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虚拟仪器及其医学应用 —— 概论

虚拟仪器及其医学应用 —— 概论. 主讲：陆宏伟 16 学时. 主要内容. 从智能仪器到虚拟仪器 虚拟仪器的特点 虚拟仪器的应用 虚拟仪器的体系 虚拟仪器的硬件 虚拟仪器的软件. Virtual Instrumentation. Fully Programmable System. VXI Chassis. GUI. IEEE 488 Rack and Stack System. DAQ Boards with RTSI. Analog Instrumentation. 一、从智能仪器到虚拟仪器.

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虚拟仪器及其医学应用 —— 概论

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Presentation Transcript

  1. 虚拟仪器及其医学应用——概论 主讲：陆宏伟 16学时

  2. 主要内容 • 从智能仪器到虚拟仪器 • 虚拟仪器的特点 • 虚拟仪器的应用 • 虚拟仪器的体系 • 虚拟仪器的硬件 • 虚拟仪器的软件

  3. Virtual Instrumentation Fully Programmable System VXI Chassis GUI IEEE 488 Rack and Stack System DAQ Boards with RTSI Analog Instrumentation 一、从智能仪器到虚拟仪器 仪器的发展历史

  4. 仪器概念的转变 传统仪器 厂商定义功能 虚拟仪器 用户定义功能

  5. 虚拟仪器概念的提出 虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（National Instrument ，缩写为VI）在1986年提出的，但其雏形可以追溯到1981年由美国西北仪器系统公司推出的Apple II为基础的数字存储示波器。虚拟仪器是基于计算机的仪器，是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，通过软件实现各种仪器功能。 1986年，NI公司推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabVIEW，标志着虚拟仪器软件设计平台基本成型，虚拟仪器从概念构思变为工程师可实现的具体对象。

  6. 虚拟仪器系统 • Measurement Studio • LabVIEW Application Software Hardware & Driver Software GPIB Serial DAQ VXI Image Acquisition Motion Control PXI Process or Unit Under Test

  7. 测试系统开发软件 基于PC的数据采集和仪器控制开发软件 Source: Survey of 400 US readers from T&M World, EDN, Design News, and R&D magazines, March 2002

  8. 1988年起有虚拟仪器产品问市，当时有五家制造商推出30种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家，共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元，占整个仪器销售额73亿美元的4％。 美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大虚拟仪器制造国。生产虚拟仪器的主要厂家有HP公司，目前生产100多种型号的虚拟仪器。还有Tektronix公司，目前生产约80多种型号的虚拟仪器。这些厂家的产品在国际市场上有较强的竞争力，目前已开始进入中国市场，但价格较高，因为没有中文界面，还没有广泛地被用户所接受。 现代化生产要求电子仪器品种多，功能强，精度高，自动化程度高，而且要求测试速度快，实时性好，具有良好的人机界面。虚拟仪器与传统仪器相比有以下几个特点： 传统仪器 功能由仪器厂商定义；与其它仪器设备的连接十分有限；图形界面小，人工读数，信息量小；数据无法编辑；硬件是关键部分；价格昂贵；系统封闭，功能固定，扩展性低；技术更新慢（周期为5－10年）；开发和维护费用高；多为实验室所拥有。

  9. 虚拟仪器与传统独立仪器的应用领域，既相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的。例如，利用虚拟仪器系统可开发复杂的汽车驾驶室模拟仿真测试台，并且在开发时可以获得极高的工作效率，这对于传统仪器系统而言，是不可思议的。虚拟仪器与传统独立仪器的应用领域，既相互交叉又相互补充，相得益彰。在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的。例如，利用虚拟仪器系统可开发复杂的汽车驾驶室模拟仿真测试台，并且在开发时可以获得极高的工作效率，这对于传统仪器系统而言，是不可思议的。 　　专家们指出，在这个计算机和网络时代，利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统的仪器技术进行融合的产物，因此，在21世纪，虚拟仪器将大行其道，日渐受宠，将会引发传统的仪器产业一场新的革命 。

  10. 二、虚拟仪器的特点 与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性价比、可操作性等方面都具有明显的技术优势，具体表现为：

  11. （１）智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。（１）智能化程度高，处理能力强。虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。 （２）复用性强，系统费用低。应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪器系统功能更灵活、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。

  12. （３）可操作性强。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印，显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高。（３）可操作性强。虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印，显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的可操作性大大提高。

