１引言

计算机及其接口技术的发展和传统测试测量仪器系统暴露出来的不足，使得基于计算机的虚拟仪器设备越来越成为测试测量仪器的主导。虚拟仪器系统以其平台通用性、可扩充、易升级和高度的智能性获得了广泛的工业应用。在ＰＣ和工业控制计算机中插入基于ＰＣ总线（ＩＳＡ，ＰＣＩ）的数采板卡构成硬件系统，编写Ｗｉｎｄｏｗｓ系统平台的驱动程序和软面板实现软件功能，成为业界的主要解决方案。

但是在野战和恶劣环境下测试任务的实践过程中，我们发现基于ＰＣ或工控机的虚拟仪器暴露出很多问题，如：体积大，不便于携行；插卡式结构，接触易松动、不紧固；以机械硬盘为主要存储介质，抗震性能差等等。

以３２位嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为特征的嵌入式计算平台使计算进入了后ＰＣ时代。嵌入式系统的小体积、高可靠能够满足实现野战和恶劣环境下的便携虚拟仪器的需要。基于嵌入式计算平台，设计虚拟仪器系统成为构建测试系统的新思路。

通过构建基于ＰＣ１０４总线嵌入式计算平台，加入仪器卡及其功能程序，我们实现了针对雷达电子装备的多种测试仪器。构建基于嵌入式系统的虚拟仪器需要解决的技术问题集中在系统平台的构建、接口和驱动程序的设计以及软面板设计等方面。

２硬件系统组成

硬件系统包括嵌入式主板、仪器功能板、Ｆｌａｓｈ存储介质（ＤＯＣ或ＣＦ卡）、液晶显示屏、触摸屏和信号接口等。如图１所示。其中液晶显示屏、触摸屏实现人机交互，信号接口用于耦合测试信号、嵌入式主板作为控制和计算单元，仪器功能板实现具体仪器的功能。

部件按叠放的顺序依次为触摸屏、液晶显示屏、ＰＣ１０４主板、示波器卡、万用表卡功能板卡和嵌入式主板之间通过ＰＣ１０４总线以叠栈的方式实现机械和电气的互连。采用这种方式有如下好处：

１．电气接触高度紧密。电路板之间通过多排插针深入连接，比ＩＳＡ和ＰＣＩ的插槽连接要紧密得多。

２．机械结构牢固。电路板之间用四个螺柱紧紧相连，使得板卡之间的机械连接非常牢固，不会存在晃动现象。

３．ＰＣ１０４插针的电气特性与ＩＳＡ完全兼容，ＰＣ１０４Ｐｌｕｓ插针的电气特性与ＰＣＩ完全兼容，使得基于ＩＳＡ或ＰＣＩ总线设计的功能板卡可以从电原理上重用，有利于系统改造过程的平稳过渡。

摈弃硬盘而采用ＤＯＣ或ＣＦ卡作为外存储介质也能大大提高系统抗震动和冲击能力。

采用如上所述的硬件系统能为小型、可靠的虚拟仪器系统提供硬件保障，但由此带来的系统存储容量小和资源受限等问题为软件系统的设计带来了困难。必须采用嵌入式操作系统，软件编程必须考虑体积小，效率高。

３软件系统设计

我们采用嵌入式Ｌｉｎｕｘ作为操作系统，在ｌｉｎｕｘ平台下编写仪器的驱动程序。

利用ＴｉｎｙＸ和ＧＴＫ＋作为图形界面解决方案实现仪器软面板。

３．１．嵌入式ｌｉｎｕｘ系统

采用开源的ｌｉｎｕｘ系统，并通过编译选项裁减不需要的功能模块，得到大小为５００Ｋ左右的内核模块。用ｂｕｓｙｂｏｘ取代ｓｈｅｌｌ，在系统中加入ｇｌｉｂｃ．ｏ等库构建一个４Ｍ的Ｌｉｎｕｘ运行系统。关于嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统的构建文献【１】有详细的介绍和指导。

３．２．ｌｉｎｕｘ下的ｉｏ编程

仪器卡的驱动程序采用端口读写来实现。Ｌｉｎｕｘ下对端口的操作方法在ｕｓｒ／ｉｎｃｌｕｄｅ／ａｓｍ／ｉｏ．ｈ中。由于端口读写函数是一些ｉｎｌｉｎｅ宏，所以在编写端口读写程序时只需要加入：＃ｉｎｃｌｕｄｅ不需要包含任何附加的库文件。另外由于ｇｃｃ编译器的一个限制，在编写包含端口读写代码的程序时，要么打开编译器优化选项（使用ｇｃｃ？Ｏ１或更高选项），要么在＃ｉｎｃｌｕｄｅ之前加上：＃ｄｅｆｉｎｅｅｘｔｅｒｎｓｔａｔｉｃ

