CN100375031C - 软件总线和芯片结构的可重构虚拟仪器 - Google Patents

Abstract

一种软件总线和芯片结构的可重构虚拟仪器，涉及计算机领域相关技术。本技术利用COM组件支持二进制代码直接引用的特点，将虚拟仪器中的板卡驱动模块、软件仪表盘、软件信号处理电路等设计为COM组件，将虚拟仪器主体程序设计为COM容器；在主体程序中分配若干全局内存块仿真硬件总线的数据线，利用操作系统消息发送机制在主体程序中设计消息转发模块仿真硬件总线的控制线。用COM结构实现软件模块动态插接，用软件总线实现软件模块间数据交互和运行控制。本发明具有开放式结构，能容纳和兼容采用不同语言、不同平台开发的虚拟仪器软件芯片，软件芯片可即插即用和热插拔。能够满足新产品测量、生产设备监测等不同层次的应用需要。

Description

软件总线和芯片结构的可重构虚拟仪器

技术领域

本发明涉及计算机应用技术领域，特别涉及采用软件总线的开放结构和COM组件的即插即用特性来设计的具有计算机硬件模块化组装特点，面向用户的可在线编程，调试和重构的计算机虚拟仪器。

背景技术

所谓虚拟仪器就是利用普通计算机，加上特殊设计的仪器硬件(板卡)和专用软件，形成具有仪器功能的计算机。虚拟仪器利用PC机强大的图形功能建立虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示。虚拟仪器功能由软件定义，一台计算机和一套板卡可构成多种仪器，一台计算机就是一个小型实验室。用计算机虚拟仪器来代替传统仪器是目前工业测控领域和仪器仪表领域的一个重要发展方向。

虚拟仪器由应用软件和仪器板卡两部分构成，软件是系统的核心。目前，流行的虚拟仪器开发软件是美国国家仪器公司的LabVIEW和美国Agilent公司的Agilent VEE，另外也可采用Visual C++、VisualBasic等通用计算机语言开发。LabVIEW、Agilent VEE等虚拟仪器开发平台实现了图形化编程，开发人员可直接将旋钮、滑动控制条、表头等虚拟仪器控件拖动到屏幕上进行组装和设计，其虚拟仪器开发过程包括可视化布局，代码书写和编译链接等几个步骤。但是这些开发平台设计出的虚拟仪器有一个共同的缺点，就是设计完成后的虚拟仪器的功能在使用阶段是不能变更的。对虚拟仪器设计和生产者来说，开发时往往考虑一个群体的需要，从通用和统一的角度来思考问题和设计虚拟仪器功能，但对一个特定的用户或一项特定的工业测试任务或实验来说，这种功能安排就可能显得极不合理，仪器使用起来较繁琐。

现行虚拟仪器开发平台所设计出的虚拟仪器功能固定，脱离开发平台后用户无法自行调整、定制，给用户造成许多不便。

发明内容

针对以上情况，本发明目提出一种以PC机和仪器板卡为硬件平台，采用软件总线和软件芯片技术构成的采用装配方式进行虚拟仪器应用程序设计的可重构虚拟仪器；它具有总线式装配结构和软硬件模块组件化的特点；用户无需具备高深的计算机软硬件知识，就可根据测量任务需要，在配置的虚拟仪器硬件板卡、软件主板和软件芯片的基础上、自己动手组装虚拟仪器和搭建个性化的工业测量系统。

本发明采用的技术解决方案是：利用COM组件支持二进制代码模块直接引用的特点，将虚拟仪器中采用的计算机板卡驱动模块、软仪表盘、软信号发生器和软信号处理电路等设计为可以热插接的软件芯片(COM组件)；将虚拟仪器主体程序设计为带软件芯片插接口的软件主板(COM容器)，实现用装配的方式来开发虚拟仪器应用程序。为解决插接的软件芯片间的数据交换和协同工作问题，在虚拟仪器主体程序中分配若干全局内存块仿真计算机硬件中的数据线，实现总线方式的数据传输和共享；利用操作系统的消息发送机制，在虚拟仪器主体程序和软件芯片中设计消息收发模块，仿真计算机硬件中的控制线，实现软件芯片模块的选通和工作。为解决并联型总线结构上无序插接的软件芯片的有序工作问题，设计数据流驱动的软件总线控制器，总线控制器根据数据线和控制线上数据的变化来顺序控制插接在软件总线上的软件芯片工作，完成串行的虚拟仪器工作。

