CN100343801C - 智能虚拟显示器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能控件化虚拟仪器的智能虚拟显示器制作方法，制作步骤包括：1.确定智能虚拟显示器的形态；2.确定智能虚拟显示器的构成；3.建立构成智能虚拟显示器的模块，建立仪器功能库和功能库；4.在Windows系统下建立智能控件化虚拟仪器开发系统并完成智能虚拟显示器的制作，包括：(1)通过设置和修改属性构建智能虚拟显示器的外观。(2)选择智能虚拟显示器的功能。(3)选择智能虚拟显示器所要实现的仪器功能。本发明的技术效果包括：能够实现多种显示模式，是一种虚拟显示设备；可以适应所有显示模式；可以实现多模式切换，满足复杂虚拟仪器对计算可视化的要求；能够实现即插即用功能，具备一般显示器的特征。

Description

智能虚拟显示器的制作方法

技术领域

本发明是在测试分析仪器领域及科学计算可视化领域中，提出一种全新的图形显示方式——一种通用性好、功能强大和人性化的智能虚拟显示器。

背景技术

申请日前有如下涉及虚拟仪器的已公开专利文献：

[1]Graphical method for programming a virtual instrument，NI Co.，UnitedStates Patent，5301336

[2]Instrumentation system & method including an improved driversoftware architecture，NI Co.，United States Patent，5963726

[3]System & method for creating resources in instrumentation system，NICo.，United States Patent，5710727

[4]System & method for performing interface independent virtualinstrumentation，NI Co.，United States Patent，5920479

[5]Functions in a graphical data flow program method & apparatus forcontrolling an instrumentation system，NI Co.，United States Patent，5724272

测试测量仪器发展至今，大体可分为三个阶段：第一个阶段为传统硬件化仪器，第二个阶段为现在流行的以软件为主体的虚拟仪器，第三个阶段为智能控件化虚拟仪器。

20世纪80年代中期首先出现于美国的虚拟仪器，是仪器技术及计算机技术相互渗透的结果。虚拟仪器(VI，Virtual Instrument)是通过应用程序将计算机资源(微处理器、存储器、显示器)和仪器硬件(A/D、D/A、数字I/O、定时器、信号调理器)的测量功能结合起来所形成的测量装置或测试系统。用户通过友好的图形界面(称为虚拟面板)操作计算机，就像操作传统仪器一样；通过库函数实现仪器模块间的通信、定时、触发以及数据分析、数据表达，并形成图形化接口。高速发展的计算机技术其处理能力已满足仪器所需的强大数据处理能力、显示存储功能和高分辨力图形显示。虚拟仪器使得仪器仪表最大程度地软件化，从而使仪器的发展搭上计算机发展的高速列车。可以认为虚拟仪器的出现在仪器仪表的发展中引起了一次飞跃，是仪器发展中的一个重要阶段。但是在仪器的结构形式和仪器的功能与面板控件的关系上，现在的虚拟仪器与传统的硬件仪器并没有本质的区别。而组建一台虚拟仪器，用户需要有较高的专业知识和素质：一方面，用户要清楚各种仪器的原理和构成；另一方面，用户要有计算机编程经验。这在虚拟仪器的开发中形成瓶颈，从而直接影响到它的快速发展。

智能控件化虚拟仪器采用测试融合原理和技术，使仪器的测试功能、性能和精度指标与仪器控件的相应结构融为一体，形成有智能特征的控件，再由这些智能虚拟控件经过简便的“拖-放”方式形成一台虚拟仪器。由于虚拟仪器进行了智能控件化，在制造虚拟仪器的过程中，无需进行(硬、软性)装配，只需将控件在计算机屏幕的“拼搭场”内作积木式拼搭即成。在拼搭过程中，各控件间形成的对仪器功能的制约关系与控件摆放的位置无关，各控件可随机置放，而仪器的功能、性能和精度不会因此发生改变。制造虚拟仪器及组建虚拟仪器系统将变得高效、简单，而且实现了在系统开放的前提下将仪器的设计与组建(编程)的工作留给专家或厂商而将定义仪器的权利完全留给了用户。

