虚拟仪器及基于该技术在呼吸监视系统中的应用

摘要:本文对虚拟仪器含义、特征、比较、应用等技术问题和发展作一介绍并以基于该图形化编程软件技术在呼吸监视系统中的应用方案为例深化虚拟仪器技术的入门。

关键词：虚拟仪器　开发环境　图形化软件　模块化

提起虚拟仪器人们己不陌生，因为它己开始涉足通信、电子电力、汽车、石油化工及工业自动化等各个应用领域，但由于虚拟仪器是一种革新型图形软件和模块化硬件技术相结合的计算机主流技术，因此从真正意义上即概念、特征、区别及应用等本质问题的理解或深化并不是人人都熟悉和认识。为此本文将对虚拟仪器技术上的基本理念和应用前景作一介绍并以在医疗测试设备应用方案－呼吸监视系统为例深化该技术的入门。

1、什么是虚拟仪器？

从20世纪八十年代开始，PC机应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新，其中最显著的一点就是虚拟仪器概念的出现与发展，为工程师们在提高生产率、测量精度及系统性能方面作更大贡献，又创建了一个新的平台。

所谓虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作平台配上功能强大的应用软件和成本不高的硬件(例如插入式板卡)及驱动软件，并将它们组合在一起共同完成传统仪器的功能。

虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的系统的更本性转变.而这更本性转变就是指以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机和工作平台所具有的计算、显示和联网等诸多强大功能以用于提高工作效率。虽然PC机和集成电路技术在过去的20多年里有显著的发展和提高，但是，软件才是这功能强大的硬件基础上所创建虚拟仪器系统的真正关键所在。新的以软件为中心的虚拟仪器系统为用户提供了创新技术并大幅降低了生产成本。有了虚拟仪器，工程师们就可以完全根据自己的需求自己组建测量和自动化系统，而不用再受功能固定(完全由厂家提供)的传统仪器的限制。

由此，本文应着重描述虚拟仪器系统中的必备组件：即功能强大的编程工具、灵活易用的数据采集硬件及个人电脑；以及这样的系统组合能带来的传统仪器所不能比拟的优势。而对虚拟仪器和传统仪器之比较作介绍又是必不可少。

2、虚拟仪器和传统仪器之比较

2.1先述独立的传统仪器的美中不足。

众所周知，独立的传统仪器，例如示波器和波形发生器，价格昂贵，并又被厂家限定了功能，只能完成一件或几件具体的工作，因此，用户通常都不能够对其加以扩展或自定义其功能。仪器的旋钮和开关、内置电路及用户所能使用的功能对这台仪器来说都是独一无二的。更需指出的是，开发这些仪器还必须要用专门的技术和高成本的元部件，从而使它们身价颇高或望而生畏而且很不容易更新。

2.2虚拟仪器的科技和性能优势

基于PC机的虚拟仪器系统，生来就充分利用了现成即用的PC机所带来的最新科技。这些科技和性能上的优势迅速缩短了独立的传统仪器和PC机之间的距离，其科技和性能上的优势包括功能强大的处理器(如Pentium4)、操作系统等。除了融合诸多功能强大的特性外，这些平台还为用户提供了简单的联网工具。此外，传统仪器往往不便随身携带，而虚拟仪器可以在笔记本电脑上运行，充分体现了其便携特性。

由于虚拟仪器有安装在PC机上的应用软件和一系列可选的插入式硬件，无需更换整套设备，即能完成新系统的开发。这对于需要经常变换应用项目和系统要求的工程师来说，可获得需要有非常灵活的开发平台大大便创建适合自己的解决方案。其具体的优势性能比较如下。

2.21灵活性之比较

除了专用的元件和电路，独立式传统仪器的基本框架其实类似于基于PC机的虚拟仪器。两者都需要一个或多个微处理器、通讯端口(如串口、GPIB接口)、显示功能及数据采集模块。

