基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬儀器的研究與設(shè)計策略

以工控計算機和PC為平臺的虛擬儀器系統(tǒng)長期以來充當著智能測試系統(tǒng)的平臺。隨著后PC時代的來臨，業(yè)界對儀器的個性化和小型化要求越來越高。

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和普及應(yīng)用使得基于單板計算機和功能板卡的嵌入式儀器成為構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)的新思路。本文介紹了應(yīng)用基于PC-104的嵌入式主板和功能板卡構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 引言

　 計算機及其接口技術(shù)的發(fā)展和傳統(tǒng)測試測量儀器系統(tǒng)暴露出來的不足，使得基于計算機的虛擬儀器設(shè)備越來越成為測試測量儀器的主導(dǎo)。虛擬儀器系統(tǒng)以其平臺通用性、可擴充、易升級和高度的智能性獲得了廣泛的工業(yè)應(yīng)用。在PC和工業(yè)控制計算機中插入基于PC總線（ISA，PCI）的數(shù)采板卡構(gòu)成硬件系統(tǒng)，編寫Windows系統(tǒng)平臺的驅(qū)動程序和軟面板實現(xiàn)軟件功能，成為業(yè)界的主要解決方案。

　 但是在野戰(zhàn)和惡劣環(huán)境下測試任務(wù)的實踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)基于PC或工控機的虛擬儀器暴露出很多問題，如：體積大，不便于攜行；插卡式結(jié)構(gòu)，接觸易松動、不緊固；以機械硬盤為主要存儲介質(zhì)，抗震性能差等等。

　 以32位嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)為特征的嵌入式計算平臺使計算進入了后PC時代。嵌入式系統(tǒng)的小體積、高可靠能夠滿足實現(xiàn)野戰(zhàn)和惡劣環(huán)境下的便攜虛擬儀器的需要。基于嵌入式計算平臺，設(shè)計虛擬儀器系統(tǒng)成為構(gòu)建測試系統(tǒng)的新思路。

　 通過構(gòu)建基于PC104總線嵌入式計算平臺，加入儀器卡及其功能程序，我們實現(xiàn)了針對雷達電子裝備的多種測試儀器。構(gòu)建基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬儀器需要解決的技術(shù)問題集中在系統(tǒng)平臺的構(gòu)建、接口和驅(qū)動程序的設(shè)計以及軟面板設(shè)計等方面。

　 2 硬件系統(tǒng)組成

　 硬件系統(tǒng)包括嵌入式主板、儀器功能板、Flash存儲介質(zhì)（DOC或CF卡）、液晶顯示屏、觸摸屏和信號接口等。如圖1所示。其中液晶顯示屏、觸摸屏實現(xiàn)人機交互，信號接口用于耦合測試信號、嵌入式主板作為控制和計算單元，儀器功能板實現(xiàn)具體儀器的功能。

　 圖1. 系統(tǒng)硬件組成圖

圖1中部件按疊放的順序依次為觸摸屏、液晶顯示屏、PC104主板、示波器卡、萬用表卡

　 功能板卡和嵌入式主板之間通過PC104總線以疊棧的方式實現(xiàn)機械和電氣的互連。采用這種方式有如下好處：

　 1. 電氣接觸高度緊密。電路板技術(shù)'>電路板之間通過多排插針深入連接，比ISA和PCI的插槽連接要緊密得多。

　 2. 機械結(jié)構(gòu)牢固。電路板之間用四個螺柱緊緊相連，使得板卡之間的機械連接非常牢固，不會存在晃動現(xiàn)象。

　 3. PC104插針的電氣特性與ISA完全兼容，PC104 Plus插針的電氣特性與PCI完全兼容，使得基于ISA或PCI總線設(shè)計的功能板卡可以從電原理上重用，有利于系統(tǒng)改造過程的平穩(wěn)過渡。

擯棄硬盤而采用DOC或CF卡作為外存儲介質(zhì)也能大大提高系統(tǒng)抗震動和沖擊能力。

采用如上所述的硬件系統(tǒng)能為小型、可靠的虛擬儀器系統(tǒng)提供硬件保障，但由此帶來的系統(tǒng)存儲容量小和資源受限等問題為軟件系統(tǒng)的設(shè)計帶來了困難。必須采用嵌入式操作系統(tǒng)，軟件編程必須考慮體積小，效率高。

　 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

我們采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，在linux平臺下編寫儀器的驅(qū)動程序。利用 Tiny X 和GTK+作為圖形界面解決方案實現(xiàn)儀器軟面板。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2. 系統(tǒng)軟件件組成圖

