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人計算機(jī)儀器，它是計算機(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，完成對數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲、顯示等功 能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，其主要優(yōu)點是可以由用戶自己定義、自己設(shè)計儀器系統(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，這是因為，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)平臺應(yīng)該提供一個圖形化的編程設(shè)計環(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)是一個不包含數(shù)據(jù)采集及總線控制系統(tǒng)的虛擬測試平臺，主要用于對測試數(shù)據(jù)文件的事后處理或?qū)Ρ粶y對象進(jìn)行實時仿真測試，形成網(wǎng)絡(luò)化測試仿真系統(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)，實時顯示刷新數(shù)據(jù)、波形和圖像。該系統(tǒng)具有兩 個主要的特點：一是具有方便的交互性；二是實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和繪制的實時性，可以在不同的網(wǎng)絡(luò)端點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

整個軟件系統(tǒng)劃分為兩個獨立的子系統(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和結(jié)束。編控子系統(tǒng)又可以劃分為兩個子模塊：編輯模塊和播出控制模塊。通過編輯模塊，允許用 戶設(shè)計建立滿足自身需要的虛擬儀表模型，也可以對一個現(xiàn)有的儀表模型進(jìn)行編輯。通過播出控制模塊可以實現(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 視化對象是否可見，這樣可以使在不同的計算機(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 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。由于系統(tǒng)是面向PC機(jī)平臺的應(yīng)用，因此采用基于TCP／IP協(xié)議的Winsock接口實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸。

２、虛擬儀表面板對象

2.1面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法

在虛擬儀表的可視化設(shè)計過程中，采用了面向?qū)ο蠓椒?。一個虛擬儀表系統(tǒng)由許多儀表組成，每個虛擬儀表均由面板控制，因此按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想將面板分解為具有繼承關(guān)系的面板對象(Panel Object)，每個面板對象都有各自的獨立屬性和行為。

對于虛擬儀表系統(tǒng)，可以將其儀表面板對象劃分為基本的圖形元素和專用面板對象兩類，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 板對象包括按鈕、開關(guān)、旋鈕、動態(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面板對象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

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

各種面板對象都具有共同的屬性，因此基于各種面板對象的數(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象的基類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

class base{

m_csObjectName; 面板對象名稱

m_bVisible; 可視信息，0——不可見；1—— 可見

m_crPosition; 面板對象的位置信息及其包圍框大小信息

m_logbrush; 繪制該面板對象時采用的畫刷，決定填充屬性

m_logpen; 繪制該面板對象時采用的畫筆，決定線屬性

};

具體的面板對象的數(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象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.3 虛擬儀表實例

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

３、可視化設(shè)計與實現(xiàn)

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

在系統(tǒng)設(shè)計中采用面向?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象圖元。

3.1面板對象圖元集

定義了一個可擴(kuò)充的面板對象圖元集，這些對象是面板對象圖形屬性和操作的抽象表示。當(dāng)建立一個面板對象或編輯其屬性時，用戶只需指定面板對象，直接進(jìn)行繪制、移動、復(fù)制、刪除等操作，該對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

對于交互反饋，沒有集成在面板對象內(nèi)，而是定義了交互繪圖工具類（面板對象類的友元），用于處理施加在面板對象上的交互操作，這樣保證了通用性、獨立性和可擴(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)以特定的動態(tài)圖形方式顯示在計算機(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)的動態(tài)變化，即面板對象圖形在測試過程中具有動畫的效果。

虛擬儀表的數(shù)據(jù)可視化就是構(gòu)造一個從數(shù)據(jù)集到面板對象集的映射函數(shù)F:DG→V，它需要刻劃每一(dg,v)對的可視化語義。這樣，對于不同的面板對象可以建立圖形相對于其相應(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)計中，當(dāng)數(shù)據(jù)變化頻繁時，對應(yīng)的面板對象實時刷新將造成屏幕閃爍。事實上，當(dāng)數(shù)據(jù)變化時，面板對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)計時，構(gòu)造了用于顯示動態(tài)數(shù)據(jù)的繪圖函數(shù)。

在本系統(tǒng)中，虛擬儀表測試仿真計算機(jī)的數(shù)據(jù)是通過網(wǎng)絡(luò)從主控計算機(jī)傳來的。仿真計算機(jī)運(yùn)行播出程序，啟動面板對象顯示線程，并通過網(wǎng)絡(luò)不斷地獲取數(shù)據(jù)，同時為面板對象分派入數(shù)據(jù)，實時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)計滿足自己需要的儀表系統(tǒng)。同時該系統(tǒng)支持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)可視化仿真。