（测试计量技术及仪器专业论文）组件化测控软件的定制原理及其实现方法.pdf

摘要 在测控系统中，测控软件实现了计算机对整个测控系统的操作。作为计算 机测控系统的核心组成部分，测控软件发挥的作用越来越重要，其开发技术也 极大影响着测控系统的发展方向。传统的开发技术使得测控系统在可扩展性和 通用性受到限制，难以满足多变的测试需求以及适应快速的市场竞争。 为了顺应当今测控领域相关技术的发展趋势和实际应用中对测控系统的要 求，论文借鉴了虚拟仪器的模块化思想并结合组件开发的方法，设计了一种基 于组件技术和x m l 技术的测控软件，将测控系统分解为一个软件框架和若干实 现独立功能的组件模块，根据实际的测试任务需求，在软件框架上把所需的组 件模块装配起来，形成一个满足特定需求的测控系统，增强了测控软件的可扩 展性和通用性，具有比较重要的理论指导意义和实际参考价值。 论文从组件化测控软件的原理、结构和设计实现等几个方面展开研究。内 容如下： 第一，论文对提出的组件化测控软件的原理和总体结构进行分析，将整个软 件划分为用户定制层和功能实现层，给出了组件化测控软件的设计思想和实现 方法。 第二，论文为用户提供了一个以用户定制层为核心的定制系统，以x m l 技 术为基础，对用户定制界面的构建方法以及定制信息表的解析方法进行研究， 实现了组件化测控软件定制系统的设计。 第三，按照组件化的软件设计方法，根据需要对测控系统所要实现的功能进 行分类和归纳，封装到不同的组件库，研究了以功能实现层为核心的集成开发 平台的构建方法。 第四，给出基于组件化测控软件的实验用例，验证了论文设计的软件具有良 好的可扩展性和通用性。 实践证明，通过使用论文所设计的组件化测控软件构建出的测控系统，可 以很好地满足用户灵活多变的测试需求。论文所提出的设计方法，为测控软件 的开发提供了一种新的方法。 关键词：测控软件，定制原理，组件技术，x m l a b s t r a c t i nt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls o f t w a r e ( m c s ) i m p l e m e n t st h ec o m p u t e r so p e r a t i o nt ot h ee n t i r es y s t e m a st h ec o r ep a r to f t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，m c sp l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e ， a n dt h ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g ya l s oh a sg r e a te f f e c t so nt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n o fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yb r i n g so nt h el i m i t e d e x p a n s i b i l i t ya n du n i v e r s a l i t yo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sd i f f i c u l t t om e e tt h ec h a n g i n gn e e d so fm e a s u r e m e n to ra d a p tt ot h er a p i dm a r k e tc o m p e t i t i o n w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yi nt h ef i e l do f m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma n dc o m p m e rs o f t w a r ed e s i g nm e t h o d s ，t h ed e s i g n o fc o m p u t e r - b a s e dm c sh a sm a d es i g n i f i c a n tp r o g r e s s i no r d e rt o a d a p tt ot h e c u r r e n td e v e l o p m e n tt r e n d so fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma n dm e e tt h e r e q u i r e m e n t s o fm e a s u r e m e n ti nt h e a p p l i c a t i o n ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h e m o d u l a r i z a t i