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  izhh77 2010-12-25 00:00:00

  虛擬儀器--軟件就是儀器 虛擬儀器， 虛擬示波器， 虛擬儀器技術(shù)， 虛擬儀器軟件， 虛擬儀器開發(fā)， 虛擬儀器組成 一、引言 當(dāng)前多媒體計算機(jī)、信息高速公路和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計算機(jī)信息科學(xué)的三個重要發(fā)展方向。它們相互聯(lián)系、相互促進(jìn)、共同發(fā)展，已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘９ぷ鳌⑸?、學(xué)習(xí)、娛樂的各個方面，逐步地由辦公室、實驗室走向家庭。 虛擬現(xiàn)實是多媒體計算機(jī)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，多媒體技術(shù)是虛擬現(xiàn)實的技術(shù)基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）是利用多媒體計算機(jī)技術(shù)生成的一個具有逼真的視覺、聽覺、觸覺及嗅覺的模擬現(xiàn)實環(huán)境。用戶可以用人的自然技能對這一虛擬的現(xiàn)實進(jìn)行交互體驗，而用戶體驗到的結(jié)果－－該虛擬現(xiàn)實的反應(yīng)與用戶在相應(yīng)的真實現(xiàn)實中的體驗結(jié)果相似或完全相同。虛擬現(xiàn)實的概念包括如下三個層次的含義： 1、虛擬現(xiàn)實是利用計算機(jī)技術(shù)而生成的逼真的實體，人們對該實體具有真實的三維視覺、立體聽覺、質(zhì)感的觸覺和嗅覺。 2、人們可以通過自然技能與虛擬現(xiàn)實進(jìn)行對話，即人的頭、眼、四肢等的各種動作在虛擬現(xiàn)實中的反應(yīng)具有真實感。 3、虛擬現(xiàn)實技術(shù)往往要借助一些三維傳感設(shè)備來完成交互動作，如頭盔式立體顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣服、三維操縱器等。 虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然現(xiàn)在還處于初級階段，但已在科學(xué)可視化、CAD、飛行器／汽車／外科手術(shù)、虛擬儀器等的操作模擬等方面得到了應(yīng)用。已經(jīng)在航空航天、國防軍事、生物醫(yī)學(xué)、教育培訓(xùn)、娛樂游戲、旅游等領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。 虛擬儀器(Virtual Instrument--VI)是虛擬現(xiàn)實在儀器儀表領(lǐng)域中的一個重要應(yīng)用，目前已在國際上悄然興起。虛擬儀器是以多媒體計算機(jī)作為基礎(chǔ)，使用圖形界面編程技術(shù)，模擬實際儀器的面板、功能和操作，從而生成完成各種任務(wù)的專用儀器。 由于科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展，導(dǎo)致了各種功能強(qiáng)大、越來越復(fù)雜的儀器不斷涌現(xiàn)，其中很多儀器都以計算機(jī)作為基礎(chǔ)，出現(xiàn)了儀器計算機(jī)化的趨勢，其主要表現(xiàn)為： 1、硬件與計算機(jī)的接口標(biāo)準(zhǔn)化 2、硬件軟件化 3、軟件模塊化 4、模塊控件化 5、系統(tǒng)集成化 6、程序設(shè)計圖形化 7、科學(xué)計算可視化 8、硬件接口軟件驅(qū)動化 由于計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，加之實際應(yīng)用的需要，使人們對虛擬儀器的興趣越來越濃厚，研制虛擬儀器也成為了現(xiàn)實的可能。