虚拟仪器软件芯片插接在软件总线上，每个软件芯片都是一个独立的工作单元，通过软件总线获取和发送的数据，软件芯片彼此间不直接联系。软件芯片插接在软件总线上就能工作，拔除也不会直接影响其它软件芯片工作。按虚拟仪器功能和工业测控需求将所需的软件芯片插接在软件总线上，并通过数据焊接的方式进行芯片初始化和连线，在软件总线控制器的管理下就可以快速实现一个满足特定需求的虚拟仪器。

软件总线和芯片结构的可重构虚拟仪器包括：

a、一组由若干个用于交换软件芯片分析数据的全局内存块组成的软件总线数据线；

b、一条用操作系统消息发送机制实现的软件总线控制线；

c、一个由数据驱动的软件总线控制器，负责监听数据线上数据的变化，并通过控制线驱动其他与数据变化源有关的软件芯片工作。

d、由信号采集卡驱动模块、信号处理模块和信号显示模块等组成的COM组件格式和统一接口形式(内部属性参数读写接口、外部软件总线数据线读写接口)的虚拟仪器软件芯片集；

e、含软件总线数据线、控制线和总线控制器的COM容器格式的虚拟仪器主体程序(软件主办)，其内部COM组件接口被改造为虚拟仪器软件总线适配器，能够热插拔统一接口形式的虚拟仪器软件芯片。

f、用于定义虚拟仪器功能的软件芯片数据焊接脚本文件，虚拟仪器主体程序可按脚本文件数据对软件芯片进行插接、设置和连线，将软件芯片焊接在软件总线上，完成虚拟仪器的构造。更换不同的虚拟仪器脚本就可以生成不同的虚拟仪器。

本发明技术优点在于：

1.采用COM容器结构的软件总线和COM组件结构的软件芯片，产品具有用装配方式来进行虚拟仪器系统开发的特点。

2.具有COM支持二进制代码直接引用的特点，虚拟仪器应用程序重构过程中无需编译、链接和开发环境支持，运行环境和开发环境一体化。

3.支持虚拟仪器软件芯片的即插即用和热插拔，可实现虚拟仪器功能的在线调整和重构。

4.用数据焊接方式实现虚拟仪器构造，更换不同的虚拟仪器脚本就可以生成不同的虚拟仪器。可实现按生产任务对现场虚拟仪器测量系统功能调整。

5.按制造业装配方式来进行虚拟仪器系统设计，变复杂的程序设计过程为软件芯片的装配过程。降低了难度，可实现用户(而不是设计者)对仪器功能的重构，降低仪器的使用和升级成本。

6.适应现代制造业复杂多变的测量需求和对测量系统的重构要求，可进异步提高虚拟仪器系统的现场灵活性和适应性。

附图说明

图1可重构虚拟仪器软件总线基本结构图；

图2软件芯片的插接与连线过程；

图3基于Windows消息的片选工作机制；

图4轴承故障检测仪数据流程图；

图5软件总线结构的轴承故障检测虚拟仪器；

图6传统虚拟仪器组件模型和虚拟仪器软件芯片模型；

图7带初始化和连线能力的虚拟仪器软件芯片模型；

图8有效值计算芯片和仪器表头芯片样例图；

图9基于数据焊接脚本的可重构虚拟仪器框图；

图10数据焊接脚本文件样例；

图11脚本语言解释器复用模型；

图12频谱分析仪软件接线图和数据流向图。

具体实施方法

下面结合附图及具体实施实例对本发明再作进一步详细的说明。

图1是可重构虚拟仪器系统软件总线模型图，它由软件总线、总线控制器和总线适配器组成。各虚拟仪器软件芯片通过总线适配器与软件总线相连。软件总线为若干个用于交换分析数据的全局内存块组成；总线控制器为一段连续运行的程序体，它负责监测各内存块数据是否有变化，当数据变化时通过总线中的片选信号线驱动相关的软件芯片工作；总线适配器为一个增强了连线功能的COM组件插接接口，它通过软件芯片的初始化数据在插接时对实现软件芯片和软件总线进行数据焊接，将它们连接在一起。

