基于Python的虛擬儀器技術(shù)研究及實(shí)現

摘要：基于Python語(yǔ)言高效、靈活、面向對象等特性，結合PYQT以及NumPy等擴展模塊提供的強大功能，通過(guò)將控件對象及回調函數抽象為相應的類(lèi)實(shí)例，使用戶(hù)可以根據自身需求方便地修改程序代碼以增減儀器的系統功能或規模，簡(jiǎn)化虛擬儀器開(kāi)發(fā)過(guò)程，有效實(shí)現代碼的重復利用，并通過(guò)實(shí)例表明，用Python開(kāi)發(fā)虛擬儀器層次清晰，周期短，具有廣泛的研究前景。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；Python；面向對象；PYQT；NumPy

隨著(zhù)計算機技術(shù)、測量?jì)x器技術(shù)以及軟件技術(shù)的高速發(fā)展，微機以及DSP提供了強大的計算能力使得在一定的實(shí)時(shí)性要求下，軟件可以代替許多原來(lái)由硬件完成的功能，這標志著(zhù)“軟件即儀器(The software is the instrument)”時(shí)代的到來(lái)。它的出現徹底改變了傳統的儀器觀(guān)，開(kāi)辟了測量技術(shù)的新紀元。
虛擬儀器的基本思想是利用計算機來(lái)管理儀器、組織儀器系統，進(jìn)而逐步取代儀器完成各種功能，最終取代傳統電子儀器。虛擬儀器實(shí)質(zhì)上是軟硬件結合、虛實(shí)結合的產(chǎn)物，利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測試、測量和自動(dòng)化的應用。在虛擬儀器系統中，硬件通常僅僅是為了解決信號輸入輸出，軟件才是整個(gè)儀器系統的核心所在。
與傳統儀器相似，虛擬儀器一般由3部分組成，即數據采集與控制、數據處理與分析、數據顯示。傳統儀器只是將這3部分功能的部件放在一個(gè)儀表機箱里，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，它并不強調物理上的實(shí)現形式。虛擬儀器的功能由用戶(hù)自己定義，儀器制造商只需提供基本的軟硬件，如信號調節器、信號轉換器等，真正需要什么樣的儀器功能是用戶(hù)自己的事情。虛擬儀器不像傳統儀器那樣幾乎完全依賴(lài)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(guò)硬件引起的誤差，從而測量結果更準確。虛擬儀器價(jià)格低，開(kāi)發(fā)和維護費用也比傳統儀器低得多，而且技術(shù)更新快。