o nt h e o r yo fv i r t u a li n s t r u m e n ta n dc o m p o n e n tt e c h n o l o g yt ou s ef o r r e f e r e n c e ，a n dt h u sd e s i g n sak i n do fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls o f t - w a r eb a s e do n c o m p o n e n tt e c h n o l o g ya n dx m lt e c h n o l o g y m c si sd e c o m p o s e di n t oas o f t w a r e f r a m e w o r ka n dan u m b e ro fc o m p o n e n t so fi n d e p e n d e n tf u n c t i o n s a c c o r d i n gt ot h e p r a c t i c a ln e e d so fm e a s u r e m e n t ，d i f f e r e n tc o m p o n e n t sa r ea s s e m b l e di nt h es o f t w a r e f r a m e w o r k ，w h i c hc o n s t r u c t sas p e c i f i cs y s t e m t h em e t h o de n h a n c e st h e e x p a n s i b i l i t ya n du n i v e r s a l i t yo fm c s ，a n dh a si m p o r t a n td i r e c t i v em e a n i n go nt h e o r y a n dr e f e r e n c ev a l u eo np r a c t i c e i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ef o l l o w i n gp r o b l e m sa r es t u d i e d ：t h ep r i n c i p l e ，s t r u c t u r e ， d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc o m p o n e n t - b a s e dm c s f i r s t l y , t h ep r i n c i p l ea n dt h ee n t i r es t r u c t u r eo fc o m p o n e n t - b a s e dm c sa r e a n a l y z e d m o r e o v e r , t h es o f t w a r ei sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：u s e r - c u s t o m i z i n gl e v e l a n df u n c t i o n - i m p l e m e n t i n gl e v e l t h ed e s i g np r i n c i p l ea n di m p l e m e n tm e t h o do f c o m p o n e n t b a s e dm c sa r eg i v e ni nt h et h e s i s s e c o n d l y , ac u s t o m i z i n gs y s t e mb a s e do nu s e r - c u s t o m i z i n gl e v e li sp r o v i d e d f o ru s e r s d u et ox m l t e c h n o l o g y , t h ec o n s t r u c t i n gm e t h o do fu s e ri n t e r f a c ea n d p a r s i n ga p p r o a c ho ft h ei n f o r m a t i o nt a b l ea r ed i s c u s s e di nt h et h e s i s ，w h i c h i m p l e m e n t st h ed e s i g no fc u s t o m i z i n gs y s t e mo fc o m p o n e n t b a s e dm c s t h i r d l y , d i f f e r e n tf u n c t i o n so fm c sa r ec l a s s i f i e da n de n c a p s u l a t e di n t o c o r r e s p o n d i n gc o m p o n e n tl i b