学用DRVI可重构虚拟仪器实验平台.doc

个人收集整理 勿做商业用途实验一 学用DRVI可重构虚拟仪器实验平台一. 实验目的 通过本实验让学生了解虚拟仪器的概念和基于组件的装配式软件设计方法，掌握用DRVI可重构虚拟仪器平台进行计算机测试系统设计的方法. 二. DRVI可重构虚拟仪器实验平台简介1、概述DRVI可重构虚拟仪器实验平台是华中科技大学何岭松教授项目组和深圳市德普施科技有限公司联合开发出的一种自主知识产权的新型装配架构的虚拟仪器，其设计思想是按照汽车和PC机的装配式生产模式，将计算机虚拟仪器测试系统分解为一个软件装配底盘和若干实现独立功能的软部件模块.然后，根据测量任务需求，用软体底盘把所需的软部件模块装配起来，形成一个满足特定需求的测试系统.当测试任务发生变化时，对软体底盘上装配的软部件模块进行重新组合和装配就可以快速调整为另一个新的测量系统。DRVI的主体为一个带软件控制线和数据线的软主板，其上可插接软仪表盘、软信号发生器、软信号处理电路、软波形显示芯片等软件芯片组,并能与A/D卡、I/O卡等信号采集硬件进行组合与连接。直接在以软件总线为基础的面板上通过简单的可视化插/拔软件芯片和连线，就可以完成对仪器功能的裁减、重组和定制，快速搭建一个按应用需求定制的虚拟仪器测量系统。图1、虚拟仪器软件总线结构图2、软件安装和运行从光盘启动DRVI可重构虚拟仪器实验平台安装程序DRVISetup。exe（或从深圳市德普施科技有限公司网站下载该软件），运行该安装程序后出现如下界面，按提示进行软件安装，分别填写用户名、单位，并设定软件工作路径等参数，直至出现结束画面为止。安装完成后在WINDOWS桌面上出现图标，在程序组中出现DRVI，双击该图标就可以启动DRVI软件.图2、DRVI软件安装界面DRVI启动后点击红色箭头所示按钮从DRVI采集卡、运动控制卡,或网络在线进行注册登记，获取软件使用权限，然后就可以使用了。图3、DRVI软件运行界面3、插接软件芯片 DRVI通过在前面板上可视化插接虚拟仪器软件芯片来搭构虚拟仪器或测量实验.插接软件芯片的过程很简单,从软件芯片表中点击需要的软件芯片，将其添加到DRVI前面板上,然后在新插入的软件芯片上压下鼠标不放，将其拖动到合适位置.重复上述步骤，插入其它软件芯片。图4、用DRVI设计虚拟仪器插接在DRVI前面板上的虚拟仪器软件芯片的屏幕位置是可以移动和调整的,点击快捷工具条中的“移动软件芯片位置”图标，然后在待移动的软件芯片上压下鼠标不放,就可以将其拖动到新位置,从而实现屏幕布局的调整。4、DRVI软件总线的概念和软件芯片的连线 为实现虚拟仪器软件芯片间的数据交换，DRVI中设置了一组软件总线，包括256条Double型单变量数据线和32条Double型数组型数据线，可传输有效值等单变量数据，也可传输波形、频谱等数组数据。虚拟仪器软件芯片可以通过这组透明的数据总线进行数据传输和命令数据交换。任何两个虚拟仪器软件芯片只要连接在一条数据线上就可以在彼此间交换数据，就象在物理上用通讯线路连接在一起的节点间可以彼此交换数据一样.连线的方法是在软件芯片上点击右鼠标键，弹出该芯片的属性表，修改其中的连接数据线号就可以实现软件芯片间的连线。图5、虚拟仪器软件芯片的连线5、虚拟仪器设计样例：李沙育图形 图6、李沙育图形实验演示系统若将两路不同相位的同频正弦波信号分别作为X轴和Y轴信号输入XY信号示波器，其信号波形是一个椭圆，称为李沙育图形.