虛擬儀器驅動器綜述

摘要：驅動器是連接虛擬儀器物理硬件和測試應用程序的橋梁和紐帶,回顧了虛擬儀器驅動器技術規(guī)范的發(fā)展歷程。在分析規(guī)范的基礎上給出了兩種驅動器設計類型,預測了其今后的發(fā)展趨勢。分析了驅動器發(fā)展過程中的相關支撐技術,論述了我國的研究現(xiàn)狀,指出基于組件技術的信號型驅動器設計是虛擬儀器驅動器的發(fā)展方向。

    關鍵詞：虛擬儀器 驅動器 信號接口 COM 軟件工程

計算機在測試和自動化領域中的應用,導致了儀器“驅動器”概念的誕生,驅動器又稱驅動程序。儀器驅動器是介于計算機與儀器硬件設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。采用驅動器可以使計算機有能力控制物理儀器設備,隨著VXI、PXI等標準總線的出現(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)的根本性轉變。

1 技術規(guī)范回顧

計算機在測試領域的應用經歷了總線型儀器、PC儀器、虛擬儀器等不同的發(fā)展階段。伴隨著這一過程,儀器驅動器技術規(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,已經走過了艱辛而漫長的歷程。它們建立在Windows操作系統(tǒng)驅動程序設計模式VxD和WDM（Windows Driver Model）之上,并融入了儀器操作的具體內容。

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準。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準,共有39條,這些命令提供了儀器的內部管理功能。IEEE-488.2沒有嚴格的語義定義,同樣的功能不同廠商要用不同的命令來實現(xiàn),而且這一標準儀適合于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標準和IEEE-754標準之上,制定了SCPI標準。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廠家對儀器功能的擴展,實用性差,加上SCPI編程的復雜性,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)驅動器功能,通用性得到了很大加強。然而,跟IEEE-488.2類似,VPP驅動器接口仍沒有嚴格的語義標準,儀器廠商可以根據自己的特長進行開發(fā),這使得驅動器產品的接口不統(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)可互換儀器驅動模型,旨在對硬件互換、運行性能、發(fā)展彈性、質量保證等驅動器問題進行規(guī)范。

IVI模型是IVI基金會在VPP技術規(guī)范基礎上制定的一種驅動器設計標準。它通過定義類驅動器和專用驅動器（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計目標,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動器來實現(xiàn)。

（3）可用標準較少。目前只完成了示波器、萬用表、函數(shù)發(fā)生器、多路開關等九種儀器的類驅動器的標準化。

（4）標準開放程度低。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。用戶應用程序是IVI-MSS Solution的運行環(huán)境,它通過調用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,該接口在被用戶應用于程序調用時作為“角色”向用戶提供測試服務;RCM是連接IVI-MSS Server和儀器Driver的軟件層,在RCM內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?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。

1．6 IVI-Signal Interface

2000年,IVI基金會的Signal Interface工作組在TYX公司和HP公司的領域下開始制定IVI-Signal Interface標準。它基于COM（Component Object Model）技術,是一系列COM組件的統(tǒng)稱。

在IVI-MSS模型基礎上發(fā)展起來的IVI-Signal Interface標準把原先的儀器控制命令轉化為測試信號的需求,把IVI-MSS Server功能接口進一部封裝形成IVI-Signal Interface信號接口。這克服了“面向儀器”的TPS開發(fā)中存在的弊端,實現(xiàn)了更高層閃的儀器互換。信號接口的標準化增強了不同廠商儀器之間的互操作性,方便了代碼移植。同時,為儀器驅動器開發(fā)帶了巨大商機,提高了IVI信號組件的開發(fā)效率和質量,有很看好的應用前景。