r a r i e si nt e r m so fc o m p o n e n tt e c h n o l o g y t h et h e s i s i n t r o d u c e st h ec o n s t r u c t i n gm e t h o do fi n t e g r a t e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do n f u n c t i o n - i m p l e m e n t i n gl e v e l f i n a l l y , t h et h e s i sp r o v i d e ss e v e r a le x p e r i m e n t a lc a s e so fc o m p o n e n t - b a s e dm c s ， w h i c hv e r i f i e st h ee x p a n s i b i l i t ya n du n i v e r s a l i t yo ft h es o f t w a r ed e s i g n e di nt h e t h e s i s i t s p r o v e d t h a tt h 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 c o n s t r u c t e d b y c o m p o n e n t - b a s e dm c sc a nf u l f i l lt h ef l e x i b l ea n dd i v e r s er e q u i r e m e n t sf r o mu s e r s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r o p o s e dd e s i g nm e t h o d m i g h tp r o v i d ean e wa p p r o a c hf o rt h e d e v e l o p m e n to fm c s k e y w o r d s ：m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls o f t w a r e ，c u s t o m i z a b l ep r i n c i p l e ，c o m p o n e n t t e c h n o l o g y , x m l 1 i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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) ：五吐重日期丝1 2 ：墨：； 学位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 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生( 签名) ：王尘堕 导师签名： 日期：单3 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景 第1 章引言 作为信息技术三大支柱( 测试控制技术、计算机技术和通讯技术) 之一，测 控技术是通过选用专门的仪器设备，设计合理的试验系统和进行必要的数据处 理，从而获得被测对象的有关信息以及实现对被测对象进行控制的一种科学方 法，它为科学研究提供了有力的工具和先进的手段。 随着现代科学技术和现代工业生产的发展，对电子测量和仪器技术的要求越 来越高，测试内容和测试对象日趋复杂，测试工作量与日俱增，对自动化程度 的要求也不断提高，这使得传统的测控方法已经不适应甚至不满足实际测试控 制的需要。因此，现代计算机技术开始广泛应用于测控领域，常规的测量仪表 和控制装置逐渐被计算机测控系统所代替，从而满足了测控领域不断提出的技 术要求【1 1 。 基于计算机的测控系统主要是由计算机以及外围输入和输出通道组成。测控 系统的输入通道接受和采集来自各种传感器送来的不同信号和信息，经过计算 机的分析、判断、计算和处理，通过输出通道发出各种控制信号和命令来完成 预定的测控任务【2 1 。目前，计算机测控系统的研究朝着低成本、高速度、高性能 等方向迈进，并取得了一定的进展，但是在测控系统的研究开发过程中仍然面 临不少的难题i 习： ( 1 ) 系统的可扩展性较差，难以解决当测试任务改变或系统更新换代时遇 到的二次开发难题。通常情况下，测控系统都是针对特定任务设计开发的，结 构固定，不具备动态功能调整和系统升级的能力。 ( 2 ) 系统的通用性较差，无法灵活地适应用户不同层次和不断变化的需求。 测控系统主要针对具体用户，其配置依据用户需求的不同也存在很大差异。因 此，如何满足用户不同层次的需要，覆盖各具体用户的具体要求，是一大难题。 纵观现代测控技术的发展，走向开放化是最明显的趋势。从技术角度来看， 开放是现代测控技术发展的方向；而从市场角度来看，开放技术也将成为市场 应用的主流【4 】。