Instrumento virtual: el software es el instrumento
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1 , Introducción
Actualmente, las computadoras multimedia, las autopistas de la información y las redes informáticas son las tres direcciones importantes de desarrollo de la ciencia de la información informática. Están interconectados, se promueven mutuamente y se desarrollan juntos, y han penetrado en todos los aspectos del trabajo, la vida, el estudio y el entretenimiento diarios de las personas, y gradualmente se trasladaron de las oficinas y laboratorios a los hogares.
La realidad virtual es un campo de aplicación importante de las computadoras multimedia, y la tecnología multimedia es la base técnica de la realidad virtual. La Realidad Virtual es un entorno de realidad simulada con visión, oído, tacto y olfato realistas generados por tecnología informática multimedia. Los usuarios pueden usar sus habilidades naturales para experimentar interactivamente esta realidad virtual y los resultados experimentados por los usuarios: las respuestas de la realidad virtual son similares o idénticas a los resultados experimentados por los usuarios en la realidad real correspondiente. El concepto de realidad virtual incluye los siguientes tres niveles de significado:
1. La realidad virtual es una entidad realista generada por tecnología informática. Las personas tienen una visión tridimensional real, una audición tridimensional y un sentido táctil. textura para esta entidad y olor.
2. Las personas pueden comunicarse con la realidad virtual a través de habilidades naturales, es decir, los diversos movimientos de la cabeza, ojos, extremidades, etc. de la persona reaccionan de manera realista en la realidad virtual.
3. La tecnología de realidad virtual a menudo se basa en algunos equipos de detección tridimensionales para completar acciones interactivas, como pantallas estereoscópicas montadas en cascos, guantes de datos, ropa de datos, manipuladores tridimensionales, etc.
Aunque la tecnología de realidad virtual aún está en sus inicios, se ha aplicado en visualización científica, CAD, aviones/automóviles/cirugía, simulación de operación de instrumentos virtuales, etc. Ha mostrado amplias perspectivas de aplicación en los campos aeroespacial, de defensa nacional y militar, biomedicina, educación y capacitación, juegos de entretenimiento, turismo y otros campos.
Virtual Instrument (VI) es una aplicación importante de la realidad virtual en el campo de la instrumentación y ha surgido silenciosamente a nivel internacional. Los instrumentos virtuales se basan en computadoras multimedia y utilizan tecnología de programación de interfaz gráfica para simular los paneles, funciones y operaciones de instrumentos reales, generando así instrumentos especiales para completar diversas tareas.
Debido al rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, han seguido surgiendo varios instrumentos potentes y cada vez más complejos. Muchos de estos instrumentos están basados en computadoras, y ha habido una tendencia a la informatización de los instrumentos. las manifestaciones son para:
1. Estandarización de la interfaz entre el hardware y la computadora
2. Softwareización del hardware
3. 4. Control modular
5. Integración del sistema
6. Programación gráfica
7. Software de interfaz de hardware científico. impulsado
Debido al desarrollo continuo de la tecnología de software y hardware, junto con las necesidades de aplicaciones prácticas, las personas se están interesando cada vez más en los instrumentos virtuales, y el desarrollo de instrumentos virtuales se ha convertido en una posibilidad real. . El desarrollo de instrumentos virtuales tiene como objetivo principal los siguientes fines:
1. Ahorrar tiempo y dinero en el desarrollo de instrumentos
2 Aprovechar al máximo las funciones de análisis y procesamiento de datos de la computadora
3. Unificar la interfaz de usuario del instrumento
4. Mejorar la función y el alcance del instrumento
5. p>6. Haga que el instrumento sea fácil de expandir
El instrumento virtual consta principalmente de las siguientes partes:
1. Biblioteca de control de interfaz
2. salida
3. Biblioteca de métodos de procesamiento de datos
4. Biblioteca de representación de datos
5. Almacenamiento y gestión de datos
6. generación
Entorno de programación de interfaz gráfica de 7.
La biblioteca de control de interfaz incluye algunos componentes del panel de instrumentos de uso común, como indicadores, medidores, diodos emisores de luz, botones, platos giratorios, diales, controles deslizantes, etc. Cada control tiene funciones y propiedades de programación opcionales.
La entrada y salida de datos se refiere a la obtención de datos de dispositivos externos en la computadora o la salida de datos desde la computadora para controlar dispositivos externos. Es necesario establecer una placa de adquisición de datos, puertos serie y paralelo, y otros estandarizados. interfaces (IEEE-488, GPIB, RS-232, RS-422, SCSI, VXI, etc.) software controlador de comunicación, ampliando así el alcance y las áreas de aplicación del instrumento.
