基于Python的虛擬儀器技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

陳笑飛，李 滔

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、測量儀器技術(shù)以及軟件技術(shù)的高速發(fā)展，微機(jī)以及DSP提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力使得在一定的實(shí)時性要求下，軟件可以代替許多原來由硬件完成的功能，這標(biāo)志著“軟件即儀器（The software is the instrument）”時代的到來。它的出現(xiàn)徹底改變了傳統(tǒng)的儀器觀，開辟了測量技術(shù)的新紀(jì)元。

虛擬儀器的基本思想是利用計(jì)算機(jī)來管理儀器、組織儀器系統(tǒng)，進(jìn)而逐步取代儀器完成各種功能，最終取代傳統(tǒng)電子儀器。虛擬儀器[1]實(shí)質(zhì)上是軟硬件結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合的產(chǎn)物，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。在虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件通常僅僅是為了解決信號輸入輸出，軟件才是整個儀器系統(tǒng)的核心所在。

與傳統(tǒng)儀器相似，虛擬儀器一般由3部分組成，即數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)顯示。傳統(tǒng)儀器只是將這3部分功能的部件放在一個儀表機(jī)箱里，而虛擬儀器則是功能意義上的儀器，是具有儀器功能的軟硬件的組合體，它并不強(qiáng)調(diào)物理上的實(shí)現(xiàn)形式。虛擬儀器的功能由用戶自己定義，儀器制造商只需提供基本的軟硬件，如信號調(diào)節(jié)器、信號轉(zhuǎn)換器等，真正需要什么樣的儀器功能是用戶自己的事情。虛擬儀器不像傳統(tǒng)儀器那樣幾乎完全依賴硬件。硬件在這里只是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是虛擬儀器的關(guān)鍵。虛擬儀器減少了信號每次經(jīng)過硬件引起的誤差，從而測量結(jié)果更準(zhǔn)確。虛擬儀器價格低，開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用也比傳統(tǒng)儀器低得多，而且技術(shù)更新快。

1 基于Python的虛擬儀器開發(fā)

美國NI公司推出的圖形化虛擬儀器專業(yè)開發(fā)平臺Labview采用獨(dú)特的圖形化編程方式，編程過程簡單方便，已經(jīng)成為目前最受歡迎的虛擬儀器交流開發(fā)平臺。另外還有惠普公司的HPVEE以及微軟開發(fā)的Visual C++。但是往往上述的軟件在虛擬儀器開發(fā)中做不到圖像和數(shù)據(jù)處理兩方面兼得。比如Labview在界面開發(fā)上有很大的優(yōu)勢，但在數(shù)據(jù)處理方面不盡人意[2-4]。而且很多儀器在處理復(fù)雜信號的時候需要借助Matlab強(qiáng)大的信號分析處理能力，但是一般儀器廠家提供的分析軟件不支持與Matlab的接口，將兩者功能進(jìn)行結(jié)合也有難度。另外LabVIEW后期修改程序比較麻煩，一旦要改，改動的地方就比較大，這對于較大型的程序是很不利的。虛擬儀器的使用者更希望能夠方便的修改軟件配置，滿足不同個體的需求，Labview在這一點(diǎn)上有局限性。

Python是一種開源的腳本編程語言，由可移植的ANSI C編寫，可以輕松駕馭windows、Linux、Mac等主流操作系統(tǒng)，可移植性極強(qiáng)[5-8]。同時Python具有強(qiáng)大的擴(kuò)展性，可以嵌入C/C++編程的程序中，所以也能實(shí)現(xiàn)多種語言的混合編程。Python是面向?qū)ο螅∣OP）的編程語言，結(jié)構(gòu)化的或過程性編程可以讓我們把程序組織成邏輯塊，重復(fù)或重用，這一特性應(yīng)用于虛擬儀器的開發(fā)正好可以彌補(bǔ)Labview后期修改程序復(fù)雜這一致命問題，同時也是一項(xiàng)有益的探索。Python擁有著豐富的擴(kuò)展模塊和函數(shù)庫。PYQT可以輕松開發(fā)出優(yōu)質(zhì)的GUI界面。NumPy相當(dāng)于Matlab的Python版本，它提供了矩陣、線性代數(shù)、傅里葉變換等的解決方法，包含：N維矩陣對象、性代數(shù)運(yùn)算功能、傅里葉變換、Fortran代碼集成的工具、C++代碼集成的工具。下面主要從對象分解，GUI開發(fā)，以及數(shù)據(jù)處理3個方面進(jìn)行研究探討Python在開發(fā)虛擬儀器方面的優(yōu)勢及可能潛在的問題。

1.1 對象分解

用面向?qū)ο蟮乃枷隱9]來看待客觀事物時會把一個整體看成由許多不同種類的對象組合而成。每一個對象本身有他自己的內(nèi)部狀態(tài)和動作，稱之為對象本身的屬性和操作。不同的對象之間都是相互聯(lián)系，相互作用的，由此構(gòu)成了一個完整的整體。

