一種基于嵌入式系統的虛擬儀器的研究與設計

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