基于虚拟仪器的可重构逻辑外文翻译资料

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基于虚拟仪器的可重构逻辑

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摘 要

允许同时运行多个虚拟仪器的一个虚拟仪器支持系统已经逐步发展起来。在本文中，我们提出了一个多任务的图形环境（命名AGMT）和两个主要的虚拟仪器应用环境，一个数字示波器和一个数字图像处理器。AGMT是被设计出来通过数据采集板的传感器和执行器进行交互，从而和其他输入输出设备实现实时互动。在DOS的操作系统下,AGMT是一个能实现优先抢占和优先完成多个任务的操作系统。在运行时，AGMT允许用户确定任务的调度策略和并发应用。这种虚拟环境可能很容易扩展到其他典型的运行监控控制和数据采集应用方面。

1.导言

在最近的文献中虚拟仪器系统已经受到了很大的关注。这主要是由于人们在监控和数据采集应用方面越来越有兴趣，如监测系统，控制系统和管理系统。一些商业虚拟系统是可用的。一些系统在windows操作系统下运行，而另一些仍然在DOS操作系统下运行。但大多数操作系统没有可能满足实时限制，因为无论是Windows还是DOS都是实时操作系统系统。另外，大多数虚拟仪器系统不允许控制任务的调度策略。

在我们开发的系统中，名为AGMT，任务被视为为与虚拟应用程序相关的轻量级进程或执行线程。多任务图形环境AGMT，是由两种工具集成的结果：Internet^TM并行编辑工具包，和zinc^TM图形用户界面框架。互通工具通过支持优先调度和抢占式多任务的方法，来模拟实时内核。从这个意义上讲，它被视为DOS操作系统的一个实时延长。Zinc图形用户界面框架有一个事件管理器和窗口管理器。事件管理器控制由输入设备生成的事件以及图形系统的其他内部事件。窗口管理器控制可视化的窗口来显示在屏幕上。基于这两个工具包，AGMT系统执行的所有事件产生的设备投票都要附加在设备管理器上，如光标，键盘，鼠标，以及其他用户定义的设备。AGMT系统随着面向对象技术的发展而发展，且使用C 面向对象程序语言，允许以一个模块化的简单方式纳入新的虚拟仪器。两个主要的虚拟仪器运用——一个数字示波器和一个数字图像处理器——都已经被开发来说明AGMT系统的潜力。在下面的章节，将介绍虚拟仪器系统的基本概念，其次是系统的设计说明和应用。

2.虚拟仪器

虚拟仪器是一个集成其他许多领域的知识领域，如图所示1：虚拟仪器，并发编程，图形用户界面，实时系统，面向对象技术和面向对象编程。

虚拟仪器

图1 与虚拟仪器相关的知识领域

仪表系统处理来自传感器的信号，这种信号控制执行器。通常，他们执行信号调理，输入输出信号采集和数字信号处理。虚拟仪器连接到电脑常用的有三种方法：通用接口总线，VXI总线和数据采集卡硬件的方法。该数据采集方法是最灵活最便宜的。因此，在我们的系统里，我们要用专用的数据采集方法来达到数据采集目的。同时，并行编程用于控制多个虚拟仪器和管理图形用户界面。图形用户界面用一种友好的方式和用户进行互动。实时系统必须执行相关的时间约束，且随着并发应用程序与它同步。面向对象技术在系统设计中是一项重要的工具，因为它能处理虚拟仪器系统固有的复杂性。面向对象程序语言实现OO概念旨在促进新公司注册申请。另一方面，OO程序支持软件的重要性和它的维护。

1986年，美国国家仪器公司（NI）是第一家以LabView^TM为虚拟仪器实施商业解决方案的公司。现在NI提供超过30个运行在不同的硬件平台的类似软件产品。基于可视化编程技术，最新的产品被设计为高级别的工具。软件产品，像NI的LabView，数据翻译公司的DT-VEE^TM，都是为组成应用提供一个可视化编程环境。通常，这些产品将继续支持附加C语言的模块或一些其他非OO的语言的编程。例如，NI的组件工程是利用图书馆VB语言来控制GPIB仪器。虚拟仪器可以被定义为一种实施软件的仪器，这些软件是通过数据采集板和输入输出接口设备使传感器和执行器相互交流。虚拟仪器依靠底层操作系统来处理数据加工活动。在OO的设计，一个系统可能被分解为三种模式：对象模式，动态模式，功能模式。在对象模式中，虚拟仪器被分类为类层次。图2显示了一个多继承等级的虚拟仪器建模，有两个主要基础课程UI_DEVICE和UIW_WINDOW,如定义锌工具包。

图2 虚拟仪器的阶级层次

为实现虚拟仪器，伪代码示例可能显示如下，该虚拟仪器为传感器和执行器的组合，它涉及数据采集板

class VIRTUAL-INSTR:

public:

public UI-DEVICE, public UIW-WINDOW {

VIRTUAL-INSTR( ... ) ;

