秦氏模型虚拟仪器及VMIDS开发系统的研究

摘要

测控仪器发展至今，大致可分为三种模式：传统硬件化仪器、现在流行的以软件为主体的虚拟仪器、智能控件化虚拟仪器。智能控件化虚拟仪器也称为秦氏模型虚拟仪器，本文对这一仪器模式的概念、形成原理、科学内涵、数学建模、软件构架，以及开发该模式仪器的零编程开发系统等方面展开了深入研究。 深层次论述了秦氏模型的概念、原理、科学内涵以及这一思想的深入发展——“岩石模型”等内容。秦氏模型虚拟仪器是一种新的仪器模式，智能虚拟控件是其核心内容。秦氏模型思想的基本内容是：将非智能虚拟控件经“功能赋予”后与仪器功能进行“测试融合”，从而形成“智能仪器单元”——智能虚拟控件，对这些智能虚拟控件进行积木式的随意拼搭，即可直接在PC机内形成成百上千、类型用途各异的虚拟仪器，并显示在屏幕上直接供用户使用。在秦氏模型思想中，“功能赋予”、“测试融合”和“积木式拼搭”是三个基本而重要的概念，是设计开发系统的理论与技术基础。文章从秦氏模型的概念、原理，智能虚拟控件的模型要素，基于“功能赋予”和“测试融合”的智能虚拟控件的形成原理，以及“功能赋予”和“测试融合”的具体实现——E-F函数等方面阐述了这一思想。智能虚拟控件的在大特点是使仪器中的功能模块与空间模型实现了融合，把仪器的功能、性能、控制关系等全部由记得融合于一个或几个部件之中，它的实现使仪器从传统的整机演变为部件，从根本上改变了仪器的设计与制造模式。智能虚拟控件的实现也使得仪器更高层次的集成成为可能。“岩石模型”是对秦氏模型的继承和发展，是对测试功能和仪器进行多次、深度的集成，在理论上对全部机械测试类仪器建立“有界无限”的统一模型，创成一个巨型仪器库。“岩石模型”大型仪器库的出现，结束了测试领域的单机时代，从此用户使用测试仪器将不仅以单机为使用单位，而且可以用一个包罗系列仪器在内的仪器库作为使用单位。 研究了系统建模五元模型和模块化建模方法，并以此建立了秦氏模型虚拟仪器开发系统模型、秦氏模型虚拟仪器统一模型，深入阐述了模型的组成结构。两个系统模型的建立，为秦氏模型虚拟仪器开发系统以及秦氏模型虚拟仪器的设计、开发提供了理论基础、统一的规范规则，提高了系统运行效率，增强了系统的可理解性，使得系统增量开发的速度得到大大提升。根据两个系统模型，通过对多种测控分析仪器的原理、功能、性能、精度指标和使用环境等的研究，论述了对虚拟仪器典型功能的模块化数学建模，建立了部分信号基本处理和扩展处理的数学模型。通过对虚拟控件界面技术的研究，提出了椭球体三维数据场可视化模型，详细阐述了其实现方法，并依据该模型，对虚拟选择开关进行了界面建模。同时椭球体三维数据场可视化模型也可应用于科学计算三维可视化研究。两类建模方法的研究、两个系统模型和椭球体三维数据场可视化模型的建立，将秦氏模型虚拟仪器和虚拟控件从技术研究提升到理论建模的基础研究。 通过对层次消息总线软件体系结构的研究，提出了动态路由层次消息总线软件体系结构模式，研究了这一模式的风格、构件、连接件和配置，并采用软件体系结构描述语言——Wright语言分别进行了形式化的描述。该模式是对层次消息总线的发展，采用统一的方式刻画智能虚拟控件和有智能虚拟控件构成的秦氏模型虚拟仪器系统。动态路由消息层次总线保留了层次消息总线的优点，具有层次消息总线结构的信息传递方式，并支持系统运行时刻的动态演化；克服了层次消息总线模式应用在秦氏模型虚拟仪器开发系统时的缺陷，使得系统效率得到提高，控件复用程度增加，系统增量开发的速度大大提升。动态路由层次消息总线构架是秦氏模型虚拟仪器开发系统的实现蓝图，为智能虚拟控件的集成组装提供了坚实的技术基础。 综合运用有关原理、方法和技术，设计制造了基于复用的智能虚拟控件，实现了面向用户的基于柔性综合集成技术的秦氏模型虚拟仪器零编程开发系统——VMIDS(Virtual Measurement Instrument Development System)开发系统。智能虚拟控件是秦氏模型的核心组成部分，由仪器拼搭场所拼搭出的仪器的种类和数量，取决于智能虚拟控件成品库的可复用控件的种类和数量的多少。文章从控件的内聚、耦合和复用三个方面讨论控件的优化设计准则，编制了非智能虚拟控件电子分类档案，介绍了功能库的设计，以及如何由非智能虚拟控件和功能库设计制造智能虚拟控件。秦氏模型虚拟仪器零编成开发系统是基于知识的柔性综合集成开发系统。本文在介绍了面向控制、数据和显示的综合集成技术的基础上，论述了秦氏模型虚拟仪器零编程拼搭机理——基于知识的柔性综合集成技术；利用该技术，研制成功了秦氏模型虚拟仪器开发系统——VMIDS3.0开发系统。最后介绍了在VMIDS3.0开发系统中怎么开发秦氏模型虚拟仪器，同时给出了典型秦氏模型虚拟仪器的有关应用实例。 文章最后对本文工作进行了总结和对秦氏模型虚拟仪器的研究进行了展望。 本文得到了国家自然科学基金重点项目“面向机械测试的控件化虚拟仪器系统的研究（No.50135050）”和国家自然科学基金面向项目“机械测试系统中零编程方法的研究（No.50405009）”的资助。