浅谈对虚拟仪器技术和LabVIEW编程课程的认识和理解
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一.导言
目前，多媒体计算机、信息高速公路和计算机网络是计算机信息科学的三个重要发展方向。它们相互联系、相互促进、共同发展，已经渗透到人们日常工作、生活、学习、娱乐的方方面面，逐渐从办公室、实验室走向家庭。
虚拟现实是多媒体计算机的一个重要应用领域，多媒体技术是虚拟现实的技术基础。虚拟现实是利用多媒体计算机技术生成的具有逼真的视觉、听觉、触觉和嗅觉的模拟现实环境。用户可以用人类的自然技能交互式地体验这个虚拟现实，他们体验到的结果——这个虚拟现实的反应与他们在相应的真实现实中体验到的结果相似或完全相同。虚拟现实的概念包括以下三个层次的含义:
1.虚拟现实是由计算机技术生成的现实实体。人对这个实体有真实的三维视觉、立体听觉、触觉和嗅觉。
2.人可以通过自然技能与虚拟现实进行对话，即人的头部、眼睛、四肢等动作在虚拟现实中都是逼真的。
3.虚拟现实技术往往依靠一些三维传感设备来完成交互动作，如头盔式立体显示器、数据手套、数据服装、三维机械手等。
虽然虚拟现实技术还处于初级阶段，但它已经应用于科学可视化、计算机辅助设计、飞机/汽车/外科手术模拟、虚拟仪器等领域。在航空航天、国防军事、生物医药、教育培训、娱乐游戏、旅游等领域展现了广阔的应用前景。
虚拟仪器(Virtual Instrument - VI)是虚拟现实在仪器仪表领域的重要应用，在世界范围内悄然兴起。虚拟仪器是基于多媒体计算机的专用仪器，它利用图形界面编程技术模拟实际仪器的面板、功能和操作，从而生成多种任务。
由于科学技术的高度发展，各种功能强大、日益复杂的仪器不断涌现，其中很多都是基于计算机的，出现了仪器计算机化的趋势，主要表现为:
1，硬件和计算机接口标准化
2、硬件软件
3.软件模块化
4.模块化
5.系统综合
6、图形化编程
7.科学计算的可视化
8、硬件接口软件驱动
由于计算机软硬件技术的不断发展和实际应用的需要，人们对虚拟仪器越来越感兴趣，开发虚拟仪器也成为可能。虚拟仪器的发展主要源于以下目的:
1，节省仪器开发的时间和金钱。
2.充分利用计算机的数据处理和分析功能。
3.统一仪器的用户界面
4.增强仪器的功能和应用范围。
5、对综合仪器的需求
6、使仪器易于扩展
虚拟仪器主要由以下几部分组成:
1，接口控制库
2.数据输入和输出
3、数据处理方法库
4.数据表示库
5.数据存储和管理
6.任何信号出现
7、图形界面编程环境
界面控制库包括一些常用仪器的面板组件，如指示器、仪表、发光二极管、按钮、刻度盘、刻度盘、滑块等。每个控件都有可编程的功能和属性。
数据输入输出是指从外部设备获取数据进入计算机或从计算机输出数据控制外部设备。需要建立与数据采集板、串行口和其他标准化接口(IEEE-488、GPIB、RS-232、RS-422、SCSI、VXI等)通信的驱动软件。)，从而扩大仪器的应用范围。
范围和应用领域。
数据处理方法库中有很多数据处理方法，如FFT计算、滤波、建模、参数估计等。，并提供了这些处理方法的编程接口。各种复杂的任务都可以通过简单的组合这些方法来完成。
数据表示是指以一定的方式显示数据和处理结果，包括数字显示、曲线显示、直方图、散点图、二维图形、三维网格图、三维填充图、四维图形、图像甚至动态图形或图像，使数据表示非常直观，易于理解。
数据存储和管理主要是指提供数据存储格式、数据查询方式和数据浏览方式。
信号产生是指根据需要产生任意信号，其中一些信号可用于仪器测试和自检。
图形化编程环境(graphical programming environment)是指一种工具，用户可以任意组合控件和方法，将它们连接成一个整体，形成一种特殊的工具。使用虚拟仪器，用户可以像搭积木一样快速生成自己需要的各种仪器。
二，现有虚拟仪器和集成环境的例子
1，MATLAB:高性能数值计算和数据分析软件。
MATLAB是美国Mathworks公司开发的高性能数值计算和数据分析软件。它已经成为工程和科学研究的工业标准。它具有独特的用户界面、复杂的数值计算、强大的数据分析、灵活的科学图形、快速的计算、方便的扩展等特点。是高产、创造性科研的首选软件。
MATLAB的基本功能是:
※矩阵运算
※矩阵分解
※矩阵特征值和特征向量的计算
※信号卷积
※频谱估计
※复数运算
