0.5 虚拟仪器的设计原则和方法

0.5.1 虚拟仪器的设计原则

对于不同的应用对象，系统设计的具体要求是不同的。但是，由于虚拟仪器系统是由硬件和软件两部分组成的，因此系统设计的一些基本原则是大体相同的。下面从硬件设计和软件设计两方面介绍虚拟仪器系统设计应遵循的基本原则。

1.总体设计原则

1）制定设计任务书

确定系统所要完成的任务和应具备的功能，提出相应的技术指标和功能要求，并在任务书里详细说明。一份好的设计任务书通常要对系统功能进行任务分析，把较复杂的任务分解为一些较简单的任务模块，并画出各个模块之间的关系图。

2）系统结构的合理选择

系统结构合理与否，对系统的可靠性、性价比、开发周期等有直接的影响。首先是硬件、软件功能的合理分配。原则上要尽可能“以软代硬”，只要软件能做到的就不要使用硬件。但也要考虑开发周期，如果市场上已经有了专用的硬件，此时为了节省人力、缩短开发周期就没必要自己开发软件，可以使用已有的硬件。

3）模块化设计

不管是硬件设计还是软件设计，都提倡模块化设计，这样可以使系统分成较小的模块，便于团队合作，缩短系统的开发时间，提高团队的竞争力。在模块化设计时尽量把每个模块的功能、接口详细定义好。

2.硬件设计的基本原则

1）经济合理

在系统硬件设计中，一定要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格，以便得到高性价比，这是硬件设计中优先考虑的一个主要因素，也是一个产品争取市场的主要因素之一。微机和外设是硬件投资中的一个主要部分，应在满足速度、存储容量、兼容性、可靠性基础之上，合理地选用微机和外设，而不是片面地追求高档微机及外设。

当用低分辨率、低转换速度的数据采集系统可以满足工作上的要求时，就不必选择高分辨率、高转换速度的芯片。当对试验曲线没有特殊精度要求时，可以充分利用打印机输出图形的功能，而不必购置价格昂贵的绘图仪。

总之，充分发挥硬件系统的技术性能是硬件设计中的重要原则。

2）安全可靠

选购设备要考虑环境的温度、湿度、压力、振动、粉尘等客观因素，以保证在规定的工作环境下，系统性能稳定、可靠工作；要有超量程和过载保护，以保证输入与输出通道正常工作；要注意对交流市电及电火花的隔离；要保证连接件的接触可靠。

确保系统安全可靠的工作是硬件设计中应遵循的一个根本原则。

3）有足够的抗干扰能力

有完善的抗干扰措施，是保证系统精度、工作正常和不产生错误的必要条件。例如，强电与弱电之间的隔离措施、对电磁干扰的屏蔽、正确接地和高输入阻抗下的防止漏电等。

4）便于维护和维修

良好的系统设计师在系统设计之初就会考虑系统将来的维护问题。为了使将来的维护方便，尽量采用标准模块，如采用标准总线和标准接口等。在不能使用标准模块的地方，尽量使用可行的简单方法解决问题，不提倡使用复杂的或特别巧妙的方法解决问题，因为这会给系统维护带来困难。如果确实需要用复杂的或巧妙的方法解决问题，一定要做好详细的文档记录以便于将来维护。

3.软件设计的基本原则

1）结构合理

程序应该采用模块化设计，这不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的修改和维护。在编写程序时，尽量利用子程序，使程序的层次分明，易于阅读和理解，同时还可以简化程序，减少程序对于内存的占用量。当程序中有经常需要修改或变化的参数时，应该设计成独立的参数传递程序，避免程序的频繁修改。

2）操作性能好

操作性能好是指使用方便，这点对虚拟仪器系统来说是很重要的。在开发程序时，应该考虑如何降低对操作人员专业知识的要求。因此，在程序设计中，应该采用各种图标或菜单实现人机对话，以提高工作效率和程序的易操作性。

3）具有一定的保护措施

系统设计时，应考虑一定的检测程序。例如，状态检测和诊断程序便于系统发生故障时查找故障部位。对于重要的参数，要定时存储，以防止因掉电而丢失数据。

4）提高程序的执行速度

由于计算机执行不同的操作所需的时间可能不同，特别对那些实时性要求高的操作，更应该注意提高程序的执行速度。在程序设计中应进行程序的优化工作。

5）给出必要的程序说明

从软件工程的角度来看，一个好的程序不但要实现预定的功能，能够正常运行，而且应该满足简单、易读、易调试，故在编写程序中，给出必要的程序说明很重要。