La biblioteca de métodos de procesamiento de datos concentra muchos métodos de procesamiento de datos, como cálculo FFT, filtrado, modelado, estimación de parámetros, etc., y proporciona interfaces de programación para estos métodos de procesamiento. Solo necesita combinar estos métodos. Puede completar varias tareas complejas.
La representación de datos se refiere a mostrar datos y procesar resultados de una manera determinada, incluida visualización digital, visualización de curvas, histograma, diagrama de dispersión, gráficos bidimensionales, gráficos de cuadrícula tridimensionales, gráficos rellenos tridimensionales, Los gráficos, imágenes e incluso gráficos o imágenes dinámicas en cuatro dimensiones hacen que la representación de datos sea muy intuitiva y fácil de entender.
El almacenamiento y la gestión de datos se refiere principalmente a proporcionar formatos de almacenamiento de datos, métodos de consulta de datos, métodos de exploración de datos, etc.
La generación de señales se refiere a generar cualquier señal según sea necesario, algunas de las cuales son señales estándar que se pueden utilizar para pruebas y autopruebas de instrumentos.
El entorno de programación gráfica se refiere a una herramienta que permite a los usuarios combinar arbitrariamente controles y métodos y conectarlos en un todo para formar un instrumento especial. Utilizando instrumentos virtuales, los usuarios pueden generar rápidamente los distintos instrumentos que necesitan, como si fueran bloques de construcción.
2. Ejemplos de instrumentos virtuales y entornos integrados existentes
1. MATLAB: software de análisis de datos y computación numérica de alto rendimiento
MATLAB es desarrollado por la estadounidense Mathworks Company Software de análisis de datos y computación numérica de alto rendimiento. Se ha convertido en el estándar de la industria para la ingeniería y la investigación científica. Tiene una interfaz de interacción de usuario única, cálculo numérico complejo, análisis de datos potente, gráficos científicos flexibles, cálculo rápido, expansión conveniente y otras características. Es una herramienta de investigación científica altamente productiva y creativa. software de elección.
Las funciones básicas de MATLAB son:
※ Operaciones matriciales
※ Descomposición matricial
※ Cálculo de valores propios y vectores propios de matrices
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※ Convolución de señal
※ Estimación espectral
※ Operación de números complejos
※ Unidimensional y bidimensional FFT dimensional
※ Diseño y filtrado de filtros
※ Ajuste de curvas
※ Ajuste de spline cúbico
※ Función Bessel
※ Optimización no lineal
※ Resolución de ecuaciones lineales
※ Ecuaciones diferenciales
MATLAB incluye cajas de herramientas:
※ Herramientas de procesamiento de señales digitales Box
※ Caja de herramientas de diseño de sistemas de control
※ Caja de herramientas de identificación del sistema
※ Caja de herramientas autoexpandible
MATLAB incluye funciones de dibujo:
※ Histograma
※ Diagrama de dispersión
※ Gráfico de curvas
※ Gráfico de cuadrícula tridimensional
※ Tridimensional gráfico relleno dimensional
※ Gráfico de contorno
※ Gráficos de coordenadas polares
※ Gráfico X-Y
※ Visualización de imagen
2. DADiSP: software de análisis de datos y gráficos para científicos e ingenieros
El software DADiSP fue desarrollado por la American DSP Development Corporation y se utiliza principalmente para el análisis de datos y la visualización de gráficos por parte de científicos e ingenieros.
