虛擬儀表的可視化技術(shù)

方案綜述:

虛擬儀器是指具有虛擬儀器面板的個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器，它是計(jì)算機(jī)資源、模塊化功能 硬件與用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的應(yīng)用軟件的有機(jī)結(jié)合。它利用軟件在屏幕上生成各種儀器面板，完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)、顯示等功 能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以由用戶自己定義、自己設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng)，以滿足不同的要求，使儀器的功能更加強(qiáng)大、靈活，而且很容易同網(wǎng)絡(luò)、外 設(shè)及其他應(yīng)用相連接。這樣既降低了價(jià)格，節(jié)省開發(fā)、維護(hù)的費(fèi)用，又縮短了技術(shù)開發(fā)周期。

虛擬儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一就是應(yīng)用軟件，這是因?yàn)?，虛擬儀器的主要功能是由軟件來體現(xiàn)的，即“軟件就是儀器”。虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)應(yīng)該提供一個(gè)圖形化的編程設(shè)計(jì)環(huán)境，值得一提的是NI的LabView和LabWindows及HP的VEE。

本文介紹的基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀表系統(tǒng)是一個(gè)不包含數(shù)據(jù)采集及總線控制系統(tǒng)的虛擬測(cè)試平臺(tái)，主要用于對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)文件的事后處理或?qū)Ρ粶y(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真測(cè)試，形成網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試仿真系統(tǒng)。

１、基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬儀表系統(tǒng)

系統(tǒng)利用軟件在計(jì)算機(jī)屏幕上生成儀表面板，通過數(shù)據(jù)接口接收需要處理顯示的儀表數(shù)據(jù)或軟件產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示刷新數(shù)據(jù)、波形和圖像。該系統(tǒng)具有兩 個(gè)主要的特點(diǎn)：一是具有方便的交互性；二是實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和繪制的實(shí)時(shí)性，可以在不同的網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)顯示不同的虛擬儀表，達(dá)到多機(jī)并行處理的目的。

1.1系統(tǒng)組成

整個(gè)軟件系統(tǒng)劃分為兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)：編控子系統(tǒng)和播出子系統(tǒng)。

編控子系統(tǒng)的主要工作是建立、編輯演示模型并控制仿真的啟動(dòng)和結(jié)束。編控子系統(tǒng)又可以劃分為兩個(gè)子模塊：編輯模塊和播出控制模塊。通過編輯模塊，允許用 戶設(shè)計(jì)建立滿足自身需要的虛擬儀表模型，也可以對(duì)一個(gè)現(xiàn)有的儀表模型進(jìn)行編輯。通過播出控制模塊可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真功能，建立和播出子系統(tǒng)之間的連接關(guān)系； 并通過數(shù)據(jù)接口不斷接收外部輸入的儀表參數(shù)，向已建立連接關(guān)系的各播出子系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的指令／數(shù)據(jù)包以更新儀表顯示狀態(tài)。

播出子 系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收播出控制系統(tǒng)發(fā)來的指令／數(shù)據(jù)包（包括數(shù)字儀表模型、各種參數(shù)等），對(duì)指令進(jìn)行解釋，不斷刷新顯示當(dāng)前仿真結(jié)果。在播出子系統(tǒng)中可以指定某可 視化對(duì)象是否可見，這樣可以使在不同的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的播出子系統(tǒng)顯示不同的儀表面板來達(dá)到分布式并行處理的目的。

1.2 參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸

系統(tǒng)需要在不同計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行參數(shù)傳輸，因此網(wǎng)絡(luò)通信是必不可少的條件。本系統(tǒng)采用的是客戶／服務(wù)器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序，這種結(jié)構(gòu)非常適用于分布式處理的計(jì) 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。由于系統(tǒng)是面向PC機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用，因此采用基于TCP／IP協(xié)議的Winsock接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸。

２、虛擬儀表面板對(duì)象

2.1面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法

在虛擬儀表的可視化設(shè)計(jì)過程中，采用了面向?qū)ο蠓椒āＲ粋€(gè)虛擬儀表系統(tǒng)由許多儀表組成，每個(gè)虛擬儀表均由面板控制，因此按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想將面板分解為具有繼承關(guān)系的面板對(duì)象(Panel Object)，每個(gè)面板對(duì)象都有各自的獨(dú)立屬性和行為。

對(duì)于虛擬儀表系統(tǒng)，可以將其儀表面板對(duì)象劃分為基本的圖形元素和專用面板對(duì)象兩類，基本的圖形元素即圖元包括直線、矩形、橢圓、多邊形和文本等；專用面 板對(duì)象包括按鈕、開關(guān)、旋鈕、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器等面板控制控件和指示燈、數(shù)字儀表、指針儀表、圖像顯示器、示波器等面板顯示控件以及其它特殊顯示控件。