虚拟仪器有三大功能——数据采集、信号处理、结果表达，显示器作为“结果表达”的载体，在虚拟仪器中占据着重要位置。研究一种智能虚拟显示器有着很重要的意义。

“结果表达”包括模拟表盘显示、数码管显示、图形显示、声音及通信报警、记录及输出等。后两者属于报警和存储范畴，对故障信号、奇异信号给予颜色或声音报警，报告实验工作人员，是虚拟仪器智能性的表现；前三者属于科学计算可视化的范畴，尤其是图形显示。在传统仪器里，大量数据的存储是很困难和昂贵的，而对基于计算机的虚拟仪器而言，即便是海量存储也是容易实现的。

在虚拟仪器的显示中，不仅需要分析由计算机得出的计算数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化情况，而这些都需要借助计算机图形学及图像处理技术来实现。人们把应用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术，称为科学计算可视化(Visualizationin scientific Computing)，是发达国家在80年代后期提出并发展起来的一个新的研究领域。

虚拟仪器中的显示将图形生成技术、图像处理技术和人机交互技术结合在一起，其主要功能是从复杂的多维数据中产生图形，也可以分析和理解存入计算机的图像数据。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等多个领域。

由于虚拟仪器的显示将计算结果用图形或图像形象直观地显示出来，从而使许多抽象的、难于理解的原理和规律变得容易理解了，许多冗繁而枯燥的数据变得生动有趣了。虚拟仪器的显示在虚拟仪器中发挥着重要作用，是人机交互的重要窗口。同时基于计算机的虚拟仪器系统，借助商用计算机平台和Windows操作系统，以丰富多彩的色彩、多种多样的形式和强大的辅助功能实现详尽、生动地输出显示，可以完成传统硬件仪器难以实现的显示，比如三维瀑布图、色谱图等。这也是虚拟仪器的优势之一。

发明内容

本发明的目的是提供用于智能控件化虚拟仪器的智能虚拟显示器的制作方法。

本发明采用的技术方案具体描述为智能虚拟显示器的制作步骤，包括：

1、确定智能虚拟显示器的形态

智能虚拟显示器的形态主要指显示器的区域配置，把智能虚拟显示器划分为边框区、间隙区和至少一个图形显示区(参见附图1)。

2、确定智能虚拟显示器的构成

如附图2所示，智能虚拟显示器能够实现多个仪器功能，各仪器功能之间可以互相切换；每个仪器功能包含图形显示区数、绘图颜色表、绘图字体表和区域链表；区域链表又对应多个图形显示区；每个图形显示区则包含显示模式、数据管理和数据传输及其它的多个功能和涉及外观和性能的多个属性。

智能虚拟显示器采用上述构成模式，是为了便于实现不同仪器功能的切换，即用链表管理多个界面中的多个图形显示区，而多个图形显示区亦用链表动态管理各单个图形显示区。

3、建立构成智能虚拟显示器的模块

根据智能虚拟显示器的结构，可以划分出仪器功能模块、功能模块和属性模块三类，各模块可以建立各自的数学模型，其内容包括：

(1)仪器功能模块根据具体的仪器功能还可以继续划分为：示波器功能、信号发生器功能、FFT分析仪功能、小波变换分析仪功能、噪声测试分析仪功能、温度控制仪功能、扭矩测量仪功能、功率测量仪功能、机械效率测量仪功能、轴心轨迹测量仪功能、设备预测维修系统功能等。

(2)功能模块还可以继续划分为：显示模式、数据管理和数据传输、游标读数、双光标、图形放缩、旋转、统计、拟合和插值、打印输出等模块。其中显示模式是智能虚拟显示器最重要的功能，具体还可划分为：图片显示、金属质感棒图、平面棒图、峰值搜索图、动态示波图(从右到左)、动态示波图(从左到右)、多通道平铺图、多通道重叠图、(正弦)对数图、示波读数图、放大图、三维参数图、三维瀑布图、三维色彩图、双通道波形/棒图示波、双通道示波、单通道示波图、顶部菜单风格、XY图等。实现数据管理和数据统计功能主要体现在智能虚拟显示器的数据结构设计上，智能虚拟显示器的数据结构主要包括显示器外观参数、通道数和图形显示区参数(参见附图3)。

