基于Python的虛擬儀器技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

摘要：基于Python語言高效、靈活、面向?qū)ο蟮忍匦?，結(jié)合PYQT以及NumPy等擴(kuò)展模塊提供的強(qiáng)大功能，通過將控件對象及回調(diào)函數(shù)抽象為相應(yīng)的類實(shí)例，使用戶可以根據(jù)自身需求方便地修改程序代碼以增減儀器的系統(tǒng)功能或規(guī)模，簡化虛擬儀器開發(fā)過程，有效實(shí)現(xiàn)代碼的重復(fù)利用，并通過實(shí)例表明，用Python開發(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?qū)ο?；PYQT；NumPy

    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(shí)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(shí)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(dòng)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(gè)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(gè)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(jià)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。而且很多儀器在處理復(fù)雜信號的時(shí)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(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)。同時(shí)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?OOP)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(shí)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(gè)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蟮乃枷雭砜创陀^事物時(shí)會(huì)把一個(gè)整體看成由許多不同種類的對象組合而成。每一個(gè)對象本身有他自己的內(nèi)部狀態(tài)和動(dòng)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(gè)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(gè)待開發(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，然后由這個(gè)類衍生出實(shí)例類，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(gè)一個(gè)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蟮乃枷耄覀兛梢园寻粹o抽象為一個(gè)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(gè)普遍按鈕類的一個(gè)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(gè)儀器的開發(fā)就被分割成N個(gè)對象的設(shè)計(jì)，最后只需實(shí)現(xiàn)各個(gè)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(gè)組成部分。PYQT是Python與QT庫的混合體，擁有近300多個(gè)類和接近6 000多個(gè)函數(shù)與方法?；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(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(jī)制來處理事件。當(dāng)用戶點(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或其子類派生的類都能包含信號和槽，當(dāng)某個(gè)對象的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，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(gè)信號，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)信息封裝。PY QT的信號與槽機(jī)制相當(dāng)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pyuic4工具生成一個(gè)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。[!--empirenews.page--]
    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(gè)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(shí)候程序就會(huì)退出。與此類似，綁定其余按鈕的功能。這里還可以調(diào)用：
    PyQt4．QtCore．pyqtSignal(types[，name])
    創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)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(gè)關(guān)鍵字參數(shù)。
    槽函數(shù)(slots)的設(shè)置是整個(gè)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(huì)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 arrayobie ct)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(gè)封裝好的，只能存儲同個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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。

    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(shí)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(gè)tab標(biāo)簽中分別嵌入一個(gè)QwtPlot控件，它可以提供一個(gè)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(vLeft，Str4ng)方法可以改變坐標(biāo)軸橫坐標(biāo)及縱坐標(biāo)的名稱。同時(shí)還需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)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QwtPlot Curve通過調(diào)用attach()方法將波形繪制到QwtPlot上，最后通過QwtPlot類的repoh()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(gè)RadioButton，并把他們嵌入到Gmup Box里作為一個(gè)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。