通用虛擬儀器前面板運(yùn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)①

陳昌浩, 李曉明

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院, 杭州 310018)

虛擬儀器(Visual Instruments, VI)是指結(jié)合軟、硬件資源構(gòu)造測(cè)量?jī)x器, 即用戶在通用計(jì)算機(jī)的硬件和軟件平臺(tái)上, 可自定義儀器操作面板和測(cè)量功能的軟件系統(tǒng)[1].軟件在虛擬儀器中有著舉足輕重的地位, 美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI)曾提出“軟件即儀器”(Software is Instrument)這一理念, 形象的概括了軟件的重要地位,它擔(dān)負(fù)著儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理、實(shí)時(shí)顯示、動(dòng)態(tài)修改等重?fù)?dān)[2].而衡量一款虛擬儀器軟件的好壞很大程度上取決于前面板設(shè)計(jì)的方便與否.目前, 虛擬儀器前面板的開(kāi)發(fā)主要有兩種: 一種是基于文本語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)儀器軟件的底層驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理算法、虛擬儀器面板顯示等, 這類語(yǔ)言主要有C/C++, Java, C#等.近年也出現(xiàn)了使用諸于G 語(yǔ)言[3], Unity3D 等新興編程語(yǔ)言來(lái)完成虛擬儀器軟件的開(kāi)發(fā)[4], 另一種是以NI 的LabView 為代表的可視化圖形編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)方式[5].兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn), 前者運(yùn)行效率高, 容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理算法, 有較為完備的圖形框架, 容易自由定制復(fù)雜功能的儀器面板界面, 但是編程語(yǔ)言上手門(mén)檻較高, 學(xué)習(xí)成本大, 開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng), 后者使用圖形化界面開(kāi)發(fā), 容易上手, 開(kāi)發(fā)周期短, 但是有不易于拓展、運(yùn)行效率低等缺點(diǎn).

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的研究不多, 大多數(shù)科研人員都是應(yīng)用儀器技術(shù)來(lái)解決自身領(lǐng)域的問(wèn)題[6,7].特別是國(guó)內(nèi), 雖然有一些學(xué)者, 如華中科技大學(xué)的學(xué)者基于iOS 的虛擬儀器瀏覽器[8]、基于前端響應(yīng)式技術(shù)的可重構(gòu)手機(jī)虛擬儀器[9]、基于Unity3D 的虛擬儀器模型[4], 浙江大學(xué)學(xué)者設(shè)計(jì)的虛擬儀器共享平臺(tái)[10]等, 雖然取得了一些成果, 但大部分虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)主要還是基于國(guó)外軟件平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)和硬件方案提供.雖然國(guó)外以NI 的LabView 為代表的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件在重用和硬件解耦等方面有很大的改善, 但還是有些不足: 軟件模塊的開(kāi)發(fā)閉源, 用戶只能使用軟件提供的模塊, 對(duì)于軟件進(jìn)行功能拓展還是需要重新開(kāi)發(fā),開(kāi)發(fā)成本高[11].

基于以上的不足, 本文借助Java 語(yǔ)言和SWT/JFace圖形包, 研究并實(shí)現(xiàn)了通用虛擬儀器前面板的運(yùn)行平臺(tái), 定義了一套儀器顯示組件的標(biāo)準(zhǔn), 平臺(tái)界面由各個(gè)不同的組件組合完成, 開(kāi)發(fā)者可根據(jù)需求自己設(shè)計(jì)組件拓展.提供了儀器軟件與硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換的接口, 減少了軟件硬件的耦合性, 使得應(yīng)用軟件能適用非主流特別是自主研發(fā)的硬件系統(tǒng).

1 通用虛擬儀器前面板運(yùn)行平臺(tái)工作原理

儀器前面板運(yùn)行平臺(tái)既可獨(dú)立運(yùn)行, 也能作為基礎(chǔ)平臺(tái)嵌入其他自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng), 它的工作原理如圖1所示, 平臺(tái)加載保存有寫(xiě)好的組件的jar 包, 加載來(lái)自網(wǎng)絡(luò)或本地的儀器腳本, 解析腳本生成儀器前面板虛擬界面, 并與底層硬件系統(tǒng)通訊, 交換硬件系統(tǒng)和虛擬面板中的數(shù)據(jù).具體工作方式如下:

腳本: 一般是XML 文件, 存放界面中組件的信息[12],包括容器組件和一般組件, 腳本文件可以是本地文件也可以是網(wǎng)絡(luò)文件.本地文件存放在指定的文件夾中,在Windows 和Linux 操作系統(tǒng)中, 一般存放于項(xiàng)目所在根目錄下的UI 文件夾中, 網(wǎng)絡(luò)文件存儲(chǔ)在其他PC機(jī)器之中, 如果遠(yuǎn)程用戶想運(yùn)行平臺(tái), 就可以通過(guò)TCP 協(xié)議傳輸網(wǎng)絡(luò)腳本數(shù)據(jù)到平臺(tái).為區(qū)別于以.xml 結(jié)尾的配置文件, 腳本文件的格式設(shè)置為.uixml

組件jar 包: 平臺(tái)采用模塊化的設(shè)計(jì), 組件獨(dú)立于平臺(tái), 存放在jar 包中, 方便拓展.一般將jar 包放入一個(gè)文件夾中, 統(tǒng)一管理, 在PC 系統(tǒng)中, 組件jar 包通常存放于UI 文件夾下的component 文件夾.

界面運(yùn)行: 平臺(tái)加載腳本解析之后生成可視化圖形界面, 用戶可以直接操作面板, 平臺(tái)提供數(shù)據(jù)交換支持.平臺(tái)使用Java 語(yǔ)言和SWT/JFace 圖形包來(lái)生成圖形界面, 滿足跨平臺(tái)需要, 該平臺(tái)和界面可以運(yùn)行在Windows 系統(tǒng)和Linux 系統(tǒng)之上.

圖1 前面板運(yùn)行平臺(tái)工作原理

2 虛擬儀器前面板運(yùn)行平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方法

虛擬儀器的基本組成模塊是組件, 組件是具有某種功能的獨(dú)立模塊, 依據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同有容器組件和功能組件, 組件之間的關(guān)系如圖2 所示.容器組件是用來(lái)安放其他組件的組件, 功能組件是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的組件.將容器組件和功能組件按照一定順序組裝好就能形成一個(gè)虛擬儀器.下文將圍繞控件介紹運(yùn)行平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法.

圖2 前面板界面示意圖

2.1 基于觀察者模式的數(shù)據(jù)交換機(jī)制

觀察者模式是一種一對(duì)多的設(shè)計(jì)思想, 多個(gè)觀察者訂閱同一個(gè)主題時(shí), 當(dāng)主題有變化時(shí), 通知觀察者獲取新的主題, 當(dāng)一個(gè)觀察者改變主題的屬性值時(shí), 其他觀察者也能及時(shí)接收到改變[13].組件與組件之間需要通訊, 組件與硬件系統(tǒng)之間也需要通訊, 為了解決這種一對(duì)多的依賴關(guān)系, 本課題采用了數(shù)據(jù)池?cái)?shù)據(jù)綁定的數(shù)據(jù)交換機(jī)制: 平臺(tái)中開(kāi)辟一個(gè)數(shù)據(jù)池, 采用KVO(Key-Value-Object)的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù), key 對(duì)應(yīng)一個(gè)屬性, value 對(duì)應(yīng)組件的屬性值, 一個(gè)屬性可以被多個(gè)組件綁定; 同時(shí), 數(shù)據(jù)池中的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)接口和硬件系統(tǒng)交換數(shù)據(jù).

數(shù)據(jù)池?cái)?shù)據(jù)綁定的工作原理是: 數(shù)據(jù)池中定義一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象A, 組件B 需要對(duì)象A 的數(shù)據(jù), 組件D 也需要對(duì)象A 的數(shù)據(jù), 硬件系統(tǒng)中的硬件模塊C 輸出的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)對(duì)象A 的數(shù)據(jù), 當(dāng)C 交換數(shù)據(jù)將對(duì)象A 的數(shù)據(jù)改變時(shí), 數(shù)據(jù)池會(huì)發(fā)送通知給組件B 和D, 告訴B 和D 對(duì)象A 的最新數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)綁定的關(guān)系如圖3 所示.

圖3 數(shù)據(jù)綁定關(guān)系

數(shù)據(jù)池使用單例設(shè)計(jì)模式, 平臺(tái)中只有一個(gè)數(shù)據(jù)池, 要綁定的數(shù)據(jù)都在數(shù)據(jù)池中操作, 使用數(shù)據(jù)綁定的方法有: register (String tag, IDataBinder binder); //注冊(cè)變量到數(shù)據(jù)池, bind (String tag, IDataBinder binder);//組件綁定變量, publish (String tag, Object value,IDataBinder binder); //改變變量的屬性值, 通知綁定的其他組件新的屬性值; IDataBinder 是一個(gè)數(shù)據(jù)綁定的接口, 組件都要繼承該接口, 接口中只有一個(gè)方法:newValue (String tag, Object value), 每個(gè)組件都要實(shí)現(xiàn)該方法, 數(shù)據(jù)池使用組件的該方法通知到各個(gè)組件新的屬性值.