在DRVI中设计李沙育图形很简单，用两片数字信号发生器芯片产生同频的正弦波信号，然后用一片旋钮芯片控制其中一个数字信号发生器芯片的相位，最后用一片X-Y曲线显示芯片显示李沙育图形就可以了。转动旋钮就可以产生出不同相位差的正弦波信号合成的李沙育图形。6、DRVI常用软件芯片表名称功能图标标签芯片标签芯片的作用是插入一条文字信息显示标签,以显示一些说明性文字。 另外它也可以与软件总线上的一条数据线相连，动态显示数据线上的数据值.箭头芯片箭头线的作用是在屏幕上绘制一条箭头线，用来指示芯片的工作顺序，或信号的流向.开/关类芯片开/关类芯片的作用是提供类似物理设备中开关的功能。它与一条数据线相连，可控制连接在该数据线上其他软件芯片启/停运行的目的. 按钮芯片按钮芯片的作用是：通过鼠标对此芯片图标的点击来向其他芯片发出一个单次运行的直接控制命令。数字输入类芯片数字输入类的作用是为用户提供物理旋钮、推杆功能类似的芯片.它与一条数据线相连，用户可以通过鼠标拖动来改变芯片上指针位置，调整数据线上的值，从而达到改变连接在该数据线上其他软件芯片工作参数的目的。单变量显示类芯片单变量显示类芯片的作用是提供类似温度计、表头的功能.它与一条数据线相连，数据线上数据的变化会使其示值同步变化. 波形/频谱显示芯片波形/频谱显示芯片的作用是在屏幕上用二维曲线方式显示所连接的数组型数据线上的波形或频谱数据，可通过调节控件大小来对显示曲线进行展缩。曲线组显示芯片曲线组显示芯片的作用是在屏幕上用二维曲线方式显示所连接的多条数组型数据线上的波形或频谱数据，在屏幕显示一组曲线.伪彩色图显示芯片伪彩色图显示芯片的作用是在屏幕上用伪彩色方式显示一组曲线，主要用于小波分析结果的显示.X-Y曲线显示芯片XY曲线显示芯片的作用是显示以X、Y方式同步输入的两条数组型数据线上的两通道信号所组成的信号波形，如轴心轨迹、李沙育图形等.数据采集类芯片数据采集芯片的作用是控制A/D卡或声卡进行信号采集。将挂接的传感器信号转化为数字量，并存放在连接的数组型数据线上。数据输出类芯片数据输出类芯片的作用是控制D/A卡或声卡进行信号输出。将连接的数组型数据线上的数据转化为模拟信号输出.信号发生器芯片信号发生器芯片用于产生软件模拟的标准信号波形数据，包括白噪声、正弦波、方波、三角波、拍波、线性扫频波、对数扫频波. 脚本类芯片脚本类芯片的作用是Signal VBScript写一段用户自定义功能的小程序,如生成特殊信号,某种特殊的信号分析方法等。波形参数计算芯片波形参数计算芯片作用是对连接的数组型数据线上的波形数据进行分析，计算信号的有效值、均值、方差等参数，计算结果输出到另一条数据线上。 相关系数计算芯片相关系数芯片作用是对所连接的两条数组型数据线上的波形数据进行相关分析，计算信号的自相关系数或互相关系数,结果输出到另一条数组型数据线上。 频谱运算芯片频谱运算芯片作用是对所连接的数组型输入数据线上的波形数据进行FFT变换，计算信号的实频/虚频、功率谱、幅频/相频，并将计算结果输出到两条数组型数据线上. FFT频谱校正芯片FFT谱校正芯片作用是对所连接的数组型输入数据线上的波形数据进行FFT变换和频谱校正，计算信号的实频/虚频、功率谱、幅频/相频，并将计算结果输出到两条数组型数据线（软件芯片)上. 概率密度/分布函数芯片概率密度/分布函数芯片的作用是：对所连接的数组型输入数据线上的波形数据进行概率密度或概率分布计算，并将计算结果输出到一条数组型数据线上。 