（机械电子工程专业论文）可重构软件模型及其在检测系统中的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 现今的检测系统大多是根据某一具体要求而设计的。每个系统的开发均涉 及大量的重复劳动，包括用户需求获取的重复、需求分析和设计的重复、编码 实现的重复、测试工作的重复等，这样无疑加大了设计成本。传统的软件开发 技术很难适应市场竞争的需要，因此有必要设计一种面向测控系统的快速而有 效的软件开发方式。 本文结合x m l 技术与可重构技术，构造出了一个面向测控领域的可重构软 件模型，将系统软件划分为相互之间耦合度极低的软件功能模块，对每一软件功 能模块进行封装，以最大程度提高系统的动态可重构性。针对可重构软件模型中 的可重构问题展开研究，从可重构测控系统总体结构、测控单元模块化和测控 软件实现等几个方面入手开展工作。主要研究内容包括： 第一，分析了应用于测控系统的可重构软件模型的工作原理，给出了可重 构软件模型的总体结构和可重构软件模型的实现方法。 第二，针对可重构软件模型的设计问题，在分析了几种常用的可重构设计 方法后，借鉴虚拟仪器的设计思想，给出了基于x m l 的模块化设计方法。将软 件划分为了控件库，算法库，驱动库三个部分，然后用用户需求管理器中的配 置文件将它们有机的结合在一起，通过用户需求管理器解析该配置文件，从而 自动构建出用户所需的测控装置。 第三，将可重构软件应用于基于e 7 _ , - u s b 的数据采集系统中，实践证明， 该系统有很好的稳定性和扩展性，能满足可重构测控系统的需求。 从应用角度来看，本文所研究的可重构软件模型完全自主研发，研究既立 足于现状，又着眼于未来趋势，兼具实用性与前瞻性，将可重构技术与检测系 统应用有机地结合起来，为检测技术提供了一条新的途径和方法。 关键词：可重构软件模型，x m l ，e z u s b ，检测系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sm e a s u r e m e n ts y s t e m i s a l w a y sd e s i g n e da c c o r d i n gt os p e c i f i c r e q u i r e m e n t i nf a c t , t h e r ea r eal o to fs a m ee l e m e n 扭a n df e a t u r e se x i s t i n gi nav a r i e t yo f m e 龇c m e ms o f t w a r es y s t e m s i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc o n s i d e rt h er e u s a b i l i t yo fc o m m o n c l e m e n 协a n dt h er e c o n f i g u r a t i o no fs o f t w a r es y s t e ma r c h i t e c t u r e t r a d i t i o n a ls o f t w a r e d e v e l o p m e n tt e c h n i q u e s a r e u s u a l l y d i f f i c u l tt om e e tt h e r e q u i r e m e n t sf r o m c o m p e t i t i v em a r k e tc o n d i t i o n s a sar e s u l t ，t h e r ei sa ni n c r e a s i n gn e e df o rf a s ta n d f l e x i b l es o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o rm e a s u r e m e n ts y s t e m i nt h i sp a p e r , ad e s c r i p t i o n - d r i v e ns o f t w a r ef r a m e w o r kf o rm e a s u r e m e n ts y s t e m i sp r o p o s e d , w h i c hu s e sx m l s c r i p tl a n g u a g et od e s c r i p tam e a s u r e m e n ts o f t w a r e s y s t e m i n h i g h e r a b s t r a c t i o n sa n dr e d u c e st h e c o m p l e x i t y o ft h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t i nt h i sf r a m e w o r k ，c o m n l o nc o m p o n e n t sa r ei n t r o d u c e dt or e p r e s e n t t h o s es a m ee