基于響應(yīng)式編程的手機(jī)可重構(gòu)虛擬儀器

謝道旺 何嶺松 高志強(qiáng)

摘 要：測(cè)量技術(shù)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的需求具有多變性，在將手機(jī)作為手持便攜式測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用背景下，手機(jī)APP傳統(tǒng)通過(guò)安裝包升級(jí)實(shí)現(xiàn)功能更改的方式不利于測(cè)量任務(wù)的快速展開。為了突破這一限制，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行平臺(tái)化開發(fā)。在測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)上，提供一系列可復(fù)用的虛擬儀器控件，并允許第三方控件以插件形式加載進(jìn)來(lái)?；陧憫?yīng)式編程，提出一種響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口變量以及一種響應(yīng)式控件通訊架構(gòu)。設(shè)計(jì)響應(yīng)式編程腳本，平臺(tái)通過(guò)加載該腳本語(yǔ)言寫成的頁(yè)面腳本即可生成一個(gè)虛擬儀器頁(yè)面。編程腳本功能分為兩部分：一是聲明虛擬儀器控件并為其傳遞運(yùn)行參數(shù)，二是描述控件間的數(shù)據(jù)響應(yīng)關(guān)系。通過(guò)采用響應(yīng)式編程方法，可以直接、清晰地描述控件之間的復(fù)雜數(shù)據(jù)響應(yīng)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器：響應(yīng)式編程;動(dòng)態(tài)可重構(gòu);測(cè)量技術(shù)

DOI： 10. 11907/rjdk.191197

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7800（2020）001-0123-07

0 引言

虛擬儀器技術(shù)是測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相融合而產(chǎn)生的一門技術(shù)[1]，是指通過(guò)將傳統(tǒng)硬件測(cè)量?jī)x器軟件化，從而提高測(cè)量任務(wù)開展的方便性與靈活性，并降低測(cè)量成本。傳統(tǒng)基于PC的虛擬儀器發(fā)展已十分成熟，并且在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[2-5]。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，智能手機(jī)已經(jīng)十分普及，而且隨著智能手機(jī)硬件性能越來(lái)越強(qiáng)大，使得在智能手機(jī)終端開展測(cè)量任務(wù)成為可能。目前已有不少學(xué)者對(duì)使用手機(jī)開展測(cè)量任務(wù)進(jìn)行了研究與探討[6-12]，在實(shí)際應(yīng)用中也已有不少案例實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)開展測(cè)量任務(wù)，例如應(yīng)用商店中的噪音測(cè)量?jī)x、指南針以及振動(dòng)測(cè)試儀器等。由于智能手機(jī)的便攜性，以及智能手機(jī)本身集成有藍(lán)牙、WiFi等無(wú)線傳輸方式，使得在智能手機(jī)上開展測(cè)量任務(wù)相比PC更加靈活與便捷。

測(cè)量任務(wù)對(duì)虛擬儀器程序的需求是多變、動(dòng)態(tài)的，程序固化的虛擬儀器將難以滿足實(shí)際測(cè)量需求。如果針對(duì)不同測(cè)量任務(wù)都開發(fā)不同APP，則工作量過(guò)大，用戶往往也接受不了太多APP的下載安裝。實(shí)際上，不同測(cè)量程序所需的部分功能模塊是可以復(fù)用的，在不同測(cè)量任務(wù)中只需對(duì)這些模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整即可。

在手機(jī)APP開發(fā)領(lǐng)域，為了應(yīng)對(duì)這種多變、動(dòng)態(tài)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，通常采用一種“平臺(tái)化”開發(fā)方法。例如Facbook的React Native[3]、阿里巴巴的Weex[4]等，都將APP作為一個(gè)系統(tǒng)級(jí)別的平臺(tái)，然后通過(guò)編寫JS腳本的方式開發(fā)APP業(yè)務(wù)功能。由于APP的業(yè)務(wù)功能是通過(guò)加載腳本形式執(zhí)行的，因此在該平臺(tái)下可以通過(guò)在線下載腳本與資源實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的動(dòng)態(tài)更改，而無(wú)需更新APP。目前受到廣泛關(guān)注的小程序，也是基于相同思想。