Incluye las siguientes funciones:
※ Operaciones matriciales
※ Cálculo de vectores propios y valores propios
※ FFT y convolución unidimensional y bidimensional
※ Visualización gráfica bidimensional, tridimensional y cuatridimensional
※ Procesamiento de imágenes médicas
※ Procesamiento de imágenes de teledetección por satélite
※ Sísmica procesamiento de señales
p>※ Análisis y procesamiento estadístico
※ Diseño experimental
※ Prueba de hipótesis
※ Diseño de filtros
※ Procesamiento de señales de Nanoradar Acústico
※ Procesamiento de señales de voz y comunicación
※ Análisis de vibraciones
3. p>
MP100 es un sistema de procesamiento y adquisición de señales médicas desarrollado por American BIOPAC System Company. Se ejecuta junto con el software AcqKnowledge para proporcionar un sistema modular flexible y fácil de usar que le permite completar tareas de recopilación y análisis de datos. como desées. AcqKnowledge es un paquete de software potente y flexible que utiliza menús desplegables y cuadros de diálogo para diseñar sistemas complejos de adquisición, simulación, activación y análisis de datos sin necesidad de aprender lenguajes de programación adicionales. Incluye principalmente funciones como registro, análisis y filtrado de datos en tiempo real, análisis y procesamiento de datos fuera de línea y varias representaciones gráficas de datos. El sistema se puede conectar con el instrumento virtual LabVIEW para proporcionar un entorno de programación gráfico visual. Sus principales áreas de aplicación son:
※ Fisiología del ejercicio
※ Registro de señales EMG
※ Registro y análisis de ECG
※ Registro y análisis de EEG análisis
※ Registro y análisis de potenciales evocados
※ Electronistagmografía y análisis de movimientos oculares
※ Análisis de conducción nerviosa
※ Psicofisiología
※ Farmacología
※ Monitoreo de telemetría
4. LabVIEW: instrumento virtual de programación gráfica
LabVIEW es un sistema de instrumento virtual de programación gráfica desarrollado por el estadounidense Corporación Nacional de Instrumentos. Incluye principalmente funciones como adquisición de datos, control, análisis de datos y representación de datos. Proporciona un método de programación novedoso, es decir, ensamblar gráficamente módulos de software para generar instrumentos especiales. LabVIEW consta de un panel, un diagrama de bloques de proceso y un ícono/conector. El panel es la interfaz de usuario, el diagrama de bloques de proceso es el código fuente del instrumento virtual y el ícono/conector es la interfaz de llamada (Calling Interface). El diagrama de bloques del proceso incluye componentes de entrada/salida (E/S), componentes de cálculo y componentes sub-VI, que están representados por iconos y conexiones de flujo de datos que se comunican directamente con placas de adquisición de datos, placas GPIB u otros externos; instrumentos físicos; el componente de cálculo completa cálculos y operaciones matemáticas o de otro tipo; el componente sub-VI llama a otros instrumentos virtuales;
5. LabWINDOWS/CVI: Un instrumento virtual programado en lenguaje C
Las funciones de LabWINDOWS son similares a LabVIEW y están desarrolladas por la misma empresa. Lenguaje C para controlar instrumentos virtuales. Programar el instrumento.
6. LabLinc V: Sistema modular de instrumentos virtuales
LabLinc V es un sistema modular de instrumentos virtuales desarrollado por la empresa estadounidense COULBOURN INSTRUMENTS que consta de unidades básicas, adquisición y procesamiento de señales. Se compone de control y otros módulos y se utiliza principalmente para la recopilación de datos, visualización en tiempo real y control de procesos en los campos de fisiología, biomedicina y biomecánica.
7. HyperSignal: Diseño de sistemas de procesamiento de señales visuales
HyperSignal es un software de diseño de sistemas de procesamiento de señales visuales desarrollado por la empresa estadounidense Hyperception que visualiza el proceso de diseño de sistemas de procesamiento de señales y simultáneamente. emite la señal Visualización de los resultados del procesamiento.
8. Model900: sistema flexible de generación de formas de onda y adquisición de datos
Model900 fue desarrollado por Applied Signal Technology Company en los Estados Unidos. Proporciona adquisición de datos de alta velocidad y gran capacidad. Generación de formas de onda y otras funciones, utilizando instrumentos virtuales para ahorrar tiempo y dinero de desarrollo.
9. DASP: software de análisis, procesamiento y adquisición automática de datos de gran capacidad
DASP fue desarrollado por el Instituto Oriental de Investigación de Tecnología de Vibración y Ruido y se utiliza principalmente para datos experimentales científicos. Grabación y análisis. Es multifuncional. Recopilación y análisis de señales, recopilación de datos automatizada, visualización, lectura, cálculo, análisis, almacenamiento, impresión, dibujo, etc.