谱窗函数芯片谱窗函数芯片的作用是在时域用窗函数(矩形、Hanning、Hamming、BlackMan、平顶窗）对信号进行截断和加窗，减小后续FFT频谱计算中的能量泄漏。 频谱细化分析芯片频谱细化分析芯片的作用是对选定的频率段进行局部放大,以更高的频率分辨率显示频谱的细节.倍频程分析芯片倍频程分析芯片的作用是采用FFT算法计算声音输入的声音信号/噪声信号的倍频程谱，显示倍频程谱。谱阵芯片谱阵芯片的作用是对一个长时间段的信号进行连续观测，分段计算信号的频谱,并以三维谱阵的方式显示,从而在一个长的观测时间段内以时-频联合分析的方法了解信号频率成分随时间的变化情况。 传递函数芯片传递函数芯片的作用是对所接收的系统激励信号和系统响应信号进行传递函数分析，计算信号的传递函数和相干函数。数字滤波类芯片信号数字滤波芯片的作用是提供一个和物理低通/高通/带通滤波器功能相似的芯片.对输入信号进行滤波，去除频率通带外的干扰频率成份。 包络检波芯片包络检波芯片的作用是用垂直滤波器对信号进行带通滤波和Hilbert变换方法，提取信号中的包络成分。 功率倒频谱芯片功率倒频谱运算芯片的作用是对所连接的数组型输入数据线上的波形数据进行FFT变换，计算信号的对数功率谱，然后再对其进行FFT变换，计算信号频谱的功率谱，分析信号频谱中的周期成分。 离散小波变换芯片离散小波变换芯片的作用是按照设定的小波滤波器系数对信号进行二进小波变换/正交小波变换/小波包变换,对信号进行小波分解。 AR模型分析芯片AR模型分析芯片的作用是对所连接的数组型输入数据线上的波形数据进行AR模型分析,计算AR模型系数和AR功率谱. 多自由度振动模型芯片多自由度振动模型芯片采用单输入、多输出N自由度振动模型对振动系统进行仿真.用户可以改变模型自由度数、激振力作用点位置、各节点质量、阻尼、刚度参数。用户可以通过外加的激振力对其激振，并测取系统的响应信号。网络数据采集芯片网络数据采集芯片的作用是通过网络获取网络上其他主机上运行的DRVI中数组型数据线上的数据，从而达到数据采集卡、传感器等硬件资源共享的目的。 网络命令发送芯片网络命令发送芯片的作用是通过网络向网上其它运行DRVI的主机发送直接软件芯片工作命令，驱动远端主机DRVI软件上插接的软件芯片工作，从而达到远程控制的作用。采样数据广播芯片采样数据广播芯片的作用是通过IP广播方式将数组型数据线上的测量数据发送到网络上，从而达到数据采集卡、传感器等硬件资源多人同时共享的目的。广播数据接收芯片广播数据接收芯片的作用是接收网络上其它DRVI主机广播的测量数据，进行远程分析。定时器芯片定时器芯片的作用是产生一个指定时间间隔的周期性事件，并在事件中发出直接软件芯片驱动命令，从而达到定期控制DRVI中软件芯片工作的目的。 三. 实验内容1. 设计一个李沙育图形实验演示系统，显示两路正弦波信号在不同相位差下的李沙育图形。2. 设计一个李沙育图形实验演示系统，显示两路正弦波信号在不同频率差下的李沙育图形。四. 实验仪器和设备3. 计算机 1台4. DRVI快速可重组虚拟仪器平台 1套5. 打印机 1台五. 实验步骤及内容1. 运行DRVI主程序，点击DRVI快捷工具条上的联机注册”图标,选择其中的“DRVI采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。2. 从芯片表中拖拉软件芯片到软件面板上,熟悉软件芯片的放置、移动、连线和删除操作；然后采用DRVI上的软件芯片搭建一个李沙育图形实验演示系统。