本文提出的手機(jī)可重構(gòu)虛擬儀器也是順應(yīng)“平臺(tái)化”思想，在平臺(tái)上提供一系列常用的測(cè)量模塊控件，然后通過(guò)撰寫腳本的形式即可將這些控件有機(jī)組織起來(lái)，從而滿足不同的測(cè)量任務(wù)需求。對(duì)于平臺(tái)內(nèi)控件無(wú)法滿足的測(cè)量需求，第三方可以自行開發(fā)控件，通過(guò)插件形式加載到平臺(tái)內(nèi)。通過(guò)該解決方案，在安卓平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程下載腳本的方式實(shí)現(xiàn)虛擬儀器實(shí)例的獲取與更新。

響應(yīng)式編程（ Reactive Programming，RP）是為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的事件響應(yīng)系統(tǒng)而提出的一種編程思想[15]，目的是簡(jiǎn)化復(fù)雜事件響應(yīng)系統(tǒng)的開發(fā)，從而避免“回調(diào)地獄”的繁瑣。響應(yīng)式編程是一種聲明式編程，其本質(zhì)上是對(duì)觀察者模式的高度封裝。例如在響應(yīng)式編程下編寫“a≥b+c”，并不是對(duì)a進(jìn)行賦值操作，而是進(jìn)行一種數(shù)據(jù)響應(yīng)關(guān)系的聲明。當(dāng)b或c的值發(fā)生變化時(shí)，a值也會(huì)隨之發(fā)生變化，并保證a等于b加c的值。響應(yīng)式編程實(shí)現(xiàn)的主要方式是：搭建一種響應(yīng)式程序框架，然后通過(guò)一些簡(jiǎn)單的API或自定義腳本語(yǔ)言即可搭建出復(fù)雜的事件響應(yīng)系統(tǒng)。響應(yīng)式編程在不少領(lǐng)域已經(jīng)得到了成功應(yīng)用[16-20]。虛擬儀器的軟件部分本質(zhì)上也是一個(gè)事件響應(yīng)系統(tǒng)，虛擬儀器內(nèi)部控件產(chǎn)生數(shù)據(jù)事件，與數(shù)據(jù)有聯(lián)系的控件作出相應(yīng)響應(yīng)。本文將響應(yīng)式編程應(yīng)用到虛擬儀器上，在簡(jiǎn)化虛擬儀器控件通訊模型的同時(shí)，也增強(qiáng)了虛擬儀器控件間復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)系的動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力。

1 手機(jī)可重構(gòu)虛擬儀器總體設(shè)計(jì)原理

雖然測(cè)試系統(tǒng)的程序是多變的，但是系統(tǒng)包含的各種功能模塊往往是類似的，可以將這些功能模塊抽象為標(biāo)準(zhǔn)化的儀器控件，并對(duì)其進(jìn)行復(fù)用。將測(cè)試系統(tǒng)常用功能模塊封裝成一系列標(biāo)準(zhǔn)化控件，形成一個(gè)虛擬儀器控件庫(kù)，在虛擬儀器平臺(tái)上提供給用戶使用。這些控件主要包含4大類，分別是：控制類控件（如按鈕開關(guān)、旋鈕等）、顯示類控件（如波形顯示控件、儀表盤、棒圖等）、數(shù)據(jù)處理類控件（如快速傅里葉、濾波、自相關(guān)等）以及硬件類控件（如各種數(shù)據(jù)采集硬件、通訊控件等）。用戶在進(jìn)行虛擬儀器開發(fā)時(shí)，只需合理地將這些控件組織起來(lái)，便可實(shí)現(xiàn)大部分功能需求。對(duì)于控件庫(kù)滿足不了的功能需求，可以自行開發(fā)符合儀器控件標(biāo)準(zhǔn)的控件并加載進(jìn)平臺(tái)使用。

手機(jī)可重構(gòu)虛擬儀器總體設(shè)計(jì)原理如圖1所示。儀器控件組織過(guò)程便是虛擬儀器重構(gòu)過(guò)程.對(duì)儀器控件的組織包括兩方面，一是儀器控件布局，二是儀器控件之間的數(shù)據(jù)響應(yīng)關(guān)系。通過(guò)以上兩方面對(duì)儀器控件進(jìn)行組織，便可將儀器控件融合為一個(gè)有機(jī)整體，得到一個(gè)可運(yùn)行的虛擬儀器頁(yè)面。