在虛擬儀器的開發(fā)過程中我們也可以運(yùn)用這種思想將一個待開發(fā)的儀器整體分解成多個對象的組合，對每一個對象劃歸為一個整類，然后由這個類衍生出實(shí)例類，最后再把一個個的對象個體整合成一個整體，如圖1所示。

圖1 一個儀器整體分解成N個對象的組合Fig.1 An intergrated Instrument divides into N objects

比如在虛擬儀器開發(fā)過程中，通常需要設(shè)計(jì)各式各樣的按鈕，包括波形調(diào)節(jié)、通道選擇、波形顯示、數(shù)據(jù)處理等等。如果一個一個地去設(shè)計(jì)編程，必然大大復(fù)雜化了開發(fā)進(jìn)度。在這里，運(yùn)用面向?qū)ο蟮乃枷?，我們可以把按鈕抽象為一個按鈕類，并定義其各種一般性的特性，不同大小，不同功能，不同形式的按鈕無非只是這個普遍按鈕類的一個特殊性實(shí)例化。數(shù)據(jù)處理也是同樣的道理，不管是濾波，F(xiàn)FT，卷積，都可以看成是一種數(shù)據(jù)處理方法類的實(shí)例化。這樣，一個儀器的開發(fā)就被分割成N個對象的設(shè)計(jì)，最后只需實(shí)現(xiàn)各個對象之間的協(xié)調(diào)作用即可。

1.2 基于PYQT的GUI開發(fā)

人性化的用戶操作界面（GUI）是虛擬儀器必不可少的一個組成部分。PYQT是Python與QT庫的混合體，擁有近300多個類和接近6 000多個函數(shù)與方法[10]?；诿嫦?qū)ο笏枷氲奶摂M儀器開發(fā)過程中，對象與對象之間的信息交流、互動尤為重要，也就是所謂的事件處理。任何GUI程序中，事件都是最重要的部分。在PYQT中，采用信號和插槽這一機(jī)制來處理事件。當(dāng)用戶點(diǎn)擊按鈕，拖動滑塊等操作時都會產(chǎn)生信號，同時環(huán)境也會產(chǎn)生信號，比如時鐘的信號，插槽是一種針對信號進(jìn)行處理的方法。所有從QObject或其子類派生的類都能包含信號和槽，當(dāng)某個對象的狀態(tài)發(fā)生改變時，相應(yīng)的信號就由該對象發(fā)射（emit）出去，并不需要知道另一端是誰在接受這個信號，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)信息封裝。PYQT的信號與槽機(jī)制相當(dāng)靈活，可以講多個信號與單個槽相連，也可以將單個信號與多個槽進(jìn)行相連，甚至一個信號還能與另一個信號相連。PYQT中將信號與槽相連只需用到QObject類中的connect（）方法。創(chuàng)建PYQT界面的幾個步驟：

1）使用 QtDesigner創(chuàng)建 GUI；

2）在屬性編輯器中修改部件的名字；

3）通過pyuic4工具生成一個Python類；

4）通過GUI對應(yīng)的類來運(yùn)行程序；

5）通過設(shè)置自己的slots來擴(kuò)展功能。

先用QtDesigner生成整體GUI框架，保存為Form.ui文件。Windows下運(yùn)行 cmd，在C根目錄調(diào)用 pyuic4命令：pyuic4 Form.ui>Form.py，將PYQT生成的UI文件轉(zhuǎn)成py文件，然后自定義start.py直接調(diào)用生成的py文件，運(yùn)行start.py就可以顯示創(chuàng)建的GUI界面。然后對GUI的每一個控件編輯其對應(yīng)的信號與槽，比如在文中實(shí)例中的“關(guān)閉”按鈕，調(diào)用connect（）方法綁定點(diǎn)擊按鈕的“clicked（）”信號與槽函數(shù)“close（）”，這樣當(dāng)我們鼠標(biāo)點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕的時候程序就會退出。與此類似，綁定其余按鈕的功能。這里還可以調(diào)用：

創(chuàng)建一個或多個重載綁定信號作為類屬性。其中type確定信號的C++識別標(biāo)志，類型可以是Python類型或C++類型名稱的字符串，也可以是類型的一組列表，在列表情況下，每一項(xiàng)定義了不同重載方法，第一項(xiàng)為默認(rèn)值。Name是信號的名稱，如果省略則使用屬性的類的名稱，這只能作為一個關(guān)鍵字參數(shù)。