因此，具有开放的系统结构、丰富的测试功能等特点的测控系统， 将是未来测控领域的重要研究课题及发展方向。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 测控软件的研究现状和发展趋势 基于计算机的测控任务包括对各种测控系统硬件的驱动、诊断和对被测数据 进行处理以后的数字、图形和文件的显示、记录和打印，以及对受控过程或受 控对象以某种规律或控制算法进行控制；上述测控任务需要驱动、诊断和处理 软件以及算法软件来完成，这些软件就是基于计算机的测控软件【2 l 。测控软件是 计算机对测控系统的管理命令集，完成了对整个测控系统的操作【5 l 。作为计算机 测控系统的核心组成部分，测控软件发挥的作用越来越重要，相应地，测控软 件的开发技术也极大影响着测控系统的发展方向。 伴随着测控领域相关技术以及计算机软件设计方法的不断改进和发展，基 于计算机的测控软件的设计也有了较大的进步。主要体现在以下方面： 1 2 1 虚拟仪器软件技术 自从1 9 8 6 年美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司提出“虚拟仪器”的概念以来， 随着计算机技术和测试技术的发展，虚拟仪器技术也得到很快的发展。虚拟仪 器是种基于计算机的测控仪器系统【6 】。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发 展的一个重要方向。这种结合大概有两种方式： ( 1 ) 一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。 ( 2 ) 另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为 依托，实现各种仪器功能。 虚拟仪器主要是指第二种方式。框图1 1 反映了常见的虚拟仪器方案。 被信 数 测号 据 数 对调 采 据 虚拟仪器面板 象理 集 处 卡 理 图1 1 常见虚拟仪器方案框图 虚拟仪器是指利用现有的p c 机、加上特殊设计的仪器硬件和专用软件，形 成的一种既有普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功能的新型仪 器系统。虚拟仪器能够与计算机技术结合，将计算机资源与仪器硬件，数字信 2 武汉理工大学硕士学位论文 号处理技术与不同功能的软件模块结合，组成不同的仪器功能。用户可根据测 试的需要，自己设计所需要的仪器系统，即利用数据采集卡及计算机外围硬件 进行信号的采集与检测，然后用计算机所编的软件来实现对信号的处理、计算 和分析以及对测试结果进行显示 7 1 。 虚拟仪器为用户提供了可由自己定义的专用仪器系统，且功能灵活，很容易 广泛应用，尤其在科研、开发、测量、检测、计量、控制等领域更是不可多得 的好工具，十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软 件仪器”。虚拟仪器模块化，用户可以根据自己的需要和测试要求，方便地增减 硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的要求。与传统仪器相比，虚拟 仪器具有无可比拟的优势：具有更好的测量精度和可重复性；测量速度快；系 统组建时间短；由用户定义仪器功能；可扩展性强；技术更新快等。 在虚拟仪器软件平台方面，具有代表性的是美国m 公司的l a b v i e w ， l a b w i n d o w s c v i 和美国h p 公司的l i pv e e 。l a b v w 和h pv e e 是当前最为 流行的图形化开发环境，具有专业人员熟悉的图形化编程语言和符合国际标准 的接口驱动程序，适合于专业人员组建小型测试系统和较简单的虚拟仪器或者 用于大系统中某个分系统的编程。l a b w i n d o w s c v i 是在c 语言的基础上综合了 标准化软件开发平台和图形化软件开发平台的优点，为熟悉c 语言的开发人员 提供了一个功能强大的软件开发环境，多用于组建大型测试系统或复杂的虚拟 仪器【昏8 1 。 虚拟仪器技术已成为现代测控领域的一个基本方法，是技术进步的必然结 果。虚拟仪器以计算机为核心，用软件取代传统仪器的某些硬件功能，用软件 交互界面取代传统仪器操作面板，将计算机和测控系统融为成了一体。虚拟仪 器突出的优点在于采用计算机开放体系结构取代传统的单机测量仪器，从而开 拓了更多的功能。可以说，虚拟仪器的出现从根本上解决了测控系统的可扩展 和通用性要求。 1 2 2 面向对象的测控软件设计方法 早期在进行测控系统软件设计时，主要采用的是结构化方法【9 】。 结构化方法( s t r u c t u r e dm e t h o d ) 是2 0 世纪6 0 年代末在结构化程序设计的 基础上发展起来的，遵循系统工程的思想，充分考虑用户的需求，突出功能特 武汉理工人学硕+ 学位论文 征，按照软件生命周期严格划分工作阶段，强调软件各部分之问的结构及关系 的软件开发方法。其基本思想是面向数据流，将系统设计成由相对独立、功能 单一的模块组成的结构。 在进行测控软件设计时，针对具体的测控任务给出软件设计的结构图，根据 结构图进行相应的软件设计。