※一维和二维快速傅立叶变换
※过滤器设计和过滤
※曲线拟合
※三次样条拟合
※贝塞尔函数
※非线性优化
※线性方程组的解
※微分方程
MATLAB包括以下工具箱:
※数字信号处理工具箱
※控制系统设计工具箱
※系统识别工具箱
※自扩展工具箱
MATLAB包括绘图功能:
※直方图
※散点图
※曲线图
※三维网格图
※三维填筑图
※等高线地图
※极坐标图形
※x-y图
※图像显示
2.DADiSP:面向科学家和工程师的数据分析和图形软件。
DADiSP软件由美国DSP开发公司开发，主要作为科学家和工程师进行数据分析和图形显示的工具。它包括以下功能:
※矩阵运算
※特征向量和特征值计算
※一维和二维FFT和卷积
※二维、三维和四维图形显示
※医学图像处理
※卫星遥感图像处理
※地震信号处理
※统计分析和处理
※实验设计
※假设检验
※过滤器设计
※声纳雷达的信号处理
※语音和通信信号处理
※振动分析
3.MP100:医疗信号采集处理系统
MP100是美国BIOPAC系统公司开发的医疗信号采集与处理系统。它与AcqKnowledge软件一起运行，提供一个灵活易用的模块化系统，使您能够随意完成数据采集和分析任务。AcqKnowledge是一个强大而灵活的软件包。它可以通过使用下拉菜单和对话框来设计复杂的数据采集、模拟、触发和分析系统，而无需学习另一种编程语言。主要包括实时数据记录、分析和过滤、离线数据分析和处理以及数据的各种图形表示。该系统可与虚拟仪器LabVIEW连接，提供可视化的图形化编程环境。它的主要应用领域是:
※运动生理学
※肌电信号记录
※心电图记录和分析
※脑电图记录和分析
※诱发电位的记录和分析
※眼震电图和眼球运动分析
※神经传导分析
※心理生理学
※药理学
※遥测监控
4.LabVIEW:图形编程的虚拟仪器
LabVIEW是美国国家仪器公司开发的图形化编程虚拟仪器系统。主要包括数据采集、控制、数据分析、数据表示等功能。它提供了一种新颖的编程方法，即将软件模块图形化组装，生成专用仪器。LabVIEW由面板、流程图和图标/连接器组成，其中面板是用户界面，流程图是虚拟仪器的源代码，图标/连接器是调用接口。该流程图包括输入/输出(I/O)组件、计算组件和子VI组件，它们由图标和数据流表示。I/O组件直接与数据采集板、GPIB板或其他外部物理仪器通信；计算组件完成数学或其他运算和操作；子VI组件调用其他虚拟仪器。
5.LabWindows/CVI:用C语言编程的虚拟仪器。
LabWINDOWS的功能和LabVIEW差不多，都是同一家公司开发的。不同的是，它可以用C语言编写虚拟仪器。
6.模块化虚拟仪器系统。
LabLinc V是美国COULBOURN INSTRUMENTS公司开发的模块化虚拟仪器系统。它由基本单元、信号采集与处理、控制等模块组成，主要用于生理学、生物医学和生物力学中的数据采集、实时显示和过程控制。
7.视觉信号处理系统的设计。
HyperSignal是美国Hyperception公司开发的可视化信号处理系统设计软件，将信号处理系统的设计过程和信号处理结果同时可视化。
8.Model900:灵活的数据采集和波形生成系统。
Model900由美国应用信号技术公司开发，提供高速大容量数据采集、波形产生等功能，采用虚拟仪器环境，节省开发时间和资金。
9.DASP:自动获取、处理和分析大容量数据的软件。
DASP由东方振动与噪声技术研究所开发。主要用于科学实验数据的记录和分析，多功能信号的采集和分析，自动数据的采集、显示、读取、计算、分析、存储、打印和绘图。
10，LabDoc:集成仪器软件包
LabDoc由日本康泰克电子科技有限公司开发，具有多种测量仪器功能，并能通过图形用户界面和在线帮助提供易于操作的仪器图片。可用于实验室、生产线检验、教育培训等。主要测试功能有:
※数字滤波
※脉冲产生
※功能生成
※波形产生
※调谐信号的产生
※快速傅立叶变换分析
※频率计
以上，我们列举了十种流行的虚拟仪器和集成环境系统，其中美国在这方面做得最好，而中国在这方面刚刚起步，尚未见到完整的虚拟仪器系统。从上面列举的例子可以看出，虚拟仪器具有以下特点:
涉及更深奥的数值计算方法。※
集成了信号处理和过程控制算法。※
软件和硬件模块是相互独立的。※
拥有集成的编程环境进行二次开发。※
它是多学科交叉和渗透的产物。※
三、虚拟医学信号处理仪器
