??? 摘? 要： 介紹了一種基于智能手機和無線傳輸協(xié)議的虛擬儀器技術方案。并介紹了利用其開發(fā)的鐵路車輪外形測量儀" title="測量儀">測量儀。
??? 關鍵詞： 虛擬儀器? 手機? 無線
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??? 虛擬儀器是一種基于計算機的數字化測量測試儀器。它利用計算機強大的運算以及數據存儲等能力,把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能軟件化。通常虛擬儀器采用的計算機是臺式機或筆記本電腦，隨著嵌入式計算機的發(fā)展，文獻[1]提出了采用NI公司的數據采集" title="數據采集">數據采集卡和PMDS開發(fā)系統(tǒng)開發(fā)出的基于PDA的虛擬儀器，其功能強大，開發(fā)便捷，且體積小，重量輕。但該方案必須購買數據采集卡和專業(yè)的開發(fā)軟件，且目前支持PCMCIA接口的PDA已經不多，PDA的應用也并非特別廣泛，因此其應用范圍會受到一定限制。本文從更為一般的角度探討了基于手機和通用軟件開發(fā)平臺的虛擬儀器技術相關的數據采集、信號處理、無線協(xié)議選擇，以及運行于手機平臺的軟件編寫等內容,并介紹了利用以上技術開發(fā)的基于惠普6515手機和藍牙協(xié)議的鐵路車輪外形測量儀。
1 基于手機的虛擬儀器結構
??? 基于手機的虛擬儀器由傳感器、信號調理設備、數據采集、無線網絡、手機、儀器軟件等幾個基本元素構成?；谑謾C的無線虛擬儀器系統(tǒng)的基本結構如圖1 所示。如果在此基礎上再添加桌面計算機等部件,則可組建一個虛擬儀器網絡，實現儀器與上位機之間的數據共享。
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??? 本技術方案優(yōu)勢在于：無須購買專用開發(fā)平臺和PDA，使用者只需將虛擬儀器軟件拷入手機中便可實現所需功能;另外在接口通用性上，本系統(tǒng)采用的是大多數手機都具有的無線接口。
??? 就本技術方案的前景而言，手機作為虛擬儀器平臺最大的瓶頸在于其接口種類少。但智能手機目前采用的主流芯片都帶有多種接口，因此，在需求增長的前提下，廠商必然會推出多接口適合虛擬儀器開發(fā)的型號。
2 數據采集和信號處理部分
??? 該部分主要實現模擬信號的采集和數字化,由數據采集設備來完成。
??? 通信協(xié)議" title="通信協(xié)議">通信協(xié)議的編制也需在這一步完成。對于無線通信方式而言，通信協(xié)議的選擇對數字信號傳輸的質量和速率的影響是巨大的，對信息傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率比較敏感的場合盡量采用二進制流傳輸以獲得更高的數據傳輸率，并且在編制協(xié)議時要注意增加校驗和錯誤校正以及重發(fā)機制。
3 無線通信部分
??? 可用于數據采集的無線通信方式很多,例如紅外、GPRS、藍牙、WIFI等等。在手機上" title="機上">機上，藍牙是非常流行的無線接口，且適合對傳輸速率和距離要求不高的場合。另外，WIFI有著更強的功能，但目前手機對它的裝備率還非常低。
3．1 基于藍牙的無線通信部分
??? 藍牙是一種低功率短距離的無線通信協(xié)議，并支持聯網方式,藍牙設備可以自動檢測到廣播域內的其他藍牙設備。藍牙采用跳頻機制進行數據傳送，故能極大提高數據傳送的抗干擾性能。如圖2所示，首先提出通信要求的設備是主設備（Master），被動進行通信的設備為從設備（Slave）。通過時分多址（TDM）方式，一臺主設備可與多臺從設備進行通信，即點對多點的通信方式。如果加入配對即可實現點對點方式傳輸，一旦主設備打開，便會自動搜尋所配對的從設備。
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3．2 基于WIFI的無線通信
??? 雖然同為無線通信協(xié)議，但WIFI和藍牙并非同類技術。兩者都使用了2.4GHz的ISM頻段，但藍牙采用的是跳頻方式，WIFI采用的是直接擴頻。藍牙更類似于紅外傳輸，主要用于設備的短距互連。而WIFI是一種無線的通用局域網連接方式，其應用范圍更廣泛，方式更靈活。同藍牙相比，WIFI具有的最明顯優(yōu)勢在于傳送距離遠和傳輸速率高。WIFI的傳輸距離可達2km，如使用定向天線更可使傳輸距離提高到20km。而藍牙的典型傳輸距離只有十米，目前已有通信距離在百米左右的藍牙設備，但手機和PDA暫時還沒有支持該類遠距藍牙的模塊；另外，WIFI的典型傳輸速率為11Mbps，而藍牙僅為1Mbps。雖然目前支持WIFI的手機型號還很少，但隨著需求的增加，WIFI必然會成為手機上流行的接口，適于進行無線虛擬儀器開發(fā)。
4 手機及其操作系統(tǒng)
