1 引言

　　虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。靈活高效的軟件能幫助您創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。這也正是NI近30年來(lái)始終引領(lǐng)測(cè)試測(cè)量行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的原因所在。只有同時(shí)擁有高效的軟件、模塊化I/O硬件和用于集成的軟硬件平臺(tái)這三大組成部分，才能充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時(shí)間少，以及出色的集成這四大優(yōu)勢(shì)。在PC和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)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(tái)的驅(qū)動(dòng)程序和軟面板實(shí)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(cè)試任務(wù)的實(shí)踐過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)基于PC或工控機(jī)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(dòng)、不緊固；以機(jī)械硬盤為主要存儲(chǔ)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(jì)算平臺(tái)使計(jì)算進(jìn)入了后PC時(shí)代。嵌入式系統(tǒng)的小體積、高可靠能夠滿足實(shí)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(jì)算平臺(tái)，設(shè)計(jì)虛擬儀器系統(tǒng)成為構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)的新思路。

　　通過(guò)構(gòu)建基于PC104總線嵌入式計(jì)算平臺(tái)，加入儀器卡及其功能程序，我們實(shí)現(xiàn)了針對(duì)雷達(dá)電子裝備的多種測(cè)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(tái)的構(gòu)建、接口和驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)以及軟面板設(shè)計(jì)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(chǔ)介質(zhì)（DOC或CF卡）、液晶顯示屏、觸摸屏和信號(hào)接口等。如圖1所示。其中液晶顯示屏、觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，信號(hào)接口用于耦合測(cè)試信號(hào)、嵌入式主板作為控制和計(jì)算單元，儀器功能板實(shí)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(wàn)用表卡

　　PC104PC/104是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)。 PC/104有兩個(gè)版本，8位和16位，分別與PC和PC/AT相對(duì)應(yīng)。PC/104PLUS 則與PCI總線相對(duì)應(yīng)。PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線。我們知道IEEE-P996是PC和PC/AT工業(yè)總線規(guī)范，IEEE協(xié)會(huì)將它定義IEEE-P996.1,很明顯PC104實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的IEEE-P996,其信號(hào)定義和PC/AT基本一致，但電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(tǒng)。

　　功能板卡和嵌入式主板之間通過(guò)PC104總線以疊棧的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)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。電路板之間通過(guò)多排插針深入連接，比ISA和PCI的插槽連接要緊密得多。

　　2. 機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固。電路板之間用四個(gè)螺柱緊緊相連，使得板卡之間的機(jī)械連接非常牢固，不會(huì)存在晃動(dòng)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(jì)的功能板卡可以從電原理上重用，有利于系統(tǒng)改造過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡。

　　擯棄硬盤而采用DOC或CF卡作為外存儲(chǔ)介質(zhì)也能大大提高系統(tǒng)抗震動(dòng)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(lái)的系統(tǒng)存儲(chǔ)容量小和資源受限等問題為軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)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(jì)

　　Linux是一類Unix計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的統(tǒng)稱。Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核的名字也是"Linux".Linux操作系統(tǒng)也是自由軟件和開放源代碼發(fā)展中著名的例子。嚴(yán)格來(lái)講，Linux這個(gè)詞本身只表示Linux內(nèi)核，但在實(shí)際上人們已經(jīng)習(xí)慣了用Linux來(lái)形容整個(gè)基于Linux內(nèi)核，并且使用GNU 工程各種工具和數(shù)據(jù)庫(kù)的操作系統(tǒng)。Linux得名于計(jì)算機(jī)業(yè)余愛好者Linus Torvalds.