l e m e n t s ，s u c ha sg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，a n a l y s i sa l g o r i t h m sa n ds oo n t h e f o l l o w i n gc o n t e n t s a r es t u d i e di nt h e p a p e r ：t h e t o t a ls t r u c t u r eo ft h e r e c o n f i g u r a b l e m e a s u r e m e n t s y s t e m , m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i t sa n d m e a s u r e m e n ts o f t w a r e i nt h ef o l l o w i n gp a r t s ，t h ed e t a i l sa r ei n t r o d u c e d f i r s t l y , t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so ft h er e c o n f i g u r a b l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s y s t e m sa r ea n a l y z e da n dt h et o t a ls t r u c t u r e sa n dm e t h o do fr e c o n f i g u r a b l er e m o t e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m sa r ep r o p o s e d s e c o n d l y , i no r d e rt os o l v et h er e c o n f i g u r a b l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c e s d e s i g n i n gp r o b l e m s ，s e v e r a lk i n d so fc o l 扭m o nd e v i c e s r e c o n f i g u r a b l ed e s i g n i n g m e t h o d sa r ea n a l y z e d , a n dt h e nt h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e st h ed e s i g n i n gm e t h o d s b a s e do nu n i f o r mx m li n t e r f a c es t a n d a r da c c o r d i n gt o c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e d e s i g n i n gp r i n c i p l e s t h r e 圮m a i nc o m p o n e n tl i b r a r i e s a r e s p e c i a l l yd e s i g n e d c o m m o ng r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c ei sd e s i g n e da sw i n d o w sc o n t r o l s ，w h i c ha r eb u i l tb y u s i n gs t a n d a r dc + + l a n g u a g ea n df o r maw i n d o w sc o n t r o lc l a s sl i b r a r y a n o t h e rm a i n c o m p o n e n t sl i b r a r yi sa n a l y s i sl i b r a r y , w h i c hi n c l u d e sa p if u n c t i o n sf o rs i g n a l g e n e r a t i o n ，o n e d i m e n s i o n a la n dt w o d i m e n s i o n a la r r a ym a n i p u l a t i o n ，c o m p l e x o p e r a t i o n s ，s i g n a lp r o c e s s i n g , s t a t i s t i c s ，c u r v ef i t t i n g , a n dm a t r i xo p e r a t i o n s ，a n ds o o n s o m ea u x i l i a r yc o m p o n e n t sl i k ec o m m u n i c a t i o nl i b r a r ya r