1 基于Python的虛擬儀器開(kāi)發(fā)
美國NI公司推出的圖形化虛擬儀器專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)平臺Labview采用獨特的圖形化編程方式，編程過(guò)程簡(jiǎn)單方便，已經(jīng)成為目前最受歡迎的虛擬儀器交流開(kāi)發(fā)平臺。另外還有惠普公司的HPVEE以及微軟開(kāi)發(fā)的Visual C++。但是往往上述的軟件在虛擬儀器開(kāi)發(fā)中做不到圖像和數據處理兩方面兼得。比如Labview在界面開(kāi)發(fā)上有很大的優(yōu)勢，但在數據處理方面不盡人意。而且很多儀器在處理復雜信號的時(shí)候需要借助Matlab強大的信號分析處理能力，但是一般儀器廠(chǎng)家提供的分析軟件不支持與Matlab的接口，將兩者功能進(jìn)行結合也有難度。另外LabVIEW后期修改程序比較麻煩，一旦要改，改動(dòng)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(mǎn)足不同個(gè)體的需求，Labview在這一點(diǎn)上有局限性。
Python是一種開(kāi)源的腳本編程語(yǔ)言，由可移植的ANSI C編寫(xiě)，可以輕松駕馭windows、Linux、Mac等主流操作系統，可移植性極強。同時(shí)Python具有強大的擴展性，可以嵌入C／C++編程的程序中，所以也能實(shí)現多種語(yǔ)言的混合編程。Python是面向對象(OOP)的編程語(yǔ)言，結構化的或過(guò)程性編程可以讓我們把程序組織成邏輯塊，重復或重用，這一特性應用于虛擬儀器的開(kāi)發(fā)正好可以彌補Labview后期修改程序復雜這一致命問(wèn)題，同時(shí)也是一項有益的探索。Python擁有著(zhù)豐富的擴展模塊和函數庫。PYQT可以輕松開(kāi)發(fā)出優(yōu)質(zhì)的GUI界面。NumPy相當于Matlab的Python版本，它提供了矩陣、線(xiàn)性代數、傅里葉變換等的解決方法，包含：N維矩陣對象、性代數運算功能、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(kāi)發(fā)，以及數據處理3個(gè)方面進(jìn)行研究探討Python在開(kāi)發(fā)虛擬儀器方面的優(yōu)勢及可能潛在的問(wèn)題。
1．1 對象分解
用面向對象的思想來(lái)看待客觀(guān)事物時(shí)會(huì )把一個(gè)整體看成由許多不同種類(lèi)的對象組合而成。每一個(gè)對象本身有他自己的內部狀態(tài)和動(dòng)作，稱(chēng)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，由此構成了一個(gè)完整的整體。
在虛擬儀器的開(kāi)發(fā)過(guò)程中我們也可以運用這種思想將一個(gè)待開(kāi)發(fā)的儀器整體分解成多個(gè)對象的組合，對每一個(gè)對象劃歸為一個(gè)整類(lèi)，然后由這個(gè)類(lèi)衍生出實(shí)例類(lèi)，最后再把一個(gè)個(gè)的對象個(gè)體整合成一個(gè)整體，如圖1所示。

比如在虛擬儀器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通常需要設計各式各樣的按鈕，包括波形調節、通道選擇、波形顯示、數據處理等等。如果一個(gè)一個(gè)地去設計編程，必然大大復雜化了開(kāi)發(fā)進(jìn)度。在這里，運用面向對象的思想，我們可以把按鈕抽象為一個(gè)按鈕類(lèi)，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(wú)非只是這個(gè)普遍按鈕類(lèi)的一個(gè)特殊性實(shí)例化。數據處理也是同樣的道理，不管是濾波，FFT，卷積，都可以看成是一種數據處理方法類(lèi)的實(shí)例化。這樣，一個(gè)儀器的開(kāi)發(fā)就被分割成N個(gè)對象的設計，最后只需實(shí)現各個(gè)對象之間的協(xié)調作用即可。
1．2 基于PYQT的GUI開(kāi)發(fā)
人性化的用戶(hù)操作界面(GUI)是虛擬儀器必不可少的一個(gè)組成部分。PYQT是Python與QT庫的混合體，擁有近300多個(gè)類(lèi)和接近6 000多個(gè)函數與方法?；诿嫦驅ο笏枷氲奶摂M儀器開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對象與對象之間的信息交流、互動(dòng)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制來(lái)處理事件。當用戶(hù)點(diǎn)擊按鈕，拖動(dòng)滑塊等操作時(shí)都會(huì )產(chǎn)生信號，同時(shí)環(huán)境也會(huì )產(chǎn)生信號，比如時(shí)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(lèi)派生的類(lèi)都能包含信號和槽，當某個(gè)對象的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，相應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(shuí)在接受這個(gè)信號，從而真正意義上實(shí)現信息封裝。PY QT的信號與槽機制相當靈活，可以講多個(gè)信號與單個(gè)槽相連，也可以將單個(gè)信號與多個(gè)槽進(jìn)行相連，甚至一個(gè)信號還能與另一個(gè)信號相連。 PYQT中將信號與槽相連只需用到QObject類(lèi)中的connect()方法。創(chuàng )建PYQT界面的幾個(gè)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(guò)pyuic4工具生成一個(gè)Python類(lèi)；
4)通過(guò)GUI對應的類(lèi)來(lái)運行程序；
5)通過(guò)設置自己的slots來(lái)擴展功能。