软件总线结构的可重构虚拟仪器系统的主体是一个ActiveX控件容器程序，ActiveX控件是增加了OLE接口的COM对象。创建ActiveX控件容器程序的工具很多，有Visual C++、Visual Basic和Delphi等。使用Visual C++可以获得更快的执行速度和对程序创建过程更多的控制，用Visual C++创建容器程序时可用MFCAPPWizard来生成软件总线容器程序框架，注意应选择支持ActiveXControl(支持COM组件)、支持Automation(支持脚本语言)、支Windows Socket(支持网络)。

为实现软件芯片模块与软件总线程序间的数据交换和命令传输，在容器程序中定义256个Double型全局变量仿真计算机硬件中的数据线，实现单变量数据的交换；用256个Double型指针变量仿真计算机硬件中的内存条，用于存储波形数组、频谱等大数据量的公共数据，实现数组变量的交换(数据线的宽度不限于256，可根据需要扩展)。为减小对系统资源的占用，各指针变量对应的初始数组大小为零，使用时根据需要插接软件内存条芯片，软件内存条芯片的功能就是用Malloc函数重新分配数组大小和内存空间。一个Double型指针变量就相当于主机板上提供的一个内存条插座一样，用户可根据需要插接8M、16M等不同大小的软件内存条。

在Visual C++工程文件中定义并包含一个除Create外无任何其他属性和方法的基本ActiveX Control类CAdaptor作为软件芯片插座(软件总线适配器)。CAdaptor作为一个不含任何方法和属性的空类型软件芯片(父类芯片)，任何被插接的ActiveX Control都可以作为空类型芯片的子芯片统一按CAdaptor芯片对待，并用CreateControl函数在容器程序中动态插接和安装到软件芯片插座(总线适配器)上，并可以用Delete函数在线删除，从而实现软件芯片的动态插/拔。

CWnd(Windows窗口基类)

_CAdaptor(软件总线适配器类)--Create(构造方法)

由于各类软件芯片都做为CAdaptor软件总线适配器类的软件芯片来插接，对容器程序来说各软件芯片的功能和属性被屏蔽。因此，这一步仅相当于芯片上电。软件总线容器程序和软件芯片模块通过全局变量型的数据总线交换数据，共用某一全局变量的芯片就相当于连接在一条可以双向通讯的数据线上。由于容器程序和各软件芯片分别位于不同的二进制代码模块内，容器程序中的全局变量对软件芯片模块是不可见的，作为软件总线适配器功能的一部分，容器程序中提供四个以动态链接库函数形式对外开放的数据线操作接口函数：

extern″C″void PASCAL EXPORT setDataLine(int n，double v)；

extern″C″double PASCAL EXPORT getDataLine(int n)；

extern″C″void PASCAL EXPORT setArray(int m，double*data)；

extern″C″double*PASCAL EXPORT getArray(int m)；

函数setDataLine(n，v)用于将数据线n的值设为v，函数getDataLine(n)用于读取数据线n的值，函数setArray(m，data)用于将数组型数据线m的值设为数组data的内容，函数getArray(m)用于返回数组型数据线所对应的数组的数组指针，通过该指针可读取数组内容。软件芯片用Declare方式获取这四个函数就可以通过它们对数据线进行读/写操作，实现与软件总线的连接。

因此，可以我们用CAdaptor软件总线适配器类在虚拟仪器主体程序中提供软件芯片插座，实现软件芯片的在容器程序中的插接；用setDataLine、getDataLine、setArray、getArray(m)函数提供软件总线接口，实现软件芯片与软件总线的连接，如图2所示。