研制虛擬儀器主要源于以下目的： 1、節(jié)省儀器開發(fā)的時間和經(jīng)費 2、充分利用計算機(jī)數(shù)據(jù)處理和分析的功能 3、統(tǒng)一儀器的用戶界面 4、增強(qiáng)儀器的功能和適用范圍 5、集成儀器的需要 6、使儀器容易擴(kuò)展 虛擬儀器主要由以下幾部分組成： 1、界面控件庫 2、數(shù)據(jù)輸入、輸出 3、數(shù)據(jù)處理方法庫 4、數(shù)據(jù)表示庫 5、數(shù)據(jù)存儲與管理 6、任意信號發(fā)生 7、圖形界面編程環(huán)境 界面控件庫中包括一些常用儀器的面板部件，如指示器、計量表、發(fā)光二極管、按鈕、轉(zhuǎn)盤、刻度盤、滑動條等，每個控件都帶有可編程的函數(shù)與屬性。 數(shù)據(jù)輸入與輸出是指從外部設(shè)備獲取數(shù)據(jù)進(jìn)入計算機(jī)或從計算機(jī)輸出數(shù)據(jù)去控制外部設(shè)備，需要建立與數(shù)據(jù)采集板、串并口、以及其他標(biāo)準(zhǔn)化接口（IEEE-488、GPIB、RS-232、RS-422、SCSI、VXI等）通信的驅(qū)動軟件，從而擴(kuò)展儀器的適用 范圍與應(yīng)用領(lǐng)域。 數(shù)據(jù)處理方法庫中集中了許多數(shù)據(jù)處理方法，如FFT計算、濾波、建模、參數(shù)估計等，并提供這些處理方法的編程接口，只需把這些方法簡單的組合即可完成各種復(fù)雜的任務(wù)。 數(shù)據(jù)表示是指用一定的方式來顯示數(shù)據(jù)和處理結(jié)果，其中包括數(shù)字顯示、曲線顯示、直方圖、散點圖、二維圖形、三維網(wǎng)格圖形、三維填充圖形、四維圖形、圖象乃至動態(tài)圖形或圖象等，使得數(shù)據(jù)表示十分直觀，易于理解。 數(shù)據(jù)存儲與管理主要是指提供數(shù)據(jù)存儲的格式、數(shù)據(jù)查詢方法、數(shù)據(jù)瀏覽方法等。 信號產(chǎn)生是指根據(jù)需要產(chǎn)生任意信號，其中一些標(biāo)準(zhǔn)信號可以用于儀器測試和自檢之用。 圖形編程環(huán)境是指用戶可以任意組合控件與方法，將其聯(lián)接成一個整體，形成專用儀器的工具。利用虛擬儀器用戶可以象搭積木一樣很快生成所需要的各種儀器。 二、現(xiàn)有虛擬儀器與集成環(huán)境舉例 1、MATLAB：高性能數(shù)值計算和數(shù)據(jù)分析軟件 MATLAB是由美國Mathworks公司研制的高性能數(shù)值計算和數(shù)據(jù)分析軟件。它已經(jīng)成為工程和科學(xué)研究的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它具有獨特的用戶交互界面、復(fù)雜的數(shù)值計算、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、靈活的科學(xué)圖形、快速的計算、方便的擴(kuò)展等特點，是高產(chǎn)和創(chuàng)造性科學(xué)研究的shou選軟件。 MATLAB的基本功能有： ※ 矩陣運算 ※ 矩陣分解 ※ 矩陣特征值與特征向量計算 ※ 信號卷積 ※ 譜估計 ※ 復(fù)數(shù)運算 ※ 一維和二維FFT ※ 濾波器設(shè)計與濾波 ※ 曲線擬合 ※ 三次樣條擬合 ※ 貝賽爾函數(shù) ※ 非線性優(yōu)化 ※ 線性方程組求解 ※ 微分方程 MATLAB包括的工具箱有： ※ 數(shù)字信號處理工具箱 ※ 控制系統(tǒng)設(shè)計工具箱 ※ 系統(tǒng)辨識工具箱 ※ 自擴(kuò)展工具箱 MATLAB包括的繪圖函數(shù)： ※ 直方圖 ※ 散點圖 ※ 曲線圖 ※ 三維網(wǎng)格圖 ※ 三維填充圖 ※ 等值線圖 ※ 極坐標(biāo)圖形 ※ X－Y繪圖 ※ 圖象顯示 2、DADiSP：科學(xué)家和工程師的數(shù)據(jù)分析與圖形軟件 DADiSP軟件由美國DSP Development Corporation公司研制，主要作為科學(xué)家和工程師用于數(shù)據(jù)分析和圖形顯示工具。