ea l s op r o v i d e d a 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 t h e s ef u n c t i o n sa r er e d e s i g n e da c c o r d i n gt ou n i f o r mx m li n t e r f a c es t a n d a r df o ru s e r t ou s et h e mb yx m l s c r i p tl a n g u a g e o nt h eb a s eo ft h e s ec o m p o n e n t sl i b r a r y , a d e s c r i p t i o n d r i v e ns o f t w a r e f r a m e w o r kf o rm e a s u r e m e n ts y s t e mi s b u i l t ，w h i c h i n t e g r a t e sax m li n t e r p r e t e ra n dax m l e d i t o rt om a k eu s e ru s e o n l yx m ls c r i p tt o d e s c r i p tt h ei n c l u d i n gc o m p o n e n t sa n d a r c h i t e c t u r eo fam e a s u r e m e n ts o f t w a r es y s t e m s oi nc a s eo fn oc o m p l e xp r o g r a m m i n g , b yu s i n ge a s yx m l s c r i p td e s c r i p t i o n , v a r i o u su s e ri n t e r f a c e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，a n a l y s i s ，a n dd a t ap e r s i s t e n c ec o m p o n e n t s n b er e u s e dt of o r md i f f e r e n tm e a s u r e m e n ts y s t e m st h a ta r et a i l o r e dt o s p e c i f i c r e q u i r e m e m s b yt h ec h a n g eo fx m ls c r i p t ，am e a s u r e m e n t s o f t w a r es y s t e mi sa l s o r e c o n f i g u r e de a s i l y i nt h i sp a p e r , ac a s ei sa l s op r o v i d e dt oi l l u s t r a t et h ej u d i c i o u su s e o ft h i sm e t h o di ns u c hd e v e l o p m e n t f i n a l l y , i no r d e rt op r o v et h ee f f e c to ft h er e s e a r c h i n gw o r k s ，ap r o t o t y p i n g s y s t e mi sd e s i g n e db yu s i n gt h er e c o n f i g u r a b l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c e s i ti s p r o v e dt h a tt h es y s t e mi sw e l lf l e x i b l ea n d 啪m e e tw i t ht h er e q u i r e m e n t so ft h e m e a s u r e m e n ts y s t e m s t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i sb o t hb a s e so no u rc o u n t r yp r e s e n ts i t u a t i o na n dw i l l f o c u st ot h ef u t u r et e n d e n c y ，t h ec o n c u r r e n t l yu s a b i l i t ya n df o r es i g h t e d n e s s i tm i g h t p r o v i d en e w v a l u a b l ep r i n c i p l e ，t o o l sa n dm e t h o d sf o rt h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：r e c o n f i g u r a b l es o f t w a r em o d e l , x m l , e z - u s b ，m e 舔u r e m e n ts y s t e m m 此页若属实，请研究生及导师签名，并装订在掌位论文的摘要前。