綜上,當前占主導地位的驅動器設計規(guī)范主要有兩種：VPP規(guī)范和IVI系列規(guī)范。兩種驅動器開發(fā)規(guī)范的共同點是均建立在IEEE 488.2和SCPI命令以及VISA庫之上,都包括接口和內部實現(xiàn)兩部分。不同點是前者已發(fā)展成熟,它以儀器本身的特征應用于為中心,是功能驅動的,多由儀器生產商朝代,接口沒有嚴格的語義標準,實現(xiàn)了儀器的即插即用,沒有實現(xiàn)儀器互換和軟件移植等功能;而后者建立在VPP之上,正入在發(fā)展完善之中,它面向UUT的測試需求,是需求驅動的,由測試系統(tǒng)集成人員或第三方軟件開發(fā)人員編寫,接口有嚴格的語義標準,部分地實現(xiàn)了儀器互換性和軟件移植性,并最終向著完全實現(xiàn)而努力。目前VPP規(guī)范已被多數(shù)廠家所采納進行自己產品的驅動器開發(fā),因此將在未來很長的一段時間內占統(tǒng)治地位。但由于它在解決儀器互換性總題上無能為力,隨著IVI系列規(guī)范的進一步完善,必將被其替代。

2 驅動器開發(fā)

根據以上驅動器設計規(guī)范發(fā)展回顧及分析可知,驅動器開發(fā)也分為兩種類型：基于VPP規(guī)范的即插即用型驅動器開發(fā)和基于IVI系列規(guī)范的互換型驅動器開發(fā)。

2．1 即插即用型驅動器開發(fā)

開發(fā)基于VPP規(guī)范的即插即用型驅動器的過程分為兩步。第一是儀器驅動器外部接口的設計,它表示儀器驅動器如何與外部軟件接口,通常提供兩種方式的接口：程序式開發(fā)接口和圖形軟面板。軟件開發(fā)者通過程序式開發(fā)接口可以理解每個儀器驅動器函數(shù)的功能以及在應用程序中如何調用每個函數(shù)、另一種接口方式是圖形化軟面板,通過這一軟面板可以直接操作控制物理儀器。第二是要完成儀器驅動器的內部模塊設計,實現(xiàn)儀器的硬件功能。使用程序式開發(fā)接口的用戶了解了這一功能,可以在應用程序中直接應用這些模塊,而不必通過軟面板操作。

要完成第一項工作應選用界面編輯功能較強的編程環(huán)境,減少儀器軟面板的開發(fā)時間;第二項工作通過調用VISA I/O庫中的函數(shù)來完成,編程語言按照VPP規(guī)程可以選用ANSI C、BASIC或者Ada等。選用合適的圖形軟件工具可以把這兩部分工作集成到一個環(huán)境下完成,省去兩部分的連接工作,例如NI公司的可視化軟件平臺LabWindows/CVI。CVI開發(fā)環(huán)境中兩部分組成：用戶界面設計器和源代碼編程器。

2.互換型驅動器開發(fā)

與即插即用型驅動器類似,基于IVI系列規(guī)范的互換型驅動器開發(fā)也包括兩部分。第一是分析測試系統(tǒng)的功能需求,以功能或信號的形式分類定義驅動器組件的接口。這些接口是對UUT測試需求的描述,有嚴格的主義標準,將不隨儀器種類和軟件類型而改變,是標準的,通用的。第二是驅動器組件接口的內部實現(xiàn),它被封裝在組件內部,可以根據具體的開發(fā)工具和編程人員特長來開發(fā),是非標準的、特殊的。

對于基于IVI系列規(guī)范的驅動器開發(fā),目前還沒有專業(yè)的、IVI基金會指定的開發(fā)工具。但由于其采用COM技術,因此可以使用任何支持組件開發(fā)的編程平臺進行開發(fā)。設計人員在理解技術規(guī)范的基礎上可以利用現(xiàn)有的圖形化編程工具（比如VC++、VB等）進行設計。

需要說明的是,IVI是介于VPP和IVI-MSS之間的一個過渡性規(guī)范,它既有IVI-C的C語言形式,也有基于COM的IVI-COM組件形式,并且接口的嚴格語義標準目前只發(fā)布了八類儀器的技術規(guī)范,因此可以根據具體情況選用相應工具進行開發(fā)。