(3)属性模块还可以继续划分为：显示区背景设置、外观模式、人机交互模式、栅格(包括设置栅格颜色和宽度)、标注、文字、颜色、显示器的尺寸、边缘模式等涉及外观和性能的模块。外观模式是改变智能虚拟显示器的外观，分为：三维突凸模式、线性渐变模式、线性变灰的渐变模式、亮度渐变模式、线性变灰的亮度渐变模式和亮度渐变模式(参见附图4～9)。智能虚拟显示器具有三种人机交互模式：交互属性页、菜单交互和标签交互(参见附图10～12)。

(4)分别对这些模块进行数学建模，包括三维形状的建模，真实感处理建模，功能结构建模等。

(5)进行算法设计、数据结构设计和程序设计，完成了控件三维形状绘制算法、真实感处理算法、功能结构设置算法等函数。

(6)分别建立仪器功能库和功能库。

4、在Windows系统下建立智能控件化虚拟仪器开发系统，并在此系统中完成智能虚拟显示器的制作

在Windows系统下，采用面向控制、数据和显示的综合集成技术、层次消息总线技术建立具备动态模拟运行和演化等特性的智能控件化虚拟仪器开发系统。在此建立的开发系统中完成智能虚拟显示器的制作。其步骤为：

(1)通过设置和修改属性构建智能虚拟显示器的外观。

(2)选择智能虚拟显示器的功能，包括数据输入方式、参数测量的设置、显示模式的选择等。

(3)选择智能虚拟显示器所要实现的仪器功能。

在上述建立智能虚拟显示器的过程中，涉及的有关技术有信号传输到图形显示间的转换匹配装置、基于区域的配置方法、智能虚拟显示器的数据结构、智能虚拟显示器的外观实现及其它智能性措施等。

1、信号传输到图形显示间的转换匹配装置

通过此技术实现了在一个智能虚拟显示器中，通过统一的数据输入接口来实现丰富多彩的显示模式。

使用此装置的优点有：(1)在控件外部使用适配器来管理控件的交互控制，而不再与控件捆绑在一起，可以降低控件的复杂性，使之易于理解并方便程序的编写与修改。(2)分离控件间的交互控制，将增加控件的可复用性，这将使控件移植到不同的环境变得更为简洁和便利。此时只需修改控件的转换匹配装置而不是修改控件本身。

使得用户调用显示器只需通过接口调用相应的功能而不必了解具体的实现细节。下面两种情况适合采用此装置：(1)如果想通过接口调用类的一个方法，但那个类并没有相应的接口。修改类的源代码实现相应的接口并不是一个明智的选择，这基于以下两个原因：无论类是否具有代码，这个类设计的目的是作为一个基类；对基类而言为一个特定的目的专门实现一个接口是不合适的。(2)任何一个对象都期望能够动态地调用其它对象的方法，但关键的问题是调用者本身得不到其它对象类的相关信息。

这种连接请求与服务的中间件装置，它屏蔽了函数调用与函数实现的一一对应和交互性。通过转换匹配装置动态修改用户接口，使相同的用户请求，可以对应着不同的服务。如附图13所示，用户接口CI通过主转换匹配装置可映射到波形显示、XY显示、瀑布图显示等的对应功能实体。通过不同的类实现波形显示、XY显示、直方图显示、色谱图和地形图显示，把公用接口地址传递给主转换匹配装置，主转换匹配装置就像一个选择开关，在不同的情况下，指向不同的地址，也就是调用不同的服务。

波形绘制与波形数据是相对分离的，通过不同显示方式的转换匹配装置与相应的数据联系，绘制出波形、栅格、文字等，这就使得在不同显示模式间进行自由切换比较容易实现。

2、基于区域的配置方法

在步骤1确定智能虚拟显示器的形态中，涉及到基于区域的配置方法。

如附图1所示，智能虚拟显示器可以划分为边框区、间隙区和多个图形显示区。图形的绘制是以指定的区域为参考坐标的，而非显示器本身。这样各个图形区域的位置、大小可以随机置位，而不影响图形的显示程序和显示效果。

图形的多区域显示和鼠标追踪的关键问题是：1)任意划分显示器时，各区域原点位置的确定；2)不同区域中显示比例的确定；3)鼠标响应的窗口位置转化到特定区域的位置。

解决第一个问题的思路是：用GetWindowRect函数获取当前显示器的有效显示范围，根据用户设定的边框样式、宽度和输入的M，N参数(其中M为行分割数、N为列分割数)，将屏幕等分为M×N个区域，各区域的原点坐标为：

