢查及簡(jiǎn)單的仿真。但是如果更換儀器，需要修改測(cè)試程序；采用間接調(diào)用方式時(shí)，應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用IVI Configuration UtiIIty中的WIDEnEEl-Configure函數(shù)，來(lái)調(diào)用儀器的Specific Driver，因此不用修改測(cè)試代碼。例如在圖1中，測(cè)試程序可以不用直接調(diào)用Fluke 45-Configure或者HP34401-Configure。這樣，當(dāng)系統(tǒng)中使用的是Fluke 45Dmm時(shí)，程序在運(yùn)行中會(huì)動(dòng)態(tài)地自動(dòng)裝載到Fluke 45-Configure。如果以后將測(cè)試系統(tǒng)中的Fluke 45Dmm換成了HP34401Dmm，IVIDmm驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)定向到調(diào)用HP34401-Configure。按照這種“虛擬”方式把同一類儀器中的不同儀器的特性差異“封裝”起來(lái)，保證應(yīng)用程序完全獨(dú)立于硬件儀器，也就同時(shí)保證了儀器的可互換性。

　　對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的儀器驅(qū)動(dòng)程序，狀態(tài)跟蹤或者緩存是其最重要的特點(diǎn)。狀態(tài)緩存命令可以以IVI的狀態(tài)緩存特性在Spedile Driver下執(zhí)行，因此不會(huì)影響Class Driver的運(yùn)行。IVI Engine通過(guò)控制儀器的讀寫屬性，來(lái)監(jiān)測(cè)IVI驅(qū)動(dòng)程序。通過(guò)狀態(tài)緩存，存儲(chǔ)了儀器當(dāng)前狀態(tài)的每一個(gè)屬性設(shè)置值，消除了送到儀器的多余命令，當(dāng)試著設(shè)置一個(gè)儀器已經(jīng)有了的屬性值，IVI引擎將會(huì)跳過(guò)這個(gè)命令，從而提高了程序運(yùn)行速度。

　　因?yàn)镮VI仿真驅(qū)動(dòng)程序有內(nèi)置的許多仿真數(shù)據(jù)產(chǎn)生算法，因此可以對(duì)儀器硬件進(jìn)行仿真。當(dāng)程序員在儀器不能運(yùn)行或者不完整時(shí)，可以用軟件仿真前端儀器的采集、計(jì)算和驗(yàn)證。同時(shí)，仿真驅(qū)動(dòng)程序也可以對(duì)儀器的屬性值進(jìn)行范圍檢查。即當(dāng)寫測(cè)試代碼而沒(méi)接儀器時(shí)，IVI仿真驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)識(shí)別所發(fā)送的值是否有效。同時(shí)，當(dāng)輸入?yún)��?shù)超過(guò)范圍時(shí)，強(qiáng)迫給一個(gè)正確值。仿真功能在Spmile Driver的控制下發(fā)生，有沒(méi)有Class Driver，都可以用這個(gè)特性。因此通過(guò)仿真，降低了測(cè)試的開發(fā)成本，縮短了儀器的編程時(shí)間。

　　軟面板檢查所用的儀器是否正常工作，并保證簡(jiǎn)單、交互式測(cè)量。IVI驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)已經(jīng)有五類儀器的軟面板。


開發(fā)IVI的Specific Driver


　　由于NI開發(fā)的IVI驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)已經(jīng)包含了儀器的Class Driver，因此，程序員只要按照IVI的規(guī)范開發(fā)自己儀器的Specific Driver，就可以實(shí)現(xiàn)儀器的互換性。IVI驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，可以在任何能夠產(chǎn)生32位DLLs的環(huán)境下運(yùn)行，如Lab Windows/CVI、Visual Basic和Visual C等。不過(guò)，在LabWindows/CVI環(huán)境下開發(fā)比較容易，因?yàn)檫@個(gè)軟件包容納了開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的許多工具，并有一個(gè)自動(dòng)的開發(fā)向?qū)Э梢詣?chuàng)建一個(gè)包含大多數(shù)驅(qū)動(dòng)程序代碼的模板，這樣，開發(fā)和測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序代碼就很容易了。

　　在開發(fā)儀器的Specific Driver以前，首先要熟悉儀器的有關(guān)命令，然后根據(jù)其功能進(jìn)行分類。在Lab Windows/CVI下創(chuàng)建儀器的Specific Driver，需要按以下步驟進(jìn)行程序開發(fā)。下面針對(duì)ACMELXYZ示被器做一詳細(xì)介紹。


　　1．創(chuàng)建一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序模板

　　Lab Windows/CVI有一個(gè)內(nèi)置的開發(fā)向?qū)�提示程序員輸入有關(guān)的信息，根據(jù)輸入的信息，自動(dòng)地創(chuàng)建一個(gè)代碼模板和函數(shù)目錄。代碼模板包含了許多修改指令以及實(shí)現(xiàn)各種屬性的例子；函數(shù)目錄包含了每一個(gè)函數(shù)、控制和指示的規(guī)范。


　　2．移走不用的擴(kuò)展屬性

　　根據(jù)IVI的規(guī)范，ACME-XYZ示波器應(yīng)該支持IVI示波器類的基本屬性，擴(kuò)展屬性僅僅支持沿觸發(fā)，因此與別的觸發(fā)類型有關(guān)的擴(kuò)展屬性就必須從驅(qū)動(dòng)程序的代碼文件和頭文件中移走。


　　3．確定獨(dú)立屬性

　　獨(dú)立的屬性就是指不受別的屬性設(shè)置影響的屬性，如采集類型、輸入阻抗、觸發(fā)類型、觸發(fā)藕合等。

　　4．調(diào)用指定的屬性

　　就采集類型來(lái)說(shuō)，ACME-XYZ示波器支持正常采集模式、峰值檢測(cè)以及高分辨率等模式。表1列出了其具有的各種模式，范圍表為存儲(chǔ)有效的硬件設(shè)置，提供了一個(gè)簡(jiǎn)單和方便的方式。用屬性編輯器可以編輯范圍表或者寄存器的值。完成了范圍表的編輯，接著就可以進(jìn)行讀、寫操作以設(shè)置或讀取硬件屬性值。


　　5．確定屬性的失效規(guī)則

　　IVI引擎用一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)制來(lái)維護(hù)狀態(tài)緩存的完整性。在許多情況下，一個(gè)屬性的值有可能影響另一個(gè)屬性值，例如示波器的垂直范圍和偏移量依賴于探頭對(duì)輸入信號(hào)的衰減。改變探頭衰減的同時(shí)也就改變了垂直范圍和偏移量。這意味著當(dāng)探頭的衰減改變時(shí)，必須給垂直范圍和偏移量的緩存值一個(gè)失效值或者更新值。這個(gè)問(wèn)題很容易解決，只要在屬性的失效目錄中，為探頭的衰減屬性選擇其衰減值。