3 發(fā)展趨勢

（1）信號型驅動器

由前面對IVI-Signal Interface標準的介紹可知,信號型驅動面向UUT的測試需求,是需求驅動的,符合當前微型計算機體系結構發(fā)展趨勢,而且實現(xiàn)了更高層次的儀器互換和互操作,通用性好。隨著面向信號的商業(yè)化虛擬儀器和互操作,通用性好。隨著面向信號的商業(yè)化虛擬儀器軟件開發(fā)平臺的不斷涌現(xiàn),如PAWS、ATLAS 2K等,迫切需要給出標準化的軟件開發(fā)平臺與底層硬件模塊之間的接口,而信號型驅動器恰好實現(xiàn)了面向信號的TPS開發(fā)平臺與底層硬件模塊的完美對接�；�于以上分析,信號驅動器將是虛擬儀器驅動器設計標準發(fā)展的必然結果。

（2）網絡化驅動器

網絡的普及給各個行業(yè)都帶來了巨大沖擊,測試領域也不例外,網絡化虛擬儀器和儀器網絡化現(xiàn)已成為當前測試技術的一個研究熱點。而要想實現(xiàn)遠程控制儀器就必須提供儀器設備的網絡化驅動器或在現(xiàn)有儀器驅動器的基礎上添加網絡化功能。基于此,VXI聯(lián)盟（VXI Consortium）提出了VXI-11規(guī)范,這個規(guī)范主要是對IEEE-488總線的擴展,也就是通過TCP/IP發(fā)送IEEE-488總線命令。該擴展的目的在于實現(xiàn)遠端的客房端通過網絡與現(xiàn)場儀器通信并完成測試任務,并且對用戶來講好像在本地使用儀器一樣。隨著虛擬儀器技術和網絡技術的發(fā)展,網絡化驅動器將取得更大的發(fā)展空間。

（3）VISA兼容更多的接口類型

計算機接口技術不斷發(fā)展,涌現(xiàn)了許多商業(yè)化PC總線,如USB、Ethernet等,這也是影響虛擬儀器發(fā)展的關鍵技術之一。由于這些總線最初是為網絡PC和連接PC外設而設計的,要更方便地控制儀器,這些總線需要軟件構架來簡化通信并與其他一起控制標準兼容。因此,需要對虛擬儀器驅動器標準框架VISA進行擴展。

（4）與商業(yè)TPS開發(fā)平臺“即插即用”

驅動器是連接計算機和物理儀器的中間環(huán)節(jié),是虛擬儀器開發(fā)的重要資源,當前的TPS開發(fā)平臺向著集成、高效、商家壟斷方向發(fā)展,如HP公司的VEE、NI公司的LabVIEW、LabWindows/CVI等。為了擴展自己的市場空間和便于用戶開發(fā)使用,虛擬儀器硬件設計廠商或第三方軟件開發(fā)單位應該提供與這些商業(yè)開發(fā)平臺“即插即用”的驅動器。同時,為了加強合作和簡化集成,商業(yè)TPS開發(fā)商也應該給出與自己平臺兼容的驅動器設計標準并提供相關技術支持。

（5）源代碼級開放式結構

當前,從源代碼開放的角度來講,虛擬儀器設計領域存在三種驅動器類型：封閉黑盒型,封裝型和開放源代碼型。其中封閉黑盒型不提供對源代碼的訪問,不具備擴展和編寫儀器新功能的能力;封裝型驅動可作為驅動器二次開發(fā)的原始接口或封裝器;而開放源代碼型驅動原生于相應的開發(fā)環(huán)境,提供對源代碼的完全訪問權限,經過優(yōu)化和改進后能易于使用并具有集成的靈活性,能讓開發(fā)人員定制自己的功能需求,把開發(fā)觸解伸向了儀器設備的心臟地帶。