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意 研究生( 签名) ： 擗e 3 期删 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签孙衅驾导师( 签孙赳赢五! 址：j 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 最早提出软件重构这一概念的是德国，在软件工程会议上有人提出了软件 重构的思想，设想软件可以根据它们的通用性、功能、应用平台进行分类，使 复杂的软件系统设计能够与硬件系统设计一样，通过组合标准的构件得到。7 0 年代末，前苏联科学家提出了动态可重构的系统结构的概念。8 0 年代，可重构技 术得到了较大的发展，在容错计算、并行处理、集成电路等方面得到了广泛应用。 进入9 0 年代以后，可重构技术成为了研究热点【： 本课题的研究目的在于研究一种适于可重构需求的检测系统。现今的检测 系统大多是根据某一具体要求而设计的。当测试任务改变时，需要重新编写软 件。每个系统的开发均涉及大量的重复劳动，包括用户需求获取的重复、需求 分析和设计的重复、编码实现的重复、测试工作的重复等。这样无疑加大了设 计成本。面向检测系统可重构软件模型的研究项目针对动态环境对测控系统提 出的可重构、进化与升级的要求，研究基于x m l 文档的、在运行环境下功能可 以变更和扩展的动态可重构测控系统。给出了动态可重构测试系统模型和设计 理论，研制出了软件原型系统。课题将可重构理论用于检测系统的设计具有如 下意义； 1 ) 采用开放式的体系结构，检测装置的结构和功能都是可变化的，而且 系统软件可以对检测系统的软硬件资源集中管理，因此可重构的检测系统使得 检测系统能够适应系统变形后产生的新的测控任务。 2 ) 检测系统可由用户重构、测控任务完全由用户分配，体现出了可重构 系统用户化的柔性特征。 3 ) 可重构检测系统具有设计灵活、结构紧凑、可靠性高、市场生命周期 长等特点，减少了系统的维护费用。 1 2 相关技术的国内外现状和发展趋势 制造系统与新产品开发、商务实践构成了制造的三个基本要素。制造系统 中的关键问题是：如何快速设计与建立新产品生产的系统，使企业及时抓住商 机。8 0 年代以来，不断全球化和呈快速多变的制造货物市场上，传统制造系统 武汉理工大学硕士学位论文 ( 如：刚性制造系统、雕s 等) 均不能满足市场变化的需求。为了解决这一问 题1 9 9 6 年美国m i c h i g a n 大学k o r e n 通过对目前典型制造系统的分析提出了 可重构制造系统的概念( r m s ，r e c o n f i g u r a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 。 可重构技术除了应用于制造领域外，在其它领域( 如：电子信息领域、医 疗领域等) 也得到了广泛的应用。这种设计方法的对象是传代软件系统，所谓 传代软件系统是指那些经过长时间运行的软件系统。随着时间的推进，各种软 件新技术不断出现，形成了对这些传代软件系统的巨大冲击，传代软件系统面 临着如何适应新需求的问题。几乎所有成功的软件都是在不断地演进中产生的， 很少有系统是在一次设计之后，就一次性编码完成的。随着系统不断的演进、 需求的变化，人们不断地修改原有的软件代码及其设计，这样随着时间的推移， 代码逐渐地变得臃肿起来，代码所体现的设计也变得越来越模糊。这样代码的 维护会越来越困难，所需费用也会越来越高，扩展性也越来越差。为了解决这 类问题，在面向对象的领域中，出现了重构的概念。 软件重构技术是软件工程近十年来非常活跃的一个研究领域重构研究的 动机是由某些有关的研究所激发的。这些研究主要包括软件重用，软件维护，和 软件的重新组织( s o f t w a r er e s t r u c t u r i n g ) 。 ( 1 ) 软件重用( s o f t w a r er e u s e ) 为了降低开发软件的高成本，软件重用的研究是为了使一个系统开发的知 识再次容易地用于另一个软件系统的开发。然而，可重用软件经常需要很多设计 迭代，使软件更容易改变将使设计迭代更简单。这样的软件将更可重用。抽象， 封装，继承，多态和模块性这样的面向对象程序设计特性给软件再利用提供了基 础结构。在s m a l l t a l k 和其它的一些面向对象语言中提供了这些特性的结合，以 鼓励再利用现有的代码，而不是从头开始编码。这样，通过添加新类或者在现存 类上添加操作能对软件作出某些改变，而使软件的大部分保持不变。然而，大部 分的改变涉及类似改变类间关系，移动类间的变量和函数这样的结构上的变化。 用手工进行这些改变是费时，困难并易于出错的。除代码级再利用之外，设计级 的再利用也是研究的内容。而且，从长期的观点来看，人们认识到设计级的再利 用更为重要。面向对象应用框架( f r a m e w o r k ) 是这种研究努力的结果框架是抽 象和具体类的集合。从而，能够添加新的子类对它进行重定义。因此，框架支持 抽象级，并允许部分的规范说明。