槽函數(shù)（slots）的設(shè)置是整個GUI的核心，基于Python面向?qū)ο蟮膬?yōu)勢，我們可以調(diào)用各種父類，父類方法，自定義類，自定義方法等等作為槽函數(shù)與相應(yīng)的信號相綁定，實(shí)現(xiàn)程序的重復(fù)利用，并且可以在后期較容易的擴(kuò)展程序的功能，通過這種代碼復(fù)用可以大大縮短虛擬儀器開發(fā)周期。

1.3 NumPy的數(shù)據(jù)處理

虛擬儀器一般都會帶有顯示屏幕，有的儀表顯示數(shù)字，有的儀表則顯示圖形。通過軟件的形式顯示測量結(jié)果，一般需要對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，比如信號調(diào)幅、調(diào)頻、濾波、數(shù)字信號處理等等，數(shù)據(jù)處理是虛擬儀器不可或缺的一部分，而且數(shù)據(jù)處理一般要求高效準(zhǔn)確。NumPy相當(dāng)于Matlab的Python版本，繼承了Matlab的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力。NumPy提供兩種基本的對象ndarray（N-dimensional array object）和 ufunc（universal function object）。ndarray 是存儲單一數(shù)據(jù)類型的多維數(shù)組，而ufunc則是能夠?qū)?shù)組進(jìn)行處理的函數(shù)。NumPy的核心是ndarray對象，它是一個封裝好的，只能存儲同個類型數(shù)據(jù)的多維數(shù)組。NumPy里，數(shù)組元素對數(shù)組元素的操作是用C寫的，并預(yù)先編譯好了以提高操作速度。NumPy不僅能保證足夠快速的計(jì)算處理，還繼承了Python語言代碼簡潔的特性。比如需要對一個給定的多維數(shù)組x進(jìn)行FFT變換，只需調(diào)用np.fft.fft（x）就可以得到變換的結(jié)果。

2 方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

基于上述的討論，設(shè)計(jì)完成了一個虛擬頻譜分析儀，該儀器的工作原理是通過設(shè)置儀器相關(guān)的參數(shù)對采集信號進(jìn)行實(shí)時顯示，而后通過濾波加窗等處理進(jìn)行頻域分析，得到幅值譜、相位譜、自相關(guān)函數(shù)、相干函數(shù)等的過程。儀器系統(tǒng)的處理流程如圖2所示。

圖2 頻譜儀系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of spectrum analyzer system

在儀器的波形顯示部分，這里調(diào)用了Tabwidget控件，通過控制Tabchange（）信號實(shí)現(xiàn)時域波形和頻域波形的顯示及切換。Tabwidget本身無法充當(dāng)畫布功能，也就是說不能直接在上面顯示波形。因此，在Tabwidget的2個tab標(biāo)簽中分別嵌入一個QwtPlot控件，它可以提供一個二維的坐標(biāo)圖，讓我們在上面繪制曲線、刻度值等我們想要表達(dá)的圖形數(shù)據(jù)信息。 調(diào)用 setAxisTitlle（xBottom，String） 方法和 setAxisTitlle（yLeft，String）方法可以改變坐標(biāo)軸橫坐標(biāo)及縱坐標(biāo)的名稱。同時還需要創(chuàng)建一個QwtPlotCurve用來控制QwtPlot上的曲線類型，它可以設(shè)定線的樣式（實(shí)線或虛線）、線寬、顏色等。取得需要顯示的波形數(shù)據(jù)后，通過setData（）方法，先將數(shù)據(jù)給予 QwtPlotCurve，然后由 QwtPlotCurve通過調(diào)用 attach（）方法將波形繪制到QwtPlot上，最后通過QwtPlot類的repolt（）方法將波形顯示在GUI界面的Tabwidget控件中。

輸入信號后，調(diào)用 combobox控件的GetWindowText（）方法取得采樣頻率，采樣點(diǎn)數(shù)等參數(shù)信息，通過綁定“開始采樣”的“clicked（）”信號觸發(fā)相關(guān)槽函數(shù)將波形顯示在窗口上。這里放置了3個RadioButton，并把他們嵌入到Group Box里作為一個整體，通過他們的Checked屬性，獲取相應(yīng)窗函數(shù)信息對信號進(jìn)行加窗處理，分析。

儀器界面的效果圖如圖3所示。

3 結(jié)束語

Python是一門年輕、開源、充滿活力的腳本編程語言。文中以Python為核心，結(jié)合PYQT把面向?qū)ο笏枷霊?yīng)用于虛擬儀器開發(fā)，使用戶可以根據(jù)自身需求方便地修改程序以增減儀器的系統(tǒng)功能或規(guī)模，而且可以充分實(shí)現(xiàn)程序的重復(fù)利用。用Python開發(fā)虛擬儀器層次清晰，周期短，代碼易修改。在一定程度上比LabvIEW具有更大的優(yōu)勢，具有廣泛的研究前景。

圖3 頻譜儀界面效果圖Fig.3 Interface renderings of spectrum analyzer

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