软件总线控制器是在虚拟仪器主体程序中设置的一个Windows消息处理模块，它利用Windows消息来监测各数据线上的数据变化。其工作原理是在用于连接软件芯片和软件总线的setDataLine和setArray函数中加入Windows消息发送功能，当软件芯片用setDataLine或setArray函数改变数据线上的值时就会向容器程序发送一条某数据线的值已改变的消息；然后总线控制器再以Windows消息的方式通知连接在该数据线上的软件芯片，选通其工作。

各软件芯片与软件总线的连接关系通过在插接软件芯片时用Windows消息的方式向容器程序注册来解决，方法是在软件芯片的Create方法中加入Windows消息发送功能，当芯片插接完成后发送含芯片编号和所连接的数据线号的消息。总线控制器接收和处理消息，并在内存中建立一个软件芯片和软件总线的连接关系表。

软件芯片中也有一个负责处理Windows消息的控制器，当收到容器程序的工作指令时就驱动其工作部分工作。它与虚拟仪器主体程序中的软件总线控制器、以及Windows消息机制一起构成一个支持片选的软件总线系统，如图3所示。

无论是硬件总线还是软件总线构成的系统都属于并行系统，模块插入的先后次序和位置与系统最终实现的功能无关，也正是由于这个特点，总线型系统在实现功能模块的动态添加/删除上很方便。但是对于虚拟仪器系统来说，各功能模块单元是有连接次序要求的，是一个串行的系统。为解决并行结构软件总线对串行工作的虚拟仪器测试系统的支持问题，本发明利用上面提出的带片选信号的软件总线结构，提出了一种基于信号流的测试系统总线控制结构，通过总线控制器对信号流和测试系统功能模块工作次序的有序控制来实现并行结构下的串行工作。

为便于说明如何用并行的总线结构实现串行的工作任务的问题，我们用一个实例来做解释。图4是一个轴承故障检测仪数据流程图，它包括传感器信号采集模块、带通滤波器模块、包络检波模块和功率谱分析模块，其模块间的连接顺序为传感器信号采集模块→带通滤波器模块→包络检波模块→功率谱分析模块，以及各步骤中的显示模块。

图5是按软件总线和软件芯片结构设计的轴承故障检测虚拟仪器。图中有若干条用于存储原始信号数据和分析处理结果的数据线和一条由Windows消息构成的用于控制软件芯片工作的片选信号线。每个芯片插接时通过总线适配器声明其连接的数据线号，获取数据线读写函数调用接口，然后通过总线适配器对连接的数据线进行读写；由于软件芯片通过数据线写函数变更数据线值时会向容器程序发送Windows消息，总线控制器通过监听Windows消息来获知各数据线上数据的变化，当数据变更时通过片选信号线(向软件芯片发送Windows消息)通知所有连接在该数据线上的芯片工作(引起数据线上数据变化的芯片除外)。实例化后的工作过程为信号采集模块以1024为数据帧单元连续采集轴承振动信号，每采满一个数据帧就输出到数据线A上，总线控制器监听到数据线A上的变化后通知原始波形显示芯片和带通滤波器芯片工作；带通滤波器芯片处理完数据后将滤波后的数据输出到数据线B上，总线控制器监听到数据线B上的变化后通知滤波信号显示芯片和包络检波芯片工作；包络检波芯片处理完数据后将检波信号输出到数据线C上，总线控制器监听到数据线C上的变化后通知检波信号显示芯片和功率谱芯片工作；功率谱芯片处理完数据后将包络谱数据输出到数据线D上，总线控制器监听到数据线D上的变化后通知包络谱显示芯片工作。这样通过信号流的有序流动和在总线控制器下芯片的顺序选通来协同完成一次串行的虚拟仪器分析任务。

上面对构成软件总线容器程序的数据线、总线控制器、总线适配器，以及软件总线的工作方式进行了介绍，下面着重介绍软件总线上插接的软件芯片的设计方法。为提高软件开发效率，LabVIEW等虚拟仪器开发平台也采用了软件代码模块化、组件化的设计方法，但它们是从静态设计的角度出发，其组件模型和我们采用的软件芯片模型有很大区别。图6是普通的虚拟仪器组件模型和我们提出的基于软件总线的虚拟仪器软件芯片模型。虚拟仪器组件采用面向对象的类模型，主程序通过调用封装在类中的方法和属性交换数据与控制其工作。本发明提出的虚拟仪器软件芯片也是基于面向对象的类模型，但封装在类中的方法和属性不是由主程序设定，而是由芯片自身根据外部脚本数据在插接时进行初始化和连线，软件芯片工作时彼此通过软件总线进行数据交换，由片选信号控制其工作。

