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虛擬儀器數(shù)據(jù)管理技術(shù) |
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八十年代后期，隨著超大規(guī)模集成電路、微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及軟件技術(shù)的發(fā)展，在傳統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)。這種虛擬儀器以微型計(jì)算機(jī)為統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，在其中配以具有測(cè)試和控制功能可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的模塊化硬件接口卡，輔以具有測(cè)試儀器功能且形象逼真的軟件模塊，通過(guò)系統(tǒng)管理軟件的統(tǒng)一指揮調(diào)度從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)控儀器的功能。
這種以軟件為核心的系統(tǒng)不必象傳統(tǒng)儀器那樣受到生產(chǎn)廠商所設(shè)計(jì)功能的限制，可以使用戶充分利用計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的運(yùn)算、顯示以及連接擴(kuò)展能力來(lái)靈活地自己定義強(qiáng)大的儀器功能，因此虛擬儀器技術(shù)在幾年之內(nèi)迅速發(fā)展，目前已經(jīng)在機(jī)械、電子、電力、交通、航空航天、化工、冶金等行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。
同傳統(tǒng)測(cè)試儀器相比，虛擬測(cè)試平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）開(kāi)放性：利用通用硬件平臺(tái)構(gòu)建虛擬儀器系統(tǒng)具有開(kāi)放性，便于系統(tǒng)的升級(jí)和更新。
2）易用性：豐富的軟件資源和良好的人機(jī)交互圖文界面使得虛擬儀器系統(tǒng)非常易于使用。
3）性能價(jià)格比高：相同的性能條件下開(kāi)發(fā)費(fèi)用和維護(hù)升級(jí)價(jià)格相對(duì)比較便宜。
2、測(cè)試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理
任何一個(gè)信息系統(tǒng)都需要涉及數(shù)據(jù)管理，虛擬儀器系統(tǒng)也不例外。數(shù)據(jù)管理是信息系統(tǒng)的一個(gè)功能，也是信息系統(tǒng)所包含的一項(xiàng)重要任務(wù)，它的作用在于組織數(shù)據(jù)和方便各類用戶使用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理，從數(shù)據(jù)本身來(lái)講，是指收集數(shù)據(jù)、組織數(shù)據(jù)和提供數(shù)據(jù)等幾個(gè)方面，隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，它不僅包括了數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、收集、存儲(chǔ)、刪除等活動(dòng)，又增加了數(shù)據(jù)傳輸、訪問(wèn)、共享和安全等方面。
目前廣泛應(yīng)用的虛擬儀器平臺(tái)的系統(tǒng)框囹如圖1所示。然而分析圖1我們可以看到：在大部分現(xiàn)存的系統(tǒng)中，所得到的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果采用打印方式直接輸出然后歸檔保存，采用手工方式管理數(shù)據(jù)。部分系統(tǒng)將數(shù)據(jù)和結(jié)果保存入文件系統(tǒng)，采用文件方式管理數(shù)據(jù)。這二種管理方法從數(shù)據(jù)管理的角度來(lái)看都存在著缺陷和局限。
手工方式對(duì)數(shù)據(jù)管理的缺陷是顯而易見(jiàn)的：無(wú)法處理大量的數(shù)據(jù)，速度慢，易出錯(cuò)，效率極低。雖然文件系統(tǒng)管理方式比手工管理方式有了很大的改進(jìn)，但是依然在以下幾個(gè)方面存在問(wèn)題。
�。�1）安全性差
文件系統(tǒng)沒(méi)有或缺乏安全機(jī)制，無(wú)法識(shí)別用戶身份，不能禁止未授權(quán)用戶的使用。因此不能有效的保護(hù)數(shù)據(jù)免遭惡意破壞或誤操作而造成的數(shù)據(jù)損失，也無(wú)法保證重要數(shù)據(jù)不被泄露。
�。�2）數(shù)據(jù)冗余度大
由于數(shù)據(jù)是面向程序的，一個(gè)數(shù)據(jù)文件只能為某一用戶的特定用途服務(wù)，其他應(yīng)用所需要的相同數(shù)據(jù)只能重復(fù)存儲(chǔ)，造成了大量的數(shù)據(jù)冗余。數(shù)據(jù)冗余不僅會(huì)浪費(fèi)存儲(chǔ)空間，降低存儲(chǔ)器的利用率，而且還會(huì)帶來(lái)潛在的數(shù)據(jù)不一致。這主要是由于文件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的更新是每個(gè)應(yīng)用程序各自進(jìn)行的，相同的數(shù)據(jù)間沒(méi)有一致的保護(hù)措施。