这种方法在设计上较为简单直接、而且结构紧凑， 在中小型测控系统中应用比较广泛【l2 1 。使用结构化设计方法进行测控软件设计 的主要步骤如图1 2 所示。首先，研究、分析和审查测控任务数据流图。从软件 的需求规格说明中弄清测控数据流加工的过程。然后，由数据流图推导出测控 软件系统的初始结构图，并利用一些试探性原则来改进系统的初始结构图，直 到得到符合要求的结构图为止。最后，根据结构图进行软件设计、制定测试计 划。 软 分析 数 件 据 需流 求图 初 女 导出 始 改进 兀 善 结结 构构 图图 图1 - 2 结构化设计步骤 然而，由于结构化设计的自身局限性不能够灵活地适应用户不断的需求 变化，也给基于此法的测控软件设计带来以下问题： ( 1 ) 采用“自上而下”的设计方式，从系统的功能入手，按照工程标准和严 格规范将测控任务分解为若干功能模块。这种设计方式对系统的整体设计具有 一定的优势，但是当整体概念设计或者用户需求改变时，作为软件基本成分的 功能模块很容易受到影响，局部修改甚至会引起整个测控系统软件的根本性变 化，不易扩充、维护【1 3 】。 ( 2 ) 只能针对某个特定环境及特定性能进行测控软件的设计，或按照具体 的测控要求进行具体功能的测控软件设计。但随着测控任务以及实现功能的不 同，设计者每次都要重新进行测控软件的设计，不仅浪费了大量的人力物力， 而且已有的测控软件得不到有效复用。 ( 3 ) 不能很好地支持开放技术，由于缺乏可重用性，致使开发成本加大、 开发周期延长，不能适应大型、复杂系统不断发展和变化的要求。 4 武汉理工大学硕士学位论文 结构化设计方法开发的软件通常可扩展性和通用性都比较差，而且，工作 量大、可靠性低。因此，使用结构化的设计方法进行测控软件设计己无法满足 日趋复杂的测控任务需要。 随着计算机软件技术的不断向前发展，人们越来越意识到软件重用的重要 性。在软件开发过程中尽可能重用已有软件元素以提高软件开发效率，从而缩 短软件的开发周期。同时使用经过严格测试的可重用部件，还有利于提高软件 质量、降低软件开发成本和软件维护成本，从而降低整个软件系统的成本。 面向对象开发方法的出现将软件重用引入一个崭新的时代。 面向对象技术是2 0 世纪8 0 年代流行起来的一种最有效、最实用的软件开 发技术之一，它通过增强软件的扩充性和通用性，来改善和提高软件开发人员 的开发效率，减少软件维护的复杂性和开销。 面向对象( o b j e c to r i e n t e d ，0 0 ) 的基本思想是通过对问题领域进行自然的 分割，用更接近人类通常思维的方式建立问题领域的模型，并进行结构模拟和 行为模拟，从而使设计出的软件能尽可能地直接表现出问题的求解过程。因此， 面向对象的设计方法可以表示为图1 3 所示的形式。 曰= 圈 图1 - 3 面向对象的设计方法 面向对象的设计方法将软件系统所面对的问题，按其自然属性进行分割， 按人们通常的思维方式进行描述，建立每个对象的模型和联系，设计尽可能直 接、自然地表现问题求解的软件，整个软件系统只由对象组成，对象间联系通 过消息进行。用类和继承描述对象，并建立求解模型，描述软件系统。对象是 事物的抽象单位，具有内部状态、性质、知识和处理能力，通过消息传递与其 它对象相联系，是构成系统的元素。消息是请求对象执行某一处理或回答某些 信息的指令流，用以统一数据层和控制层，将对象划分为不同层次，这种层次 结构具有继承性，子类继承其父类的全部描述【1 4 1 。 面向对象的设计方法，更接近于面向问题而不是对程序的描述，软件设计带 有智能化的性质，这种形式更便于程序设计人员与应用人员的交流，软件设计 5 武汉理工大学硕士学位论文 更具有普遍意义。 在面向对象的程序设计环境中，与传统代码级重用方式相比出现了如下新 的软件重用方式。 类库：类库与函数库一样都是经过特定开发语言编译后的二进制码。但它 与函数库有本质区别，主要表现在继承、封装和派生上。类库的出现使大规模 的软件重用得以实现，并使软件的重用性及可维护性得到大大增强。 组件：使用组件开发软件就像搭积木一样容易，这比传统的函数( 过程) 重 用方式有了很大提高。组件是迄今为止最优秀的软件重用手段【l5 1 。 软件组件( c o m p o n e n t ，也常被理解为“构件”) 的概念共生于软件重用。早 在1 9 6 8 年，在北大西洋公约组织( 玎o ) 会议上就提出了软件重用的概念， 后来还为此制定了一整套软件重用的指导性标准，其中包含了利用标准组件实 现软件重用的基本思路。也就是在这次会议上，m c l l r o y 提出了软件组件、组件 工厂等概念。基于组件的软件重用是产品重用的主要形式，软件组件技术是当 前重用研究的焦点。组件技术的基本思想在于，创建和利用可重用的软件组件 来解决应用软件的开发问题。与面向对象编程语言不同，组件技术是一种更高 层次的对象技术。它独立于语言，面向应用程序，只规定组件的外在表现形式， 而不关心其实现方法【l 8 1 。 组件是一种能够提供某种服务的自包含的软件模块，它封装了对象一定的属 性和方法，并提供特定的接口，二次开发人员利用这一特定的接口来使用组件， 并使其与其他组件交互通信，以此来构造应用程序。 组件具有以下特点【l9 】： 封装性。组件是被封装的软件模块，它隐藏了具体的实现细节，只提供接口 供开发人员使用，这就使得开发人员能很方便地构筑应用程序。 