其根本区别在于两者不同的灵活性，用户是否能够根据各自不同的要求对其进行修改和扩展。一台传统仪器可能包括一套集成电路用于实现特定的数据处理功能；而在虚拟仪器中，只需在PC处理器上运行软件程序即可实现这些功能，而且还可以简单地对这些功能加以扩展，只是会受软件功能大小的限制。

2.22独道的插入式和网络化硬件

创建虚拟仪器时，有各种各样的硬件共选择，从计算机插入式到互联网应有尽有。这些设备提供一系列的数据采集功能，其价格却比专用仪器设备低廉很多。随着集成电路技术的发展进步、现成即用的元件价格更低廉、功能更强大，由其制成的插入式板卡当然也了包含了这些优势。这些技术上的优势使得虚拟仪器系统有更高的数据采集速率、测量准确度、精度以及更好的信号隔离功能。

根据不同的应用情况，所要的硬件可能需要有如下各种功能：如模拟输入/输出、数字输入/输出、计数、定时、过滤、同步采样和波形发生等。而各种可选的板卡和硬件产品都具有以上任何一种或多种特性。

2.23标准商业技术-低价位

使用虚拟仪器解决方案，可以大幅降低资金成本、系统开发成本和系统维护成本，同时为用户加速产品上市时间，大大提高产品质量，见图1。

3、虚拟仪器中的软件

3.1功能强大的软件是虚拟仪器的核心

软件是虚拟仪器中最重要最核心的部分，如果说将虚拟仪器的硬设备看作人体的骨骼，那么其软件犹如人体内流动的血液。

软件所能提供的一个重要优势就是模块化。只要选对了软件产品，工程师们可以快速有效地创建应用系统，只需根据系统具体要求编制各子程序并将其加以组合即可。还可以创建最适合具体应用系统与操作人员的用户界面。其带来的优越性是，可以自己定义应用程序，以实现如何并何时从硬件设备中采集到数据；如何处理、分析并储存数据及如何显示结果。

有了功能强大的软件帮助，就可以为仪器设备建立智能化的决策功能，以便在被测信号突然发生变化或需要更高或更低的处理功能时即刻做出反应。

3.2分布式应用程序

虚拟仪器并不局限于一台独立的PC机。事实上，随着近来互联网技术的发展，仪器使用联结功能以分散工作任务也变得越来越普遍。最典型的例子就是超计算机、分布式监控设备及数据/结果远程可视化.

1、图形化编程软件LabVIEW是创建虚拟仪器系统的理想工具

LabVIEW是虚拟仪器必不可缺的一部分，因为它为用户提供了一个简单易用的程序开发环境，这是特别为工程师的需要而专门设计的工具。该LabVIEW可提供的强大特性让用户可以非常方便地连接各种各样的硬件产品和其它软件产品。之所以说LabVIEW是创建虚拟仪器系统的理想工具，其原因如下：

4.1 LabVIEW是图形化编程环境

LabVIEW为工程师们提供的最有力的特性就是图形化的编程环境。可以使用LabVIEW在电脑屏幕上创建一个图形化的用户界面，即可设计出完全符合自己要求的虚拟仪器。通过这个图形界面，可以：

·操作仪器程序

·控制某个硬件

·分析采集到的数据

·显示结果

可以使用旋钮、开关、转盘、图表等自定义您的前面板(如图2所示的LabVIEW虚拟仪器前面板-是振动精确分析为例)，用以代替传统仪器的控制面板、创建自制测试面板或表示控制和操作过程。而图3所示为LabVIEW虚拟仪器流程图。其标准流程图和图形化程序图(见图3所示的LabVIEW虚拟仪器流程图-从电脑屏幕画面上摘取的振动精确分析举例)的相关性使得它不象基于文本的传统语言那样难学，从而大大缩短了用户的整个学习过程。只需将各个图标连在一起创建各种流程图表，即可完成虚拟仪器程序的开发，而这也正好符合工程师的原始设计理念。