它包括以下功能： ※ 矩陣運算 ※ 特征向量與特征值計算 ※ 一維、二維FFT與卷積 ※ 二維、三維、四維圖形顯示 ※ 醫(yī)學(xué)圖象處理 ※ 衛(wèi)星遙感圖象處理 ※ 地震信號處理 ※ 統(tǒng)計分析與處理 ※ 實驗設(shè)計 ※ 假設(shè)檢驗 ※ 濾波器設(shè)計 ※ 聲納雷達(dá)信號處理 ※ 語音與通信信號處理 ※ 振動分析 3、MP100：醫(yī)學(xué)信號采集與處理系統(tǒng) MP100是由美國BIOPAC System公司研制的醫(yī)學(xué)信號采集與處理系統(tǒng)，它與AcqKnowledge軟件一起運行，提供靈活的、易于使用的模塊化系統(tǒng)，使您能隨心所欲的完成數(shù)據(jù)采集和分析任務(wù)。AcqKnowledge是一個功能強(qiáng)大、十分靈活的軟件包，它使用下拉式菜單和對話框，無需學(xué)習(xí)另外的編程語言，就可以設(shè)計出復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集、模擬、觸發(fā)和分析系統(tǒng)。主要包括實時數(shù)據(jù)記錄、分析和濾波，離線數(shù)據(jù)分析與處理，數(shù)據(jù)的各種圖形表示等功能。該系統(tǒng)可以與虛擬儀器LabVIEW聯(lián)接，提供可視化圖形編程環(huán)境。它的主要應(yīng)用領(lǐng)域有： ※ 運動生理學(xué) ※ 肌電信號記錄 ※ 心信電記錄與分析 ※ 腦電記錄與分析 ※ 誘發(fā)電位記錄與分析 ※ 眼震電圖和眼球運動分析 ※ 神經(jīng)傳導(dǎo)分析 ※ 精神生理學(xué) ※ 藥理學(xué) ※ 遙測監(jiān)護(hù) 4、LabVIEW：圖形編程虛擬儀器 LabVIEW是美國National Instrument Corporation公司研制的圖形編程虛擬儀器系統(tǒng)。主要包括數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)分、數(shù)據(jù)表示等功能，它提供一種新穎的編程方法，即以圖形方式組裝軟件模塊，生成專用儀器。LabVIEW由面板、流程方框圖、圖標(biāo)/連接器組成，其中面板是用戶界面，流程方框圖是虛擬儀器源代碼，圖標(biāo)/連接器是調(diào)用接口(Calling Interface)。流程方框圖包括輸入/輸出（I/O）部件、計算部件和子VI部件，它們用圖標(biāo)和數(shù)據(jù)流的連線表示；I/O部件直接與數(shù)據(jù)采集板、GPIB板、或其他外部物理儀器通信；計算部件完成數(shù)學(xué)或其他運算與操作；子VI部件調(diào)用其他虛擬儀器。 5、LabWINDOWS/CVI：C語言編程的虛擬儀器 LabWINDOWS的功能與LabVIEW相似，且由同一家公司研制，不同之處是它可用C語言對虛擬儀器進(jìn)行編程。 6、LabLinc V：模塊化的虛擬儀器系統(tǒng) LabLinc V由美國COULBOURN INSTRUMENTS公司研制的模塊化虛擬儀器系統(tǒng)，它由基本單元、信號采集與處理、控制等模塊組成，主要應(yīng)用于生理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和生物力學(xué)等領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)采集、實時顯示和過程控制等。 7、HyperSignal：可視化信號處理系統(tǒng)設(shè)計 HyperSignal由美國Hyperception公司研制的可視化信號處理系統(tǒng)設(shè)計軟件，它使信號處理系統(tǒng)設(shè)計的過程可視化，同時使信號處理結(jié)果可視化。 8、Model900：靈活的數(shù)據(jù)采集與波形產(chǎn)生系統(tǒng) Model900由美國Applied Signal Technology公司研制，提供高速大容量數(shù)據(jù)采集、波形產(chǎn)生等功能，使用虛擬儀器環(huán)境以節(jié)省開發(fā)時間和資金。 