10. LabDoc: paquete de software de instrumentos integrado
LabDoc es desarrollado por Japan Contech Electronic Technology Co., Ltd. Tiene una variedad de funciones de instrumentos de medición y puede proporcionar funciones fáciles de usar. operar las pantallas de instrumentos. Se puede utilizar en laboratorios, inspección de líneas de producción, educación y capacitación y otros campos. Las principales funciones de prueba son:
※ Filtrado digital
※ Generación de pulsos
※ Generación de forma de onda
※ Generación de señal de sintonización
※ Análisis FFT
※ Medidor de frecuencia
Lo anterior enumeramos diez tipos de instrumentos virtuales y sistemas de entorno integrado que son actualmente populares. Entre ellos, Estados Unidos ha hecho el mejor trabajo en esta área, pero nuestro país acaba de comenzar en esta área y aún no lo ha visto. un completo sistema de instrumentos virtuales. Como se puede ver en los ejemplos enumerados anteriormente, los instrumentos virtuales tienen las siguientes características:
※ Implican métodos de cálculo numérico más profundos
※ Integran procesamiento de señales y algoritmos de control de procesos
※ Los módulos de software y hardware son independientes entre sí
※ Entorno de programación integrado con desarrollo secundario
※ Es el producto de la intersección y penetración multidisciplinaria
Tres, instrumento virtual de procesamiento de señales médicas
La gama de señales médicas es muy amplia, entre las cuales las señales médicas comunes incluyen ECG, EEG, potencial evocado, EMG, EOG, electricidad gástrica, potencial de pulso nervioso, presión arterial y onda de pulso, ondas respiratorias, temperatura y otras señales, tienen diferentes características, incluidas sus propias bandas de frecuencia, rangos de amplitud, fuentes de interferencia, etc., lo que hace que el procesamiento de señales médicas sea muy complicado.
No importa qué tipo de instrumento de señal médica, casi todos implican las mismas tareas, como amplificación, adquisición, análisis, procesamiento, filtrado, etc. de la señal. Al mismo tiempo, las diferentes señales tienen sus propios métodos de procesamiento especiales. Estos* **La combinación orgánica de homogeneidad y especificidad para formar un entorno integrado es la base de los instrumentos virtuales.
Debido a las necesidades de monitoreo clínico multiparamétrico y diagnóstico integral, los instrumentos de adquisición y procesamiento de señales médicas han mostrado una tendencia a la integración. La gente ha pasado del desarrollo de instrumentos de señales médicas de una sola función al desarrollo de instrumentos multifuncionales. Instrumentos integrados, sin embargo, este tipo de integración no es una combinación apilada de instrumentos de función única, sino para descubrir los puntos más comunes y diferentes de diferentes instrumentos de función única para formar módulos de software y hardware, computarizar instrumentos de procesamiento de señales médicas. y formar un entorno de desarrollo para instrumentos de procesamiento de señales médicas, es decir, instrumentos virtuales.
Los instrumentos de procesamiento de señales médicas virtuales son un campo prometedor. Muchas empresas de instrumentos médicos son optimistas sobre esta perspectiva de mercado e invierten mucha mano de obra, recursos materiales y financieros en investigación y desarrollo en esta área. El sistema de adquisición de datos médicos MP100 y el instrumento virtual modular LabLinc V son representantes destacados.
El procesador de señales médicas virtuales es una herramienta para desarrollar y producir diversos instrumentos de señales médicas. Para los desarrolladores, pueden generar rápidamente instrumentos especiales como bloques de construcción, lo que ahorra mucho tiempo de desarrollo y dinero a los usuarios, pueden gastar menos y comprar más instrumentos; Los instrumentos virtuales de procesamiento de señales médicas sientan las bases para el desarrollo de instrumentos multifuncionales integrados, y los últimos resultados de las investigaciones se pueden aplicar a los instrumentos lo antes posible. Además, los instrumentos virtuales de procesamiento de señales médicas se pueden utilizar para estudiar señales desconocidas y características desconocidas de las señales para lograr el propósito de producir más resultados rápidamente. De hecho, los instrumentos virtuales de procesamiento de señales médicas también contribuirán a campos de investigación populares como la telemedicina y los libros electrónicos médicos.
