简述虚拟仪器技术及LabVIEW编程课程的认识和理解

　　虚拟仪器--软件就是仪器

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　　一、引言

　　当前多媒体计算机、信息高速公路和计算机网络是计算机信息科学的三个重要发展方向。它们相互联系、相互促进、共同发展，已经渗透到人们日常工作、生活、学习、娱乐的各个方面，逐步地由办公室、实验室走向家庭。

　　虚拟现实是多媒体计算机的一个重要应用领域，多媒体技术是虚拟现实的技术基础。虚拟现实（VirtualReality）是利用多媒体计算机技术生成的一个具有逼真的视觉、听觉、触觉及嗅觉的模拟现实环境。用户可以用人的自然技能对这一虚拟的现实进行交互体验，而用户体验到的结果－－该虚拟现实的反应与用户在相应的真实现实中的体验结果相似或完全相同。虚拟现实的概念包括如下三个层次的含义：

　　1、虚拟现实是利用计算机技术而生成的逼真的实体，人们对该实体具有真实的三维视觉、立体听觉、质感的触觉和嗅觉。

　　2、人们可以通过自然技能与虚拟现实进行对话，即人的头、眼、四肢等的各种动作在虚拟现实中的反应具有真实感。

　　3、虚拟现实技术往往要借助一些三维传感设备来完成交互动作，如头盔式立体显示器、数据手套、数据衣服、三维操纵器等。

　　虚拟现实技术虽然现在还处于初级阶段，但已在科学可视化、CAD、飞行器／汽车／外科手术、虚拟仪器等的操作模拟等方面得到了应用。已经在航空航天、国防军事、生物医学、教育培训、娱乐游戏、旅游等领域显示出广阔的应用前景。

　　虚拟仪器(VirtualInstrument--VI)是虚拟现实在仪器仪表领域中的一个重要应用，目前已在国际上悄然兴起。虚拟仪器是以多媒体计算机作为基础，使用图形界面编程技术，模拟实际仪器的面板、功能和操作，从而生成完成各种任务的专用仪器。

　　由于科学技术的高度发展，导致了各种功能强大、越来越复杂的仪器不断涌现，其中很多仪器都以计算机作为基础，出现了仪器计算机化的趋势，其主要表现为：

　　1、硬件与计算机的接口标准化

　　2、硬件软件化

　　3、软件模块化

　　4、模块控件化

　　5、系统集成化

　　6、程序设计图形化

　　7、科学计算可视化

　　8、硬件接口软件驱动化

　　由于计算机软、硬件技术的不断发展，加之实际应用的需要，使人们对虚拟仪器的兴趣越来越浓厚，研制虚拟仪器也成为了现实的可能。研制虚拟仪器主要源于以下目的：

　　1、节省仪器开发的时间和经费

　　2、充分利用计算机数据处理和分析的功能

　　3、统一仪器的用户界面

　　4、增强仪器的功能和适用范围

　　5、集成仪器的需要

　　6、使仪器容易扩展

　　虚拟仪器主要由以下几部分组成：

　　1、界面控件库

　　2、数据输入、输出

　　3、数据处理方法库

　　4、数据表示库

　　5、数据存储与管理

　　6、任意信号发生

　　7、图形界面编程环境

　　界面控件库中包括一些常用仪器的面板部件，如指示器、计量表、发光二极管、按钮、转盘、刻度盘、滑动条等，每个控件都带有可编程的函数与属性。

　　数据输入与输出是指从外部设备获取数据进入计算机或从计算机输出数据去控制外部设备，需要建立与数据采集板、串并口、以及其他标准化接口（IEEE-488、GPIB、RS-232、RS-422、SCSI、VXI等）通信的驱动软件，从而扩展仪器的适用

　　范围与应用领域。

　　数据处理方法库中集中了许多数据处理方法，如FFT计算、滤波、建模、参数估计等，并提供这些处理方法的编程接口，只需把这些方法简单的组合即可完成各种复杂的任务。

　　数据表示是指用一定的方式来显示数据和处理结果，其中包括数字显示、曲线显示、直方图、散点图、二维图形、三维网格图形、三维填充图形、四维图形、图象乃至动态图形或图象等，使得数据表示十分直观，易于理解。

　　数据存储与管理主要是指提供数据存储的格式、数据查询方法、数据浏览方法等。

　　信号产生是指根据需要产生任意信号，其中一些标准信号可以用于仪器测试和自检之用。

　　图形编程环境是指用户可以任意组合控件与方法，将其联接成一个整体，形成专用仪器的工具。利用虚拟仪器用户可以象搭积木一样很快生成所需要的各种仪器。

　　二、现有虚拟仪器与集成环境举例

　　1、MATLAB：高性能数值计算和数据分析软件

　　MATLAB是由美国Mathworks公司研制的高性能数值计算和数据分析软件。它已经成为工程和科学研究的工业标准，它具有独特的用户交互界面、复杂的数值计算、强大的数据分析、灵活的科学图形、快速的计算、方便的扩展等特点，是高产和创造性科学研究的首选软件。

　　MATLAB的基本功能有：

　　※矩阵运算

　　※矩阵分解

　　※矩阵特征值与特征向量计算

　　※信号卷积

　　※谱估计

　　※复数运算

　　※一维和二维FFT

　　※滤波器设计与滤波

　　※曲线拟合

　　※三次样条拟合

　　※贝赛尔函数

　　※非线性优化

　　※线性方程组求解

　　※微分方程

　　MATLAB包括的工具箱有：

　　※数字信号处理工具箱

　　※控制系统设计工具箱

　　※系统辨识工具箱

　　※自扩展工具箱

　　MATLAB包括的绘图函数：

　　※直方图

　　※散点图

　　※曲线图

　　※三维网格图

　　※三维填充图

　　※等值线图

　　※极坐标图形

　　※X－Y绘图

　　※图象显示