??? 隨著技術的發(fā)展,目前手機的運算和存儲能力完全可以滿足一般測試任務的要求,而且手機作為現代人不可或缺的通信工具，具有很好的便攜性和易用性。因此，這里選擇了手機作為虛擬儀器平臺，它取代傳統(tǒng)虛擬儀器中的PC完成信號的采集、分析、顯示、數據存儲等。目前手機的主流操作系統(tǒng)包括微軟Windows CE、Linux、Symbian OS等,其中Symbian OS與Windows CE 占據了高端手機操作系統(tǒng)的大部分市場。在本文中,手機特指采用Windows CE操作系統(tǒng)的智能手機，例如惠普6515。
5 基于手機的虛擬儀器軟件
??? 軟件是虛擬儀器的核心,完成數據的接收、分析處理、結果顯示等功能。開發(fā)系統(tǒng)可選用EVC和J2ME等通用開發(fā)平臺，而無須購買昂貴的專用開發(fā)平臺，節(jié)省了整個系統(tǒng)的開發(fā)成本。軟件可采用EVC4.0編寫,Windows CE采用的是Win32API子集。由于采集數據一般是通過串口傳輸數據的, 所以完成串口的通信功能是本方案實現的核心。文件存儲也是系統(tǒng)的一個重要組成部分，由于手機的存儲體系與PC機有所不同，數據寫入RAM的速度較快，但RAM容量較小，當接收大量數據時，必須定時將RAM中的數據轉存入SD卡或其他外部存儲設備中。另外，由于Windows CE不支持重疊I/O, 因此不能從主線程讀寫大量數據，否則會阻塞它的工作。所以串口通信部分，以及將內存中的文件存入SD卡的部分都必須采用多線程設計。單獨設計一個子線程來負責后臺串行端口通信。子線程接收串口數據，并將其寫入緩存中，待接收到一定數量數據后通過消息通知主線程，主線程將數據寫入RAM中的緩沖文件，當緩沖文件到達一定大小后開辟新線程將其寫入SD卡。系統(tǒng)運行結構如圖3所示。
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??? 在WinCE 系統(tǒng)中, 禁止應用程序直接操作硬件, 而是將程序對硬件設備的操作看作一種文件操作。要操作硬件時，先創(chuàng)建一個與設備對應的文件，并在系統(tǒng)中為該文件操作開辟緩沖區(qū), 數據在緩沖區(qū)中的操作由操作系統(tǒng)后臺完成,因此,對該緩沖區(qū)進行讀寫操作, 就實現了對設備的讀寫。使用該方式，手機可通過讀寫數據緩沖區(qū)來實現接收數據以及發(fā)出簡單的指令來控制下位機的啟動、讀取數據等動作。
??? 創(chuàng)建線程的API函數是CreateThread,創(chuàng)建文件的API函數是CreateFile,只需對相關的DCB結構等參數進行配置，即可實現多線程串口通信以及文件存儲。
6 虛擬儀器系統(tǒng)實例
??? 手機虛擬儀器未來的應用范圍十分廣闊,例如溫度監(jiān)測儀、振動監(jiān)測儀器、頻率分析等。以下介紹在惠普6515手機上開發(fā)的鐵路車輪外形測量儀實例。
??? 客貨車在運行一定行程后，必須對車輪外形的一些指標參數（輪緣高度、輪緣厚度、踏面磨耗、車輪直徑等）進行測量，與車輪的標準外形曲線進行對比，以判斷是否需要更換。
??? 本儀器測量端采用平面五連桿并聯機構，應用光電編碼器和藍牙技術，使用DSP進行數據采集，用手機進行數據接收顯示。為便于用戶操作，整個系統(tǒng)全部采用聲音提示。用戶只需根據聲音即可知道測量狀態(tài)，所有的顯示及數據保存均自動完成。
??? 軟件運行界面如圖4所示。經現場驗證，此測量儀精確、穩(wěn)定、方便、快捷。
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??? 基于手機的虛擬儀器可以大大方便使用者，使用者無須攜帶多余的設備，只需要在手機上拷貝不同的虛擬儀器程序即可實現對不同現場的測量和測試等任務,可以廣泛用于現場測試系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)和便攜式數據采集系統(tǒng)等領域。
??? 無線通信的引入使得虛擬儀器擺脫了傳統(tǒng)儀器導線的束縛，使其使用更方便，受環(huán)境限制更小。藍牙和WIFI等無線協(xié)議具有聯網功能，可以實現多終端之間的相互通信以及多終端與單個服務器的通信。
參考文獻
[1] ?王見，金濤，秦樹人. 基于PDA 的虛擬儀器技術[J]. 重慶大學學報(自然科學版)，2004，27(12)：14-17.
[2] ?王婭仙，周傳德，秦樹人.基于虛擬儀器技術的海量數據存儲記錄儀[J]. 重慶大學學報(自然科學版),2004,27(10):21-24.
[3] ?汪兵，李存斌，陳鵬，等.EVC 高級編程及其應用開發(fā)[M]. 北京:中國水利水電出版社，2005.
[4]?[美] Microsoft 公司. Microsoft Windows CE 程序員指南[M]. 北京:北京大學出版社,2000.