OrgX＝Col*(rect.right-rect.left)/N+Margin

OrgY＝Row*(rect.bottom-rect.top)/M+Margin

式中Row、Col为指定行、列值，Margin为边框区域的宽度。而对于非等分区域，就需引入各区域的长宽方向的尺寸比例和区域间间隙大小参数。针对虚拟仪器的显示需要，我们提供单列、双列两种显示模式，各区域和间隙参数可通过属性页交互自由设定。区域的原点坐标通过迭代方式表达为：

OrgX_i＝OrgX_i-1+X(i)*(rect.right-rect.left)+MarginX

OrgY_i＝OrgY_i-1+Y(i)*(rect.bottom－rect.top)+MarginY

式中X(i)、Y(i)表示该区域占整个显示器的长宽比例，MarginX、MarginY代表区域的间隙大小。

解决第二个问题应首先确定不同显示区域中，水平和垂直方向的最大值和最小值。根据水平与垂直方向最大值和最小值的差与给定信号的最大最小相比，得到不同区域的显示比例。并以此为基础，将给定信号绘制到指定区域，这是区域配置方法的核心内容。

解决第三个问题首先应了解Windows的消息驱动机制。当移动鼠标或按下鼠标键时就会产生一个INT 0CH中断，由Mouse.drv安装的鼠标中断截获这个中断后，把鼠标事件以鼠标消息的形式存放在系统队列中，然后对消息进一步处理或直接把它们发送到目标窗口。这是Windows的消息驱动机制，这也决定了鼠标响应回凋函数的返回的鼠标位置是基于窗口的，也就是相对于显示器的，需要转化为相对于特定区域的原点的坐标。具体实现为：(1)确定鼠标按下点属于哪个区域，这可用一个嵌套循环程序来实现；(2)用鼠标点坐标减去该区域原点坐标即得到相对于区域的坐标。这时就可以利用已建立的模型进行光标读数等操作了。

3、显示器参数数据结构

步骤3建立相应的数学模型中，涉及到显示器参数数据结构。

从附图13可以看出本文研制的虚拟智能显示器的参数和波形数据是独立出来，存放在数据仓库中。这样的目的，一是使各部分尽量独立，从软件工程角度讲，加强了模块内的内聚性，降低了编程的难度，提高了软件的可读性和可维护性，减少了软件出错的概率。同时，数据仓库，特别是数据结构，成为版本控制的核心，分离有利于版本升级和向下兼容管理。

数据结构包括显示器外观参数、通道数、图形显示区参数，如附图3所示。为了把一维、二维、三维波形数据统一到相同的数据存储结构，根据定义1的冗余思想构造统一的数学模型。而在波形、XY等具体绘图时，通过相反的办法，取出需要的数据，比如XY显示，就忽略有关Z的参数。

定义1：若F1＝f(a，x1)，F2＝f(a，b，x2)，F3＝f(a，b，c，x3)，构造函数F＝f(a，b，c，x1，x2，x3)。那么F1，F2，F3可以统一为F。

定义中的a、b、c为三维空间参数，x1、x2、x3为附加信息参数。

在一个显示器中，图形显示区可能有多个，其数量由通道数决定，通过链表来创建、追加、删除、管理区域。

另外，为了保持绘制函数的独立性，在显示器参数加入一个临时的图形显示区参数结构体，通过适配器将要操作的参数，传递给该结构。绘图操作只针对临时的图形显示区参数结构体。该结构体，不参与保存。

4、外观实现

在步骤3建立相应的数学模型中，还涉及到显示器外观实现。

虚拟显示器的外观主要包括背景、栅格和边框三大部分。背景和栅格的绘制比较简单，只需按交互输入页面改变颜色等。边框的设计影响的整个显示器的形象，并直接关系到虚拟仪器的整体美观。我们提供了多种显示效果和处理方案，以满足虚拟仪器的整体风格一致、颜色协调、美观大方。可选择的显示效果包括(参见附图4-9)：

(1)三维突凸效果。输入三元色RGB值，生成阴阳边缘过渡。

(2)线性渐变效果。输入起始、终止RGB值：RS、GS、BS，计算R、G、B各分量的步距：Rstep、Gstep、BStep，从而确定各点的颜色：r、g、b。另设参数i表示步进量。

       [r，g，b]＝[RS+i*RStep，GS+i*GStep，BS+i*BStep]

