虛擬儀器概述

計算機在測試和自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用，導(dǎo)致了儀器“驅(qū)動器”概念的誕生，驅(qū)動器又稱驅(qū)動程序。儀器驅(qū)動器是介于計算機與儀器硬件設(shè)備之間的軟件中間層，由函數(shù)庫、實用程序、工具套件等組成，是一系列軟件代碼模塊的統(tǒng)稱。它駐留在計算機中，是連接計算機和儀器的橋梁和紐帶。采用驅(qū)動器可以使計算機有能力控制物理儀器設(shè)備，隨著VXI、PXI等標(biāo)準(zhǔn)總線的出現(xiàn)，開創(chuàng)了測試系統(tǒng)發(fā)展的嶄新空間——虛擬儀器（Virtual Instruments）。虛擬儀器代表著從傳統(tǒng)硬件為主的測試系統(tǒng)到以軟件為中心的測試系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)變。

1 技術(shù)規(guī)范回顧

計算機在測試領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)歷了總線型儀器、PC儀器、虛擬儀器等不同的發(fā)展階段。伴隨著這一過程，儀器驅(qū)動器技術(shù)規(guī)范以通用性為基本出發(fā)點，儀器互換性和互操作規(guī)程性以及軟件移植性為根本指導(dǎo)原因，從最初的IEEE-488.2、SCPI（Standard Command for Programming Instrument）發(fā)展到現(xiàn)在的IVI-MSS（Measurement and Stimulus Subsystem）、IVI-Signal Interface,已經(jīng)走過了艱辛而漫長的歷程。它們建立在Windows操作系統(tǒng)驅(qū)動程序設(shè)計模式VxD和WDM（Windows Driver Model）之上，并融入了儀器操作的具體內(nèi)容。

1．1 IEEE 488.2

IEEE-488是1975年由IEEE發(fā)布的一個重要的儀器控制總線標(biāo)準(zhǔn)。IEEE-488.1定義了計算機和儀器之間的硬件接口規(guī)范；IEEE-488.2定義了TPS（Test Program Set）和儀器之間的軟件接口規(guī)范。IEEE-488.2規(guī)定了數(shù)據(jù)代碼和格式，用一組公用命令和協(xié)議定義了測試系統(tǒng)中控制器和儀器之間的通信標(biāo)準(zhǔn)，共有39條，這些命令提供了儀器的內(nèi)部管理功能。IEEE-488.2沒有嚴(yán)格的語義定義，同樣的功能不同廠商要用不同的命令來實現(xiàn)，而且這一標(biāo)準(zhǔn)儀適合于GPIB類儀器，通用性、互換性很差。

1.2 SCPI

IEEE-488.2沒有涉及為了提供測量和激勵所必需的命令。1990年，在IEEE-4888.2標(biāo)準(zhǔn)和IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)之上，制定了SCPI標(biāo)準(zhǔn)。它通過指定一組通用控制命令來實現(xiàn)對多類儀器的相同控制。在儀器功能嚴(yán)格匹配（如具有相同的精確度、測量范圍等）的前提下，可實現(xiàn)互換，擴展了儀器互換的空間。然而，這種互換性限制了儀器生產(chǎn)廠家對儀器功能的擴展，實用性差，加上SCPI編程的復(fù)雜性，通用性、互換性水平較低。

1.3 VPP

1993年，VPP（VXI Plug & Play）系統(tǒng)聯(lián)盟發(fā)布了VPP規(guī)范，該規(guī)范定義了系統(tǒng)的框架、軟件接口、軟件環(huán)境和儀器驅(qū)動器模型。它把與儀器的底層通信封裝成一些高層函數(shù)，執(zhí)行儀器的控制功能。VISA（Virtual Instrument Software Architecture）作為底層I/O庫，是這一時期的主要成果。它不區(qū)分儀器的種類，用一組通用函數(shù)實現(xiàn)驅(qū)動器功能，通用性得到了很大加強。然而，跟IEEE-488.2類似，VPP驅(qū)動器接口仍沒有嚴(yán)格的語義標(biāo)準(zhǔn)，儀器廠商可以根據(jù)自己的特長進行開發(fā)，這使得驅(qū)動器產(chǎn)品的接口不統(tǒng)一，儀器互換性仍沒有最終實現(xiàn)。

1.4 IVI

為了實現(xiàn)儀器互換和互操作，1998年成立了IVI（Interchangeable Virtual Instruments）基金會，討論開發(fā)可互換儀器驅(qū)動模型，旨在對硬件互換、運行性能、發(fā)展彈性、質(zhì)量保證等驅(qū)動器問題進行規(guī)范。

IVI模型是IVI基金會在VPP技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上制定的一種驅(qū)動器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。它通過定義類驅(qū)動器和專用驅(qū)動器（獨立的軟件層）并增加儀器儀真、狀態(tài)緩存、量程監(jiān)視等機制實現(xiàn)了部分通用儀器之間的互換，提高了測試程序的開發(fā)效率。

然而，面向儀器互換的虛擬儀器設(shè)計目標(biāo)，IVI模型仍然存在以下不足：

（1）只適合同類儀器的互換，不能實現(xiàn)不同類儀器或某些具備兩類、多類儀器功能的綜合性儀器之間的互換。

（2）IVI類驅(qū)動器只能統(tǒng)一某類儀器中80%的儀器功能，而其它20%功能只能通過專用驅(qū)動器來實現(xiàn)。

（3）可用標(biāo)準(zhǔn)較少。目前只完成了示波器、萬用表、函數(shù)發(fā)生器、多路開關(guān)等九種儀器的類驅(qū)動器的標(biāo)準(zhǔn)化。

（4）標(biāo)準(zhǔn)開放程度低。IVI模型只適合于通用儀器，比如萬用表等，而對某些專用儀器（如數(shù)據(jù)采集卡）不適用。

1．5 IVI-MSS

為了改進IVI模型存在的不足，IVI基金會開始制定IVI-MSS和IVI-Signal Interface規(guī)范，它們是在IVI模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，分別實現(xiàn)基于功能和信號的儀器互換操作。其中IVI-MSS于2001年2月發(fā)布，現(xiàn)已經(jīng)是成熟的規(guī)范，而IVI-Signal Interface尚待發(fā)布。

如圖1所示，基于IVI-MSS規(guī)范的虛擬儀器測試軟件共包括五部分。用戶應(yīng)用程序是IVI-MSS Solution的運行環(huán)境，它通過調(diào)用IVI-MSS Server提供的編程接口實現(xiàn)對儀器資源的訪問；IVI-MSS Server是獨立于測試儀器資源軟件層，它封裝了測試算法，對外提供面向測試功能需求的編程接口，該接口在被用戶應(yīng)用于程序調(diào)用時作為“角色”向用戶提供測試服務(wù)；RCM是連接IVI-MSS Server和儀器Driver的軟件層，在RCM內(nèi)部封裝了儀器訪問細節(jié)，對外提供RCM接口與IVI-MSS Server交互。RCM通過SCPI命令、VISA函數(shù)和IVI驅(qū)動器等實現(xiàn)對物理儀器的訪問。

IVI-MSS中IVI-MSS Solution作為一個獨立的軟件層，為儀器互換提供了解決方案；RCM由開發(fā)人員根據(jù)需求來定義，對于不同的測試需求，即使是同一測試器平臺，RCM也是不同的。在更換儀器后，只要提供與原始儀器功能相同或相當(dāng)?shù)腞CM，就可實現(xiàn)相同的測試功能，這樣大大拓展了儀器互換的空間。