不过，好的框架需要多次的设计迭代，涉及很多 结构上的变化。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 软件维护( s o f t w a r em a i n t e n a n c e ) 软件重用与软件维护紧密相关，维护是软件生产所有方面中最为困难的。 主要的理由在于维护包容了软件过程所有其他阶段的各个方面内容。在软件生 命周期中，在维护上所花的时间比任何其它阶段都更多。实际上，现行软件的维 护工作量能占到全部开发工作量的6 0 以上。软件维护经常需要重新组织软件。 ( 3 ) 软件重新组织( s o f t w a r er e s t r u c t u r i n g ) a r n o l d 把软件重新组织定义为使软件更容易理解，更容易改动，或者以后修 改时更少出错，而对软件的更改。不适当的设计方法，缺乏开发和维护标准等诸 如此类的很多因素都能导致拙劣的软件结构。很多软件重组方法集中于诸如用 结构注入代码使程序中的控制流更为明显这样的代码变化。可是，只存在一些不 对代码进行更改的方法。例如，人们能够在软件再工程期间从代码和现有的文档 出发重新创建软件的结构。 重构这一术语产生于对s m a l l t a l k 的研究和使用。当研发人员在精练代码， 对类的继承层次和设计框架( ( d e s i g nf r a m e w o r k s ) 进行整理时，逐步使用了这 个概念。在文献中，可能最早的描述是d u t c h 的论述：接口设计和功能分配是软 件设计的主要内容，这些工作的完成和修改要比编码更复杂，o p d y k e 和r o b e r t s 对此给出进一步论述：如果把功能分解到对象中是构造，那么，改变这个功能实 现的位置叫重构。他们早期把重构定义为保留行为的程序转换。后来对此加以 补充，认为软件重构是使用各种手段重新整理一个对象设计的过程，目的是为 了让设计更加灵活，更利于复用，提高软件的可维护性。目前软件可重构技术 的典范是虚拟仪器技术和组态软件技术。 虚拟仪器是计算机技术和仪器技术结合的产物，它把计算机、仪器硬件、 固件与计算机软件结合起来。除继承传统仪器的己有功能外，还增加了许多传 统仪器所不能及的先进功能。虚拟仪器的最大特点是其灵活性。用户在使用过 程中可以根据需要添加或删除仪器功能，以满足各种需求和各种环境，并且能 充分利用计算机丰富的软硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送、 存储方面的限制。 虚拟仪器从硬件构成上讲，已完全脱离了原有的单个仪器的概念，并不是 在计算机上实现某一台仪器的功能，而是形成了一个虚拟仪器系统的概念。它 是几种仪器的综合，是在计算机上实现多种不同仪器的协同工作的整体。虚拟 仪器的硬件主要以计算机为核心，在其基础上扩展了不同类型的硬件设备，构 武汉理工大学硕士学位论文 成不同类型的虚拟仪器系统。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集系统、 g p i b 仪器控制系统、v x i p x i 仪器系统、串行接口仪器系统以及它们四者之间 的任意组合。 目前国内的虚拟仪器发展有两种方向，一是利用国外成熟技术，开发自己 的虚拟实验系统，这种情况有较大的局限性，开发者往往要购买国外的软件和 硬件，花费较高：另一种发展方向是，利用通用的开发工具，从基础开发做起。 国外的虚拟仪器技术己经相当成熟，往往是生产规模相当大的仪器公司在自己 生产测试设备的同时，开发与之配套的虚拟仪器软件。例如美国的n i 公司就 是一家专门生产测试设备的公司，同时它开发生产虚拟仪器的软件 l a b w i n d o w s c v i 和l a b v i e w 。这两款软件都与n i 公司生产的设备紧密结合， 而同时又提供强大的兼容性，支持几乎所有的操作系统，如：w i n d 0 w s 9 8 2 0 0 0 ) 【p ， l i n u x 等，代表了虚拟仪器的发展方向。但是价格不菲，而且在系统升级、功 能扩展和技术服务等方面都收取较高的费用。国内在虚拟仪器方面发展较晚， 与国外虚拟仪器技术相比在操作系统、功能扩展和技术服务等方面存在较大的 差距，但是从另外角度来看，有着广阔的发展前景和可借鉴的经验。 在国内，虚拟仪器的研究和开发尚属于起步阶段，许多高校在尝试将虚拟仪 器应用到试验教学和计算机辅助教学中，比如清华大学利用虚拟仪器技术构建 汽车发动机检测系统，优于汽车发动机出厂前的自动检测国内的许多研究所和 公司在研究和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及消化吸收等产品方面 都做了大量工作，虚拟仪器技术已在超大规模集成电路测试、模拟电路数字电路 测试、现代家用电器测试、电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、工 厂测试、电工技术领域等的可移动式现场测试工作中得到应用。 目前，国外企业在中国虚拟仪器市场占据着绝大部分的市场份额。据统计， 我国进入2 1 1 工程的高等院校基本上都选用了国外公司的产品。限于美国在虚 拟测试测量及自动化领域的垄断地位，国内引进一套相关开发软件需要美元，引 进一套虚拟仪器硬件设备需要十多万元人民币，采用其软硬件系统建设虚拟仪 器研究实验室更是价格不菲。 