�。�3）缺乏數(shù)據(jù)獨(dú)立性
在文件系統(tǒng)中，應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相互依賴。數(shù)據(jù)文件是按照具體要求建立的，而應(yīng)用程序的編制直接依賴于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式和存取方法。當(dāng)存儲(chǔ)介質(zhì)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)用程序也必須進(jìn)行修改，增加了程序編制和維護(hù)的工作量。
這種虛擬儀器平臺(tái)以數(shù)據(jù)庫(kù)做為數(shù)據(jù)中心，由數(shù)、據(jù)提交、數(shù)據(jù)’使用、數(shù)據(jù)安全管理等幾個(gè)部分組成。其中數(shù)據(jù)提交部分包括由硬件采集電路采集而得到的大量數(shù)據(jù)和由用戶通過(guò)人機(jī)交互接口以及網(wǎng)絡(luò)輸入的少量數(shù)據(jù)信息。所提交數(shù)據(jù)的質(zhì)量由數(shù)據(jù)采集部分的預(yù)處理模塊以及使用者自己保證。數(shù)據(jù)使用部分由統(tǒng)計(jì)、檢索、報(bào)表生成、打印、顯示、決策控制以及遠(yuǎn)程通訊幾個(gè)功能模塊組成，各模塊使用數(shù)據(jù)的目的、數(shù)量、方法、占用時(shí)間由各模塊自行定義，但使用權(quán)限由安全管理部分限定。數(shù)據(jù)安全管理部分由系統(tǒng)安全策略、安全級(jí)別所決定。通過(guò)安全管理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）以及操作系統(tǒng)來(lái)共同完成�；跀�(shù)據(jù)庫(kù)管理的虛擬儀器系統(tǒng)系統(tǒng)框圖如圖2所示。
這樣從數(shù)據(jù)管理的角度進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以有效的彌補(bǔ)前面所討論系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1〉安全性得到保證
操作系統(tǒng)和DBMS共同維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)本身的安全，確保數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)不會(huì)因誤操作或系統(tǒng)故障造成數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)破壞，更重要的是通過(guò)用戶管理模塊對(duì)用戶進(jìn)行授權(quán)和控制訪問(wèn)管理，保護(hù)數(shù)據(jù)不被非授權(quán)用戶通過(guò)各種方式造成數(shù)據(jù)流失、篡改和破壞。
2〉由于數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的引心，使得數(shù)據(jù)管理工作更加高效、便捷。
�。�1）減少了數(shù)據(jù)冗余
利用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)不再是面向具體應(yīng)用，而是面向整個(gè)系統(tǒng)。所有數(shù)據(jù)集中管理，統(tǒng)一進(jìn)行組織，存儲(chǔ)和定義，避免了不必要的數(shù)據(jù)冗余。
�。�2〉數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化
系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)的，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是以一定的形式構(gòu)成的，因此這種數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)不僅表示為屬性之間的聯(lián)系，而且也表現(xiàn)了實(shí)體之間內(nèi)在的聯(lián)系。
（3）數(shù)據(jù)具有獨(dú)立性
在前面的數(shù)據(jù)管理方式中，數(shù)據(jù)與應(yīng)用程序之間相互依賴。在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，應(yīng)用程序不再同物理存儲(chǔ)器上具體文件相對(duì)應(yīng)，每個(gè)用戶所使用的數(shù)據(jù)具有其自身邏輯結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)立性給數(shù)據(jù)庫(kù)的使用、調(diào)整、優(yōu)化和進(jìn)一步擴(kuò)充帶來(lái)了方便，提高了數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減輕了程序員的負(fù)擔(dān)。
�。�4）有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制功能
數(shù)據(jù)庫(kù)作為多個(gè)用戶和應(yīng)用程序的共享資源，對(duì)數(shù)據(jù)的存取往往是并發(fā)的，從而大大提高了數(shù)據(jù)的使用效率。
3）提高了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率