4.2、连接功能和仪器控制

虚拟仪器软件编程的高效率来自内置的与硬件产品的完美集成性能，旨在开发测试、测量和控制系统的虚拟仪器软件还包括各种广泛的I/0功能。

LabVIEW带有现成即用的函数库，用户可以用它集成各种独立台式仪器、数据采集设备、运动控制和机器视觉产品、GPIB/IEEE488和串口/RS-232设备、PLCs等，从而开发出一套完整的测量和自动化解决方案。LabVIEW还包含了主要的仪器标准如VISA--GPIB、串口和VXI仪器可共用标准；PXI和基于PXI系统联盟CompactPCI标准的软硬件；IVI可互换虚拟仪器驱动程序；即插即用VXI；VXI仪器标准驱动程序。

4.3开放式环境

虽然labVIEW已经提供了诸多应用系统所需要的工具，但它还是一个开放式的开发环境。软件的标准化取决于它与其它软件、测量和控制硬件及一些开放式工业标准的兼容性，因为这些都决定了它与出自不同生产厂家产品的可共用性。如果选择的软件符合了这些标准，就可以保证应用系统和整个公司都充分利用了来自不同厂家的最优秀的产品。此外，与开放式商业标准同步发展能帮助您降低整个系统成本。

目前，有许多第三方软硬件生产厂家在开发并维护成百上千个LabVIEW函数库及仪器驱动程序以帮助用户能借助LabVIEW轻松使用他们的产品。然而，这还不是提供与LabIVEW应用系统相连接的唯一办法。LabVIEW还提供与ActiveX软件、动态链路数据厍(DLLs)及其它开发工具的共享库之间的开放式连接。此外，还可以用动态链路数据厍(DLLs)、可执行文件的方式或使用ActiveX控件与其他人共享LabVIEW代码。

因为只需一台安装了LabVIEW的计算机即可开发无数的应用程序、完成各种任务，谁还能否认这是一套多才多艺的系统呢？它不仅多才多艺，还非常节省成本。用LabVIEW开发的虚拟仪器证明是最经济的选择。其费用远远低于购买一台传统的商用仪器。

4.4分析功能

在虚拟仪器系统中，将信号采集到电脑里并不意味着任务已经完成，通常还需要利用软件完成复杂的分析和信号处理工作。在机器视觉和控制系统的高速测量应用中，经常需要对精确振动信号进行序列分析。闭环嵌入式系统一般要利用控制算法，进行点到点求平均值以便保证稳定性。除了在labVIEW中安装了高级分析功能库外，NI公司还为不同要求的测量提供了相应附加工具包，如：LabVIEW信号处理工具套件，LabVIEW声音与震动工具包，和LabVIEW序列分析。

2、基于虚拟仪器技术(LabVIEW图形化编程软件)在新型呼吸监医疗视仪方案中的应用

5.1呼吸医疗监视仪要求:

该呼吸医疗监视仪的用途是医疗与测谎多功能监视设备。可用来监视人员呼吸状况，并能给出大致的呼吸深度。这个监测仪监测一些可以用来评价焦虑程度的重要参数：呼吸频率、呼吸的均匀程度以及呼气和吸气之间的间歇。平静、积极的情绪通常会导致呼出长于吸入，二者时间之比的参数，从一个方面揭示人的焦虑程度。相对较高水平的胸呼吸（相对于腹呼吸）也可说明焦虑程度。监视仪对于胸呼吸的观察反映出监视仪具有量大的可视信息功能。

5.2解决方案：

鉴于该呼吸监医疗视仪是基于LabVIEW人员呼吸压力的监测系统，故应使用NI公司的LabVIEW-7图形化编程平台，PCI-6025E多功能数据采集卡，结合性能优良的高精度压力传感器-硅压阻式传感器（SPRT，见图4a与图4b），充分利用虚拟仪器技术的优势，方便的实现呼吸频率、呼吸的均匀程度以及呼气和吸气之间的间歇等动态生理信号的采集和数据的分析及处理并显示和打印输出所需图形与数据。为医生或有关监护人士正确治疗和判断(测谎)提供正确的科学依据。