独立性。组件的概念是独立于编程语言的，用不同的语言编写的组件能在一 起协同工作，组件与组件之间能够流畅地进行通信。 灵活性。可以对组件单独进行升级，改进原来的功能，只要保证组件对外界 的接口不变就不影响整个应用系统的运行。 基于组件的软件开发技术从根本上改变了软件的生产方式，与传统开发方法 相比，它具有明显的优势( 2 0 】： 提高了软件的重用率，保护了已有的投资。开发者可以将原有软件运用组 件技术封装起来，通过标准的组件接口将旧的程序代码进行包装制作成可以重 6 武汉理工人学硕士学位论文 用的组件，从而保护了已有的投资； 降低了对系统开发者的要求，使他们更好地关注业务系统，可以用业务术 语，而不是计算机术语来规划、设计和建造应用； 使开发的系统更加灵活，更加便于维护和升级组件的模块化程度高，模块 耦合度低，开发者在对软件进行改进时，往往只需增加新的接口即可； 更加易于学习和使用，组件的开发一般由组件设计、生产和组装等过程组 成，不同岗位的开发者分工明确、术有专攻，大量的开发人员可以快速投入基 于组件的开发过程中。 随着面向对象技术在测控软件设计中的应用，大大提高了测控软件的开发 速度和效率。将基于组件的软件开发技术应用于测控软件的设计中，提高了软 件的重用率，打破了传统测控系统的结构固定、功能单一、可扩展性差等限制， 提高开发效率，增强系统的灵活性和开放性，解决了在测试任务改变或系统更 新换代时遇到的二次开发难题，使得所设计的系统更容易维护和扩充，从而满 足了对于测控系统可扩展性和通用性的要求。 1 3 论文研究意义和研究内容 为了顺应当今测控领域的发展趋势和实际应用中对测控系统的要求，论文 借鉴了虚拟仪器的模块化思想并结合组件开发的方法，所设计的组件化测控软 件是将测控系统分解为一个软件框架和若干实现独立功能的组件模块，根据实 际的测试任务需求，在软件框架上把所需的组件模块装配起来，形成一个满足 特定需求的测控系统。其研究意义在于： ( 1 ) 从开发角度来看，提供一种测控软件复用的新途径。组件化设计的思 想是将通用功能划分为不同模块，进行模块化的测控软件设计，以此实现了测 控软件模块在不同测控对象的测控任务中复用，缩短了设计周期，加快开发速 度，从而提高测控软件设计的灵活性和可扩展性。 ( 2 ) 从应用角度来看，研究出一种开放式的可定制测控系统。用户可以根 据自己的需要和测试要求，方便地增减功能模块，以重新配置现有系统或创建 新系统，从而满足多变的测试要求。 论文的研究目标是将组件技术引入测控系统的软件开发中，研究基于组件 技术的测控系统的定制原理和具体实现。内容主要涉及组件化测控软件的原理 7 武汉理工大学硕士学位论文 开发和用户交互界面设计等等。具体研究工作主要体现在以下方面： ( 1 ) 分析测控系统的功能需求，研究组件化测控软件的定制原理和设计思 想，并确定软件的总体结构。 ( 2 ) 设计基于组件的测控软件界面，为用户提供定制和操作测控软件的交 互方式。 ( 3 ) 完成测控软件功能组件的设计，包括组件模块的划分和组件库的设计， 在组件库中实现测控软件的基本功能。 ( 4 ) 实现组件化测控软件在具体系统中的应用。 1 4 论文组织结构 第1 章，引言。论述了论文研究背景、现状和趋势以及研究的意义和主要 内容。 第2 章，组件化测控软件的定制原理。对所设计的组件化测控软件的原理 进行了分析并对软件结构进行了划分，提出了基于不同结构层次的研究方法。 第3 章，组件化测控软件定制系统的设计。介绍了以用户定制层为核心的 组件化测控软件定制系统的详细设计方法，包括用户定制界面的原理和设计， 并描述了x m l 定制信息表的设计以及构建和解析方法。 第4 章，组件化测控软件集成开发平台的构建。介绍了以功能实现层为核 心的组件化测控软件集成开发平台的具体构建方法，对组件库的功能进行分 析，给出了在组件库中建立测控软件的基本功能组件的方法。 第5 章，组件化测控软件实例应用及分析。简要介绍了组件化测控软件在 测控系统中的应用，然后通过测控系统实例介绍了其应用过程，验证了可扩 展性和通用性。 第6 章，总结与展望。总结了论文所完成的所有工作，并对其后续的研究 提出了完善的方向。 8 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章组件化测控软件的定制原理 软件体系的设计原理作为软件开发的理论框架，是软件系统设计和维护的基 础。合理有效的软件设计原理有助于分析和描述系统的不同层次结构，简化软 件系统的开发，既便于软件重用，又便于系统的扩展升级。对软件体系的原理 分析将有利于从更高层次上理解和掌握软件结构体间的相互关系，为具体功能 模块的实现提供指导性意见。 本章对组件化测控软件的原理进行了分析并对软件结构进行了划分，作为整 个测控软件的设计基础和指导思想，为此后的具体实现提供了理论依据和实现 途径。 2 1 组件化测控软件的定制思想 论文提出的组件化测控软件借鉴了虚拟仪器的模块化思想并结合了组件开 发的方法，将测控系统分解为一个软件框架和若干实现独立功能的模块，并将 这些完成不同功能的模块都封装成组件的形式，根据实际的测试任务需求，在 软件框架上选取所需的组件模块并将它们装配起来，从而形成一个满足特定需 求的测控系统。如图2 1 所示。 