虚拟仪器(Visual Instruments, VI)是指结合软、硬件资源构造测量仪器, 即用户在通用计算机的硬件和软件平台上, 可自定义仪器操作面板和测量功能的软件系统^[1]. 软件在虚拟仪器中有着举足轻重的地位, 美国国家仪器公司(NI)曾提出“软件即仪器”(Software is Instrument)这一理念, 形象的概括了软件的重要地位, 它担负着仪器系统数据分析处理、实时显示、动态修改等重担^[2]. 而衡量一款虚拟仪器软件的好坏很大程度上取决于前面板设计的方便与否. 目前, 虚拟仪器前面板的开发主要有两种: 一种是基于文本语言来编写仪器软件的底层驱动、数据处理算法、虚拟仪器面板显示等, 这类语言主要有C/C++, Java, C#等. 近年也出现了使用诸于G语言^[3], Unity3D等新兴编程语言来完成虚拟仪器软件的开发^[4], 另一种是以NI的LabView为代表的可视化图形编程语言开发方式^[5]. 两种方式各有优缺点, 前者运行效率高, 容易实现复杂的数据处理算法, 有较为完备的图形框架, 容易自由定制复杂功能的仪器面板界面, 但是编程语言上手门槛较高, 学习成本大, 开发周期较长, 后者使用图形化界面开发, 容易上手, 开发周期短, 但是有不易于拓展、运行效率低等缺点.

目前国内外对仪器软件开发平台的研究不多, 大多数科研人员都是应用仪器技术来解决自身领域的问题^[6,7]. 特别是国内, 虽然有一些学者, 如华中科技大学的学者基于iOS的虚拟仪器浏览器^[8]、基于前端响应式技术的可重构手机虚拟仪器^[9]、基于Unity3D的虚拟仪器模型^[4], 浙江大学学者设计的虚拟仪器共享平台^[10]等, 虽然取得了一些成果, 但大部分虚拟仪器测试系统主要还是基于国外软件平台的二次开发和硬件方案提供. 虽然国外以NI的LabView为代表的虚拟仪器开发软件在重用和硬件解耦等方面有很大的改善, 但还是有些不足: 软件模块的开发闭源, 用户只能使用软件提供的模块, 对于软件进行功能拓展还是需要重新开发, 开发成本高^[11].

基于以上的不足, 本文借助Java语言和SWT/JFace图形包, 研究并实现了通用虚拟仪器前面板的运行平台, 定义了一套仪器显示组件的标准, 平台界面由各个不同的组件组合完成, 开发者可根据需求自己设计组件拓展. 提供了仪器软件与硬件系统的数据交换的接口, 减少了软件硬件的耦合性, 使得应用软件能适用非主流特别是自主研发的硬件系统.

1 通用虚拟仪器前面板运行平台工作原理

仪器前面板运行平台既可独立运行, 也能作为基础平台嵌入其他自动测试系统, 它的工作原理如图1所示, 平台加载保存有写好的组件的jar包, 加载来自网络或本地的仪器脚本, 解析脚本生成仪器前面板虚拟界面, 并与底层硬件系统通讯, 交换硬件系统和虚拟面板中的数据. 具体工作方式如下:

脚本: 一般是XML文件, 存放界面中组件的信息^[12], 包括容器组件和一般组件, 脚本文件可以是本地文件也可以是网络文件. 本地文件存放在指定的文件夹中, 在Windows和Linux操作系统中, 一般存放于项目所在根目录下的UI文件夹中, 网络文件存储在其他PC机器之中, 如果远程用户想运行平台, 就可以通过TCP协议传输网络脚本数据到平台. 为区别于以.xml结尾的配置文件, 脚本文件的格式设置为.uixml

组件jar包: 平台采用模块化的设计, 组件独立于平台, 存放在jar包中, 方便拓展. 一般将jar包放入一个文件夹中, 统一管理, 在PC系统中, 组件jar包通常存放于UI文件夹下的component文件夹.

界面运行: 平台加载脚本解析之后生成可视化图形界面, 用户可以直接操作面板, 平台提供数据交换支持. 平台使用Java语言和SWT/JFace图形包来生成图形界面, 满足跨平台需要, 该平台和界面可以运行在Windows系统和Linux系统之上.