2 響應(yīng)式設(shè)計(jì)

2.1 響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口變量

分析響應(yīng)式編程的實(shí)現(xiàn)，最根本的要求是當(dāng)變量值發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)需要感知到數(shù)據(jù)改變事件的發(fā)生。在An-droid的開發(fā)語(yǔ)言Java中，數(shù)據(jù)變量類型并不存在這種特性，因此需要設(shè)計(jì)一種存在該特性且符合虛擬儀器控件之間通訊需求的變量類型。

響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口變量模型如圖2所示。響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口把基本數(shù)據(jù)類型封裝到一層，便于進(jìn)行管理。將虛擬儀器可能使用的數(shù)據(jù)類型都考慮進(jìn)來(lái)，封裝一系列數(shù)據(jù)類型，得到一系列數(shù)據(jù)類型的響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口。封裝的數(shù)據(jù)類型包括Java的9種基本數(shù)據(jù)類型及其數(shù)組和二維數(shù)組，基本可以覆蓋所有虛擬儀器需要使用的數(shù)據(jù)類型。例如開關(guān)變量用到的boolean類型、信號(hào)數(shù)據(jù)用到的float數(shù)組和double數(shù)組、信息顯示用到的String類型、參數(shù)配置和類型選擇用到的int類型以及圖像信號(hào)用到的int二維數(shù)組等，這些數(shù)據(jù)類型都被響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口的數(shù)據(jù)類型所覆蓋。

在響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口主要屬性中，有數(shù)據(jù)類型（ DataType）、端口類型（PortType）、控件ID（ Controlld）以及端口名（ PortName）。響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口的核心接口有兩個(gè)，分別是getData接口和setD ata接口。最核心的設(shè)計(jì)是：在setData接口被調(diào)用時(shí)，除內(nèi)部數(shù)據(jù)被改變外，還會(huì)自動(dòng)向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)改變事件。這里需要說(shuō)明的是，本文所說(shuō)的“發(fā)生數(shù)據(jù)改變”并不是指數(shù)據(jù)本身一定真的改變了，而是指setData接口被調(diào)用，數(shù)據(jù)被“試圖改變”，產(chǎn)生了數(shù)據(jù)流。

考慮到虛擬儀器控件在實(shí)際使用這些響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口時(shí)，會(huì)按用途分為輸入端口與輸出端口，并且這兩種數(shù)據(jù)端口有不同行為特征，因此設(shè)置了一個(gè)屬性表征數(shù)據(jù)端口類型。當(dāng)控件獲取這些響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口時(shí)，需要表明控件本身的ID、端口名以及端口類型。

2.2 虛擬儀器控件模型

響應(yīng)式架構(gòu)下的儀虛擬器控件模型如圖3所示?？丶鶕?jù)自身業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)通訊需要持有一些響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口，并明確劃分出哪些是輸入端口，哪些是輸出端口?？丶枰獙?shí)現(xiàn)的主要接口為數(shù)據(jù)響應(yīng)接口，該接口通過(guò)參數(shù)傳遞數(shù)據(jù)發(fā)生改變的數(shù)據(jù)端口名給控件。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)端口的數(shù)據(jù)改變時(shí)，即表明有數(shù)據(jù)流流入，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用控件的數(shù)據(jù)響應(yīng)接口，通過(guò)該接口觸發(fā)控件自身業(yè)務(wù)的運(yùn)行。業(yè)務(wù)運(yùn)行完成后，假設(shè)需要輸出結(jié)果，可以直接通過(guò)輸出端口進(jìn)行輸出。例如控制類控件、信號(hào)采集類控件等一些控件會(huì)有自主數(shù)據(jù)源，當(dāng)有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，直接通過(guò)輸出端口輸出即可。

圖4為一個(gè)FFT（快速傅里葉）控件示意圖，該控件持有1個(gè)輸入端口、3個(gè)輸出端口。輸入端口輸入信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)組，3個(gè)輸出端口分別輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT處理后得到的實(shí)部數(shù)組、虛部數(shù)組和幅值數(shù)組。其在數(shù)據(jù)響應(yīng)接口中實(shí)現(xiàn)的邏輯為：當(dāng)有新信號(hào)輸入時(shí)，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行輸出。