2.2 組件熱加載機(jī)制

平臺(tái)使用了模塊化的設(shè)計(jì)思想, 組件是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的模塊, 可以自由的拓展.為了方便組件的添加, 可將設(shè)計(jì)好的組件打包成jar 包, 存放到項(xiàng)目根路徑下的UI 文件夾下面, 在使用到這個(gè)組件時(shí), 平臺(tái)動(dòng)態(tài)加載jar 包尋找該組件, 并使用Java 反射機(jī)制創(chuàng)建組件.

2.2.1 雙親委派機(jī)制

雙親委派機(jī)制是JVM (Java 虛擬機(jī))加載類的機(jī)制.JVM 虛擬機(jī)根據(jù)類的全限定名來(lái)加載類, 而類加載器是JVM 加載類的實(shí)現(xiàn), 圖4 是類加載器之間關(guān)系, 雙親委派機(jī)制是為了避免不同的類加載器加載同一個(gè)類[14].

圖4 類加載器之間關(guān)系

雙親委派機(jī)制的工作流程如下:

(1) 類加載器收到類加載請(qǐng)求;

(2) 把這個(gè)請(qǐng)求委托給父加載器去完成, 一直向上委托直到啟動(dòng)類加載器;

(3) 類加載器檢查能不能加載這個(gè)類, 如果可以就加載這個(gè)類并結(jié)束加載, 如果不能, 拋出異常, 通知子加載器進(jìn)行加載;

(4) 循環(huán)步驟(3).

2.2.2 運(yùn)行時(shí)類加載器

編寫(xiě)好的靜態(tài)代碼通常是由AppClassLoader 類加載器來(lái)加載, 但是這種類加載器只能加載在編譯之前就已經(jīng)寫(xiě)好的代碼, 這樣組件信息和平臺(tái)耦合在了一起.根據(jù)雙親委派機(jī)制, 本方案使用了URLClassLoader來(lái)加載jar 包中的組件, URLClassLoader 是拓展類加載器的一種, 是JDK 提供的一種可加載外部文件中的類的信息的類加載器, 配合應(yīng)用程序加載器即可加載平臺(tái)中預(yù)寫(xiě)好的組件和外部拓展的組件.本文中, 我們對(duì)URLClassLoader 進(jìn)行封裝, 使用RuntimeClassLoader來(lái)處理組件jar 包的加載, 組件加載的步驟如圖5 所示.

平臺(tái)每次啟動(dòng)的時(shí)候讀取路徑信息, 加載組件jar 包到classPath 中, 讓JVM 能夠?qū)ふ业浇M件的信息,加載的過(guò)程使用RuntimeClassLoader 的addJarToPath(String path)方法; 當(dāng)有腳本運(yùn)行時(shí), 平臺(tái)解析腳本文件, 讀取其中的組件類名和初始化參數(shù), 使用Runtime ClassLoader 的loadClass (String className)提供反射支持, 生成組件, 同時(shí)調(diào)用組件的init()方法加載初始化參數(shù)完成組件的初始化.

圖5 組件加載過(guò)程

2.3 組件定義及裝配

2.3.1 組件模型

組件根據(jù)功能側(cè)重點(diǎn)的不同, 可分為容器組件和功能組件, 這兩種組件之間有一些共同點(diǎn), 也有一些不同點(diǎn), 容器組件可看做是功能組件的拓展, 具有可放置組件的容器.組件的模型如圖6 所示.

圖6 組件模型

組件包括界面顯示的內(nèi)容以及人機(jī)交互處理, 包含兩大部分: 顯示部分和數(shù)據(jù)部分, 顯示部分顯示組件的外貌, 數(shù)據(jù)部分處理與用戶有關(guān)的輸入和輸出, 以及相關(guān)的事件.本方案設(shè)計(jì)中事件也是按照數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行處理.

容器組件可看做特殊的組件, 其界面UI 不止有實(shí)現(xiàn)部分, 還有可放置組件的容器凹槽, 起到布局定位的作用, 容器組件界面UI 如圖7 所示.

圖7 容器組件界面UI

組件的裝配原理: 將組件放入容器凹槽即可.

2.3.2 組件類定義

平臺(tái)的所有組件必須遵從相同的接口原則, 這樣才能相互通訊, 也方便拓展.為了統(tǒng)一組件的開(kāi)發(fā)方法,提高開(kāi)發(fā)效率, 本文設(shè)計(jì)了組件的接口, 及其基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)類, 開(kāi)發(fā)的組件只需要繼承基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)類, 按照功能需求重寫(xiě)相關(guān)的方法即可快速開(kāi)發(fā)該組件, 組件接口和實(shí)現(xiàn)類的關(guān)系如圖8 所示.

