基于Python的虛擬儀器技術研究及實現

陳笑飛，李 滔

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

隨著計算機技術、測量儀器技術以及軟件技術的高速發展，微機以及DSP提供了強大的計算能力使得在一定的實時性要求下，軟件可以代替許多原來由硬件完成的功能，這標志著“軟件即儀器（The software is the instrument）”時代的到來。它的出現徹底改變了傳統的儀器觀，開辟了測量技術的新紀元。

虛擬儀器的基本思想是利用計算機來管理儀器、組織儀器系統，進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[1]實質上是軟硬件結合、虛實結合的產物，利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。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現形式。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，如信號調節器、信號轉換器等，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鍵。虛擬儀器減少了信號每次經過硬件引起的誤差，從而測量結果更準確。虛擬儀器價格低，開發和維護費用也比傳統儀器低得多，而且技術更新快。

1 基于Python的虛擬儀器開發

美國NI公司推出的圖形化虛擬儀器專業開發平臺Labview采用獨特的圖形化編程方式，編程過程簡單方便，已經成為目前最受歡迎的虛擬儀器交流開發平臺。另外還有惠普公司的HPVEE以及微軟開發的Visual C++。但是往往上述的軟件在虛擬儀器開發中做不到圖像和數據處理兩方面兼得。比如Labview在界面開發上有很大的優勢，但在數據處理方面不盡人意[2-4]。而且很多儀器在處理復雜信號的時候需要借助Matlab強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，可移植性極強[5-8]。同時Python具有強大的擴展性，可以嵌入C/C++編程的程序中，所以也能實現多種語言的混合編程。Python是面向對象（OOP）的編程語言，結構化的或過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發正好可以彌補Labview后期修改程序復雜這一致命問題，同時也是一項有益的探索。Python擁有著豐富的擴展模塊和函數庫。PYQT可以輕松開發出優質的GUI界面。NumPy相當于Matlab的Python版本，它提供了矩陣、線性代數、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開發，以及數據處理3個方面進行研究探討Python在開發虛擬儀器方面的優勢及可能潛在的問題。

1.1 對象分解

用面向對象的思想[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部狀態和動作，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系，相互作用的，由此構成了一個完整的整體。

在虛擬儀器的開發過程中我們也可以運用這種思想將一個待開發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過程中，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。如果一個一個地去設計編程，必然大大復雜化了開發進度。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的實例化。這樣，一個儀器的開發就被分割成N個對象的設計，最后只需實現各個對象之間的協調作用即可。

1.2 基于PYQT的GUI開發

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多個函數與方法[10]。基于面向對象思想的虛擬儀器開發過程中，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制來處理事件。當用戶點擊按鈕，拖動滑塊等操作時都會產生信號，同時環境也會產生信號，比如時鐘的信號，插槽是一種針對信號進行處理的方法。所有從QObject或其子類派生的類都能包含信號和槽，當某個對象的狀態發生改變時，相應的信號就由該對象發射（emit）出去，并不需要知道另一端是誰在接受這個信號，從而真正意義上實現信息封裝。PYQT的信號與槽機制相當靈活，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。創建PYQT界面的幾個步驟：

1）使用 QtDesigner創建 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對應的類來運行程序；

5）通過設置自己的slots來擴展功能。

先用QtDesigner生成整體GUI框架，保存為Form.ui文件。Windows下運行 cmd，在C根目錄調用 pyuic4命令：pyuic4 Form.ui>Form.py，將PYQT生成的UI文件轉成py文件，然后自定義start.py直接調用生成的py文件，運行start.py就可以顯示創建的GUI界面。然后對GUI的每一個控件編輯其對應的信號與槽，比如在文中實例中的“關閉”按鈕，調用connect（）方法綁定點擊按鈕的“clicked（）”信號與槽函數“close（）”，這樣當我們鼠標點擊“關閉”按鈕的時候程序就會退出。與此類似，綁定其余按鈕的功能。這里還可以調用：

創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，每一項定義了不同重載方法，第一項為默認值。Name是信號的名稱，如果省略則使用屬性的類的名稱，這只能作為一個關鍵字參數。

槽函數（slots）的設置是整個GUI的核心，基于Python面向對象的優勢，我們可以調用各種父類，父類方法，自定義類，自定義方法等等作為槽函數與相應的信號相綁定，實現程序的重復利用，并且可以在后期較容易的擴展程序的功能，通過這種代碼復用可以大大縮短虛擬儀器開發周期。

1.3 NumPy的數據處理

虛擬儀器一般都會帶有顯示屏幕，有的儀表顯示數字，有的儀表則顯示圖形。通過軟件的形式顯示測量結果，一般需要對采集數據進行大量的數學運算，比如信號調幅、調頻、濾波、數字信號處理等等，數據處理是虛擬儀器不可或缺的一部分，而且數據處理一般要求高效準確。NumPy相當于Matlab的Python版本，繼承了Matlab的強大數據處理能力。NumPy提供兩種基本的對象ndarray（N-dimensional array object）和 ufunc（universal function object）。ndarray 是存儲單一數據類型的多維數組，而ufunc則是能夠對數組進行處理的函數。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據的多維數組。NumPy里，數組元素對數組元素的操作是用C寫的，并預先編譯好了以提高操作速度。NumPy不僅能保證足夠快速的計算處理，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組x進行FFT變換，只需調用np.fft.fft（x）就可以得到變換的結果。

2 方案設計與驗證

基于上述的討論，設計完成了一個虛擬頻譜分析儀，該儀器的工作原理是通過設置儀器相關的參數對采集信號進行實時顯示，而后通過濾波加窗等處理進行頻域分析，得到幅值譜、相位譜、自相關函數、相干函數等的過程。儀器系統的處理流程如圖2所示。

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

在儀器的波形顯示部分，這里調用了Tabwidget控件，通過控制Tabchange（）信號實現時域波形和頻域波形的顯示及切換。Tabwidget本身無法充當畫布功能，也就是說不能直接在上面顯示波形。因此，在Tabwidget的2個tab標簽中分別嵌入一個QwtPlot控件，它可以提供一個二維的坐標圖，讓我們在上面繪制曲線、刻度值等我們想要表達的圖形數據信息。 調用 setAxisTitlle（xBottom，String） 方法和 setAxisTitlle（yLeft，String）方法可以改變坐標軸橫坐標及縱坐標的名稱。同時還需要創建一個QwtPlotCurve用來控制QwtPlot上的曲線類型，它可以設定線的樣式（實線或虛線）、線寬、顏色等。取得需要顯示的波形數據后，通過setData（）方法，先將數據給予 QwtPlotCurve，然后由 QwtPlotCurve通過調用 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，調用 combobox控件的GetWindowText（）方法取得采樣頻率，采樣點數等參數信息，通過綁定“開始采樣”的“clicked（）”信號觸發相關槽函數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，獲取相應窗函數信息對信號進行加窗處理，分析。

儀器界面的效果圖如圖3所示。

3 結束語

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，結合PYQT把面向對象思想應用于虛擬儀器開發，使用戶可以根據自身需求方便地修改程序以增減儀器的系統功能或規模，而且可以充分實現程序的重復利用。用Python開發虛擬儀器層次清晰，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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