又比如一個(gè)旋鈕控件，其只有唯一一個(gè)數(shù)據(jù)端口，也即旋鈕數(shù)值輸出端口，控件只需在旋鈕值發(fā)生改變時(shí)將新的旋鈕值輸送到該數(shù)據(jù)端口即可。

2.3 響應(yīng)式控件通訊架構(gòu)

虛擬儀器可以被歸結(jié)為一個(gè)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)系統(tǒng)，當(dāng)某個(gè)控件數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，變化會(huì)被傳播到與之相聯(lián)系的控件，控件會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)變化作出響應(yīng)。對(duì)于某些控件，可能會(huì)出現(xiàn)類似屏幕單擊事件之類的非數(shù)據(jù)事件，但此類事件也會(huì)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)變化事件驅(qū)動(dòng)虛擬儀器運(yùn)行。例如對(duì)一個(gè)開關(guān)按鈕的點(diǎn)擊會(huì)改變其代表開關(guān)狀態(tài)的變量，然后再由該變量值改變事件驅(qū)動(dòng)虛擬儀器運(yùn)行。這種非數(shù)據(jù)事件會(huì)被固定在單獨(dú)的控件上，在虛擬儀器重構(gòu)層面只需關(guān)心數(shù)據(jù)事件的響應(yīng)關(guān)系。

響應(yīng)式控件通訊架構(gòu)如圖5所示，框架主要組成部分包括響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口、虛擬儀器控件和響應(yīng)式內(nèi)核?？丶钟械捻憫?yīng)式數(shù)據(jù)端口需要注冊(cè)到響應(yīng)式內(nèi)核中，由響應(yīng)式內(nèi)核進(jìn)行管理。

響應(yīng)式編程腳本則負(fù)責(zé)構(gòu)建這些數(shù)據(jù)端口的數(shù)據(jù)關(guān)系，可以通過(guò)編程方式靈活地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)系創(chuàng)建。每個(gè)數(shù)據(jù)端口可以映射成為一個(gè)數(shù)據(jù)變量，在響應(yīng)式編程腳本中可以將數(shù)據(jù)變量映射到這些數(shù)據(jù)端口上，然后使用這些變量進(jìn)行響應(yīng)式編程，也即聲明式編程，并對(duì)這些變量之間的數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行聲明。通過(guò)解釋執(zhí)行響應(yīng)式編程腳本，將編程腳本描述的數(shù)據(jù)端口之間的數(shù)據(jù)關(guān)系通過(guò)特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存下來(lái)。當(dāng)響應(yīng)式內(nèi)核感知到端口數(shù)據(jù)改變事件時(shí)，響應(yīng)式內(nèi)核會(huì)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以保證經(jīng)過(guò)處理之后數(shù)據(jù)端口之間滿足編程腳本所聲明的數(shù)據(jù)關(guān)系。

虛擬儀器系統(tǒng)除要保證這些數(shù)據(jù)端口之間滿足特定數(shù)據(jù)關(guān)系外，還需要控件在數(shù)據(jù)輸入端口發(fā)生數(shù)據(jù)改變時(shí)作出響應(yīng)，從而驅(qū)動(dòng)虛擬儀器運(yùn)行。因此，這些控件也需要被注冊(cè)到響應(yīng)式內(nèi)核中，由響應(yīng)式內(nèi)核進(jìn)行管理。這些控件需要統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)一些標(biāo)準(zhǔn)接口，以便內(nèi)核對(duì)控件進(jìn)行運(yùn)行調(diào)度，其中最重要的接口即是數(shù)據(jù)響應(yīng)接口。對(duì)于被注冊(cè)到響應(yīng)式內(nèi)核的控件，當(dāng)其數(shù)據(jù)輸入端口數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，控件的數(shù)據(jù)響應(yīng)接口便會(huì)被響應(yīng)式內(nèi)核調(diào)用。