在组态软件技术方面，9 0 年代，随着微软的w i n d o w s 3 0 风靡全球，以 w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 为代表的人机界面软件开创了w i n d o w s 下运行工 控软件的先河，使该公司迅速在不长的时间内成为全球最大的独立组态软件厂 商。组态软件分为人机界面软件( 嘲i ) ，如i n t o u c h i 、f i x 、组态王等；基于p c 武汉理工大学硕士学位论文 的控制软件，统称软p l c 或软逻辑，如亚控的k i n g a c t 、西门子的w i n a c 等； 生产执行管理软件，如i n t e l l u t i o n 公司的i b a t c h 、w o n d e r w a r e 公司的 i n t r a c k 等。目前，全球知名的组态软件厂商不足2 0 家，前6 家占据了整个 市场7 5 左右的份额，它们分别是w o n d e r w a r e 、s i e m e n s 、i n t e l l u t i o n 、 r o c k w e l l 、g e f a n u c 、c i t e c h 。 1 3 本课题的技术难点和主要工作 本课题将可重构技术引入检测系统中，研究可重构检测系统的具体实现。 内容涉及可重构测控软件模型的设计，测控系统中数据采集模块的设计等等。 具体研究工作主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 研究了可重构系统软件模型，完成系统总体框架以及各种库的设计。 ( 2 ) 完成了可重构的应用软件的开发。将软件模块化，定义统一的数据接口， 利用x m l 描述方法实现软件的可重构。 ( 3 ) 将可重构软件模型应用于检测系统中。 研究所遇到的难点包括以下几个方面： ( 1 ) 数据采集显示模块的设计。数据能够顺利准确的采集并且实时的显示， 是完成软件开发的前提。数据采集系统采用的是u s b 接口，数据的采集需要固 件程序，驱动程序，应用软件之间的配合来完成，这是数据采集的难点。 ( 2 ) 实现软件的可重构。可重构软件要真正做到依照用户的需要去创建软 件，就需要定义好各个库的接口，以适应用户的任何需要，这也是本课题最大 的难点。 1 4 本文的组织结构 第一章，绪论。介绍课题研究背景、意义以及研究的主要内容。 第二章，可重构测控系统软件模型结构和设计方法。分析了系统的用户 需求和软件开发环境，提出了系统模型和功能体系，对可重构软件模型 的具体实现方法进行了阐述。 第三章，可重构软件模型中用户需求管理器的设计。分析了用户需求管 理器的设计要求，提出了用户需求管理器的设计方法，阐述了其实现过 程。 第四章，可重构软件模型中控件库的设计。分析了控件库的设计要求， 武汉理工大学硕士学位论文 提出了控件库的设计方法，阐述了其实现过程。 第五章，可重构软件模型中算法库的设计。分析了算法库的设计要求， 提出了算法库的设计方法，阐述了其实现过程。 第六章，可重构软件模型中驱动库的设计。分析了驱动库的设计要求， 提出了驱动库的设计方法，阐述了其实现过程。 第七章，可重构软件模型应用实例。描述了可重构软件的应用实例，并 通过实例证明了可重构软件模型的可重构性。 第八章，结论与展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章可重构测控系统软件模型结构和设计方法 2 1 系统功能需求分析 可重构软件模型需要针对不同实验能够将数据采集及显示、数据处理、数 据存储、信号输出等功能进行不同的组合，以满足多种测控需求。根据这一需 求，考虑采用模块化的设计方法，将需要实现的功能尽可能分类并设计成相互 较为独立的模块，根据不同实验只需要将几个不同的模块组合起来即可。 可重构系统应具备以下特点： 模块化：可重构系统中的所有部件必须是模块化的。若有必要，各部件可 以更换而不必改动整个系统。从而使得系统易于维护并降低了成本。 集成性：为了使整个系统结构清晰，便于使用和维护，有必要建立起一系 列系统集成方法和原则，这些方法和原则应包括整个系统以及部分控制单元。 可转换性：系统的可重构性要求可以利用已有的软硬件资源来实现不同的 功能产品，同时，在改变功能时应尽量缩短时间。因此要求系统的软硬件模块 必须具有快速转换的能力。 具体化：为降低成本，可重构系统应该设置成适用于系列化的功能产品， 而不是面向各种各样的广泛功能产品。 2 2 系统软件开发环境 目前，能够用于测控系统软件开发，并且比较成熟的软件平台有两大类： 一是采用通用软件进行编写。这里所指的通用软件主要是m i c r o s o f t 公司的 v i s u a lc + + 和v i s u a lb a s i c 以及i n p r i s e 公司的d e l p h i ：二是采用专业图形化编程 软件进行开发，比如d a t at r a n s l a t i o n 公司的h pv e ew i t hd tv p 和d t x e z t m 、 n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的l a b v i e w 和l a bw i n d o w 栅以h e w l e t t p a c k a r d 公司的h i v e e 。 