医学信号的范围很广，其中常见的医学信号有心电、脑电、诱发电位、肌电、肌电信号、神经脉冲电位、血压、脉搏波、呼吸波、体温等信号，它们的特点各不相同。
互不相同，有自己的频段、幅度范围和干扰源，使得医学信号处理非常复杂。
无论是哪种医疗信号仪器，几乎都涉及到信号放大、采集、分析、处理、滤波等相同的任务。同时，不同的信号有其特殊的处理方法。这些相似性和特殊性的有机结合形成一个集成环境，是虚拟仪器的基础。
由于多参数临床监护和综合诊断的需要，医学信号采集与处理仪器呈现出集成化的趋势，人们从开发单一功能的医学信号仪器转向开发多功能一体化仪器。但这种集成不是单一功能仪器的积累和组合，而是从不同的单一功能仪器中找出异同，形成软硬件模块，将医学信号处理仪器计算机化，形成医学信号处理仪器的开发环境，即虚拟仪器。
虚拟医疗信号处理仪器是一个很有前景的领域，很多医疗仪器公司都看好这个市场前景，并投入大量的人力、物力和财力进行该领域的研发，其中前面提到的MP100医疗数据采集系统和LabLinc V模块化虚拟仪器就是其中的杰出代表。
虚拟医学信号处理器是开发和生产各种医学信号处理器的工具。对于开发者来说，可以像搭积木一样快速生成特殊仪器，节省大量开发时间和资金；对于用户来说，可以花更少的钱，买更多的乐器。虚拟医学信号处理仪器为一体化多功能仪器的开发奠定了基础，可以将最新的研究成果尽快应用到仪器中。此外，虚拟医学信号处理仪器可以用来研究未知信号和信号的未知特征，从而达到快速产生更多结果的目的。事实上，虚拟医学信号处理仪器也将有助于当前热门的研究领域，如远程医疗和医学电子书。
第四，虚拟仪器相关技术
1，数值计算
在虚拟仪器中，需要提供灵活的数据处理方法，用户可以根据实际需要通过编程来实现。为了简化编程的复杂性，节省大量的开发时间，虚拟仪器中应尽可能提供各种数值计算程序，主要包括以下几个方面:
※矩阵运算(加、减、乘、求逆、转置)
※特征值和特征向量的计算
※矩阵分解
※一元和二元插值
※数值积分和微分
※线性代数方程的解
※非线性方程的求解
※拟合和近似
※特殊功能
※回归和统计
2.数字信号处理
数字信号处理在复杂仪器中占有重要地位，因此有必要在虚拟仪器中集成各种数字信号处理方法。数字信号处理方法可以分为几类:
※信号预处理
※过滤器设计和过滤
※经典谱估计
※现代频谱估计
※相关和卷积
※离散变换
※数字特征计算
※公共信号发生
※信号建模
※数据压缩
3、计算机图形学、图形
图形和图像是复杂仪器中大量数据的直观表示，如静态和动态脑电地形图、物体表面温度分布图、电磁场分布图等。，可以将原本非常抽象的数据转化为人们容易理解的直观表示；此外，数据及其分析结果也被用来表示为曲线，直方图，三维图形和等高线图。因此，在虚拟仪器中，建立这些数据的图形和图像表示模块是非常必要的。
4.科学计算的可视化
如前所述，复杂海量数据的图形和图像表示在虚拟仪器中非常重要，但从数据到图形的映射并不是一件简单的事情，这是近年来发展起来的科学计算可视化的一个研究课题。
科学计算可视化的根本目的是将实验或数值计算获得的大量数据转化为人类视觉能够感受到的计算机图像。利用图像将大量抽象的数据有机地组织起来，从而形象地展示数据所代表的内容及其相互关系，帮助人们直接把握复杂的全局，更好地发现和理解规律，摆脱复杂、大量抽象数据的困惑。在虚拟仪器中引入科学计算可视化，将向人们展示仪器的无穷魅力，使其具备处理和分析大量复杂数据的能力。
5.面向对象的可视化编程
虚拟仪器是一个集成的编程环境，利用它人们可以快速生成他们需要的复杂仪器。因此，虚拟仪器应具有可编程性和易操作性，于是人们将面向对象的可视化图形编程技术引入虚拟仪器。虚拟仪器中集成了许多功能强大的组件，用直观的计算机图形表示，每个组件都有相应的可控属性、操作和功能。人们只需要在计算机屏幕上排列这些组件，设置相应的属性以及它们与其他组件的联系，就可以生成具有相应功能的乐器。
动词 （verb的缩写）摘要
虚拟仪器是国内外刚刚起步的研究领域。许多高科技公司和研究所都看好这一市场应用前景，并投入大量人力、物力和财力加紧开发和研究。虚拟仪器是多媒体计算机的一个重要应用领域，是多学科交叉和渗透的产物，集中了许多高、精、尖的科学技术。虚拟仪器不是仪器，但高于仪器。大大缩短了新仪器的开发周期，节约了仪器开发成本。它不仅是开发仪器的工具，也是科学研究的有力手段。虚拟仪器是仪器计算机化的产物，是集成仪器的基础，是仪器行业的一次革命。它的研究和发展具有深远的意义。