在這種架構(gòu)設(shè)計(jì)下，對(duì)于控件開發(fā)者而言，在開發(fā)普通控件的基礎(chǔ)上，要想開發(fā)出適配該架構(gòu)的控件，只需根據(jù)通訊需要持有一些響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口，然后使用這些數(shù)據(jù)端口進(jìn)行通訊即可;對(duì)于虛擬儀器使用者而言，只需通過(guò)一些簡(jiǎn)單的聲明式編程便可將快速搭建虛擬儀器，從而實(shí)現(xiàn)將更多工作交由系統(tǒng)處理，簡(jiǎn)化了開發(fā)者和使用者工作，契合IT開發(fā)的整體發(fā)展趨勢(shì)。

3 響應(yīng)式編程腳本

3.1 響應(yīng)式編程腳本設(shè)計(jì)

本文的響應(yīng)式編程腳本是一種針對(duì)虛擬儀器重構(gòu)任務(wù)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域特定語(yǔ)言。本腳本語(yǔ)言設(shè)計(jì)目標(biāo)是使虛擬儀器使用者能快速按照自己的意圖實(shí)現(xiàn)虛擬儀器搭建。由于虛擬儀器使用者的編程水平可能有限，因此語(yǔ)法設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量從簡(jiǎn)。

響應(yīng)式編程腳本總體設(shè)計(jì)如圖7所示。為了使編程語(yǔ)法簡(jiǎn)單明了，使用者容易上手，將腳本劃分為3大部分，分別為變量區(qū)、函數(shù)定義區(qū)以及關(guān)系聲明區(qū)。

變量區(qū)的主要作用是實(shí)例化儀器控件，并用變量把控件實(shí)例和數(shù)據(jù)端口的引用保存下來(lái)，方便后續(xù)使用。在實(shí)例化控件時(shí)，通過(guò)參數(shù)列表為其傳遞運(yùn)行參數(shù)，這些參數(shù)包括儀器控件本身所需的運(yùn)行參數(shù)和布局參數(shù)。如語(yǔ)句“varNamel=ControlName（ paraml，param2，…）”是實(shí)例化一個(gè)控件名稱為“ControIName”的控件，并將其引用賦值到變量“varNamel";語(yǔ)句“varName4= varName2.portNane"是將控件“varName2”端口名為“portName”的數(shù)據(jù)端口引用賦值到變量“varName4”;語(yǔ)句“varName5=dataType（contor-lId，portName）”將數(shù)據(jù)類型為“dataType”、控件ID為“con-torlld”、端口名為“portName”的數(shù)據(jù)端口引用賦值到變量“varName5”?？丶蘒D和端口名構(gòu)成的二元組可以唯一確定一個(gè)響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口，若指定的數(shù)據(jù)端口不存在，或數(shù)據(jù)端口的數(shù)據(jù)類型與“dataType”不一致，將會(huì)報(bào)錯(cuò)。

在函數(shù)定義區(qū)定義一些函數(shù)，這些函數(shù)可以被用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)端口之間的函數(shù)綁定關(guān)系。

在關(guān)系聲明區(qū)聲明數(shù)據(jù)端口之間的數(shù)據(jù)綁定關(guān)系。如腳本中的“varName2.portNamel->varNamel.portNamel"，是聲明簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)端口之間一對(duì)一的綁定關(guān)系;腳本中的“varName3.porNamel=>varName4+ varName5"，是聲明數(shù)據(jù)端口之間一對(duì)多的表達(dá)式綁定關(guān)系。為了方便直接通過(guò)表達(dá)式表達(dá)較復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系，該表達(dá)式除支持單值的四則運(yùn)算外，還需要支持?jǐn)?shù)組之間的運(yùn)算以及單值與數(shù)組之間的混合運(yùn)算，并內(nèi)置一些常用函數(shù)。然而，表達(dá)式對(duì)數(shù)據(jù)關(guān)系的描述能力終究是有限的，因此為了支持更復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)系描述，該腳本還支持?jǐn)?shù)據(jù)端口之間一對(duì)多的函數(shù)綁定關(guān)系。如腳本中的“varName3.portName2=>>fun-Name（ varName4，varName5）”，是聲明數(shù)據(jù)端口之間一對(duì)多的函數(shù)綁定關(guān)系，具體數(shù)據(jù)關(guān)系可以在函數(shù)里定義。