-VIRTUAL-INSTR(...) ; / / destructor

VITask( ... ) ; // task

DAQ-BOARD *IOBoard; // data acq. board

GRAF-VI *grafVirtInstr; // window

// constructor

}3.系统设计

该AGMT的体系结构如图3。三个管理器用来管理整个系统，分别是任务调度器，事件管理器和窗口管理器。任务调度器根据用户定义的任务调度策略来控制任务的时间测序和资源分配。事件管理器控制输入信息的通量和系统内部的事件消息。窗口管理器控制多视觉对象在屏幕上的并行可视化，正如运行程序所要求的。因此，在多任务系统中，AGMT可以被看作是支持并发应用程序（虚拟仪器或其他应用程序）的一个图形用户环境。

图3 AGMT系统

AGMT和虚拟仪器是按照模型视图控制器模型来设计，如图4所示。

图象信息 用户输入信息

图4 AGMT的MVC模式和应用

在图5中，能观察到多任务支持系统在AGMT中的实施。该图显示了三个任务：一个主要任务就是控制AGMT的图形用户界面，其次一个任务是控制一个独立的虚拟仪器。然而它可能关联到多个单一应用程序的任务，或者是一个任务控制多个应用程序。

X虚拟仪器的控制任务

AGMT图象界面的控制任务

Y虚拟仪器的控制任务

图5 多任务支持模式

这些任务的程序粒度要小，来促进任务调度运作，如图6所描述的。图7展示了一个CPU分配给三个不同任务的时间图：其主要任务是负责控制AGMT的GUI，示波器的任务和颜色的示范任务。

图6 关于AGMT抢占任务调度

图7 CPU使用率的时空图

AGMT主窗口方面的代表图8

图8 AGMT的主要窗口

AGMT环境被设计成允许定义分配给每项任务的优先权和时间片。调度一般使用有两个时间优先级的时间片的调度政策。活动任务即在就绪状态的任务，共享同样的高优先值'1'。暂停任务有低优先值'0'。这项政策在要求较高反应的实时应用中是足够的。至于AGMT环境，通过按按钮“优先事项 时间切片”（见图8），在运行时间，任务调度政策的定义就被完成。然后那个与任务调度策略相关的窗口就会出现，如图9所示。图形化的AGMT环境在运行主要任务时，有一个固定的高优先级值，不能被终止。时间片值的范围从1到10。一个时间片单位相当于50毫秒———这种价值是由互动工具包的内部时钟所施加的。

图9 任务调度策略的定义窗口

在编译时间，C 程序员能很容易地创造和添加新的虚拟仪器到AGMT环境。主要有以下几个步骤。首先，应用程序代码模拟仪器作为C 的一个类，使用锌原语。然后将此类的实例添加到事件管理器和窗口管理器中。然后添加一个子菜单到图形用户界面从而允许调用应用程序。第三，在主菜单中输入代码从而来分担运行应用程序的任务。

4.应用

两大虚拟仪器应用已经得到逐步发展——数字示波器和数字图像处理器。有更多教育目的的两个其它的应用也得到了发展：一个时钟模拟器和一个彩色演示应用程序。两个时钟可以看到如图3，每个时钟都是相同C 类的实例。示波器的虚拟仪器显示在如图10。这种虚拟示波器通过监测数据采集卡的两个不同信号，能够获得来自数据采集卡DT-2812的数据。按照数据采集卡的特点，通道增益范围为1，2，4和8。正如一个真正的示波器，用户能配置振幅和虚拟仪器的时基。正如图10所示，时基t代表了信号窗口横坐标的维度。示波器允许储存目前活跃在显示器的两个信号，和检索先前保存的信号信息。这种示波器有两种操作模式：连续模式和促发模式。两种模式都使用DMA数据转移。我们使用一个长度为100的数据值的DMA缓冲区和一个400x400像素的图形窗口显示来代表信号。用户可以通过指定的时间基值来控制板的采集频率。为此目的，按照选择的基值，数据采集频率被设置为等于DMA缓冲区长度的分界线。采集频率从100HZ到100KHZ，这意味着一个时基从1秒到1毫秒。

图10 数字示波器

第二个虚拟仪器实现了一个虚拟数字图像处理器。该系统和PGM或PNM，图像一起完成工作。我们开发了一些典型的图像处理程序：直方图，底片，亮度和对比增强和卷积过滤器使用的是双维3X3面具。图11显示了一个关于应用图像“lenna.pnm”和普鲁伊特面具的卷积滤波器以提高定向轮廓。

图11 数字图像处理器

5.结论

以上已经描述了虚拟仪器支持系统和两个重要的应用：数字示波器和数字图像处理器。区别于其他的商业系统，我们的系统最主要的特征在于AGMT优先实现了的多系统任务。这个功能允许任务调度策略可以由用户控制。由于AGMT在DOS下运行，通过数据采集板使传感器和执行器相互作用的是简单的代码。另一方面，AGMT实现了并行和面向对象方法。该系统模块在编译时允许增加新的并发应用，没有增加多大的复杂性。例如SCADA应用，能够被简单地增加到AGMT。但是程序员必须要保持该应用任务低粒度，为了提高任务的并行。相对于其他系统，AGMT的主要缺点是DOS施加的内存限制（约600KB的自由内存）。这一事实就像数字图像处理应用，不得不使用扩展记忆以避免这种限制。结果已经相当令人鼓舞。在这一领域，我们未来的工作将是有关于虚拟仪器系统在分布式环境的应用。

摘要：

通过一个通用计算机与通用数据采集系统的结合得出的虚拟仪器是为了仿真一个传统的测量仪器。该虚拟仪器的数据采集

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