对软件总线容器程序来说，考虑到对新增类型软件芯片的支持，所插接的软件芯片工作方法和属性可能是未知的，插接时很难在容器程序中通过总线适配器直接用脚本语言对被插接的软件芯片进行属性初始化(连线)。为此，我们将Windows插件技术和COM组件技术相结合，通过在COM控件上增加统一接口形式的动态链接库型插件函数的方法，提出一种能自动向容器程序注册脚本语言解释能力、软件总线连线能力和控制能力的虚拟仪器软件芯片模型，如图7所示。其中DllRegisterServer和DllUnRegisterServer是COM组件固有的标准函数，分别用于向Windows系统注册和注销该类型组件。ReadComponentScript、SaveComponentScript和ExplainComponentScript是我们增加的三个专用接口函数。ReadComponentScript用于向容器程序添加从脚本语言中过滤和处理该型软件芯片脚本的能力，SaveComponentScript用于向容器程序添加将当前软件总线上插接的该型软件芯片的内部属性数据转化为脚本语言保存的能力，ExplainComponentScript用于解释芯片初始化时读取的脚本语言，并按数据对软件芯片进行内部属性参数设置，并设置与软件总线的连接关系。

虚拟仪器系统中用到的软件芯片包括虚拟仪器板卡驱动模块、软件仪表盘、软件信号处理电路等三大类，统一设计为ActiveX控件(COM组件)，创建ActiveX控件的工具很多，如Visual C++、VisualBasic、Delphi等，采用Visual C++时可用MFC ActiveX ControlWizard自动生成程序框架和DllRegisterServer和DllUnRegisterServer等标准方法，然后手工添加ReadComponentScript、SaveComponentScript和ExplainComponentScript函数，再添加用于接收Windows消息形式的片选信号的OnCommand消息处理方法和芯片的工作部分Work方法就可以了。

Work方法是软件芯片的核心部分，内容主要是各软件芯片接收到片选信号后必须进行的分析处理或数据显示工作。其内容包括读软件总线数据线值；分析、处理、显示；将计算结果写到软件总线数据线上。例如，对有效值计算芯片Work方法的内容是从数组型数据线上取数据，然后计算信号有效值，并将有效值输出到单变量数据线上。对仪器表头芯片Work方法的内容是从单变量数据线上取数据，然后以指针形式显示。如图8所示。

与一般的虚拟仪器开发平台采用编译型程序代码来实现虚拟仪器不同，本发明采用解释型脚本文件来构造虚拟仪器。图10是基于脚本文件的可重构虚拟仪器系统框图。可重构虚拟仪器系统通过软件芯片初始化数据集(系统构造脚本)来对系统进行构造，作为软件总线的虚拟仪器主体程序加载一个系统构造脚本文件时用各芯片的ReadComponentScript函数从脚本文件中过滤相关脚本代码，然后ExplainComponentScript函数将软件芯片插接在软件总线上和连线，生成一个特定功能的虚拟仪器系统，卸载时则通过芯片注册表将总线上插接的芯片拔除。更换一个系统构造脚本文件就是一个不同的虚拟仪器系统。这期间作为软件总线的主体程序并不改变，也不需要退出运行。系统构造脚本文件可以通过读盘或网络通讯方式传递给主体程序，实现基于脚本文件的虚拟仪器系统重构。由于脚本语言代码只是在软件芯片初始化时使用，对系统的实际运行速度并没有太大影响。系统具有解释型程序的灵活型和编译型程序的速度。