數(shù)據(jù)綁定規(guī)則為：綁定公式左邊對(duì)象是要綁定的對(duì)象，右邊對(duì)象是綁定的目標(biāo)對(duì)象，要綁定的變量所映射的數(shù)據(jù)端口必須是輸入端口。對(duì)于變量對(duì)變量的直接綁定，右邊變量所映射的數(shù)據(jù)端口必須是輸出端口，數(shù)據(jù)類型與左邊變量必須一致。對(duì)于表達(dá)式綁定，右邊表達(dá)式包含變量所映射的數(shù)據(jù)端口必須是輸出端口，表達(dá)式的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)類型必須與左邊變量數(shù)據(jù)類型一致。對(duì)于函數(shù)關(guān)系綁定，函數(shù)實(shí)參列表包含變量所映射的數(shù)據(jù)端口必須是輸出端口，函數(shù)返回值類型與左邊變量數(shù)據(jù)類型需要一致。

3.2 響應(yīng)式編程腳本實(shí)現(xiàn)

3.2.1 數(shù)據(jù)端口一對(duì)一綁定

對(duì)于數(shù)據(jù)端口一對(duì)一綁定，以下分為響應(yīng)式內(nèi)核端與腳本解釋器端兩方面進(jìn)行說(shuō)明。

在響應(yīng)式內(nèi)核端，維護(hù)如圖8所示的一個(gè)Map數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，Map里的Key為輸出端口，Value綁定到該端口的輸入端口集合。當(dāng)某個(gè)輸出端口數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，需要迅速查找到與其綁定的輸入端口集，因此這里使用Map數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)綁定關(guān)系。當(dāng)虛擬儀器內(nèi)發(fā)生輸出數(shù)據(jù)端口的數(shù)據(jù)改變事件時(shí)，響應(yīng)式內(nèi)核根據(jù)該數(shù)據(jù)端口查詢到與其綁定的輸入端口集合，然后對(duì)集合進(jìn)行遍歷，依次調(diào)用每個(gè)數(shù)據(jù)端口的設(shè)置值函數(shù)，使其數(shù)據(jù)值等于與其綁定的端口，并調(diào)用其所屬控件的數(shù)據(jù)響應(yīng)接口。通過(guò)以上步驟，便可實(shí)現(xiàn)一種深度優(yōu)先的數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式。

在腳本解釋器端，有了上文所述的Map數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)端口一對(duì)一直接綁定的思路則變得很清晰。在腳本運(yùn)行時(shí)，首先查詢到綁定目標(biāo)對(duì)象所映射的數(shù)據(jù)端口，接著在綁定關(guān)系Map里查詢到其綁定端口集合，然后查詢綁定對(duì)象所映射的數(shù)據(jù)端口，將其添加到綁定端口集合即可。

3.2.2 數(shù)據(jù)端口表達(dá)式綁定關(guān)系

將表達(dá)式映射成一種通用的表達(dá)式控件，總體方案如圖9所示。該控件在后臺(tái)工作，不在屏幕顯示。表達(dá)式控件將表達(dá)式的抽象語(yǔ)法樹保存下來(lái)，表達(dá)式控件本身持有數(shù)據(jù)輸入與輸出端口，但數(shù)據(jù)端口的數(shù)目與類型不是固定的。在該表達(dá)式控件的響應(yīng)接口中，從數(shù)據(jù)輸入端口獲取數(shù)據(jù)作為表達(dá)式變量值，通過(guò)表達(dá)式引擎執(zhí)行表達(dá)式控件保存的語(yǔ)法樹，并將執(zhí)行結(jié)果通過(guò)輸出端口輸出。

腳本解釋器運(yùn)行時(shí)，通過(guò)分析表達(dá)式所引用的數(shù)據(jù)端口，可以得出表達(dá)式所包含的變量數(shù)目與類型，從而確定表達(dá)式控件輸入端口的數(shù)目與類型;然后再通過(guò)分析表達(dá)式的運(yùn)算結(jié)果類型，確定輸出端口類型;將表達(dá)式控件的輸入端口綁定到表達(dá)式所包含變量映射的數(shù)據(jù)端口，再將綁定到表達(dá)式的數(shù)據(jù)端口綁定到該控件的輸出端口即可。