IV. Tecnologías relacionadas con instrumentos virtuales
1. Cálculo numérico
En los instrumentos virtuales, es necesario proporcionar métodos de procesamiento de datos flexibles, y estos métodos pueden ser personalizado de acuerdo con las necesidades reales. Es implementado por el usuario a través de la programación. Para simplificar la complejidad de la programación y ahorrar mucho tiempo de desarrollo, se deben proporcionar tantos programas de cálculo numérico como sea posible en el instrumento virtual. incluyen los siguientes aspectos:
※ Operaciones matriciales (suma, resta, multiplicación, inversión, transposición)
※ Cálculo de valores propios y vectores propios
※ Matriz descomposición
※ Interpolación univariante y binaria
※ Integración y diferenciación numérica
※ Resolver ecuaciones algebraicas lineales
※ Resolver ecuaciones no lineales
※ Pseudo combinación y aproximación
※ Funciones especiales
※ Regresión y estadística
2. Procesamiento de señales digitales
En instrumentos complejos, el procesamiento de señales digitales ocupa una posición importante, por lo que es necesario integrar varios métodos de procesamiento de señales digitales en instrumentos virtuales. Los métodos de procesamiento de señales digitales se pueden dividir en varias categorías:
※ Preprocesamiento de señales
p>※ Diseño y filtrado de filtros
※ Estimación de espectro clásica
※ Estimación de espectro moderna
※ Correlación y convolución
※ Transformación discreta
※ Cálculo de características digitales
※ Generación de señales comunes
※ Modelado de señales
※ Compresión de datos
3. Gráficos e imágenes por computadora
Los gráficos y las imágenes son representaciones intuitivas de grandes cantidades de datos en instrumentos complejos, como mapas topográficos EEG estáticos y dinámicos, mapas de distribución de temperatura de la superficie de objetos, mapas de distribución de campos electromagnéticos, etc. Puede convertir datos originalmente muy abstractos en una representación intuitiva que sea fácil de entender para las personas. Además, las personas también están acostumbradas a usar curvas, histogramas, gráficos tridimensionales, diagramas de contorno, etc. para representar datos y su análisis; resultados. Por tanto, en los instrumentos virtuales es muy necesario establecer módulos de representación gráfica y de imágenes de estos datos.
4. Visualización informática científica
Como se mencionó anteriormente, los gráficos y la representación de imágenes de grandes cantidades de datos son muy importantes en los instrumentos virtuales. Sin embargo, el mapeo de datos a gráficos sí lo es. No es simple, este es el tema de investigación de la visualización informática científica que se ha desarrollado en los últimos años.
El propósito fundamental de la visualización informática científica es convertir una gran cantidad de datos obtenidos de experimentos o cálculos numéricos en imágenes informáticas que puedan ser sentidas por la visión humana. Utilice imágenes para organizar orgánicamente una gran cantidad de datos abstractos juntos, de modo que muestre de manera vívida y vívida el contenido representado por los datos y las relaciones entre ellos, ayudando a las personas a comprender directamente la compleja situación general, descubrir y comprender mejor los patrones y deshacerse de ellos. de La confusión de grandes cantidades de datos abstractos y complejos. La introducción de la visualización informática científica en instrumentos virtuales mostrará a las personas el encanto infinito de los instrumentos y les permitirá procesar y analizar grandes cantidades de datos complejos.
5. Programación visual orientada a objetos
El instrumento virtual es un entorno de programación integrado que permite a las personas generar rápidamente los instrumentos complejos que necesitan. Por lo tanto, los instrumentos virtuales deben ser programables y fáciles de operar, por lo que las personas introducen tecnología de programación de gráficos visuales orientada a objetos en los instrumentos virtuales. Muchos componentes poderosos están integrados en el instrumento virtual. Estos componentes están representados por gráficos de computadora intuitivos. Cada componente tiene atributos, operaciones y funciones controlables correspondientes. Las personas solo necesitan organizar estos componentes en la pantalla de la computadora y configurarlos. y su relación de conexión con otros componentes, se puede generar un instrumento que constituya la función correspondiente.
V. Resumen
Los instrumentos virtuales son un campo de investigación que acaba de comenzar en el país y en el extranjero. Muchas empresas de alta tecnología e institutos de investigación son optimistas sobre las perspectivas de esta aplicación en el mercado. Hemos invertido mucha mano de obra, recursos materiales y financieros para acelerar el desarrollo y la investigación. El instrumento virtual es un importante campo de aplicación de las computadoras multimedia. Es el producto de la intersección y penetración multidisciplinaria, que condensa muchas ciencias y tecnologías avanzadas, sofisticadas y de vanguardia. Los instrumentos virtuales no son instrumentos, pero son más altos que los instrumentos. Acorta en gran medida el ciclo de desarrollo de nuevos instrumentos y ahorra el costo del desarrollo de instrumentos. No es solo una herramienta para desarrollar instrumentos, sino también un medio poderoso para la investigación científica. El instrumento virtual es el producto de la informatización de los instrumentos, la base de los instrumentos integrados y una revolución en la industria de los instrumentos. Su investigación y desarrollo tienen una importancia de gran alcance.