虛擬儀器的一個重要特點是硬件的功能由軟件來定制,而從某種層面上講,驅動器是儀器功能的描述和表達。當前多種儀器硬件模塊開發(fā)廠商在發(fā)布自己的產品時,都把驅動器作為“黑盒子”來發(fā)布,這不利于客戶定制自己需要的功能和進行二次開發(fā)。另一方面,由于軟件開發(fā)換代相當迅速,這也給驅動器開發(fā)提供了新的要求�，F(xiàn)在多數(shù)儀器驅動在向.NET平臺移植時都存在各種各樣的困難,而驅動器源代碼級開放是解決這些總是的前提,不僅如此,開放源代碼型驅動還能簡化與儀器硬件的連接,使開發(fā)人員不僅是驅動器的使用者而且是擁有者,因此,儀器驅動器采用開放源代碼式結構將是一個重要的發(fā)展方向。

（6）可視化配置操作

可視化與完備的人機交互能力是現(xiàn)場代軟件開發(fā)的基本要求,作為虛擬儀器核心的驅動器在這方面應能滿足客房的更高的需求。把軟件開發(fā)人員從繁重的代碼編寫任務中解脫出來,而把主要精力放在測試功能的實現(xiàn)上是驅動器設計迫切需要解決的問題。將儀器連接配置、編寫測試代碼、測試任務的組合設定等繁瑣工作轉變成好人機界面下的鼠標操作,必將簡化虛擬儀器系統(tǒng)的集成開發(fā)。為此,在驅動器設計領域出現(xiàn)了虛擬資源、虛擬通道等概念。它們把物理資源和通道的信息（比如量程、端口配置等）進行封裝,通過友好的界面與開發(fā)人員進行信息互交,實現(xiàn)了儀器控制的可視化配置操作。

    （7）拓展應用空間

儀器驅動器是計算機控制物理儀器設備的中間環(huán)節(jié),隨著虛擬儀器的不斷發(fā)展,這一思想也拓展了嶄新的發(fā)展空間。驅動器越來越多地以“服務”的形式為測試程序提供功能調用。如IEEE 1451.4標準給模擬傳感器定義了電子數(shù)據表格并內嵌于其中,測試系統(tǒng)或TPS開發(fā)平臺可以通過模擬傳感受器提供的數(shù)字接口讀取電子數(shù)據表中的數(shù)據并對其進行配置,這在一定意義上也是驅動器應用的新領域。使用基于IEEE 1451.4設計的智能傳感器可以簡化傳感器的連接過程,實現(xiàn)傳感器的“即插即用”和自動配置。ISP（Programmable in-system）技術在電子設計自動化領域得到了廣泛應用,基于此,NI公司提出的RIO（Reconfiguration I/O）技術完成了物理儀器的在線可編程控制,實現(xiàn)了用戶自定義硬件,是儀器驅動器概念的升華。

4 關鍵技術

（1）COM技術

COM技術的核心是組件,組件是可以明確辨識和管理、可以提供某項服務的自包含的軟件模塊。它封裝了一定的數(shù)據（屬性）和方法（函數(shù)）,并提供特定接口。開發(fā)人員通過訪問這些特定接口來使用組件,與其它程序模塊通信、交互,實現(xiàn)預期功能。組件是實現(xiàn)儀器驅動器語言、平臺無關和網絡位置透明的關鍵技術。

基于組件技術的驅動器模塊通過標準接口與其它軟件模塊通信,各個組件就像掛在“中總線”上一樣通過公共通道傳遞信息。基于此,編程人員可以象“搭積木”似的開發(fā)自己的測試程序。更換儀器后,只要驅動器接口不變就不用更改測試程序。使用驅動器組件得儀器模擬的互換性、測試軟件的開放性和可重用性得到了根本保證,同時實現(xiàn)了軟件開發(fā)和應用的不斷“迭代和增量”過程。