2.2面板對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在虛擬儀表系統(tǒng)中，面板對(duì)象是以圖形的方式顯示的，系統(tǒng)允許用戶通過人機(jī)交互的方式對(duì)儀表對(duì)象的屬性參數(shù)進(jìn)行修改。對(duì)象的描述包括了定義面板對(duì)象各組成 部分形狀的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)象的屬性如線型、顏色等，還有非幾何的文字或數(shù)值，如對(duì)象名稱和可見信息等，它對(duì)于后處理程序或交互作用的使用是非常有用的。

各種面板對(duì)象都具有共同的屬性，因此基于各種面板對(duì)象的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)，可抽象出通用的基類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。綜上所述，可以如下定義面板對(duì)象的基類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

class base{

m_csObjectName; 面板對(duì)象名稱

m_bVisible; 可視信息，0——不可見；1—— 可見

m_crPosition; 面板對(duì)象的位置信息及其包圍框大小信息

m_logbrush; 繪制該面板對(duì)象時(shí)采用的畫刷，決定填充屬性

m_logpen; 繪制該面板對(duì)象時(shí)采用的畫筆，決定線屬性

};

具體的面板對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均繼承基類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在基類的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的面板對(duì)象的屬性和參數(shù)，添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型就可以確定特定的面板對(duì)象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.3 虛擬儀表實(shí)例

用戶通過系統(tǒng)提供的虛擬儀表面板對(duì)象，在計(jì)算機(jī)屏幕上通過鼠標(biāo)可以方便地建立滿足自身測(cè)試需要的虛擬儀表系統(tǒng)。

３、可視化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬儀表的可視化技術(shù)主要有兩個(gè)方面：一是面板對(duì)象及其相關(guān)參數(shù)的可視化，即將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖形或圖像，實(shí)現(xiàn)面板對(duì)象的可視化；二是基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的圖形用戶界面（GUI）設(shè)計(jì)，即可視界面設(shè)計(jì)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用面向?qū)ο笾苯硬倏v的圖形交互方式（即GUI），便于用戶直接操縱屏幕上不同的可見面板對(duì)象圖元。

3.1面板對(duì)象圖元集

定義了一個(gè)可擴(kuò)充的面板對(duì)象圖元集，這些對(duì)象是面板對(duì)象圖形屬性和操作的抽象表示。當(dāng)建立一個(gè)面板對(duì)象或編輯其屬性時(shí)，用戶只需指定面板對(duì)象，直接進(jìn)行繪制、移動(dòng)、復(fù)制、刪除等操作，該對(duì)象能夠自己重新繪制或重畫，用戶不須關(guān)心如何做圖。

3.2交互繪圖工具類

對(duì)于交互反饋，沒有集成在面板對(duì)象內(nèi)，而是定義了交互繪圖工具類（面板對(duì)象類的友元），用于處理施加在面板對(duì)象上的交互操作，這樣保證了通用性、獨(dú)立性和可擴(kuò)充的能力。圖４給出了交互繪圖工具的類層次關(guān)系。

3.3數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)圖形顯示

數(shù)據(jù)可視化（Data Visualization）就是將數(shù)據(jù)以特定的動(dòng)態(tài)圖形方式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，供用戶監(jiān)控之用。在虛擬儀表中，諸如儀表的指針偏轉(zhuǎn)和示波器的波形變化等都反映了數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化，即面板對(duì)象圖形在測(cè)試過程中具有動(dòng)畫的效果。

虛擬儀表的數(shù)據(jù)可視化就是構(gòu)造一個(gè)從數(shù)據(jù)集到面板對(duì)象集的映射函數(shù)F:DG→V，它需要刻劃每一(dg,v)對(duì)的可視化語義。這樣，對(duì)于不同的面板對(duì)象可以建立圖形相對(duì)于其相應(yīng)的輸入變量變化的函數(shù)關(guān)系。

在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，當(dāng)數(shù)據(jù)變化頻繁時(shí)，對(duì)應(yīng)的面板對(duì)象實(shí)時(shí)刷新將造成屏幕閃爍。事實(shí)上，當(dāng)數(shù)據(jù)變化時(shí)，面板對(duì)象圖形的許多單元是固定不變的，變化的只是與數(shù)據(jù)存在參數(shù)映射的部分區(qū)域。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，構(gòu)造了用于顯示動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的繪圖函數(shù)。

在本系統(tǒng)中，虛擬儀表測(cè)試仿真計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)是通過網(wǎng)絡(luò)從主控計(jì)算機(jī)傳來的。仿真計(jì)算機(jī)運(yùn)行播出程序，啟動(dòng)面板對(duì)象顯示線程，并通過網(wǎng)絡(luò)不斷地獲取數(shù)據(jù)，同時(shí)為面板對(duì)象分派入數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示刷新儀表面板畫面。

在Windows環(huán)境下，我們應(yīng)用VC++面向?qū)ο蟮念惥幊碳夹g(shù)開發(fā)的虛擬儀表可視化通用系統(tǒng)，具有友好的圖形用戶接口，用戶可以方便地設(shè)計(jì)滿足自己需要的儀表系統(tǒng)。同時(shí)該系統(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)可視化仿真。