在中央數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)模型及各部分功能模塊方案確定以后，各部分功能模塊只針對(duì)中央數(shù)據(jù)庫(kù)，因此其開(kāi)發(fā)調(diào)試工作可以獨(dú)立展開(kāi)，互不影響。
4、構(gòu)建基于數(shù)據(jù)庫(kù)的虛擬測(cè)試平臺(tái)的方法
4.1需求分析
需求分析的任務(wù)是通過(guò)詳細(xì)調(diào)查需要處理的對(duì)象，充分了解被測(cè)目標(biāo)的工作概況，明確用戶需求，然后在此基礎(chǔ)上確定功能。其重點(diǎn)是調(diào)查、收集與分析用戶在數(shù)據(jù)管理中的信息來(lái)源、處理要求，安全性與完整性要求。需求分析是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是最困難最耗費(fèi)時(shí)間的步驟。需求分析是否做得充分與準(zhǔn)確，決定了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的速度與質(zhì)量。
4.2數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)
在需求分析階段所得到的還只是現(xiàn)實(shí)世界的具體需求，通過(guò)將其進(jìn)行綜合，歸納和抽象，形成可供計(jì)算機(jī)使用處理的數(shù)據(jù)模型。在數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)階段，需要考慮到具體的DBMS的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)必須注意數(shù)據(jù)采集的硬件實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，這包括硬件實(shí)現(xiàn)的可能性、復(fù)雜度、可靠性、價(jià)格等因素。綜合以上因素對(duì)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化。
4.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)選定的數(shù)據(jù)模型確定硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括控制器、主機(jī)箱、總線類型、儀器模塊等部分的選擇和連接方式。同時(shí)需要確定數(shù)據(jù)采集方案（包括預(yù)處理部分的硬件電路和算法〉、控制方案（包括控制電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序、控制算法〉、決策方案（主要是算法設(shè)計(jì)）。
4.4數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)數(shù)據(jù)模型確定操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）的類型。同時(shí)設(shè)計(jì)檢索、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表、安全管理、故障恢復(fù)等相關(guān)功能模塊的方案。
4.5系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)施階段
對(duì)以上所選定的各種方案進(jìn)行綜合評(píng)估，如果滿足設(shè)計(jì)需求即可進(jìn)行具體實(shí)施。否則需要重新設(shè)計(jì)或修改調(diào)整某些部分。
4.6系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)
系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試、試運(yùn)行后進(jìn)入正式運(yùn)行，在這其間要不斷進(jìn)行評(píng)價(jià)、調(diào)整。
5、結(jié)束語(yǔ)
現(xiàn)代化技術(shù)的進(jìn)步以計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步為代表。不斷革新的計(jì)算機(jī)技術(shù)，從各個(gè)方面影響、引導(dǎo)著各行各業(yè)的技術(shù)革新。數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)管理技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)重要分支，自從1968年第一個(gè)商品化的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)問(wèn)世以來(lái)，得到了迅速的發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的不斷深入，數(shù)據(jù)管理的重要性日益為人們所認(rèn)識(shí)。虛擬儀器技術(shù)得益于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和數(shù)據(jù)管理概念的引入將為虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)新的活力和好處。期望本文能對(duì)虛擬儀器技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用有所裨益。
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