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(jì)算機(jī)、信息高速公路和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)信息科學(xué)的三個(gè)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(gè)方面，逐步地由辦公室、實(shí)驗(yàn)室走向家庭。

　　虛擬現(xiàn)實(shí)是多媒體計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，多媒體技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。虛擬現(xiàn)實(shí)（VirtualReality）是利用多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)生成的一個(gè)具有逼真的視覺、聽覺、觸覺及嗅覺的模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。用戶可以用人的自然技能對這一虛擬的現(xiàn)實(shí)進(jìn)行交互體驗(yàn)，而用戶體驗(yàn)到的結(jié)果－－該虛擬現(xiàn)實(shí)的反應(yīng)與用戶在相應(yīng)的真實(shí)現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn)結(jié)果相似或完全相同。虛擬現(xiàn)實(shí)的概念包括如下三個(gè)層次的含義：

　　1、虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)而生成的逼真的實(shí)體，人們對該實(shí)體具有真實(shí)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(shí)進(jìn)行對話，即人的頭、眼、四肢等的各種動(dòng)作在虛擬現(xiàn)實(shí)中的反應(yīng)具有真實(shí)感。

　　3、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)往往要借助一些三維傳感設(shè)備來完成交互動(dòng)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(shí)技術(shù)雖然現(xiàn)在還處于初級(jí)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(VirtualInstrument--VI)是虛擬現(xiàn)實(shí)在儀器儀表領(lǐng)域中的一個(gè)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(jì)算機(jī)作為基礎(chǔ)，使用圖形界面編程技術(shù)，模擬實(shí)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(jì)算機(jī)作為基礎(chǔ)，出現(xiàn)了儀器計(jì)算機(jī)化的趨勢，其主要表現(xiàn)為：

　　1、硬件與計(jì)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(jì)圖形化

　　7、科學(xué)計(jì)算可視化

　　8、硬件接口軟件驅(qū)動(dòng)化

　　由于計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，加之實(shí)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(shí)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(shí)間和經(jīng)費(fèi)

　　2、充分利用計(jì)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(chǔ)與管理

　　6、任意信號(hào)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(jì)量表、發(fā)光二極管、按鈕、轉(zhuǎn)盤、刻度盤、滑動(dòng)條等，每個(gè)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(jì)算機(jī)或從計(jì)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(dòng)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(jì)算、濾波、建模、參數(shù)估計(jì)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(diǎn)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(dòng)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(chǔ)與管理主要是指提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的格式、數(shù)據(jù)查詢方法、數(shù)據(jù)瀏覽方法等。

　　信號(hào)產(chǎn)生是指根據(jù)需要產(chǎn)生任意信號(hào)，其中一些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(gè)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(jì)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(jì)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(dú)特的用戶交互界面、復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、靈活的科學(xué)圖形、快速的計(jì)算、方便的擴(kuò)展等特點(diǎn)，是高產(chǎn)和創(chuàng)造性科學(xué)研究的首選軟件。

　　MATLAB的基本功能有：

　　※矩陣運(yùn)算

　　※矩陣分解

　　※矩陣特征值與特征向量計(jì)算

　　※信號(hào)卷積

　　※譜估計(jì)

　　※復(fù)數(shù)運(yùn)算

　　※一維和二維FFT

　　※濾波器設(shè)計(jì)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(hào)處理工具箱

　　※控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具箱

　　※系統(tǒng)辨識(shí)工具箱

　　※自擴(kuò)展工具箱

　　MATLAB包括的繪圖函數(shù)：

　　※直方圖

　　※散點(diǎn)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