组件库 功能组件l 、 应 用 j功能组件2、 用 程 序l 测控系统i 控 一 户 制 i 测试任务- 交 互 界 、 面 由 一讳雠细挫l 一 心 w 日巴组什n 图2 - 1 组件化测控软件模型 9 武汉理工大学硕士学位论文 用户交互界面提供了用户和系统之间的操作接口，用户根据测试任务从组件 库中选择相应的功能组件并设置参数。然后，应用程序控制中心负责解析接收 到的定制信息，在系统框架上进行对应组件的组合和装配，这样，一个按用户 要求定制的测控系统就建立起来并可立即投入使用。当测试任务发生变化时， 通过用户界面修改组件选项以及各类参数，在软件框架上进行添加或者重新组 合并装配，就可以快速调整为另一个新的测控系统。 组件化测控软件的设计方法按照测控软件领域通用功能进行划分，可以实现 基于不同测控对象的测控任务，灵活快速地建立测控系统。 2 2 组件化测控软件的结构分析 测控软件主要有两个任务：一是为用户提供一个建立和操作测控系统的集成 开发环境；二是接收用户提出的测控需求，完成系统的组装，实现测控任务。 因此，根据这两个任务，可以将整个测控软件划分为用户定制层和功能实现层 两部分组成。整体结构如图2 2 所示。 用户需求 j 弓用 用户定制界面x m l 定制信息表 皇 定 l 鲁 应用程序控制中心 、t ；， ! ， 望 且巳 组l 功能组件库l 系统运行界面 塞 件 埋 库i 功能组惭l 层 定制的测控软件系统 图2 2 组件化测控软件结构图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1 用户定制层结构分析 用户定制层为测控软件的上层，主要功能是用户根据其需求通过用户定制界 面设置测控系统运行需要的各种数据信息，包括选择功能组件、确定输入参数 等。当用户对系统定制完毕后，就会生成基于x m l 的定制信息表。然后，应用 程序控制中心将定制信息表传递至功能实现层。当用户制定不同的功能时，通 过在用户定制层给出的信息调用相应的功能实现层控件，实现了整个软件系统 的运行，还可针对不同的需求进行扩展。 2 2 2 功能实现层结构分析 功能实现层为测控软件的底层，负责接收并解析上层传递下来的x m _ l 定制 信息表，实现底层数据间的传输以及发送控制命令，最后生成用户定制的系统 运行界面。按照组件技术设计的观点，根据需要对系统要实现的功能进行分类 和归纳，将功能实现层软件的主要操作封装在相应的类中，形成不同的功能组 件库。应用程序控制中心根据装配信息，将用户选取的组件从库中调用出来并 进行组合，从而构建出一个定制的测控软件系统。 2 3 组件化测控软件的定制方法 前面章节提到过，组件是具有语言无关性，可复用和自包含的软件模块。为 了提高测控软件系统的灵活性，将完成不同功能的模块以组件的方式进行封装， 为用户提供便于使用、易于组合、性能完善的功能组件库，其中的每个功能组 件都包含了多种的函数实现相应的操作，并提供了一系列接口供用户选择以及 系统调用。 当用户确定其测试任务之后，系统将定制信息通过一个载体从用户传递到系 统，而这个载体就是x m l 定制信息表。作为定义和描述信息的标记语言，x m l 语法简单，但结构严谨，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。并且， 这种数据表示不依赖于具体的硬件和平台。用x m l 语言对各功能组件进行定义 武汉理丁大学硕士学位论文 和描述，每一个组件对应于一个x m l 元素。当用户根据所需功能在用户定制界 面定制不同的组件时，就生成了对应的x m l 元素。将若干这样的元素集合起来 就组成了测控系统的x m l 定制信息表。通过对该定制信息表进行解析，创建相 应的组件模块，就能构建出一套符合用户需要的测控软件。 组件化的测控软件可以根据测试任务的变化灵活适应不同的用户需求。当测 试任务发生变化时，用户只需在组件库中对不同的组件进行添加或者重新组合 并装配，就可以配置出相应的测试功能与用户界面，快速调整为另一个新的测 控系统。 2 4 软件开发工具的选择 目前，用于测控软件开发的工具主要分为了两大类：一类是图形化编程工具， 其中具有代表性的是美国n i 公司的l a b v i e w 和美国l i p 公司的唧v e e ；另一 类是文本式编程工具，如m i c r o s o t t 公司的v i s u a lb a s i c 以及v i s u a lc + + 等。 ( 1 ) l a b v i e w l a b v i e w ( l a b o r a t o r yo fv i r t u a li n s t r u m e n t se n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室 虚拟仪器集成环境) 是美国n i 公司的创新软件产品，也是日前应用最广、发展 最快、功能最强的图形化软件集成开发环境，可实现数据采集、仪器控制、过 程监控和自动测试等实验室研究和工业自动化领域的实际任务。l a b v i e w 内置 信号采集、测量分析与数据显示功能，摒弃了传统开发工具的复杂性，为用户 提供强大功能的同时还保证了系统灵活性。