3.2.3 數(shù)據(jù)端口函數(shù)綁定關(guān)系

腳本里包含的函數(shù)是為了借助通用編程語(yǔ)言的表達(dá)能力，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)綁定。因此，假設(shè)自己設(shè)計(jì)該部分語(yǔ)言，需要實(shí)現(xiàn)一種通用語(yǔ)言的設(shè)計(jì)及其編譯器，工作量將十分巨大，而且無(wú)法調(diào)用已有函數(shù)。因此，本文編程腳本的函數(shù)部分選擇內(nèi)嵌Java函數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)。

Java是一門動(dòng)態(tài)性極高的語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)編譯。動(dòng)態(tài)編譯是指在代碼運(yùn)行過(guò)程中直接編譯一段代碼并將其加載進(jìn)來(lái)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)所謂的“on the fly”。

針對(duì)基于Java的動(dòng)態(tài)編譯技術(shù)，本文對(duì)于函數(shù)綁定關(guān)系的實(shí)現(xiàn)思路如圖10所示。在腳本解釋器運(yùn)行時(shí)，通過(guò)對(duì)Java函數(shù)的函數(shù)頭進(jìn)行語(yǔ)義分析，動(dòng)態(tài)生成一個(gè)與函數(shù)對(duì)應(yīng)的函數(shù)控件類代碼，每個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)函數(shù)控件類，并通過(guò)動(dòng)態(tài)編譯加載到系統(tǒng)運(yùn)行。函數(shù)控件的輸入數(shù)據(jù)端口對(duì)應(yīng)函數(shù)參數(shù)，輸出端口對(duì)應(yīng)函數(shù)返回值，數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)即是該函數(shù)。將函數(shù)作為函數(shù)控件類的成員函數(shù)，在函數(shù)控件類的數(shù)據(jù)響應(yīng)接口中，從數(shù)據(jù)輸入端口獲取數(shù)據(jù)，作為函數(shù)的參數(shù)對(duì)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，然后將調(diào)用結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)輸出端口輸出。

4 響應(yīng)式手機(jī)可重構(gòu)虛擬儀器平臺(tái)

本文提出的響應(yīng)式手機(jī)可重構(gòu)虛擬儀器平臺(tái)從邏輯上可分為3層，分別是交互層、內(nèi)核層及腳本解釋層，如圖11所示。界面布局容器以及與用戶的交互邏輯。針對(duì)虛擬儀器的使用特點(diǎn)設(shè)計(jì)界面布局以及交互邏輯。

內(nèi)核層是可重構(gòu)虛擬儀器的核心部分，該層負(fù)責(zé)控件管理、響應(yīng)式數(shù)據(jù)端口管理，以及數(shù)據(jù)響應(yīng)關(guān)系維護(hù)。其接受來(lái)自腳本層的控件實(shí)例化意圖、布局意圖以及數(shù)據(jù)關(guān)系聲明意圖，并將實(shí)例化控件添加到交互層。

腳本解釋層是最底層的部分，該層的職責(zé)是解釋頁(yè)面腳本意圖，并將意圖傳遞給內(nèi)核層。

5 應(yīng)用實(shí)例

如圖12所示為一個(gè)聲音監(jiān)測(cè)儀器，其包含的儀器控件類型有：按鈕控件、麥克風(fēng)控件、拖動(dòng)條控件、FFT（快速傅里葉）控件、文本控件、數(shù)字顯示控件及波形顯示控件。其運(yùn)行邏輯為：按鈕（圖中標(biāo)號(hào)8）控制麥克風(fēng)控件開關(guān)，拖動(dòng)條控件（圖中標(biāo)號(hào)5）控制麥克風(fēng)數(shù)據(jù)增益倍數(shù);增益倍數(shù)通過(guò)數(shù)字顯示控件（圖中標(biāo)號(hào)4）顯示，增益后的麥克風(fēng)數(shù)據(jù)通過(guò)波形顯示控件（圖中標(biāo)號(hào)6）顯示;增益的數(shù)據(jù)傳送到FFT控件（圖中標(biāo)號(hào)2）后，將經(jīng)過(guò)FFT處理得到的頻譜繪制到波形顯示控件（圖中標(biāo)號(hào)7）中;通過(guò)增益的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行聲強(qiáng)計(jì)算，將得到的聲強(qiáng)值顯示到數(shù)字顯示控件（圖中標(biāo)號(hào)3）中。

