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虚拟仪器中的数据管理技术

关键词:虚拟仪器技术  虚拟仪器平台  虚拟仪器测量  虚拟示波器  USB示波器  虚拟数字示波器

八十年代后期,随着超大规模集成电路、微型计算机系统及软件技术的发展,在传统测试平台的基础上又出现了虚拟仪器技术。这种虚拟仪器以微型计算机为统一的硬件平台,在其中配以具有测试和控制功能可实现数据交换的模块化硬件接口卡,辅以具有测试仪器功能且形象逼真的软件模块,通过系统管理软件的统一指挥调度从而实现传统测控仪器的功能。
这种以软件为核心的系统不必象传统仪器那样受到生产厂商所设计功能的限制,可以使用户充分利用计算机超强的运算、显示以及连接扩展能力来灵活地自己定义强大的仪器功能,因此虚拟仪器技术在几年之内迅速发展,目前已经在机械、电子、电力、交通、航空航天、化工、冶金等行业获得了广泛的应用。
同传统测试仪器相比,虚拟测试平台具有以下优点:
1)开放性:利用通用硬件平台构建虚拟仪器系统具有开放性,便于系统的升级和更新。
2)易用性:丰富的软件资源和良好的人机交互图文界面使得虚拟仪器系统非常易于使用。
3)性能价格比高:相同的性能条件下开发费用和维护升级价格相对比较便宜。
2、测试系统中的数据管理
任何一个信息系统都需要涉及数据管理,虚拟仪器系统也不例外。数据管理是信息系统的一个功能,也是信息系统所包含的一项重要任务,它的作用在于组织数据和方便各类用户使用数据。数据管理,从数据本身来讲,是指收集数据、组织数据和提供数据等几个方面,随着网络和多媒体技术的发展,它不仅包括了数据的产生、收集、存储、删除等活动,又增加了数据传输、访问、共享和安全等方面。
目前广泛应用的虚拟仪器平台的系统框囹如图1所示。然而分析图1我们可以看到:在大部分现存的系统中,所得到的数据和分析结果采用打印方式直接输出然后归档保存,采用手工方式管理数据。部分系统将数据和结果保存入文件系统,采用文件方式管理数据。这二种管理方法从数据管理的角度来看都存在着缺陷和局限。
手工方式对数据管理的缺陷是显而易见的:无法处理大量的数据,速度慢,易出错,效率极低。虽然文件系统管理方式比手工管理方式有了很大的改进,但是依然在以下几个方面存在问题。
(1)安全性差
文件系统没有或缺乏安全机制,无法识别用户身份,不能禁止未授权用户的使用。因此不能有效的保护数据免遭恶意破坏或误操作而造成的数据损失,也无法保证重要数据不被泄露。
(2)数据冗余度大
由于数据是面向程序的,一个数据文件只能为某一用户的特定用途服务,其他应用所需要的相同数据只能重复存储,造成了大量的数据冗余。数据冗余不仅会浪费存储空间,降低存储器的利用率,而且还会带来潜在的数据不一致。这主要是由于文件系统中数据的更新是每个应用程序各自进行的,相同的数据间没有一致的保护措施。
(3)缺乏数据独立性
在文件系统中,应用程序和数据结构相互依赖。数据文件是按照具体要求建立的,而应用程序的编制直接依赖于数据的存储格式和存取方法。当存储介质或数据结构发生变化时,相应的应用程序也必须进行修改,增加了程序编制和维护的工作量。
这种虚拟仪器平台以数据库做为数据中心,由数、据提交、数据’使用、数据安全管理等几个部分组成。其中数据提交部分包括由硬件采集电路采集而得到的大量数据和由用户通过人机交互接口以及网络输入的少量数据信息。所提交数据的质量由数据采集部分的预处理模块以及使用者自己保证。数据使用部分由统计、检索、报表生成、打印、显示、决策控制以及远程通讯几个功能模块组成,各模块使用数据的目的、数量、方法、占用时间由各模块自行定义,但使用权限由安全管理部分限定。数据安全管理部分由系统安全策略、安全级别所决定。通过安全管理模块、数据库管理系统(DBMS)以及操作系统来共同完成。基于数据库管理的虚拟仪器系统系统框图如图2所示。