2 虚拟仪器前面板运行平台实现方法

虚拟仪器的基本组成模块是组件, 组件是具有某种功能的独立模块, 依据实现功能的不同有容器组件和功能组件, 组件之间的关系如图2所示. 容器组件是用来安放其他组件的组件, 功能组件是实现人机交互功能的组件. 将容器组件和功能组件按照一定顺序组装好就能形成一个虚拟仪器. 下文将围绕控件介绍运行平台的实现方法.

2.1 基于观察者模式的数据交换机制

观察者模式是一种一对多的设计思想, 多个观察者订阅同一个主题时, 当主题有变化时, 通知观察者获取新的主题, 当一个观察者改变主题的属性值时, 其他观察者也能及时接收到改变^[13]. 组件与组件之间需要通讯, 组件与硬件系统之间也需要通讯, 为了解决这种一对多的依赖关系, 本课题采用了数据池数据绑定的数据交换机制: 平台中开辟一个数据池, 采用KVO (Key-Value-Object)的方式存储数据, key对应一个属性, value对应组件的属性值, 一个属性可以被多个组件绑定; 同时, 数据池中的数据也可以通过接口和硬件系统交换数据.

数据池数据绑定的工作原理是: 数据池中定义一个数据对象A, 组件B需要对象A的数据, 组件D也需要对象A的数据, 硬件系统中的硬件模块C输出的数据对应对象A的数据, 当C交换数据将对象A的数据改变时, 数据池会发送通知给组件B和D, 告诉B和D对象A的最新数据. 数据绑定的关系如图3所示.

数据池使用单例设计模式, 平台中只有一个数据池, 要绑定的数据都在数据池中操作, 使用数据绑定的方法有: register (String tag, IDataBinder binder); //注册变量到数据池, bind (String tag, IDataBinder binder); //组件绑定变量, publish (String tag, Object value, IDataBinder binder); //改变变量的属性值, 通知绑定的其他组件新的属性值; IDataBinder是一个数据绑定的接口, 组件都要继承该接口, 接口中只有一个方法: newValue (String tag, Object value), 每个组件都要实现该方法, 数据池使用组件的该方法通知到各个组件新的属性值.

2.2 组件热加载机制

平台使用了模块化的设计思想, 组件是一个个独立的模块, 可以自由的拓展. 为了方便组件的添加, 可将设计好的组件打包成jar包, 存放到项目根路径下的UI文件夹下面, 在使用到这个组件时, 平台动态加载jar包寻找该组件, 并使用Java反射机制创建组件.

2.2.1 双亲委派机制

双亲委派机制是JVM (Java虚拟机)加载类的机制. JVM虚拟机根据类的全限定名来加载类, 而类加载器是JVM加载类的实现, 图4是类加载器之间关系, 双亲委派机制是为了避免不同的类加载器加载同一个类^[14].

双亲委派机制的工作流程如下:

(1) 类加载器收到类加载请求;

(2) 把这个请求委托给父加载器去完成, 一直向上委托直到启动类加载器;

(3) 类加载器检查能不能加载这个类, 如果可以就加载这个类并结束加载, 如果不能, 抛出异常, 通知子加载器进行加载;

(4) 循环步骤(3).

2.2.2 运行时类加载器

编写好的静态代码通常是由AppClassLoader类加载器来加载, 但是这种类加载器只能加载在编译之前就已经写好的代码, 这样组件信息和平台耦合在了一起. 根据双亲委派机制, 本方案使用了URLClassLoader来加载jar包中的组件, URLClassLoader是拓展类加载器的一种, 是JDK提供的一种可加载外部文件中的类的信息的类加载器, 配合应用程序加载器即可加载平台中预写好的组件和外部拓展的组件. 本文中, 我们对URLClassLoader进行封装, 使用RuntimeClassLoader来处理组件jar包的加载, 组件加载的步骤如图5所示.

平台每次启动的时候读取路径信息, 加载组件jar包到classPath中, 让JVM能够寻找到组件的信息, 加载的过程使用RuntimeClassLoader的addJarToPath (String path)方法; 当有脚本运行时, 平台解析脚本文件, 读取其中的组件类名和初始化参数, 使用RuntimeClassLoader的loadClass (String className)提供反射支持, 生成组件, 同时调用组件的init()方法加载初始化参数完成组件的初始化.

