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?;谇度胧接嬎闫脚_,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。
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,PC104Plus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TinyX和GTK+作為圖形界面解決方案實現(xiàn)儀器軟面板。
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:#defineexternstatic
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??梢酝ㄟ^在#include前加上:#defineREALLY_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)?;诿嫦?qū)ο蟮姆椒?,GTK+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。
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。