基于Labwindows實(shí)時(shí)光網(wǎng)虛擬示波器設(shè)計(jì)

 
基于Labwindows/CVI和SBS實(shí)時(shí)光網(wǎng)虛擬示波器設(shè)計(jì)
  

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)不斷發(fā)展與提高，虛擬儀器技術(shù)已成為當(dāng)前測控領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵性技術(shù)。在遠(yuǎn)程測控與仿真方面，虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化，已成為急待解決的問題。通過利用SBS實(shí)時(shí)光網(wǎng)、虛擬儀器技術(shù)、ActiveX技術(shù)以及DCOM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化虛擬示波器，從而使遠(yuǎn)程測控、數(shù)據(jù)共享成為了現(xiàn)實(shí)。

網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器系統(tǒng)總體上可分為兩部分：數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)、虛擬示波器。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息的采集和遠(yuǎn)程控制指令傳送。虛擬示波器則通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將所獲取的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息動(dòng)態(tài)顯示、存儲(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。 

      

                                         圖1 網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖可知，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)由遠(yuǎn)程信息數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)源控制中心兩部分組成。其中，遠(yuǎn)程信息數(shù)據(jù)源，通過 SBS實(shí)時(shí)光網(wǎng)，接收來自遠(yuǎn)程設(shè)備終端的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則整合成一數(shù)據(jù)流，發(fā)送給數(shù)據(jù)源控制中心。數(shù)據(jù)源控制中心，實(shí)質(zhì)是一臺(tái)大型服務(wù)器，其主要職能是接收來自遠(yuǎn)程信息數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，同時(shí)，還可將這些數(shù)據(jù)通過實(shí)時(shí)光網(wǎng)或以太網(wǎng)向其余數(shù)據(jù)信息處理終端進(jìn)行發(fā)送，并將數(shù)據(jù)分析中心發(fā)出的遠(yuǎn)程控制指令發(fā)送給各遠(yuǎn)程設(shè)備終端。此外，該數(shù)據(jù)源控制中心，也可將各客戶終端數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果，發(fā)布到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息資源共享。這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)遠(yuǎn)程測控是十分重要的，它可以將生成復(fù)雜系統(tǒng)的繁瑣控制指令分解給各客戶終端來完成，實(shí)現(xiàn)控制指令的并行生成，使得復(fù)雜系統(tǒng)控制變得迅速、可靠。虛擬示波器作為一個(gè)客戶終端可直接從數(shù)據(jù)源控制中心獲取數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)波形信號(hào)動(dòng)態(tài)顯示、存儲(chǔ)的任務(wù)。

數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

出于實(shí)時(shí)性考慮，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用實(shí)時(shí)光網(wǎng)進(jìn)行搭建。SBS實(shí)時(shí)光網(wǎng)是由美國SBS公司開發(fā)的具有星形結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。它以光作為信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)，因而具有極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。

SBS 的廣播內(nèi)存是唯一的高性能Hub結(jié)構(gòu)配置的網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于多臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)的、確定的內(nèi)存共享。廣播內(nèi)存的Hub結(jié)構(gòu)比環(huán)形結(jié)構(gòu)(如VMIC)更穩(wěn)定。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障只影響本節(jié)點(diǎn)，不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，具有較高的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、高帶寬和非常低的延遲特性。廣播內(nèi)存使網(wǎng)上所有計(jì)算機(jī)(節(jié)點(diǎn))共享內(nèi)存 (NetRAM)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有它自己的NetRAM的物理備份，節(jié)點(diǎn)通過光纖與安裝在中心Hub的一個(gè)端口卡相連接。寫入本地節(jié)點(diǎn)卡的數(shù)據(jù)對(duì)Hub是以廣播方式傳送的并且同時(shí)寫入所有節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存。