9、DASP：大容量數(shù)據(jù)自動采集與處理分析軟件 DASP由東方振動和噪聲技術(shù)研究所研制，主要用于科學(xué)實驗數(shù)據(jù)記錄與分析，多功能信號采集與分析，自動化數(shù)據(jù)采集、顯示、讀數(shù)、計算、分析、存儲、打印、繪圖等。 10、LabDoc：集成儀器軟件包 LabDoc由日本康泰克電子技術(shù)有限公司研制，它具有多種測量儀器功能，通過圖形用戶界面和在線幫助，能提供容易操作的儀器畫面?？梢詰?yīng)用于實驗室、生產(chǎn)線檢查、教育與培訓(xùn)等領(lǐng)域，主要測試功能有： ※ 數(shù)字濾波 ※ 脈沖發(fā)生 ※ 函數(shù)發(fā)生 ※ 波形發(fā)生 ※ 調(diào)諧信號發(fā)生 ※ FFT分析 ※ 頻率計 以上我們列舉了十種目前比較流行的虛擬儀器和集成環(huán)境系統(tǒng)，其中以美國在這方面的工作Z為出色，而我國在這方面才剛剛起步，尚未見到完整的虛擬儀器系統(tǒng)。由以上列舉的例子可以看出，虛擬儀器具備如下特點： ※ 涉及較深奧的數(shù)值計算方法 ※ 集成了信號處理與過程控制算法 ※ 軟、硬件模塊互相獨立 ※ 具備二次開發(fā)的集成編程環(huán)境 ※ 是多學(xué)科交叉、滲透的產(chǎn)物 三、虛擬醫(yī)學(xué)信號處理儀器 醫(yī)學(xué)信號范圍十分廣泛，其中常見的醫(yī)學(xué)信號有心電、腦電、誘發(fā)電位、肌電、眼電、胃電、神經(jīng)脈沖電位、血壓、脈搏波、呼吸波、溫度等信號，它們特點各 不相同，有各自的頻帶、幅度范圍、干擾來源等，因而使得醫(yī)學(xué)信號處理變得十分復(fù)雜。 無論哪種醫(yī)學(xué)信號儀器，幾乎都涉及到信號放大、采集、分析、處理、濾波等共同的任務(wù)，同時不同的信號又具有各自特殊的處理方法，這些共同性和特異性的有機(jī)結(jié)合，形成集成環(huán)境是虛擬儀器的基礎(chǔ)。 由于多參數(shù)臨床監(jiān)護(hù)和綜合診斷的需要，醫(yī)學(xué)信號的采集處理儀器呈現(xiàn)出集成化的趨勢，人們從研制單一功能的醫(yī)學(xué)信號儀器轉(zhuǎn)向研制多功能集成化儀器，然而這種集成化并非單功能儀的堆積組合，而是從不同單功能儀器中找出共同點和不同點，形成軟、硬件模塊，將醫(yī)學(xué)信號處理儀器計算機(jī)化，構(gòu)成醫(yī)學(xué)信號處理儀器開發(fā)環(huán)境，即虛擬儀器。 虛擬醫(yī)學(xué)信號處理儀器是一個頗具具前景的領(lǐng)域，許多YL儀器公司都看好這一市場前景，投入大量的人力、物力和財力來從事這方面的研究與開發(fā)，前面提到的MP100醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和LabLinc V模塊化虛擬儀器就是其中的杰出代表。 虛擬醫(yī)學(xué)信號處理儀是開發(fā)生產(chǎn)各種醫(yī)學(xué)信號儀的工具。對于開發(fā)者而言，就可以象搭積木似的很快生成專用儀器，節(jié)省大量的開發(fā)時間和資金；對于用戶而言，可以少花錢，多買儀器。虛擬醫(yī)學(xué)信號處理儀器為集成化多功能儀器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，而且可以把Z新研究成果盡快的應(yīng)用到儀器中來。另外，虛擬醫(yī)學(xué)信號處理儀器可以用于對未知信號和信號未知特性的研究，達(dá)到快出成果、多出成果的目的。實際上，虛擬醫(yī)學(xué)信號處理儀器也對當(dāng)前遠(yuǎn)程YL、醫(yī)學(xué)電子圖書等熱門研究領(lǐng)域?qū)⑵鸬酵撇ㄖ鸀懙淖饔谩? 