l a b v i e w 将广泛的数据采集、分析 与显示功能集中在了同一个环境中，让用户可以在自己的平台上无缝地集成一 套完整的应用方案【7 ，8 】。 l a b v w 属于图形化编程语言毛语言，易学易用，操作灵活。该软件 具有的层次化和模块化特征使程序的可重复利用率非常高，其强大的硬件驱动、 图形显示能力使用户节省大量的编程时间，丰富的数学分析模块和信号处理模 块让用户在数据处理方面更轻松，强大的查错、调试功能和程序的可移植性使 用户的编程工作更加快速。但是l a b v i e w 软件价格比较昂贵，而且平台软件的 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 核心技术也不会完全公开，对使用者的专业知识要求较高，此外，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，如果需要更改仪器硬件就必须 更改相关软件，有可能引起整个测控系统的根本性变化，不容易扩展和维护。 ( 2 ) v i s u a lb a s i c 1 9 9 1 年m i c r o s o f t 公司推出的w i n d o w s 应用程序开发工具v i s u a lb a s i c ， 它是基于b a s i c 的可视化的程序设计语言，既继承了b a s i c 所具有的程序设计语 言简单易用的特点，其编程系统又采用了面向对象、事件驱动的编程机制，用 一种巧妙的方法把w i n d o w s 的编程复杂性封装起来，提供了一种所见即所得的 可视界面设计方法。v i s u a lb a s i c 具有高的代码效率，与w i n d o w s 系统有着完美 的接口，易于进行硬件访问，非常适合一些应用程序的开发f 2 。 v i s u a lb a s i c 的易用性就是它最大的优势，可以让经验丰富的程序员或是刚 刚懂得皮毛的人都能用自己的方式快速开发程序。然而，在实际应用中，v i s u a l b a s i c 也具有一些不可克服的缺点： 不是真正的面向对象的开发工具。 数据类型太少，而且不支持指针，这使得它的表达能力很有限。 不是真正的编译型语言，它产生的最终代码不是可执行的，是一种伪代码。 它需要一个动态链接库去解释执行，这使得v b 的编译速度大大变慢。 ( 3 ) v i s u a lc + + v i s u a lc + + 是一个功能强大的可视化软件开发工具。自1 9 9 3 年m i c r o s o f t 公 司推出v i s u a lc + + 1 0 后，随着其新版本的不断问世，v i s u a lc + + 已成为专业程序 员进行软件开发的首选工具。 v i s u a lc + + 是一个基于w i n d o w s 操作系统的可视化集成开发环境( i n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，i d e ) 。v i s u a lc + + 由许多组件组成，包括编辑器、调 试器以及程序向导a p p w i z a r d 、类向导c l a s sw i z a r d 等开发工具。这些组件通 过一个名为d e v e l o p e rs t u d i o 的组件集成为和谐的开发环境。 作为当今较为流行的开发工具，v i s u a lc + + 有着如下几个突出的特点【2 2 】： o v i s u a lc 卜+ 不仅是c h 语言的集成开发环境，而且与w i n d o w s 3 2 紧密相连， 因此，利用v i s u a lc + + 可以完成各种各样的应用程序的开发，从底层软件直到上 武汉理工大学硕士学位论文 层直接面向用户的软件。 ( 室) m i c r o s o f t 为v c + + 的编程环境提供了强大的图形支持，同时也提供了一套 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，使得v i s u a lc + + 能够很方便地使用m f c 所提供的强大功能。 作为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，v i s u a lc + + 提供了 对用户友好的开发环境，具有高度可视化的开发方式和强大的向导工具 ( a p p w i z a r d s ) ，其强大的调试功能也为大型复杂软件的开发提供了有效的排错 手段。 ( 至) 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，顺应当今主流软件开发的需 要。 基于对以上几种在测控软件设计领域常用的编程工具的介绍和分析，相对于 l a b v i e w 和v i s u a lb a s i c ， v i s u a lc + + 在进行测控软件开发具有更大的优势：开 发自主性高，功能相对强大，具有开放性和通用性。因此，论文选择了v i s u a lc + + 作为开发工具。 。 2 5 本章小结 本章首先对组件化测控软件的设计原理进行了概述，在此基础上确定了软件 的总体结构，并划分了不同的层次和功能，描述了软件的定制方法，最后在进 行比较之后确定了论文中所使用的软件开