l a b v i e w 是美国n i 公司研制的图形编程虚拟仪器系统，主要包括数据采集、 控制、数据分析、数据表示等功能，它以图形方式组装软件模块，生成专用仪器， 是完全图形化的开发工具，具有使用方便、开发便捷的特点，但是软件价格比较 昂贵，而且平台软件的核心技术也不会完全公开阶们。而且软件一般都只支持自 己厂家和少数其他厂家生产的数据采集卡，这样如果要更改仪器硬件那么就要 武汉理工大学硕士学位论文 相应的更改相关软件，一切又要从头来过，浪费了大量的时间和财力。 本文使用v i s u a lc + + 进行软件开发，以x m l 文档方式组装软件模块，结构清 晰，完全自主研发，可扩展性强。选它为开发工具有如下几个突出的优势【1 1 】： ( 1 ) v i s u a lc + + 6 0 是m i c r o s o f t 推出的应用非常广泛的可视化编程语言，他 提供了一套称为m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ，微软基本类) 的程序类库， m f c 是w i n d o w s 应用程序事实上的“工业标准一v c + + 6 0 能够很方便的使用 m f c 所提供的强大功能。 ( 2 ) m i c r o s o f t 在p c 操作系统市场上的垄断地位，使用m i c r o s o f t 发行的编 程软件能够提供与w i n d o w s 操作系统的最大兼容性，同时m i c r o s o f t 为v c + + 6 0 的编程环境提供了强大的图形支持。 ( 3 ) v i s u a lc i + + 6 0 的开发环境十分友善，有高度的可视化开发的开发方式 和强大的向导工具( a p p w i z a r d s ) ( 4 ) v i s u a lc + + 6 0 引入了智能感应技术，是开发者摆脱了一些繁琐的细节 问题，大大提升了开发程序的效率。 ( 5 ) v i s u a lc + + 6 0 是目前使用最为广泛的开发工具，有利于后边的学习和 交流。 2 3 系统总体结构 测控系统的总体结构，如图2 1 所示。 图2 1 系统总体结构 武汉理工大学硕士学位论文 测控系统包括有硬件设备层和软件层两个部分组成，硬件功能是获取被测 的物理信号，提供信号传输的通道，软件层用于实现数据采集、数据分析、处理 以及显示的功能，测控系统通过软件层将通用计算机与功能化硬件结合起来，完 成对被测试量的采集、分析，判断、显示、数据存储等功能。 2 3 1 系统的硬件结构 硬件设备层由系统控制器和一些通用的测量仪器构成。系统控制器是以 u s b 控制器为核心的数据采集卡，用户通过增加外围的通用测量仪器来测量各 种数据，如图2 2 所示。 系统控制器 温 度 传 感 器 湿 度 传 感 器 压 力 传 感 器 流 量 传 感 器 图2 2 测控系统硬件设备层结构 系统控制器围绕着u s b 芯片进行，由u s b 芯片作为整个系统控制器的中 央处理器。一方面控制a d 的数模转换，另外一方面对转换的数据进行处理后 规范为u s b 2 0 协议规定的数据包格式发送给主机，如图2 3 所示。 图2 3系统控制器结构图 u s b 控制器采用e z - u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片，该控制器包含智能串行接 口引擎，能执行所有基本的u s b 功能，将嵌入式m c u 解放出来，用于实现专 用的功能，此外它还包含通用可编程接口，可与外部设备进行结合，支持所有 武汉理工大学硕士学位论文 的总线标准，并包含u s b 收发器、高速琐相环、片上r a m 和f i f o 存储器【体1 6 1 。 这些在一定程度上简化了硬件设计，缩小了数据采集系统的体积，降低了成本。 模数转换器将模拟信号转换成数字信号，数字信号通过s i e 引擎送给u s b 接口， 最后发送给主机。电源采用u s b 总线供电方式，并通过电压转换芯片来完成对 f x 2 和d 的供电要求。 2 3 2 系统的软件结构 系统的软件结构可划分为数据产生、数据分析、结果显示三大功能模块， 如图2 4 所示。 信号处理 数据采集 酞坡件输出 j 数字滤波 j 统计 图形用户界 信号发生 面 分析 效据严生效据分析结果显不 图2 4 系统软件层结构框图 其中，采集处理功能主要完成数据的调理采集，数据分析功能对数据进行各 种分析，处理结果显示则使将采集到的数据和分析后的结果表达出来。 2 4 系统的可重构实现方法 系统软件层包括有驱动和应用软件两大部分，作为可重构检测系统的重要 组成部分，可重构软件模型提供了一系列接口供用户选择，从而依照客户要求 构造出一整套检测系统，软件层结构如图2 5 所示。 数据流 、 y 用 用 户 需 数据流、 | 算法库降 件 户 卜 求 控 需 管 库 求 理 器 驱动库鹳 图2 5可重构软件模型结构图 武汉理工大学硕士学位论文 可重构软件模型需要根据用户需要重构出一套测控软件，它的功能包括信 号采集、信号处理、信号显示等部分。信号采集与硬件层息息相关，通过硬件 控制器采集到的信号需要通过驱动程序与应用程序的i o 接口即驱动库上传至 上位机。