基于Python的虛擬儀器技術研究及實現

摘要：基于Python語言高效、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，通過將控件對象及回調函數抽象為相應的類實例，使用戶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，簡化虛擬儀器開發過程，有效實現代碼的重復利用，并通過實例表明，用Python開發虛擬儀器層次清晰，周期短，具有廣泛的研究前景。
關鍵詞：虛擬儀器；Python；面向對象；PYQT；NumPy

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。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。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。

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。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。PY QT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。