2.3 组件定义及装配 2.3.1 组件模型

组件根据功能侧重点的不同, 可分为容器组件和功能组件, 这两种组件之间有一些共同点, 也有一些不同点, 容器组件可看做是功能组件的拓展, 具有可放置组件的容器. 组件的模型如图6所示.

组件包括界面显示的内容以及人机交互处理, 包含两大部分: 显示部分和数据部分, 显示部分显示组件的外貌, 数据部分处理与用户有关的输入和输出, 以及相关的事件. 本方案设计中事件也是按照数据的方式进行处理.

容器组件可看做特殊的组件, 其界面UI不止有实现部分, 还有可放置组件的容器凹槽, 起到布局定位的作用, 容器组件界面UI如图7所示.

组件的装配原理: 将组件放入容器凹槽即可.

2.3.2 组件类定义

平台的所有组件必须遵从相同的接口原则, 这样才能相互通讯, 也方便拓展. 为了统一组件的开发方法, 提高开发效率, 本文设计了组件的接口, 及其基础实现类, 开发的组件只需要继承基础实现类, 按照功能需求重写相关的方法即可快速开发该组件, 组件接口和实现类的关系如图8所示.

Component接口定义了所有组件都需要用到的一些方法, Container接口继承Component接口定义了容器组件需要用到的方法, ComponentAdapter抽象类实现了Component接口, 给一些方法提供默认实现, ContainerAdapter抽象类继承ComponentAdapter并实现Container接口给容器组件的一些方法提供默认实现. 除默认实现方法外, 拓展的组件还需重写和实现部分方法, 如表1所示.

2.3.3 组件组合原则

容器组件规范了组件的相对位置,、大小以及其他装饰物等. 而功能组件专门处理人机交互功能, 功能组件可以简单到类似于一个标签, 一个按钮, 也可以复杂到一个功能完备的示波器界面. 容器组件侧重布局, 而功能组件侧重交互处理, 所以需要将两种组件恰好的组合在一起, 形成前面板的界面显示^[15]. 下面是组件组合的一些原则:

(1) 容器组件上可以放置任意界面组件, 功能组件只能放置在容器组件内.

(2) 任何一个程序界面至少包含一个容器组件.

(3) 容器组件放置组件的位置如果已经放置有组件, 不能再放置组件.

2.4 组件装配与解析 2.4.1 仪器脚本描述方法

平台采用脚本作为描述组件组合的工具, 脚本语言采用可拓展标记语言(eXtensiable Markup Language, XML)^[16]. XML语言支持拓展, 我们使用自定义标签描述组件以及组件的属性和数据绑定^[17,18]. 为方便识别组件的属性和数据绑定, 采用组件标签嵌套属性标签的格式来描述组件. 根据组件功能特性的不同, 我们采用<component>, <container>两种标签分别来描述功能组件和容器组件.

功能组件的通用描述格式如下:

<component name="xx">

　<param name="xx" value="xxx"/>

　<param name="xx" value="xxx"/>

　<data-binding local="xx" external="xxx"/>

</component>

Component标签表示该组件是功能组件, name表示组件的名称, class表示组件的全限定类名, 平台解析脚本时需要根据类名使用反射来生成组件, param标签描述组件的属性, 组件需要根据param标签的属性完成初始化.

Data-binding标签表示数据绑定, local对应组件自身的属性的数据绑定, external表示要对外进行数据交换的属性, 即该标签描述了组件的输入输出端口. 某些仪器功能中, 有的组件可能相对独立, 不受外部系统的输入输出影响, 可以省略external属性, 其他属性根据组件的功能不同而变化.

容器组件的通用描述格式如下:

<container name="xx">

　<param name="xx" value="xxx"/>

　<param name="xx" value="xxx"/>

　<slot name="xx" ratio="xxx"></slot>

　<slot name="xx" ratio="xxx"></slot>

</container>

Container标签该组件是容器组件, 相比于功能组件省略了数据绑定的描述, 添加了slot标签描述组件的布局位置, slot标签表示容器凹槽, name是凹槽的名称, ratio是凹槽占该容器组件的比例, 容器凹槽标签下可以继续嵌套其他组件标签.