四、虛擬儀器相關(guān)技術(shù) 1、數(shù)值計算 在虛擬儀器中，需要提供靈活的數(shù)據(jù)處理方法，這些方法可根據(jù)實際需要由用戶通過編程來實現(xiàn)，為了簡化編程的復(fù)雜程度和節(jié)省大量的開發(fā)時間，在虛擬儀器中應(yīng)當(dāng)盡可能多的提供各種數(shù)值計算程序，這些數(shù)值計算主要有以下幾大方面： ※ 矩陣運算（加、減、乘、逆、轉(zhuǎn)置) ※ 特征值與特征向量計算 ※ 矩陣分解 ※ 一元、二元插值 ※ 數(shù)值積分和微分 ※ 線性代數(shù)方程求解 ※ 非線性方程求解 ※ 擬合與逼近 ※ 特殊函數(shù) ※ 回歸與統(tǒng)計 2、數(shù)字信號處理 在復(fù)雜的儀器中，數(shù)字信號處理占有重要的地位，因而在虛擬儀器中集成各種數(shù)字信號處理方法十分必要，數(shù)字信號處理方法可分為幾大類： ※ 信號預(yù)處理 ※ 濾波器設(shè)計與濾波 ※ 經(jīng)典譜估計 ※ 現(xiàn)代譜估計 ※ 相關(guān)與卷積 ※ 離散變換 ※ 數(shù)字特征計算 ※ 常用信號發(fā)生 ※ 信號建模 ※ 數(shù)據(jù)壓縮 3、計算機(jī)圖形、圖象學(xué) 圖形和圖象是復(fù)雜儀器中大量數(shù)據(jù)的直觀表示，例如靜態(tài)和動態(tài)腦電地形圖，物體表面溫度分布圖，電磁場分布圖等，它可把原本十分抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成人們易于理解的直觀表示；另外，數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果人們也習(xí)慣于用曲線、直方圖、三維圖形、等高線圖等來表示。所以在虛擬儀器中，建立這些數(shù)據(jù)的圖形、圖象表示模塊是十分必要的。 4、科學(xué)計算可視化 前面提到，復(fù)雜大量數(shù)據(jù)的圖形、圖象表示在虛擬儀器中十分重要，然而由數(shù)據(jù)到圖形的映射并不是簡單的事情，這就是近年來發(fā)展起來的科學(xué)計算可視化的研究課題。 科學(xué)計算可視化的根本目的是把由實驗或數(shù)值計算獲得的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成人的視覺可以感受到的計算機(jī)圖象。利用圖象把大量抽象的數(shù)據(jù)有機(jī)的組織到一起，從而形象、生動地展示數(shù)據(jù)所表示的內(nèi)容以及它們之間的相互關(guān)系，幫助人們直接把握復(fù)雜的全局，更好地發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識規(guī)律，擺脫復(fù)雜大量抽象數(shù)據(jù)的困惑。虛擬儀器中科學(xué)計算可視化的引入，將給人們展示出儀器的無限魅力，使儀器具備處理和分析大量復(fù)雜數(shù)據(jù)的能力。 5、面向?qū)ο蟮目梢暬幊? 虛擬儀器是一個集成編程環(huán)境，用它人們可以很快地生成自己所需要的復(fù)雜儀器。所以虛擬儀器既要可編程又要操作簡單，因而人們把面向?qū)ο蟮目梢暬瘓D形編程技術(shù)引入到虛擬儀器中來。在虛擬儀器中集成了許多功能強(qiáng)大的部件，這些部件用直觀的計算機(jī)圖形表示，每個部件都有相應(yīng)的可控屬性、操作和函數(shù)，人們只需把這些部件在計算機(jī)屏幕上布置好，設(shè)置好相應(yīng)的屬性，以及它與其他部件的連接關(guān)系，即可生成構(gòu)成相應(yīng)功能的儀器。 五、小結(jié) 虛擬儀器是當(dāng)前國內(nèi)外剛剛起步的研究領(lǐng)域，許多高技術(shù)公司和研究所都看好這一市場應(yīng)用前景，紛紛投入大量的人力、物力和財力，加緊開發(fā)與研究。虛擬儀器是多媒體計算機(jī)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，是多學(xué)科交叉、滲透的產(chǎn)物，其中濃縮了許多高、精、尖的科學(xué)技術(shù)。虛擬儀器不是儀器卻高于儀器，它大大縮短了新型儀器的開發(fā)周期，節(jié)省了儀器開發(fā)的費用，它不僅是開發(fā)儀器的工具，而且也是進(jìn)行科學(xué)研究的有力手段。虛擬儀器是儀器計算機(jī)化的產(chǎn)物，是集成化儀器的基礎(chǔ)，是儀器行業(yè)的一場革命，它的研制與開發(fā)具有深遠(yuǎn)的意義。

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