　 3.1. 嵌入式linux系統(tǒng)

　　采用開源的linux系統(tǒng)，并通過編譯選項裁減不需要的功能模塊，得到大小為500K左右的內(nèi)核模塊。用busybox取代shell，在系統(tǒng)中加入glibc.o等庫構(gòu)建一個4M的Linux運行系統(tǒng)。關(guān)于嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建文獻【1】有詳細的介紹和指導(dǎo)。

　　 3.2. linux下的io編程

　　 儀器卡的驅(qū)動程序采用端口讀寫來實現(xiàn)。Linux下對端口的操作方法在usr/include/asm/io.h中。由于端口讀寫函數(shù)是一些inline宏，所以在編寫端口讀寫程序時只需要加入：#include 不需要包含任何附加的庫文件。另外由于gcc編譯器的一個限制，在編寫包含端口讀寫代碼的程序時，要么打開編譯器優(yōu)化選項(使用gcc ?O1 或更高選項)，要么在#include 之前加上：#define extern static

　　在讀寫端口之前，必須首先通過ioperm()函數(shù)取得對該端口讀寫的權(quán)限。該函數(shù)的使用如下：
ioperm(from, num, turn_on)

　 如果turn_on=1，則表示要獲取從from開始的共num個端口的讀寫權(quán)限。如ioperm(0x300, 5, 1)就表示獲取從端口0x300到0x304共5個端口的讀寫權(quán)。最后一個參數(shù)turn_on表示是否獲取讀寫權(quán)（turn_on=1表示獲取，turn_on=0表示釋放）。一般在程序的硬件初始化階段調(diào)用ioperm（）函數(shù)。

　　 ioperm（）函數(shù)需要以root身份運行或使用seuid賦予該程序root權(quán)限。

　　端口的讀取使用inb(port)和inw(port)函數(shù)來完成，其中inb(port)讀取8位端口，inw(port) 讀取16位端口。

　　對8位和16位端口的寫操作分別用函數(shù)outb(value,port)和outw(value,port)來完成。其中各函數(shù)的第一個參數(shù)表示要寫的數(shù)值，第二個參數(shù)表示端口地址。

　　宏inb_p（），outb_p（），inw_p（）和outw_p（）的作用與對應(yīng)的上述四個端口讀寫函數(shù)一樣，只是在端口操作后附加一定時間的延時以保證讀寫可靠。可以通過在#include前加上：#define REALLY_SLOW_IO獲得約4微秒的延時。

3.3. 基于TinyX和Gtk+的軟面板編程

　 儀器軟面板的設(shè)計涉及l(fā)inux下GUI的選擇和編程，考慮到XWindows的成熟性和與桌面系統(tǒng)的一致性，我們選用精簡的XWindows系統(tǒng)TinyX作為底層GUI解決方案。使用Gtk+1.2庫作為控件集來開發(fā)儀器軟面板程序。

　 基于TinyX和Gtk+庫的圖形界面開發(fā)方案使得軟面板的開發(fā)與桌面環(huán)境下基于Gnome的開發(fā)比較接近，很多的桌面環(huán)境下的linux工具可以直接使用。
　
　 Gtk+圖形庫是GNOME桌面系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)，它包含比較完整的GUI控件集合（GtkWidgets）。基于面向?qū)ο蟮姆椒ǎ珿TK+用C語言實現(xiàn)了一套對象系統(tǒng)和消息及回調(diào)機制，并將整個圖形控件集納于對象框架中，使得控件集的擴充比較方便。

　 針對虛擬儀器領(lǐng)域的應(yīng)用需求，可以構(gòu)建常見的GUI單元的控件集。我們以GtkWidgets的形式開發(fā)了示波器，信號源等儀器的面板控件和一些關(guān)鍵的GUI單元控件。這些都有利于用戶的二次開發(fā)和軟件單元的重用。

　 4 結(jié)論

　 基于嵌入式主板和嵌入式軟件環(huán)境，我們給出一個構(gòu)造虛擬儀器的通用解決方案。同時，通過構(gòu)建基于TinyX和Gtk+庫的GUI環(huán)境，再加上我們自主開發(fā)的一系列面板單元控件，我們提供了對虛擬儀器軟面板開發(fā)的支持。

　 基于以上的方案，我們開發(fā)了集示波器、萬用表和微波信號源等儀器功能于一體的雷達故障檢測儀。如圖3所示：

圖3. 基于本文方案實現(xiàn)的一個多功能虛擬儀器

部隊野戰(zhàn)環(huán)境下的實踐表明該系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)牢固、可靠性高，攜帶使用方便。