  13. 传统仪器 虚拟仪器 对比 Classical Instrument Virtual Instrument(VI) 待测模拟信号 输出模拟信号 待测模拟信号 前置预处理 信号输入 手动/模拟信号控制 硬件电子系统 DAQ卡 A/D转换 D/A转换 前置预处理 信号产生 信号处理 数字信号处理 计算机 数字信号产生 数据显示 信号输出 计算机数字信号控制 数据显示 输出模拟信号 利用计算机强大、高效的数字信号处理和控制能力，配合高速高精度A/D、D/A转换卡，实现与传统专用仪器相同乃至更强的功能，组成虚拟仪器。

  14. VI与传统仪器的比较 虚拟仪器 = A/D + CPU+ 软件

  15. 特点说明： • 丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理。 • 开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低。 • 便于构成复杂的测试系统。可通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控和诊断。可节约仪器购买和维护费用。

  16. 尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件；尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件； • 可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器； • 用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。 • 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。

  17. 三、虚拟仪器的应用

  18. 应用领域

  19. 教学实验（LabVIEW）——虚拟调制解调器

  20. 教学实验（LabScene）——波形分析

  21. 数据采集（LabScene）——基于USB的硬件卡

  22. 化工生产流量测控

  23. 滤波器频响分析

  24. 汽车引擎震动分析

  25. 虚拟数字示波器

  26. 用LabVIEW做的示波器，与真实的示波器有着相同的功能

  27. 马路路灯照度模拟

  28. GPIB 仪器控制 GPIB Write "F0R0S2" GPIB 电缆 GPIB Interface DMM "1.8524" 计算机 GPIB Read

  29. 机器视觉与图像处理 • • 机器视觉与图像处理 Vision • 观察 • 距离测量 • 模式识别 • 颜色匹配 • 斑点分析和变形处理 • • Vision Builder交互式开发辅助工具 • • Optical character recognition 字符识别

  30. 运动控制 • • 简单易用 • MAX 配置 • LabVIEW VIs • • 强大的功能 • • 简易集成 • 数据采集 • 图像 • • 单轴与多轴 • • 伺服与步进电机

  31. 数据库连接工具包 • 对OLE DB, ODBC数据库 insert, select数据 • Microsoft Access, SQL Server, Oracle等 • 建立，删除表格 • 以 XML格式保存记录 • 执行 SQL查询 • 执行 stored procedures • 对 transactions的管理

  32. Office 报告生成工具包 • 生成 Microsoft Word, Excel报告 • 文字, 表格, 图表, 图片 • 格式 • 字体, 颜色, 文字对齐等 • 利用模版 • E-mail报告 • 运行宏(Macro)

  33. 信号处理工具包 • 联合时频分析 • 高精度频谱分析 • 小波分析和滤波器族设计 • 数字滤波器设计

  34. 应用程序生成器 • 生成可执行文件(EXE)或动态链接库(DLL) • 把应用程序生成安装盘 • 与 LabVIEW 环境融合在一起 • 节省费用 • LabVIEW 专业版附带，完全版需另购

  35. 远程地质灾害监测研究 ： 网络化环境监测研究 （多点地温监测）

  36. LabVIEW Everywhere Sensors PDA Chip FieldPoint Industrial PC RT Series Boards PC Workstation

  37. 四、虚拟仪器的体系

  38. 虚拟仪器典型的体系结构

  39. 虚拟仪器的分类 按接口总线类型不同划分 • 数据采集卡式 DAQ • RS232/RS485虚拟仪器 • 并行接口虚拟仪器 • USB虚拟仪器 • GPIB虚拟仪器 • VXI虚拟仪器 • PXI虚拟仪器 • IEEE1394接口虚拟 仪器

  40. 五、虚拟仪器的硬件

  41. 基于USB总线的数据采集卡 PCI总线数据采集卡

  42. 基于USB的信号发生卡及LCR测试仪 嵌入式TCP/IP模块

  43. 操作系统：DOS, Windows2000/9x/NT 最大I/0速度： 1.5 Mbytes/s （IEEE488.1)7.7 Mbytes/s (HS488) 尺寸：133x107 mm NI的PCI-GPIB卡

  44. GPIB产品示例 屏蔽的24芯GPIBcable及定义

  45. NI的DAQ及VXI产品示例

  46. PXI产品

  47. PXI Modules Link to Other Standards MXI-3 Stand-alone Instrument PXI System VXI or VME MXI GPIB CompactPCI Modules Modules

  48. 六、虚拟仪器的软件

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