3. 将设计完成的虚拟仪器实验系统存盘保存.六. 实验报告要求1. 简述实验的目的及原理。2. 拷贝实验系统运行界面,插入到Word格式的实验报告中，并附上所设计的虚拟仪器脚本文件，用Winzip压缩后通过Email上交实验报告。七. 思考题1. 什么是虚拟仪器,其本质特征是什么?2. 什么是基于组件的应用软件开发，它和传统的基于编程语言的应用软件开发有什么区别和特点？3. 简述DRVI可重构虚拟仪器平台的工作原理。八. 附录:基于管道组件的装配式虚拟仪器为提高软件开发效率，许多大型应用软件开发中采用了基于软件组件的开发方式。将组件用作软件开发中的积木，以搭积木的方式装配软件系统,缩短软件开发周期，降低维护成本.该技术使应用程序开发由“程序=主程序+子程序”演变为“程序=构件+构件组装,程序开发重心从编写代码转移到组件装配。虚拟仪器组件的种类很多，组件接口形式随组件的功能变化很大,给组件装配接口的描述和装配平台的设计带来较大困难.在深入研究的基础上,我们针对虚拟仪器测量系统特点对组件化开发技术进行了简化,提出一种简明的用测量数据管线装配的虚拟仪器模型。图7是基于管道组件的虚拟仪器软件架构管道（DRVI中解释为数据线）是计算机进程间通信的一种方法。创建管道的进程称为管道服务器,连接到管道的进程称为管道客户机。连接在管道两端的进程可以通过管道传递数据，一个进程向管道中写入数据后，另一进程就可以从管道的另一端将其读取出来.管道组件是用管道功能作为输入输出接口的软件模块，模块间用管道连接就可以形成一个管道组件链.每个管道组件接受前一组件的输出作为输入，一直到达管道的末端并产生最终输出为止.基于管道组件的软件开发将一个复杂的软件系统分解成很多相对独立的模块和处理步骤，每个模块和步骤只完成一项简单任务.管道组件技术提高了程序的模块化程度，简化了程序的开发工作，用户只需要很少的配置文件设置工作就可以快速集成应用系统.管道组件具有自描述、自组织和自运行的特点，通过管道将标准化接口的管道组件连接在一起，它们就可以自动构成应用系统，并在管道中数据流的驱动下运行.系统中个体管道组件的行为很简单，从前一管道接收输入命令进行工作,然后将处理结果从后一管道输出；但简单行为的个体管道组件通过管道集合在一起则可以对外体现出复杂的系统特征，也就是说可以构造出不同的测量应用。图8 内嵌管道的组件模型输入运算输出图8是我们提出的管道组件模型，该模型由三部分组成，第一部分是用于与前一组件管道相连的数据输入端子，第二部分是组件的工作主体，第三部分是用于发送数据和提供连接插口的内嵌管道.数据输入端子以客户机方式连接到前一组件的管道输出插口，接收分析数据;作为工作主体的运算部分对收到的数据进行加工处理,然后将处理后的数据写入内嵌的管道；内嵌管道收到数据后则广播给插接在该管道上的后续组件。描述信息图9管道组件装配描述为便于管道组件的装配,我们采用可扩展标记语言XML对管道组件进行装配描述，其结构如图9所示。其中组件名称是用英文缩写表示的组件标识，Describe为组件的功能描述；Position为组件位置，PipeIn为连接的输入管道，PipeOut为组件内嵌的输出管道。管道组件装配代码作用就象DOS下的批处理文件一样，装配代码解释程序顺序读取XML格式装配文档中的管道组件装配描述块，提取连接参数，然后用管道对它们进行连接、组织和构形，组件间通过管道自组织在一起，形成一个具有特定功能的测量系统。