脚本语言元素包括软件芯片名称、CLSID参数(每个COM芯片在Windows中的名称)、软件芯片初始化数据等参数，如下所示：

<软件芯片类型号>

<模块名和开始标记>

<COM CLSID域>//用于软件总线程序寻找和加载软件

芯片二进代码模块

属性参数

…………

属性参数

<模块名和结束标记>

下面给出一个具体的脚本文件的内容，其作用是在软件总线上插接一个内存条芯片和一个仪表盘芯片，如图10所示。

在Windows平台上，添加自动化属性后的COM组件和容器程序都可以加载和支持解释型程序语言，如微软IIS服务器支持的ASP语言，Office套件支持的Basic宏语言。这样我们可以在脚本文件中嵌入小程序代码，就象在HTML文件中可以嵌入VBScript程序一样。但是为实现软件总线驱动能力的扩展，本发明中将芯片脚本数据的处理交给各芯片自己解释。但如果为每个芯片都提供解释语言支持能力则占用系统资源太多。为此我们提出了解释型程序语言解释器复用模型。方法是在软件总线中增加两条字符串型数据线，其上静态连接一个公共脚本语言解释芯片和其它动态插接的软件芯片。各软件芯片将脚本中嵌入的VBScript程序代码提取出来，送交公共脚本语言解释芯片处理。如图11所示。

图12是利用本发明提出的虚拟仪器软件总线和软件芯片搭构的一台频谱分析仪的软件接线图和数据流向图。信号发生器软件芯片与数据线B相连并向其输出信号数据；接在数据线B上的示波器软件芯片从该线上获取数据并显示信号发生器产生的波形；接在数据线B上的频谱分析软件芯片从该线上获取数据进行频谱计算，并将计算结果输出到数据线C和D上；另一片示波器软件芯片接在数据线C、D上，获取数据并显示信号频谱；接在数据线B上的波形特征值计算芯片从该线上获取数据进行信号有效值计算，并将计算结果输出到数据线A上；方型仪表盘软件芯片与数据线A相连，接收数据并显示信号有效值。软件芯片只要与软件总线进行正确的连接就可以协同工作，完成一个特定的虚拟仪器功能。虚拟仪器定制和软件芯片插接时，可以采用可视化拖拉的方式插入软件芯片和实现与软件总线的连接。

Claims (4)

1.一种软件总线和芯片结构的可重构虚拟仪器，其特征在于：

a、一组由若干个用于交换软件芯片分析数据的全局内存块组成的软件总线数据线；

b、一条用操作系统消息发送机制实现的软件总线控制线；

c、一个由数据驱动的软件总线控制器，负责监听数据线上数据的变化，并通过软件总控制线驱动其他与数据变化源有关的软件芯片工作；

d、由信号采集卡驱动模块、信号处理模块和信号显示模块组成的COM组件格式和由内部属性参数读写接口、外部软件总线数据线读写接口组成的统一接口形式的虚拟仪器软件芯片集；

e、含软件总线数据线、软件总线控制线和软件总线控制器的COM容器格式的虚拟仪器主体程序，其内部COM组件接口被改造为虚拟仪器软件总线适配器，能够热插拔统一接口形式的虚拟仪器软件芯片；

f、用于定义虚拟仪器功能的软件芯片数据焊接脚本文件，虚拟仪器主体程序可按脚本文件数据对软件芯片进行插接、设置和连线，将软件芯片焊接在软件总线上，完成虚拟仪器的构造；更换不同的虚拟仪器脚本就可以生成不同的虚拟仪器。

2.根据权利要求1所述的软件总线和软件芯片结构的可重构虚拟仪器，其特征在于，COM组件格式和统一接口形式的虚拟仪器软件芯片，可封装如下虚拟仪器软件模块：板卡驱动模块、软仪表盘、软件信号处理电路。

3.根据权利要求1所述的软件总线和芯片结构的可重构虚拟仪器，其特征在于，总线控制器的COM容器形式的含软件总线数据线、软件总线控制线、软件总线控制器和虚拟仪器软件总线适配器的虚拟仪器主体程序，能热插拔各种虚拟仪器软件芯片。

4.根据权利1或2或3所述的软件总线和芯片结构的可重构虚拟仪器，其特征在于，用虚拟仪器软件芯片数据焊接脚本对虚拟仪器进行描述，按脚本文件数据对虚拟仪器软件芯片进行插接、设置和连线，完成虚拟仪器的动态构造。

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