　　我們采用嵌入式linux作為操作系統(tǒng)，在linux平臺(tái)下編寫儀器的驅(qū)動(dòng)程序。利用Tiny X 和GTK+作為圖形界面解決方案實(shí)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)

　　Linux做嵌入式的優(yōu)勢(shì)，首先，Linux是開放源代碼的，不存在黑箱技術(shù)，遍布的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持；其次，Linux的內(nèi)核小、效率高，內(nèi)核的更新速度很快，linux是可以定制的，其系統(tǒng)內(nèi)核只有約134KB.第三，Linux是的OS,在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力。Linux還有著嵌入式操作系統(tǒng)所需要的很多特色，突出的就是Linux適應(yīng)于多種CPU和多種硬件平臺(tái)，是一個(gè)跨平臺(tái)的系統(tǒng)。到目前為止，它可以支持二三十種CPU.而且性能穩(wěn)定，裁剪性很好，開發(fā)和使用都很容易。

　　3.2. linux下的io編程

　　儀器卡的驅(qū)動(dòng)程序采用端口讀寫來(lái)實(shí)現(xiàn)。Linux下對(duì)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(shí)只需要加入：#include 不需要包含任何附加的庫(kù)文件。另外由于gcc編譯器的一個(gè)限制，在編寫包含端口讀寫代碼的程序時(shí)，要么打開編譯器優(yōu)化選項(xiàng)（使用gcc ?O1 或更高選項(xiàng)），要么在#include 之前加上：#define extern static

　　在讀寫端口之前，必須首先通過(guò)ioperm（）函數(shù)取得對(duì)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(gè)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(gè)端口的讀寫權(quán)。一個(gè)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(yùn)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(lái)完成，其中inb（port）讀取8位端口，inw（port） 讀取16位端口。

　　對(duì)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(lái)完成。其中各函數(shù)的個(gè)參數(shù)表示要寫的數(shù)值，第二個(gè)參數(shù)表示端口地址。

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

　　3.3. 基于TinyX和Gtk+的軟面板編程

　　GTK+ 是作為另一個(gè)著名的開放源碼項(xiàng)目 -- GNU Image Manipulation Program （GIMP） -- 的副產(chǎn)品而創(chuàng)建的。在開發(fā)早期的 GIMP 版本時(shí)，Peter Mattis 和 Spencer Kimball 創(chuàng)建了 GTK（它代表 GIMP Toolkit），作為 Motif 工具包的替代，后者在那個(gè)時(shí)候不是的。（當(dāng)這個(gè)工具包獲得了面向?qū)ο筇匦院涂蓴U(kuò)展性之后，才在名稱后面加上了一個(gè)加號(hào)。）在 GTK+ 的版本 -- 2.8 版上，仍然在進(jìn)行許多活動(dòng)，同時(shí)，GIMP 無(wú)疑仍然是使用 GTK+ 的著名的程序之一，不過(guò)現(xiàn)在它已經(jīng)不是惟一的使用 GTK+ 的程序了。已經(jīng)為 GTK+ 編寫了成百上千的應(yīng)用程序，而且至少有兩個(gè)主要的桌面環(huán)境（Xfce 和 GNOME）用 GTK+ 為用戶提供完整的工作環(huán)境。

　　儀器軟面板的設(shè)計(jì)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(jiǎn)的XWindows系統(tǒng)TinyX作為底層GUI解決方案。使用Gtk+1.2庫(kù)作為控件集來(lái)開發(fā)儀器軟面板程序。

　　基于TinyX和Gtk+庫(kù)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(kù)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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了一套對(duì)象系統(tǒng)和消息及回調(diào)機(jī)制，并將整個(gè)圖形控件集納于對(duì)象框架中，使得控件集的擴(kuò)充比較方便。

　　針對(duì)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(hào)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(gè)構(gòu)造虛擬儀器的通用解決方案。同時(shí)，通過(guò)構(gòu)建基于TinyX和Gtk+庫(kù)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(duì)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(wàn)用表和微波信號(hào)源等儀器功能于一體的雷達(dá)故障檢測(cè)儀。如圖3所示：

　　圖3. 基于本文方案實(shí)現(xiàn)的一個(gè)多功能虛擬儀器

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