基于嵌入式系統(tǒng)的虛擬儀器的研究與設(shè)計(jì)策略

以工控計(jì)算機(jī)和PC為平臺(tái)的虛擬儀器系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)充當(dāng)著智能測(cè)試系統(tǒng)的平臺(tái)。隨著后PC時(shí)代的來(lái)臨，業(yè)界對(duì)儀器的個(gè)性化和小型化要求越來(lái)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)及其接口技術(shù)的發(fā)展和傳統(tǒng)測(cè)試測(cè)量儀器系統(tǒng)暴露出來(lái)的不足，使得基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器設(shè)備越來(lái)越成為測(cè)試測(cè)量?jī)x器的主導(dǎo)。虛擬儀器系統(tǒng)以其平臺(tái)通用性、可擴(kuò)充、易升級(jí)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(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(xiě)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(wèn)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(pán)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?；谇度胧接?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(wèn)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

　 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。電路板技術(shù)'>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(pán)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(wèn)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)

我們采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，在linux平臺(tái)下編寫(xiě)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)

　　采用開(kāi)源的linux系統(tǒng)，并通過(guò)編譯選項(xiàng)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(kù)構(gòu)建一個(gè)4M的Linux運(yùn)行系統(tǒng)。關(guān)于嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建文獻(xiàn)【1】有詳細(xì)的介紹和指導(dǎo)。

　　 3.2. linux下的io編程

　　 儀器卡的驅(qū)動(dòng)程序采用端口讀寫(xiě)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(xiě)函數(shù)是一些inline宏，所以在編寫(xiě)端口讀寫(xiě)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(xiě)包含端口讀寫(xiě)代碼的程序時(shí)，要么打開(kāi)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(xiě)端口之前，必須首先通過(guò)ioperm()函數(shù)取得對(duì)該端口讀寫(xiě)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(kāi)始的共num個(gè)端口的讀寫(xiě)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(xiě)權(quán)。最后一個(gè)參數(shù)turn_on表示是否獲取讀寫(xiě)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(xiě)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)的第一個(gè)參數(shù)表示要寫(xiě)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(xiě)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(xiě)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

　 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(kāi)發(fā)儀器軟面板程序。

　 基于TinyX和Gtk+庫(kù)的圖形界面開(kāi)發(fā)方案使得軟面板的開(kāi)發(fā)與桌面環(huán)境下基于Gnome的開(kāi)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）?；诿嫦?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(jiàn)的GUI單元的控件集。我們以GtkWidgets的形式開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)的支持。

　 基于以上的方案，我們開(kāi)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。