仪器脚本由组件组合而成, 平台定义一个XML脚本表示一个仪器前面板, 使用标签<application>来描述, 即该标签是仪器脚本的根元素. 根元素下可放置组件, 若组件为容器组件, 容器凹槽内可继续嵌套组件, 若干个组件一层层嵌套就组合成一个布局和功能完整的仪器脚本.

下面一段脚本描述了一个包含启动和停止按钮的仪器界面:

<application>

　<container name="bottom">

　　<param name="ratio" value="1:1"/>

　　<param name="direct" value="HORIZONTAL">

　　<slot name="start" ratio="1">

　　<component name="startButton">

　　<param name="name" value="startButton"/>

　　<param name="text" value="启动程序"/>

　　<data-binding local="mouse.down" external="startButtonOut"/>

　　</component>

　　</slot>

　　<slot name="stop" ratio="1">

　　<component name="stopButton">

　　<param name="name" value="startButton"/>

　　<param name="text" value="停止程序'/>

　　<data-binding local="mouse.down" external="stopButtonOut">

　　</component>

　　</solt>

　</container>

</application>

appliaciton表示该脚本文件是仪器前面板脚本, FillContainer容器组件包含两个InstrumentButton按钮组件, ratio属性设置其各容器凹槽的布局, direct属性设置容器凹槽的水平和垂直排列, InstrumentButton是一个按钮组件, name是组件的名称, text是按钮组件显示的文本, 两个组件都绑定了mouse.down的内部属性, 启动按键绑定数据常量池startButtonOut对象, 停止按键绑定stopButtonOut对象, 如果其他组件想要响应按钮, 只需绑定按钮对应的数据常量池对象即可.

2.4.2 仪器脚本解析

脚本文件描述了组件的属性和组件组合的方式, 平台的作用是按顺序完整读取脚本并生成前面板界面. 平台解析脚本的流程如图9所示.

一个脚本文件我们默认为一个仪器前面板界面, 则脚本文件只能有一个根节点, 且该根节点标签为application, 如果不是application或根节点多于一个, 则脚本读取失败. 读取根节点下组件生成组件对象, 读取组件的参数完成组件初始化, 如果组件为功能组件, 完成组件的数据绑定, 如果为容器组件则遍历读取容器凹槽内的组件, 若凹槽内组件为容器组件, 则递归调用处理容器组件的方法, 否则调用处理功能组件的方法^[19]. 待组件都处理完成, 则启动平台, 生成仪器界面, 用户可在界面中与平台交互.

3 虚拟仪器前面板运行平台应用实例

自动测试实验中经常用到信号发生器和示波器, 信号发生器可以产生多种类型的信号, 示波器负责显示输入的信号, 本文将两种装置组合在一起, 设计了一个信号发生器显示装置.

它由5个组件组成, 一个示波器组件, 一个信号发生器组件, 一个启动示波器按钮, 一个停止示波器按钮, 一个控制台显示组件. 它的工作原理是: 用户点击示波器启动按钮, 平台接收到按钮状态的改变, 发送通知给示波器组件, 示波器组件开始工作, 等待信号输入, 用户点击信号发生器按钮, 启动或停止信号发生器的工作, 按钮的工作状态改变会输出到控制台中方便用户观察当前状态. 发生器工作时, 每隔一定时间就生成一定幅度、频率、相移的信号数据, 并更新信号的数据池, 平台发送通知给示波器输入信号的改变, 示波器接收输入信号, 更新显示的波形. 图10是脚本运行界面.

4 结论与展望

本文在分析了当前虚拟仪器的研究现状, 针对当前大多虚拟仪器开发软件不易拓展的问题, 提出了一种通用仪器软件的前面板运行平台, 采用模块化组件的方式, 用数据常量池数据绑定来交换数据, 以XML脚本语言为载体, 组合组件来满足不同的测试功能需求. 上文信号发生显示器的运行也说明了该通用仪器前面板运行平台的可行性. 不过仪器脚本文件的编写格式较复杂和冗余, 接下来的研究工作是设计更通用的脚本标签格式, 采用图形化的编辑界面来设计仪器前面板, 搭建一个较为完备的通用仪器软硬件开发平台.