Hub將各種數(shù)據(jù)流合并到一個(gè)能廣播傳送到所有節(jié)點(diǎn)的普通數(shù)據(jù)流里，廣播內(nèi)存保證數(shù)據(jù)同時(shí)并且按同一順序到達(dá)所有的節(jié)點(diǎn)內(nèi)存。鏈接傳輸率高達(dá)43MB/s，寫延遲是10微秒，在優(yōu)先權(quán)高的節(jié)點(diǎn)延遲更小，并且是可預(yù)知的。所有的節(jié)點(diǎn)能通過“寫入 NetRAM”的方式，透明地并確定地廣播傳送中斷、消息或者數(shù)據(jù)塊到其它的節(jié)點(diǎn)。通過一個(gè)簡單的“寫入NetRAM”由任何節(jié)點(diǎn)傳送中斷，一個(gè)寫中斷桌面(WIT)控制中斷。從本節(jié)點(diǎn)的NetRAM備份中讀取數(shù)據(jù)。Hub將分離的數(shù)據(jù)流從節(jié)點(diǎn)卡合并到一個(gè)普通數(shù)據(jù)流里，并同時(shí)廣播到所有的節(jié)點(diǎn)。一個(gè) Hub通過一個(gè)背板和端口卡所插的14個(gè)槽，支持28個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)Hub端口卡設(shè)有FIFOs，保證單個(gè)節(jié)點(diǎn)接收的各種數(shù)據(jù)流合到一個(gè)普通數(shù)據(jù)流里并廣播到所有節(jié)點(diǎn)時(shí)有最大的傳輸率。背板是一個(gè)用于互聯(lián)很多節(jié)點(diǎn)卡的通用鏈接板，以形成網(wǎng)絡(luò)。綜合的錯(cuò)誤監(jiān)控和糾錯(cuò)特點(diǎn)確保最高的Hub可靠性。數(shù)據(jù)源控制中心通過該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集光纖網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和信息的共享。

虛擬示波器設(shè)計(jì)

眾所周知，虛擬儀器技術(shù)的誕生掀起了儀器儀表開發(fā)的一場革命。它將硬件軟化，節(jié)省了大量硬件研制成本，大大縮短了儀器設(shè)備的開發(fā)周期。因此，一直受到測控領(lǐng)域人士的青睞。在虛擬示波器的設(shè)計(jì)中，我們采用Labwindows/CVI 來進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)。Labwindows/CVI是由美國National Instrument公司(美國國家儀器公司，NI)推出的進(jìn)行虛擬儀器設(shè)計(jì)的交互式C語言開發(fā)平臺(tái)。它將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言與用于數(shù)據(jù)采集分析和現(xiàn)實(shí)的測控專業(yè)工具有機(jī)的結(jié)合起來，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)、自動(dòng)測試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)、虛擬儀器等提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。與一般虛擬示波器不同，傳統(tǒng)的虛擬示波器數(shù)據(jù)來源是通過A/D采樣而獲得的，網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器是通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來獲取數(shù)據(jù)的，其自身不存在A/D采樣波形失真的問題，從而消除了A/D采樣對(duì)示波器頻帶造成的瓶頸。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化虛擬示波器的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)出了如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器。 

          

                                            圖2 網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器

在網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器控制程序中，我們使用了多線程技術(shù)，以保證波形顯示的穩(wěn)定、可靠。多線程技術(shù)是指，將數(shù)據(jù)獲取和波形顯示分別在兩個(gè)不同的線程中進(jìn)行，即控制程序在一個(gè)線程中進(jìn)行波形顯示的同時(shí)，在另一線程中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。這樣，既保證數(shù)據(jù)采集的可靠性，又保證了波形顯示的真實(shí)穩(wěn)定。需要指出的是，數(shù)據(jù)采集頻率fs直接影響示波器的頻帶。根據(jù)香濃采樣定律，網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器的頻帶應(yīng)小于fs/2。因而，數(shù)據(jù)采集頻率fs的大小將直接影響到示波器頻帶的寬窄。此外，為了消除波形顯示的閃爍和抖動(dòng)，我們?cè)诳刂瞥绦蛑虚_辟了兩個(gè)緩沖區(qū)。其目的是在波形顯示時(shí)，兩個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行交替顯示，這樣就消除了波形顯示過程中的閃爍和抖動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器控制流程如圖3所示。