（2）多線程技術

同步、觸發(fā)、時序操作是儀器控制的客觀要求,而多線程技術是滿足這一要求的關鍵技術。Windows操作系統(tǒng)是一個多任務、多線程操作系統(tǒng),實行的是搶先式、多任務工作模式。在Windows環(huán)境中,每一個測試項目可以由一個線程來代表,這意味著一個測試程序可以同時完成多個測試任務。在多線程招待中系統(tǒng)會根據線程的優(yōu)先級和同步要求分配時間單元用于執(zhí)行多個線程,這樣實現(xiàn)了多任務分時占用CPU,可在一個段時間內并行完成多個測試任務。多任務、多線程之間通過同步、通信（如共享內存映射文件、訪問共享數(shù)據以及使用同一消息隊列等）以實現(xiàn)復雜的測試、控制邏輯。

（3）引擎技術

測試程序的儀器操作過程是TPS利用驅動器控制硬件儀器的過程。為了優(yōu)化這一控制過程,需要引擎技術,把軟件代碼的控制需求轉變成實際的物理儀器操作。測試中用到的最多的同步、觸發(fā)功能,若有多個同步步驟需要連接、高速觸發(fā),在這樣的情況下,僅需要測試碼去控制是很難滿足需求的。為此,可以設計基于引擎技術的同步觸發(fā)引擎,把測試需求編程一定的序列輸入到相應的同步觸發(fā)引擎中。依據測試程序的執(zhí)行自行觸發(fā)這一序列,將大大提高測試效率,滿足更高的測試速率要求,使測試程序具有自主觸發(fā)和時鐘路由能力。另外,隨著便攜式、模塊化、嵌入式實時環(huán)境對虛擬儀器的要求越來越迫切,還需要開發(fā)驅動器在這些不同環(huán)境下的運行時引擎,以滿足各種需求。綜上,引擎技術在測試領域中有很大的發(fā)展空間,應倍加重視。

（4）軟件工程技術

儀器驅動器是對物理儀器的功能描述,軟件工程技術將能保證驅動器設計的功能完備性。1997年由OMG（Object Management Group）發(fā)布的統(tǒng)一建模語言（UML,unified modeling language）和統(tǒng)一軟件開發(fā)過程是軟件工程領域中的重要成果,標示著面向對象技術走向第二代。UML支持從系統(tǒng)需求分析到詳細設計再到系統(tǒng)的驗證測試的全部過程,當出現(xiàn)問題時提供跟蹤機制。使用UML會幫助設計人員在建造驅動器框架中理解模型,把握儀器的全貌和功能、部件之間的聯(lián)系,防止過早地陷入各個模塊細節(jié)中去,有利于提高驅動器軟件的質量,縮短研制周期,降低開發(fā)費用。統(tǒng)一軟件開發(fā)過程是用戶驅動、以架構為中心、不斷迭代和增量過程。基于這一過程,可以設計出功能完備、接口標準、易于升級換代的驅動器。

5 國內現(xiàn)狀

我國在虛擬儀器驅動器研究方面取得了一定的進展：成都電子科技大學開發(fā)出了具有自主知識產權的VISA庫;哈爾濱工業(yè)大學電氣工程系開發(fā)的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺—ATS95可以實現(xiàn)對VXI、GPIB等總線接口的控制;成都市1所在引起PAWS平臺的同時也對面向信號的驅動器設計和平臺開發(fā)做了一定研究等等。但由于我國介入虛擬儀器研究比較晚,在硬件模擬方面沒有自己上規(guī)模、成系列的產品,導致了測試軟件沒有全面發(fā)展,很多關鍵技術仍處于起步階段,在驅動器設計方面沒有自己知識產權的技術規(guī)范和相關產品,仍需要很長的路要走。鑒于此,我們應該在以下方面進行努力：（1）開發(fā)自己的總線控制器,占領域虛擬儀器技術的心臟地帶;（2）設計各種儀器模塊產品并形成系列化,降低虛擬儀器系統(tǒng)的集成成本;（3）設計完備成熟的VISA庫,把握自己的知識產權;（4）開展面向信號的驅動器技術研究,與國際接軌,深入研究虛擬儀器核心技術。