这样从数据管理的角度进行分析和设计的系统,可以有效的弥补前面所讨论系统的设计缺陷,具有以下优点:
1〉安全性得到保证
操作系统和DBMS共同维护数据库本身的安全,确保数据库中的数据不会因误操作或系统故障造成数据丢失,系统破坏,更重要的是通过用户管理模块对用户进行授权和控制访问管理,保护数据不被非授权用户通过各种方式造成数据流失、篡改和破坏。
2〉由于数据库系统的引心,使得数据管理工作更加高效、便捷。
(1)减少了数据冗余
利用数据库系统管理数据不再是面向具体应用,而是面向整个系统。所有数据集中管理,统一进行组织,存储和定义,避免了不必要的数据冗余。
(2〉数据实现了结构化
系统中的数据是通过数据库系统相互关联的,数据库系统是以一定的形式构成的,因此这种数据关联不仅表示为属性之间的联系,而且也表现了实体之间内在的联系。
(3)数据具有独立性
在前面的数据管理方式中,数据与应用程序之间相互依赖。在数据库系统中,应用程序不再同物理存储器上具体文件相对应,每个用户所使用的数据具有其自身逻辑结构。这种独立性给数据库的使用、调整、优化和进一步扩充带来了方便,提高了数据库应用系统的稳定性,减轻了程序员的负担。
(4)有统一的数据控制功能
数据库作为多个用户和应用程序的共享资源,对数据的存取往往是并发的,从而大大提高了数据的使用效率。
3)提高了系统的开发效率
在中央数据库数据模型及各部分功能模块方案确定以后,各部分功能模块只针对中央数据库,因此其开发调试工作可以独立展开,互不影响。
4、构建基于数据库的虚拟测试平台的方法
4.1需求分析
需求分析的任务是通过详细调查需要处理的对象,充分了解被测目标的工作概况,明确用户需求,然后在此基础上确定功能。其重点是调查、收集与分析用户在数据管理中的信息来源、处理要求,安全性与完整性要求。需求分析是设计系统的基础,也是最困难最耗费时间的步骤。需求分析是否做得充分与准确,决定了系统实现的速度与质量。
4.2数据模型设计
在需求分析阶段所得到的还只是现实世界的具体需求,通过将其进行综合,归纳和抽象,形成可供计算机使用处理的数据模型。在数据模型设计阶段,需要考虑到具体的DBMS的数据支持,同时必须注意数据采集的硬件实现问题,这包括硬件实现的可能性、复杂度、可靠性、价格等因素。综合以上因素对设计的数据模型进行优化。
4.3硬件系统设计
根据选定的数据模型确定硬件系统的设计方案,包括控制器、主机箱、总线类型、仪器模块等部分的选择和连接方式。同时需要确定数据采集方案(包括预处理部分的硬件电路和算法〉、控制方案(包括控制电路、执行机构、相应的驱动程序、控制算法〉、决策方案(主要是算法设计)。
4.4数据库系统设计
根据数据模型确定操作系统,数据库管理系统(DBMS)的类型。同时设计检索、统计、报表、安全管理、故障恢复等相关功能模块的方案。
4.5系统平台的实施阶段
对以上所选定的各种方案进行综合评估,如果满足设计需求即可进行具体实施。否则需要重新设计或修改调整某些部分。
4.6系统的运行和维护
系统经过调试、试运行后进入正式运行,在这其间要不断进行评价、调整。
5、结束语
现代化技术的进步以计算机技术的进步为代表。不断革新的计算机技术,从各个方面影响、引导着各行各业的技术革新。数据库和数据管理技术作为计算机技术的一个重要分支,自从1968年第一个商品化的数据库管理系统问世以来,得到了迅速的发展,随着计算机应用的不断深入,数据管理的重要性日益为人们所认识。虚拟仪器技术得益于现代计算机技术的进步,数据库技术和数据管理概念的引入将为虚拟仪器技术的发展带来新的活力和好处。期望本文能对虚拟仪器技术的开发应用有所裨益。

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