在读写端口之前，必须首先通过ｉｏｐｅｒｍ（）函数取得对该端口读写的权限。该函数的使用如下：

如果ｔｕｒｎ＿ｏｎ＝１，则表示要获取从ｆｒｏｍ开始的共ｎｕｍ个端口的读写权限。如ｉｏｐｅｒｍ（０ｘ３００，５，１）就表示获取从端口０ｘ３００到０ｘ３０４共５个端口的读写权。最后一个参数ｔｕｒｎ＿ｏｎ表示是否获取读写权（ｔｕｒｎ＿ｏｎ＝１表示获取，ｔｕｒｎ＿ｏｎ＝０表示释放）。一般在程序的硬件初始化阶段调用ｉｏｐｅｒｍ（）函数。

ｉｏｐｅｒｍ（）函数需要以ｒｏｏｔ身份运行或使用ｓｅｕｉｄ赋予该程序ｒｏｏｔ权限。

端口的读取使用ｉｎｂ（ｐｏｒｔ）和ｉｎｗ（ｐｏｒｔ）函数来完成，其中ｉｎｂ（ｐｏｒｔ）读取８位端口，ｉｎｗ（ｐｏｒｔ）读取１６位端口。

对８位和１６位端口的写操作分别用函数ｏｕｔｂ（ｖａｌｕｅ，ｐｏｒｔ）和ｏｕｔｗ（ｖａｌｕｅ，ｐｏｒｔ）来完成。其中各函数的第一个参数表示要写的数值，第二个参数表示端口地址。

宏ｉｎｂ＿ｐ（），ｏｕｔｂ＿ｐ（），ｉｎｗ＿ｐ（）和ｏｕｔｗ＿ｐ（）的作用与对应的上述四个端口读写函数一样，只是在端口操作后附加一定时间的延时以保证读写可靠。可以通过在＃ｉｎｃｌｕｄｅ前加上：＃ｄｅｆｉｎｅＲＥＡＬＬＹ＿ＳＬＯＷ＿ＩＯ获得约４微秒的延时。

３．３．基于ＴｉｎｙＸ和Ｇｔｋ＋的软面板编程

仪器软面板的设计涉及ｌｉｎｕｘ下ＧＵＩ的选择和编程，考虑到ＸＷｉｎｄｏｗｓ的成熟性和与桌面系统的一致性，我们选用精简的ＸＷｉｎｄｏｗｓ系统ＴｉｎｙＸ作为底层ＧＵＩ解决方案。使用Ｇｔｋ＋１．２库作为控件集来开发仪器软面板程序。

基于ＴｉｎｙＸ和Ｇｔｋ＋库的图形界面开发方案使得软面板的开发与桌面环境下基于Ｇｎｏｍｅ的开发比较接近，很多的桌面环境下的ｌｉｎｕｘ工具可以直接使用。

Ｇｔｋ＋图形库是ＧＮＯＭＥ桌面系统的底层基础，它包含比较完整的ＧＵＩ控件集合（ＧｔｋＷｉｄｇｅｔｓ）。

基于面向对象的方法，ＧＴＫ＋用Ｃ语言实现了一套对象系统和消息及回调机制，并将整个图形控件集纳于对象框架中，使得控件集的扩充比较方便。

针对虚拟仪器领域的应用需求，可以构建常见的ＧＵＩ单元的控件集。我们以ＧｔｋＷｉｄｇｅｔｓ的形式开发了示波器，信号源等仪器的面板控件和一些关键的ＧＵＩ单元控件。这些都有利于用户的二次开发和软件单元的重用。

４结论

基于嵌入式主板和嵌入式软件环境，我们给出一个构造虚拟仪器的通用解决方案。同时，通过构建基于ＴｉｎｙＸ和Ｇｔｋ＋库的ＧＵＩ环境，再加上我们自主开发的一系列面板单元控件，我们提供了对虚拟仪器软面板开发的支持。

基于以上的方案，我们开发了集示波器、万用表和微波信号源等仪器功能于一体的雷达故障检测仪。

部队野战环境下的实践表明该系统机械结构牢固、可靠性高，携带使用方便。