一种基于嵌入式系统的虚拟仪器的研究与设计

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：#define extern static

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：

ioperm(from, num, turn_on)

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：#define REALLY_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。如图3所示：

图3. 基于本文方案实现的一个多功能虚拟仪器

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。