嵌入式系統(tǒng)的虛擬儀器成測(cè)試系統(tǒng)新思路

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?jī)x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。

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，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(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TinyX和GTK+作為圖形界面解決方案實(shí)現(xiàn)儀器軟面板。

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：#defineexternstatic

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。