Component 接口定義了所有組件都需要用到的一些方法, Container 接口繼承Component 接口定義了容器組件需要用到的方法, ComponentAdapter 抽象類實(shí)現(xiàn)了Component 接口, 給一些方法提供默認(rèn)實(shí)現(xiàn),ContainerAdapter 抽象類繼承ComponentAdapter 并實(shí)現(xiàn)Container 接口給容器組件的一些方法提供默認(rèn)實(shí)現(xiàn).除默認(rèn)實(shí)現(xiàn)方法外, 拓展的組件還需重寫(xiě)和實(shí)現(xiàn)部分方法, 如表1 所示.

2.3.3 組件組合原則

容器組件規(guī)范了組件的相對(duì)位置,、大小以及其他裝飾物等.而功能組件專門(mén)處理人機(jī)交互功能, 功能組件可以簡(jiǎn)單到類似于一個(gè)標(biāo)簽, 一個(gè)按鈕, 也可以復(fù)雜到一個(gè)功能完備的示波器界面.容器組件側(cè)重布局, 而功能組件側(cè)重交互處理, 所以需要將兩種組件恰好的組合在一起, 形成前面板的界面顯示[15].下面是組件組合的一些原則:

(1) 容器組件上可以放置任意界面組件, 功能組件只能放置在容器組件內(nèi).

(2) 任何一個(gè)程序界面至少包含一個(gè)容器組件.

(3) 容器組件放置組件的位置如果已經(jīng)放置有組件, 不能再放置組件.

2.4 組件裝配與解析

2.4.1 儀器腳本描述方法

平臺(tái)采用腳本作為描述組件組合的工具, 腳本語(yǔ)言采用可拓展標(biāo)記語(yǔ)言(eXtensiable Markup Language,XML)[16].XML 語(yǔ)言支持拓展, 我們使用自定義標(biāo)簽描述組件以及組件的屬性和數(shù)據(jù)綁定[17,18].為方便識(shí)別組件的屬性和數(shù)據(jù)綁定, 采用組件標(biāo)簽嵌套屬性標(biāo)簽的格式來(lái)描述組件.根據(jù)組件功能特性的不同, 我們采用＜component＞, ＜container＞兩種標(biāo)簽分別來(lái)描述功能組件和容器組件.

圖8 組件類圖

表1 組件類實(shí)現(xiàn)和重寫(xiě)方法

功能組件的通用描述格式如下:

Component 標(biāo)簽表示該組件是功能組件, name 表示組件的名稱, class 表示組件的全限定類名, 平臺(tái)解析腳本時(shí)需要根據(jù)類名使用反射來(lái)生成組件, param 標(biāo)簽描述組件的屬性, 組件需要根據(jù)param 標(biāo)簽的屬性完成初始化.

Data-binding 標(biāo)簽表示數(shù)據(jù)綁定, local 對(duì)應(yīng)組件自身的屬性的數(shù)據(jù)綁定, external 表示要對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的屬性, 即該標(biāo)簽描述了組件的輸入輸出端口.某些儀器功能中, 有的組件可能相對(duì)獨(dú)立, 不受外部系統(tǒng)的輸入輸出影響, 可以省略external 屬性, 其他屬性根據(jù)組件的功能不同而變化.

容器組件的通用描述格式如下:

Container 標(biāo)簽該組件是容器組件, 相比于功能組件省略了數(shù)據(jù)綁定的描述, 添加了slot 標(biāo)簽描述組件的布局位置, slot 標(biāo)簽表示容器凹槽, name 是凹槽的名稱, ratio 是凹槽占該容器組件的比例, 容器凹槽標(biāo)簽下可以繼續(xù)嵌套其他組件標(biāo)簽.

儀器腳本由組件組合而成, 平臺(tái)定義一個(gè)XML 腳本表示一個(gè)儀器前面板, 使用標(biāo)簽＜application＞來(lái)描述,即該標(biāo)簽是儀器腳本的根元素.根元素下可放置組件,若組件為容器組件, 容器凹槽內(nèi)可繼續(xù)嵌套組件, 若干個(gè)組件一層層嵌套就組合成一個(gè)布局和功能完整的儀器腳本.

