嵌入式软件测试平台环境

5.基于虚拟仪器的嵌入式软件测试

虚拟仪器概念

虚拟仪器(Virtual Instrumentation，简称VI)是基于计算机的仪器，其实质是充分利用计算机来实现和扩展传统仪器的功能。它在计算机的显示屏上虚拟传统仪器面板，并尽可能多地将原来由硬件电路完成的信号调理和信号处理功能，用计算机程序来完成。这种硬件功能的软件化，即“软件就是仪器”，是虚拟仪器的一大特征。操作人员在计算机显示屏上用鼠标和键盘控制虚拟仪器程序的运行，就像操作真实的仪器一样，在有足够的硬件支持下对信号进行采样，在离线条件下，经软件处理而得到测量结果，从而完成测量和分析任务。

虚拟仪器技术是在PC技术的基础上发展起来的，所以完全继承了以现成即用的PC技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件I/O，在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势：

虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器，组织仪器系统，将传统仪器中由硬件电路实现的功能通过软件来实现，进而逐步代替仪器完成某些功能，最终达到取代传统仪器的目的。虚拟仪器中的硬件主要完成数据的输入与输出，真正实现测量功能的是PC上的软件。因此，虚拟仪器技术的关键在于软件。虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。虚拟仪器软件平台为所有的I/O设备提供了标准的接口，能够帮助工程师轻松地将多个测量设备集成到单个系统，减少了任务的复杂性。

虚拟仪器硬件组成方案

1）PCI总线。PCI总线技术通过插入计算机内的板卡(图像采集卡、信号采集卡等)与专用的软件，如LabVIEW、LabWindows/CVI、或通用编程工具Visual C++和Visual Basic等等相结合，它可以充分利用PC机或工控机内的总线、机箱、电源及软件的便利。该类虚拟仪器曾有ISA、PCI和PCMCIA总线等，但目前ISA总线的虚拟仪器已经基本淘汰，PCMCIA结构连接强度太弱的限制影响了它的工程应用，而PCI总线的虚拟仪器目前广为应用。但是该类虚拟仪器总线技术受到普通PC机机箱结构和总线类型限制，并且存在电源功率不足，还有机箱内部的噪声电平较高，插槽数目较少，插槽尺寸小，机箱内无屏蔽等缺点。

2）并行口总线。并行口式虚拟仪器。该类型的虚拟仪器是一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常灵活。由于其价格低廉、用途广泛，适合于研发部门和各种教学实验室应用。

虚拟仪器硬件组成方案-1

1）PCI总线。PCI总线技术通过插入计算机内的板卡(图像采集卡、信号采集卡等)与专用的软件，如LabVIEW、LabWindows/CVI、或通用编程工具Visual C++和Visual Basic等等相结合，它可以充分利用PC机或工控机内的总线、机箱、电源及软件的便利。该类虚拟仪器曾有ISA、PCI和PCMCIA总线等，但目前ISA总线的虚拟仪器已经基本淘汰，PCMCIA结构连接强度太弱的限制影响了它的工程应用，而PCI总线的虚拟仪器目前广为应用。但是该类虚拟仪器总线技术受到普通PC机机箱结构和总线类型限制，并且存在电源功率不足，还有机箱内部的噪声电平较高，插槽数目较少，插槽尺寸小，机箱内无屏蔽等缺点。

2）并行口总线。并行口式虚拟仪器。该类型的虚拟仪器是一系列可连接到计算机并行口的测试装置，它们把仪器硬件集成在一个采集盒内。仪器软件装在计算机上，通常可以完成各种测量测试仪器的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器。它们的最大好处是可以与笔记本计算机相连，方便野外作业，又可与台式PC机相连，实现台式和便携式两用，非常灵活。由于其价格低廉、用途广泛，适合于研发部门和各种教学实验室应用。

3）GPIB总线。通用接口总线(General Purpose Interface Bus，GPIB)技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。GPIB也称HPIB或IEEE488总线，是由HP公司于1978年制定的总线标准，是传统测试仪器在数字接口方面的延伸和扩展。该类虚拟仪器可以说是虚拟仪器早期的发展阶段，也是虚拟仪器与传统仪器结合的典型例子。它的出现使电子测量从独立的单台手工操作向大规模自动测试系统发展。利用GPIB技术实现计算机对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，主要应用于控制高性能专用台式仪器，适合于精确度要求高的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。

4）VXI总线。VXI(VME extension for Instrumentation)总线是一种高速计算机总线VME总线在VI领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，VXI系统的组建和使用越来越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合，有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建VXI总线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。目前这种类型也有逐渐退出市场的趋势。

5）PXI总线。PXI(PCI extension for Instrumentation)总线方式是在PCI总线内核技术基础上增加了成熟的技术规范和要求形成的。包括多板同步触发总线的技术，增加了用于相邻模块的高速通讯的局域总线。PXI具有高度可扩展性，PXI具有多个扩展槽，通过使用PCI—PCI桥接器，可扩展到256个扩展槽，对于多机箱系统，现在则可利用MXI接口进行连接，将PCI总线扩展到200米远。而台式机PCI系统只有3-4个扩展槽，台式PC的性能价格比和PCI总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。

6）外挂型串行总线虚拟仪器。这类虚拟仪器是利用RS－232总线、USB总线等目前PC机提供的一些标准总线，可以解决基于PCI总线的虚拟仪器在插卡时都需要打开机箱等操作不便，以及PCI插槽有限。同时，测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁。而且，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响，故外挂式虚拟仪器系统成为廉价型虚拟仪器测试系统的主流。

7）网络化虚拟仪器。现场总线、以太网和Internet，为了共享测试系统资源，提供了支持。工业现场总线是一个网络通讯标准，它使得不同厂家的产品通过通讯总线使用共同的协议进行通讯。现在，各种现场总线在不同行业均有一定应用；工业以太网也有望进入工业现场，应用前景广阔；Internet已经深入各行各业乃至千家万户。通过web浏览器可以对测试过程进行观测，可以通过Internet操作仪器设备，能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN(Measurement and Control Networks)方面的标准已经取得了一定进展。