        

                                                       圖3 網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器控制流程

由圖3可知，網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器啟動(dòng)后，首先建立與數(shù)據(jù)網(wǎng)的連接，隨后，獲取網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)寫入空緩沖區(qū)中，同時(shí)將寫滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)顯示到示波屏上，如此往復(fù)，示波器便會(huì)將數(shù)據(jù)信號(hào)源源不斷顯示出來。如要終止波形顯示，則要將網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器與數(shù)據(jù)網(wǎng)斷開，而后關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器即可。當(dāng)然顯示過程中，可以對(duì)波形的幅值和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，已達(dá)到波形最佳觀測效果。

虛擬示波器與數(shù)采網(wǎng)絡(luò)的掛接

虛擬示波器如何與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掛接是網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。硬件方面，出于強(qiáng)實(shí)時(shí)性考慮，我們使用SBS實(shí)時(shí)光網(wǎng)作為它們之間的連接體。當(dāng)然對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的其他客戶端可通過普通以太網(wǎng)進(jìn)行連接。軟件方面，為了能夠從網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)，我們采用了ActiveX和DCOM技術(shù)。ActiveX是對(duì)開發(fā)面向可用于不同軟件開發(fā)環(huán)境下的具有可重用性組件技術(shù)的一種統(tǒng)稱。DCOM技術(shù)是一種分布式COM技術(shù)，使用它可以將運(yùn)行在服務(wù)器上的組件，復(fù)用在同一網(wǎng)絡(luò)的客戶端。我們利用DCOM技術(shù)這一優(yōu)點(diǎn)，通過運(yùn)行在數(shù)據(jù)源控制中心的DCOM服務(wù)器應(yīng)用程序，獲取遠(yuǎn)程信息數(shù)據(jù)源傳來的數(shù)據(jù)，而后，運(yùn)行虛擬示波器的客戶端，通過運(yùn)行在其上的ActiveX客戶端應(yīng)用程序獲取DCOM服務(wù)器上的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，從而，實(shí)現(xiàn)虛擬示波器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取。利用以上軟硬件方面的技術(shù)，我們實(shí)現(xiàn)了虛擬示波器與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的成功掛接。從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化虛擬示波器，該網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器成功的應(yīng)用于某型無人機(jī)的地面半實(shí)物仿真試驗(yàn)中，為試驗(yàn)數(shù)據(jù)在線觀測、數(shù)據(jù)回放、存儲(chǔ)與分析提供了強(qiáng)有力的支持。圖4為試驗(yàn)過程中部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線觀測結(jié)果。 

          

                               圖4 網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器半實(shí)物仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)觀測結(jié)果

結(jié)語

我們將網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器成功應(yīng)用在了遠(yuǎn)程測控、半實(shí)物仿真等方面，這對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)無人值守，全自動(dòng)化監(jiān)控的應(yīng)用領(lǐng)域有著重要的意義。它的出現(xiàn)可以大大提高工業(yè)自動(dòng)化的水平，縮減人員消耗，降低成本，對(duì)于工作條件惡劣，工作環(huán)境危險(xiǎn)的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)無人值守，有著重要的應(yīng)用價(jià)值。網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器所取得的成果，可為今后虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化提供一種極好的工程解決方案。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)虛擬示波器采用SBS實(shí)時(shí)光網(wǎng)來傳送數(shù)據(jù)，會(huì)使組網(wǎng)成本大為提高。今后，我們將在保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性前提下，使用普通以太網(wǎng)來組網(wǎng)進(jìn)行更深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

1. Thuan L Thai：DCOM 入門.中國電力出版社,2001
2.  張毅剛、喬立巖等.虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境Lab Windows/CVI6.0編程指南，機(jī)械工業(yè)出版社,2002年8月
3.   Labwindows/CVI Programmer Reference Manual. National Instruments Co,1998.
4.  SBS公司，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)用戶使用指南