以下是該儀器的省略腳本：

Vars：

mic=MicVI（ "micl"，"10， 10， 30， 30"，"44100"，¨4096”，“O”）;

fft= FftVI（“fftl”，“50， 10， 30， 30"）;

label= LabelVI（ "lbl”，“90，10，65，30”，“聲強(qiáng)（分貝）”，“” “” “” “2"）：

dg= DigitaIDisplayVI（ "dgl"， "160， 10， 100， 30”）;

lahel2=LabeIVI（ "Ib2"， "90. 50， 65， 30"，“增益（倍數(shù)）”，“”，“”，“”，“2”）;

dg2= DigitalDisplayVI（“dg2"， "160， 50， 100， 30”）;

label3= LabelVI（ "lb3”，“90. 85， 65， 30”，“增益控制”，“”，“”，“”，“2"）;

sb= ScrollBarVI（ "sh"， "160， 85， 100， 30"，“1， 10"，“l(fā)”，“0.1”）：

wave= WaveVI2（ "wavel”，“0，120， 300， 170"，…，…，“”， "-20000， 20000"，“5”）;

waveFft=WaveVI2（ "wave2"， "0， 295. 300， 170"，…，“”，“”，“0.2000”，“5”）;

btn=ButtonVI（ "btnl"， "20， 470， 260， 35"，“，“1，0，O”，“停止一開始”，“50”）;

t= DoubleArray（“tl”）;

End

Functions：

douhle countDb（ double[] data）{

，，計(jì)算聲強(qiáng)函數(shù)

}

End

Relation：

mic.switch一>btn.value：

t.in=>mic.data術(shù)sb.value：

dg2.value一>sb.value;

fft.data一>t.out;

wave.dx=>1.0/44100：

wave.data一>t.out：

waveFft.dx=>44100.0/4096：

waveFft.data一>fft.amp;

dg.value=>>countDb（ t.out）;

End

為了說(shuō)明本文提出的可重構(gòu)虛擬儀器的靈活性，以下以一個(gè)實(shí)際案例進(jìn)行說(shuō)明。圖12中標(biāo)號(hào)3的數(shù)字顯示控件對(duì)應(yīng)的實(shí)例化腳本為“dg=DigitaIDisplayVI（ "dgl"，“160，10，100，30"）”，將該行腳本替換成“bg= BarGraphVI（ "bgl"，“160，2，135， 46"，“”，“0_30_60_90_1 20"， "0， 120"，“0”.“5"）”;描述該數(shù)字顯示控件數(shù)據(jù)關(guān)系的腳本是“dg.value=>>countDb（ t.out）”，將該行腳本替換為“bg.value=>> countDb（t.out）”。替換以上兩行腳本，便可實(shí)現(xiàn)將聲強(qiáng)顯示替換為一個(gè)棒圖進(jìn)行顯示，如圖13所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本文分析了手機(jī)虛擬儀器發(fā)展現(xiàn)狀以及響應(yīng)式編程特點(diǎn)，將響應(yīng)式編程引入到虛擬儀器中，并在Android平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)。研究表明，響應(yīng)式編程適用于虛擬儀器?；陧憫?yīng)式編程的手機(jī)可重構(gòu)虛擬儀器，其控件通訊模型更為清晰，且對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)關(guān)系的表達(dá)能力更強(qiáng)。但目前本文設(shè)計(jì)的虛擬儀器響應(yīng)式編程語(yǔ)言尚不夠完善，在后續(xù)研究中，可詳細(xì)考慮虛擬儀器實(shí)際應(yīng)用中的各種功能業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)更系統(tǒng)的腳本語(yǔ)法，從而進(jìn)一步提高可用性。

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作者簡(jiǎn)介：謝道旺（1992-），男，華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槭謾C(jī)化移動(dòng)測(cè)量?jī)x器;何嶺松（1962-），男，博士，華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣I(yè)測(cè)量與控制、計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù)、手機(jī)化移動(dòng)測(cè)量?jī)x器;高志強(qiáng)（1986-），男，華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)控加工優(yōu)化、遠(yuǎn)程診斷。本文通訊作者：何嶺松。