张文广， 秦 亮， 刘生华

(1. 海军航空大学， 山东 烟台 264001； 2. 海军91115部队， 浙江 定海 316000)

0 引 言

随着计算机、信号处理和软件技术的发展，虚拟仪器(Virtual Instrumentation, VI)已经成为测控技术的主流技术。虚拟仪器强调“软件就是仪器，软件就是测试”[1]。虚拟仪器充分利用计算机技术实现和扩展传统仪器的功能，用计算机屏幕形象、方便地模拟各种仪器控制面板以及各种形式的检测结果，计算机突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、存储等方面的限制，达到传统仪器无可比拟的效果。目前，国内外很多高校都对虚拟仪器实验室展开了研究[2-6]。

1997年推出的PXI面向仪器系统的PCI扩展(PCI extensions for Instrumentation，PXI)总线技术，综合了外设部件互连标准(Peripheral Component Interconnect，PCI)、面向仪器系统的VME总线扩展(VME bus extensions for instrumentation，VXI)总线和通用接口总线(General-Purpose Interface Bus，GPIB)的优点，迅速应用于各领域的测试、诊断平台技术[7-8]。PXI Express(简称PXIe)总线作为PXI总线的扩展，具有高数据吞吐量、模块化集成等关键技术优势[9]。PXIe机箱使用PCI Express(简称PCIe)串行接口，连接它的系统槽和外围设备。系统插槽与PXI不兼容，因此需要使用具有足够数量的PCIe连接器的控制器或者PCIe接口来支持外设。串行接口的使用提升了外设的可用带宽，因为原则上它不是共享带宽，每个外设获得一个或多个具有2.5 Gb/s的串行连接。

为推动测控技术实验教学改革，并结合课程建设需要，开发了一套基于PXIe总线的网络化测控技术实验系统。通过各种实验的设计和操作，提升学生的融会贯通和动手能力，获得相应工程专业的设计和开发技能。多台实验系统可以通过以太网，实现测控技术的网络化实验教学。

1 系统设计

1.1 总体设计

系统总体设计思想是基于便携式PXIe机箱、PXIe零槽控制器和典型功能模块，配合教学实验箱、教学应用软件来实现教学实验。系统在硬件结构上主要由安装了功能模块和适配接口的PXIe便携式机箱、教学实验箱以及接口电缆等组成，其外观和连接关系如图1所示。其中，用3根接口电缆将PXIe便携式机箱与教学实验箱依次连接(如图1中①～④所示)。系统软件开发平台选用了主流的虚拟仪器软件开发平台Lab Windows/CVI 9.0。

图1 单台实验系统外观和连接图

单台实验系统工作原理如图2所示。教学实验箱设置有自动和手动实验模式开关，拨动该开关进行自动和手动实验模式的切换。

图2 单台实验系统工作原理示意图

1.2 网络化设计

虚拟仪器技术是测试技术和计算机技术相结合的产物，融合了测试理论、仪器原理和技术、计算机接口技术、高速总线技术以及图形软件编程技术于一体，而测控系统网络化是当前测控技术的发展方向[10]。因此，将虚拟仪器技术和网络技术相结合可以实现远程测控功能，网络化的测控技术实验室，并已经得到了广泛应用[11-14]。

目前网络化虚拟仪器有两种组建模式[15]：(1) 即客户机/服务器模式(Client/Server,C/S)，适用于交互性强，实时性要求高，数据传输量大的程序；(2) 即浏览器/服务器模式(Browser/Server,B/S)，适用于模块性、事务性强，应用逻辑复杂，交互少，数据传输量小的程序。

考虑到系统的安全、工作效率、维护的便捷以及开放性等方面的要求，该实验系统选择3层C/S模式，即客户应用程序、服务管理程序和中间件。其中，中间件是一种介于客户端和服务器端之间的软件。DataSocket作为一种通信中间件，是NI公司专门针对测控领域开发的网络远程数据通信和控制服务器，以特定的协议进行网络通信，将网络通信的复杂性从客户端和服务器端分离出来，其最大的优点是良好的实时效果。

如图3所示，远程测控功能是客户端通过网络，远程控制测试系统(服务器端)，并进行数据通信，实现测试测量实验，达到远程教学的目的。

2 硬件组成

(1) 安装了模块和适配接口的PXIe机箱。安装了功能模块和适配接口的便携式PXIe机箱由12槽PXIe机箱、嵌入式零槽、其他功能模块和适配接口组成。在仪器选择方面，考虑到课程实验需要，选用了HTPXIe1061S 12槽便携式PXIe机箱、HTPXIe4810 嵌入式零槽控制器和其他功能模块。

便携式PXIe机箱有1个PXIe系统槽、1个定时槽和10个混合槽(可兼容3U的PXI-1、PXIe模块)，背板上每槽高达1GB/s的专用带宽。它基于PXIe总线架构，专为各种测量应用而设计，是一款12 槽3U PXIe/PXI 平台。

图3 实验系统网络化连接模式

嵌入式零槽控制器是整个实验系统的控制中心，通信接口为4路PCIe×4，Gen2，且向下自动兼容Gen1；采用酷睿I5双核处理器；具有DVI、USB、LAN等接口。它在实验系统中不仅担负着对测试数据的处理、显示和传输，而且也担负着对机箱内的各个功能模块进行资源配置和管理。

PXIe便携式机箱内还配置了其他功能模块，包括HTPXI4387A多功能数据采集卡、HTPXI3710 50MSPS任意波形发生器、双口隔离PXI-RS232转换卡、双口隔离PXI-RS422/RS485转换卡、PXI-4065六位半数字万用表和HTPXI3017多路复用/矩阵开关等，主要是实现信号产生、切换、采集和控制等功能。

