基于嵌入式系統的虛擬儀器設計

摘要：以工控計算機和PC為平臺的虛擬儀器系統長期以來充當著智能測試系統的平臺。隨著后PC時代的來臨，業界對儀器的個性化和小型化要求越來越高。嵌入式系統的發展和普及應用使得基于單板計算機和功能板卡的嵌入式儀器成為構建虛擬儀器系統的新思路。本文介紹了應用基于PC-104的嵌入式主板和功能板卡構建虛擬儀器系統的關鍵技術。
關鍵詞：嵌入式系統；linux；虛擬儀器

1 引言

    計算機及其接口技術的發展和傳統測試測量儀器系統暴露出來的不足，使得基于計算機的虛擬儀器設備越來越成為測試測量儀器的主導。虛擬儀器系統以其平臺通用性、可擴充、易升級和高度的智能性獲得了廣泛的工業應用。在PC和工業控制計算機中插入基于PC總線（ISA，PCI）的數采板卡構成硬件系統，編寫Windows系統平臺的驅動程序和軟面板實現軟件功能，成為業界的主要解決方案。
    但是在野戰和惡劣環境下測試任務的實踐過程中，我們發現基于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；插卡式結構，接觸易松動、不緊固；以機械硬盤為主要存儲介質，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。嵌入式系統的小體積、高可靠能夠滿足實現野戰和惡劣環境下的便攜虛擬儀器的需要。基于嵌入式計算平臺，設計虛擬儀器系統成為構建測試系統的新思路。
    通過構建基于PC104總線嵌入式計算平臺，加入儀器卡及其功能程序，我們實現了針對雷達電子裝備的多種測試儀器。構建基于嵌入式系統的虛擬儀器需要解決的技術問題集中在系統平臺的構建、接口和驅動程序的設計以及軟面板設計等方面。

2 硬件系統組成

    硬件系統包括嵌入式主板、儀器功能板、Flash存儲介質（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，儀器功能板實現具體儀器的功能。

圖1. 系統硬件組成圖

    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. 機械結構牢固。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總線設計的功能板卡可以從電原理上重用，有利于系統改造過程的平穩過渡。
    擯棄硬盤而采用DOC或CF卡作為外存儲介質也能大大提高系統抗震動和沖擊能力。
    采用如上所述的硬件系統能為小型、可靠的虛擬儀器系統提供硬件保障，但由此帶來的系統存儲容量小和資源受限等問題為軟件系統的設計帶來了困難。必須采用嵌入式操作系統，軟件編程必須考慮體積小，效率高。

3 軟件系統設計

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

圖2. 系統軟件件組成圖

3.1. 嵌入式linux系統
    采用開源的linux系統，并通過編譯選項裁減不需要的功能模塊，得到大小為500K左右的內核模塊。用busybox取代shell，在系統中加入glibc.o等庫構建一個4M的Linux運行系統。關于嵌入式Linux系統的構建文獻【1】有詳細的介紹和指導。
3.2. linux下的io編程
    儀器卡的驅動程序采用端口讀寫來實現。Linux下對端口的操作方法在usr/include/asm/io.h中。由于端口讀寫函數是一些inline宏，所以在編寫端口讀寫程序時只需要加入：#include<asm/io.h> 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，要么打開編譯器優化選項(使用gcc −O1 或更高選項)，要么在#include <asm/io.h>之前加上：#define extern static
    在讀寫端口之前，必須首先通過ioperm()函數取得對該端口讀寫的權限。該函數的使用如下：
    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。較后一個參數turn_on表示是否獲取讀寫權（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用ioperm（）函數。
    ioperm（）函數需要以root身份運行或使用seuid賦予該程序root權限。
    端口的讀取使用inb(port)和inw(port)函數來完成，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outb(value,port)和outw(value,port)來完成。其中各函數的第一個參數表示要寫的數值，第二個參數表示端口地址。
    宏inb_p（），outb_p（），inw_p（）和outw_p（）的作用與對應的上述四個端口讀寫函數一樣，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<asm/io.h>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
    儀器軟面板的設計涉及linux下GUI的選擇和編程，考慮到XWindows的成熟性和與桌面系統的一致性，我們選用精簡的XWindows系統TinyX作為底層GUI解決方案。使用Gtk+1.2庫作為控件集來開發儀器軟面板程序。
    基于TinyX和Gtk+庫的圖形界面開發方案使得軟面板的開發與桌面環境下基于Gnome的開發比較接近，很多的桌面環境下的linux工具可以直接使用。
    Gtk+圖形庫是GNOME桌面系統的底層基礎，它包含比較完整的GUI控件集合（GtkWidgets）。基于面向對象的方法，GTK+用C語言實現了一套對象系統和消息及回調機制，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。
    針對虛擬儀器領域的應用需求，可以構建常見的GUI單元的控件集。我們以GtkWidgets的形式開發了示波器，信號源等儀器的面板控件和一些關鍵的GUI單元控件。這些都有利于用戶的二次開發和軟件單元的重用。

4 結論

    基于嵌入式主板和嵌入式軟件環境，我們給出一個構造虛擬儀器的通用解決方案。同時，通過構建基于TinyX和Gtk+庫的GUI環境，再加上我們自主開發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的支持。
    基于以上的方案，我們開發了集示波器、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. 基于本文方案實現的一個多功能虛擬儀器

    部隊野戰環境下的實踐表明該系統機械結構牢固、可靠性高，攜帶使用方便。

參考文獻：
[1] 鄒思軼. 嵌入式linux設計與應用：清華大學出版社，2002.01
[2] Kurt Wall. GNU/Linux編程指南：清華大學出版社，2002.06
[3] Riku Saikkonen. Linux I/O port programming mini−HOWTO：http://www.linuxdoc.org/

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