信号处理则需要系统调用算法库中的相应算法完成处理。最后，系统 将处理后的结果通过控件库中输出控件输出。客户的需求是不断变化的，利用 软件模型中的用户需求管理器可以对驱动库、算法库、控件库进行重组，从而 构造出一套用户需要的测控软件。 在确定用户的需求后，用户需求管理器会自动生成相应格式的x m l 文档， 这个文档中包含了用户需求的所有信息。用户需求管理器通过解析这个x m l 文 档来创建相应的控件，同时对这个软件系统的数据流进行初始化。当控件库接 收到数据更新的消息时，控件库中的消息处理函数会调用算法库信号发生函数 或者驱动库中的i o 接口函数来提取数据，系统采用多线程同步技术使得系统的 数据流会随着数据的更新而同步更新，输入到算法库和控件库中的数据流也会 同时进行数据的更新和显示，从而实现的系统软件的可重构。 2 5 本章小结 本章对可重构软件模型进行了综述，首先分析了可重构测控系统的功能， 确定了系统软件开发环境，并与基于l a b v i e w 的软件系统进行比较，然后提出 了系统的总体结构，最后描述了基于x m l 的可重构软件模型实现方法。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章 可重构软件模型中用户需求管理器的设计 3 1 用户需求管理器的设计要求 可重构软件模型中的用户需求管理器主要用于将用户的需求用配置文件表 示出来，并通过解析该配置文件，将客户需求的信息传递到软件系统中去，其 设计应包括以下几个方面： ( 1 ) 根据用户需要创建配置文件，这个配置文件是可以根据用户的需要进行 改变的，当用户需求确定后，配置文件自动创建，则该配置文件包含了用户需 求的所有信息。 ( 2 ) 解析配置文件，将文件信息传递给软件控制中心。 ( 3 ) 定义良好的与界面管理器、算法库和驱动库的接口，完成控件的创建和 数据流的初始化。管理器根据配置文件的信息创建相应的控件，并完成用户所 需组件的数据的初始化。 3 2 用户需求管理器的结构 用户需求管理器由用户需求管理器控制中心和各个模块组成，如图3 1 所 示。 圈3 1 用户需求管理器构造图 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 可重构软件模型中用户需求管理器实现方法 3 3 1 管理器中配置文件的选择 x m l 是由互联网联合组织( w o r l dw i d ew e bc o n s o r t i u m ，w 3 c ) 于1 9 9 8 年 2 月发布的一种通用语言规范，定义了在i n t e r n e t 上进行数据表示和数据交 换的新标准，是标准通用置标语言( s t a n d a r dg e n e r a li z e dm a r k u p l a n g u a g e ， s g m l ) 的一个简化子集。作为定义和描述信息的标记语言，x m l 的语法很简单， 包括标记、元素、属性等，但严谨、有效地定义了x m l 文档的结构。x m l 的主 要特点是，通过定义语义标记，允许不同专业人员开发与自己特定领域有关的 标记语言，并可以将数据表示成为一种文本化的、易于阅读和程序理解的格式。 这种数据表示不依赖于具体的硬件和平台。x m l 的自定义性及可扩展性使它足 以表达各种类型的数据，可以在任何两个遵守x m ls c h e m a 的应用系统间进行数 据交换和消息传递，各系统在收到数据后可以自行处理。x m l 的这些优点，使 其非常适合于系统间的数据交换n 刀。 x m l 解决了数据的表示问题，它提供了交换数据的载体的描述和定义。就 像h t m l 定义了w e b 浏览器所看到的数据格式，一个格式适合的h t 此文档可 以被支持m 地格式的任何一个浏览器打开，从而用户可以观看h t 儿文档。同 样，一个格式正确的x m l 文档其内容也应可以被支持x m l 的应用程序所读取， 从而使数据被企业应用所接受。x m l 文档所描述的数据实际上是在不同的系统、 不同的应用之间的处理流转。如果没有一个标准的格式( 如捌l ) 定义，数据 是无法被不同应用共享的。除了易于建立和易于分析外，x m l 主要的优点还有 它既是平台无关的，又是厂商无关的n h 们。 x m l 全称为可扩展的标记语言，不过实际上它和真正意义上的标记语言还有 着相当多的区别，它是一种允许用户对自己的标记语言进行定义的源语言。简 单来说，如果h t m l 是一个描述系统，x m l 就是用来定义这个描述系统的，使用 x m l 就可以定义出像h t m l 这样的系统。y , 珊i l 的出现大大丰富了h t i l l 的描述功能， 它可以描述非常复杂的w e b 页面。如复杂的数学公式，化学分子式等等。x m l 的 特性主要分为4 个大方面： ( 1 ) 结构化 x m l 是一种极端标准化的语言规范。类似于s g m l ，x m l 文件利用了一个d t d d o c u m e n tt y p ed e f i n i t i o n ，文件类型定义) 规范，d t d 规范是一个用来定义 武汉理工大学硕士学位论文 x m l 文件的语法、句法和数据结构的标准。d t d 还可以定义在使用每一个你所声 明的元素时是必需的、可选的还是有条件的，以及可允许的属性值的范围是否 有所限制，是否有一个缺省值，或