适配接口用于PXIe机箱内模块与实验箱之间信号的转换和调理。适配接口提供了1个10/100/1000Base-TX自适应网口和2个USB2.0接口，这3个接口是HTPXIe4810嵌入式零槽控制器对应接口的延伸。通过该网口可以将多台实验系统互连，实现网络化。

(2) 教学实验箱。教学实验箱内部集成了温度传感器、光电传感器、直流电动机、固定连接器、万用表表笔插孔、各种实验用开关等装置，主要是为实验系统提供传感器、被测控设备，方便学生使用机箱内的功能模块进行温度、转速测量以及电动机驱动和控制等各种实验。

3 软件设计

3.1 软件体系架构

虚拟仪器设计及实现的核心是软件的开发。为实现软件的灵活性和可扩展型，该系统在开发系统软件的过程中采用了层次化思想。该系统的软件体系架构如图4所示，共分为4层，从上至下分为为应用软件、I/O控制服务、总线平台和功能模块。

图4 软件体系架构

(1) 应用软件层。使用正确的软件工具并通过设计或调用特定的程序模块，用户可以高效地创建自己的应用以及友好的人机交互界面。Lab Windows/CVI将功能强大的C语言与测控技术有机结合，是实现虚拟仪器及网络化仪器的快速途径，并已广泛应用[16-17]。该实验系统基于Window 7操作系统选用了主流的虚拟仪器软件开发平台Lab Windows/CVI 9.0，且编程语言选用C语言。

(2) I/O控制服务层。I/O控制服务层提供计算机与仪器硬件连接的I/O控制软件，该层为用户提供丰富的二次开发接口，方便用户按需求编写测试软件。该层采用模块化、开放的分层结构形式，其中包括资源管理平台、I/O通信接口、仪器功能接口以及基于IVI-COM的可互换虚拟仪器驱动。

资源管理平台用于总线接口的识别与发现、硬件设备的识别、发现、配置、复位和启动软面板。

I/O通信接口提供标准的GPIB函数库接口和标准的VISA函数库接口，用户可以使用GPIB和VISA标准库在CVI等开发环境中编程操作仪器设备。

仪器功能接口为数据采集、信号调理、开关、信号源等类型的功能模块提供一套通用的接口函数，并且支持多任务并行。

IVI驱动程序是IVI基金会为解决仪器互换而提出的仪器驱动规范标准，这里采用了应用更广泛、兼容性更好、使用更方便的IVI-COM形式。

(3) 总线平台层。总线平台用于实现主控计算机与功能模块的互连，它是基于PXIe的总线通信类模块，比如PXIe机箱、PXIe零槽控制器等。

(4) 功能模块层。功能模块是构建测控系统的核心组成部分，覆盖了基于信号源类、信号调理与数据采集类、开关类、万用表等诸多模块类型。

3.2 软件功能设计

该实验系统的测控实验组成如图5所示，主要分为基础性实验、工程应用类实验以及自主开发性实验等。基础性实验包括典型信号频谱分析、典型信号相关分析、典型信号的概率密度分析、数字滤波器实验等4个实验项目；工程应用类实验用于完成与测控技术课程相关的专业性实验，包括信号发生器、模拟信号的采集和输出、数字量的输入输出、计数器输入输出和串口调试助手等的设计与开发，还有环境温度测量、电动机转速测量、串口控制小型步进电动机、信号复用和切换和万用表实验等实验项目；自主开发性实验是指学生自主地进行设计、开发测控技术类的实验，比如网络化的远程测控、电子线路的测试与诊断实验等。

开发的网络化测控技术虚拟实验系统的软件主界面如图6所示。

图5 测控实验项目

图6 教学应用软件主界面

4 实验举例

4.1 模拟信号采集/输出实验

HTPXI4387A多功能数据采集卡具有32路16位分辨率的模拟量采集通道，4路16位分辨率的模拟量输出通道，2个32位定时器/计数器，32路静态数字I/O和16路可编程数字I/O。

下面以模拟信号采集/输出实验为例，利用HTPXI4387A多功能数据采集卡的模拟输出功能，产生正弦或三角波形，用HTPXI4387A的模拟输入进行采集，验证期望产生的波形正确与否。模拟信号采集/输出实验软件界面如图7所示。

图7 模拟信号采集/输出实验界面

4.2 环境温度测量实验

热敏电阻随温度上升电阻呈指数关系减小，具有负温度系数，灵敏度高。该实验系统教学实验箱上集成了10 kΩ(在25℃时)的负温度系数热敏电阻。当该热敏电阻温度在0～80 ℃温度范围内变化时，其阻值就在32.94～1.24 kΩ范围内变化，其两端的电压就在+8.56～+0.32 V范围内变化(恒流源输出0.26 mA的电流给热敏电阻供电)。

下面使用HTPXI4387A的模拟输入通道AI31采集热敏电阻输出的电压，通过查表就可以得到对应的温度值。环境温度测量实验软件界面如图8所示。

图8 环境温度测量实验界面

5 结 语

网络化实验室的建立不仅使实验室仪器资源得到了更加充分的利用，而且在提高教学水平的同时，大大节约了成本，提高了教学效率。基于PXIe总线的网络化测控技术实验系统，不仅功能强大、界面友好、成本低、扩展性好、使用维护方便，而且可以通过以太网，实现测控技术的网络化实验教学。该实验系统目前已经在本校的测控技术重点实验室中大量配备，很好地满足了测控技术与虚拟仪器、自动测试技术等课程相关测控技术实验需要。实践表明，该实验系统运行稳定，使用方便，易于扩展，应用前景良好。