5.3系统构成

基于虚拟仪器技术的呼吸压力检测系统与传统的压力检测系统的最大差别在于虚拟仪器的应用。一方面虚拟仪器检测系统利用LabVIEW-7的开放性，使得传感器和数据采集设备能够得到充分的应用于合理的配置。对于不同的呼吸压力检测对象，可以通过编制基准中心与比较的检测软件和相应的设备组实现。另一方面，检测系统通过LabVIEW强大的数据采集与总线连接库，与测控仪表的智能接口GPIB、USB、VXI、PCI、RS—232和IEEE—488.2等实现数据通信。避免用检测仪表直接进行压力检测，可以提高测量数据的准确性与可靠性。图5为基于虚拟仪器技术-构成的呼吸监视系统框图。

5.4软件设计思想

在继承传统编程语言结构化模块的基础上，LabVIEW-7采用数据流程的图形化G语言编程技术，把复杂费时的软件编程简化为菜单以适合图表连接调用，图6为呼吸监视设备的LabVIEW-7虚拟仪面器扳设置示意图。基于虚拟仪器的动态呼吸压力检测系统软件设计主要应包括以下内容。

5.41呼吸压力信号的采集

在呼吸压力检测系统中，数据信号的采集是一个重要部分，信号的采集通过数据采集板完成。本系统采用的数据采集板PCI-6025E多功能数据采集卡 (DAQ)，能够在较大应用范围内带来高的运行效能和稳定的数据采集能力。系统采用了单端16路模拟输入，1倍的增益，其性能满足系统的需求。充分利用LabVIEW-7中提供的工具和各种子函数模块，并结合DAQ的硬件优势，不仅实现了信号的准确、快速的采集，而且能做出操作方便，形象逼真的仪器面板，见图6为呼吸监视设备的LabVIEW-7虚拟仪面器扳设置示意图(从电脑屏幕画面上摘取)。

5.42数字的分析与处理

利用LabVIEW-7进行虚拟仪器系统的另一个好处在于其强大的数据分析与处理功能。LabVIEW-7是—个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统。其开发环境下提供的应用程序有180多种，根据系统需要实现的功能，这里主要利用高级分析函数库中的若干函数模块。通过软件来实现原本传统的呼吸压力测量仪由硬件完成的功能。

5.43测试结果的显示、输出与保存

该系统不仅需要提供实时显示功能，还要提供了数据、图形及表格打印输出与保存功能。该系统能够方便的实现这些功能，在于LabVIEW提供的文件I/O功能函数是—组功能强大、伸缩性强的文件处理工具，可以很好的实现数据的显示、输出与保存这一功能。使用计算机控制，测量结果实时屏幕显示与结果保存很方便。另外，计算机通过与外围设备的连接，使仪器在测试状态和分析状态下均以打印测试报告。

根据以上设计方案研发的新型呼吸监视仪，应该说在医疗机构和诚信指数(心理状态变化引发生理指标变化的检测)测定应用上将能够准确可靠地为诊断或判别提供科学依据。

1、结论

虚拟仪器的发展被前所未有的计算机先进技术推动着，其软、硬件无缝集成的开放式架构开发的架构，为使用者提供自己定义和建立系统的能力。这一概念不仅确保工作在未来的可用性，也提供了今后随着需求改变而进行系统调整或扩充的灵活性。LabVIEW关键优势长是灵活性与可调整性，从设计开始，即以工程师为中心，为他们提供在熟悉的开发环境下所使用的强大工具，用于虚拟仪器的设计和开发。（完）

参考文献

1 、National lnstruments Corporation， measurment&automatization 2003

2、(美) Gary W．Johnson，RichardJennings，著LabVIEW图形编程，陆劲昆等译，北京大学出版社，2002