下面一段腳本描述了一個(gè)包含啟動(dòng)和停止按鈕的儀器界面:

appliaciton 表示該腳本文件是儀器前面板腳本,FillContainer 容器組件包含兩個(gè)InstrumentButton 按鈕組件, ratio 屬性設(shè)置其各容器凹槽的布局, direct 屬性設(shè)置容器凹槽的水平和垂直排列, InstrumentButton 是一個(gè)按鈕組件, name 是組件的名稱, text 是按鈕組件顯示的文本, 兩個(gè)組件都綁定了mouse.down 的內(nèi)部屬性, 啟動(dòng)按鍵綁定數(shù)據(jù)常量池startButtonOut 對(duì)象, 停止按鍵綁定stopButtonOut 對(duì)象, 如果其他組件想要響應(yīng)按鈕, 只需綁定按鈕對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)常量池對(duì)象即可.

2.4.2 儀器腳本解析

腳本文件描述了組件的屬性和組件組合的方式,平臺(tái)的作用是按順序完整讀取腳本并生成前面板界面.平臺(tái)解析腳本的流程如圖9 所示.

圖9 平臺(tái)解析腳本流程圖

一個(gè)腳本文件我們默認(rèn)為一個(gè)儀器前面板界面,則腳本文件只能有一個(gè)根節(jié)點(diǎn), 且該根節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽為application, 如果不是application 或根節(jié)點(diǎn)多于一個(gè),則腳本讀取失敗.讀取根節(jié)點(diǎn)下組件生成組件對(duì)象, 讀取組件的參數(shù)完成組件初始化, 如果組件為功能組件,完成組件的數(shù)據(jù)綁定, 如果為容器組件則遍歷讀取容器凹槽內(nèi)的組件, 若凹槽內(nèi)組件為容器組件, 則遞歸調(diào)用處理容器組件的方法, 否則調(diào)用處理功能組件的方法[19].待組件都處理完成, 則啟動(dòng)平臺(tái), 生成儀器界面,用戶可在界面中與平臺(tái)交互.

3 虛擬儀器前面板運(yùn)行平臺(tái)應(yīng)用實(shí)例

自動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用到信號(hào)發(fā)生器和示波器,信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生多種類型的信號(hào), 示波器負(fù)責(zé)顯示輸入的信號(hào), 本文將兩種裝置組合在一起, 設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)發(fā)生器顯示裝置.

它由5 個(gè)組件組成, 一個(gè)示波器組件, 一個(gè)信號(hào)發(fā)生器組件, 一個(gè)啟動(dòng)示波器按鈕, 一個(gè)停止示波器按鈕,一個(gè)控制臺(tái)顯示組件.它的工作原理是: 用戶點(diǎn)擊示波器啟動(dòng)按鈕, 平臺(tái)接收到按鈕狀態(tài)的改變, 發(fā)送通知給示波器組件, 示波器組件開(kāi)始工作, 等待信號(hào)輸入, 用戶點(diǎn)擊信號(hào)發(fā)生器按鈕, 啟動(dòng)或停止信號(hào)發(fā)生器的工作, 按鈕的工作狀態(tài)改變會(huì)輸出到控制臺(tái)中方便用戶觀察當(dāng)前狀態(tài).發(fā)生器工作時(shí), 每隔一定時(shí)間就生成一定幅度、頻率、相移的信號(hào)數(shù)據(jù), 并更新信號(hào)的數(shù)據(jù)池, 平臺(tái)發(fā)送通知給示波器輸入信號(hào)的改變, 示波器接收輸入信號(hào), 更新顯示的波形.圖10 是腳本運(yùn)行界面.

圖10 信號(hào)發(fā)生顯示器運(yùn)行界面

4 結(jié)論與展望

本文在分析了當(dāng)前虛擬儀器的研究現(xiàn)狀, 針對(duì)當(dāng)前大多虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件不易拓展的問(wèn)題, 提出了一種通用儀器軟件的前面板運(yùn)行平臺(tái), 采用模塊化組件的方式, 用數(shù)據(jù)常量池?cái)?shù)據(jù)綁定來(lái)交換數(shù)據(jù), 以XML 腳本語(yǔ)言為載體, 組合組件來(lái)滿足不同的測(cè)試功能需求.上文信號(hào)發(fā)生顯示器的運(yùn)行也說(shuō)明了該通用儀器前面板運(yùn)行平臺(tái)的可行性.不過(guò)儀器腳本文件的編寫(xiě)格式較復(fù)雜和冗余, 接下來(lái)的研究工作是設(shè)計(jì)更通用的腳本標(biāo)簽格式, 采用圖形化的編輯界面來(lái)設(shè)計(jì)儀器前面板, 搭建一個(gè)較為完備的通用儀器軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái).