關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；linux；虛擬儀器
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。基于嵌入式計(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
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
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）。基于面向?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。
參考文獻(xiàn)：
[1] 鄒思軼. 嵌入式linux設(shè)計(jì)與應(yīng)用：清華大學(xué)出版社，2002.01
[2] Kurt Wall. GNU/Linux編程指南：清華大學(xué)出版社，2002.06
[3] Riku Saikkonen. Linux I/O port programming mini?HOWTO：http://www.linuxdoc.org/