(3)亮度渐变效果。输入RGB值，将RGB值转化为HLS(Hue，Luminance，Saturation)值。通过递进修改LS，获得新的HLS，并转化为对应点的RGB值。

颜色处理的方式主要有灰度和亮度处理。将彩色图象转化为灰阶图象常采用如下的经验公式：

            gray＝0.30*R+0.59*G+0.11*B

式中R、G、B为原图象中相应点的RGB值，gray为变换后的图象颜色值，即图象颜色为RGB(gray，gray，gray)。

常用的增强灰阶图象的点处理方法有：灰度比例变换、灰度线性变换、灰度线性截断、两段化灰度分层切片、三段线性变换、灰度取反、灰度对数变换以及灰度指数变换等。

灰度比例变换很直观，它把原象素的灰度乘以一个缩放因子，并最后截至[0，255]。灰度线性变换则是改变对比度的重要的方法。当图象由于成像时曝光不足或曝光过度，会产生对比度不足的弊病，从而使图象中的细节分辨不清。将图象灰度进行线性扩展，常能显著地改善图象的外观。灰度线性变换的计算公式：

式中，f是原象素的灰度，g为变换后的灰度。很显然，该变换把属于[a，b]的灰度级变换至灰度区间[c，d]，而没有在[a，b]区间的原象素灰度将保持不变。这里，a，b，c，d，f，g均为[0，255]之间的整数值。可见，a被映射为c，b被映射为d。

亮度处理可以直接乘以亮度比例，也可以通过HLS模式调节。如果亮度比例小于100％，则新图象比原图象暗。

另外也可以选择无边框、无颜色处理的模式。

5、虚拟显示器的智能性

在步骤3建立相应的数学模型中，还涉及到其它关于属性的技术，这些技术使得虚拟显示器呈现出一定的智能性，可以在基于上述插接式集成体系结构的拼搭场上积木式的装配。

(1)随机置位

该显示器可以在其它控件之前、之后或在其间装配，可以放置于拼搭场中任何位置，其大小、外形也可以由用户定义。

(2)显示模式间自由切换

在温度测试仪中，需要同时显示历史曲线和温度统计直方图，在小波分析中，要并列显示离散小波变换的各分解分量，也要显示连续小波变换中的时间一尺度一幅值的三维图，在阶比分析仪中，要绘制XY图和色谱图，所以在各显示模式间切换对于仪器特别是复杂仪器中是十分必要的。

(3)丰富的人机交互手段

通过属性页可以修改几乎所用的显示参数(参见附图10～12)。属性页包括以下6方面的内容：

1)显示器外观，包括边框、绘图区颜色、文字颜色、栅格颜色及宽度等；

2)各通道私有风格，包括标注文字、量程、栅格模式及步距；

3)信息捕捉，包括光标追踪窗口、光标追踪模式(所有值、单峰值、双峰值)、光标比较、放大模式、测量统计信息、插值模式；

4)三维特征设置，包括选择真实感色彩过渡模式、是否启动附加窗口等；

5)窗口布局设置，包括单列/双列设置、各窗口的高度、窗口间隙的大小等；

6)其它，包括坐标的切换、直方图的质感设置、数据缓冲区的长度、动态显示的方式、文字标注的区域等。

另外也可以通过菜单进行常用的设置。在运行模式也可以通过菜单或顶部功能标签，执行各项操作。

(4)记忆和自适应功能

记忆功能是指通过用户交互设定的模式，可以自动记忆，在多次切换之后，可以完全保持原貌。自适应功能是根据输入的数据特征，自动找到一种合适的显示模式。灵活检查输入指令，对不合法指令，作出安全处理。

(5)即插即用

所谓即插即用，就是对任意时间、任意位置的显示器，无区别的对待，只要显示器装配到拼搭场中，它就开始工作。这是显示器适用于拼搭场拼搭的必要条件。

由上述智能虚拟显示器的软件实现方法建立的智能虚拟显示器实例如附图14～32所示，计有：图片显示、金属质感棒图、平面棒图、峰值搜索图、动态示波图(从右到左)、动态示波图(从左到右)、多通道平铺图、多通道重叠图、(正弦)对数图、示波读数图、放大图、三维参数图、三维瀑布图、三维色彩图、双通道波形/棒图示波、双通道示波、单通道示波图、顶部菜单风格、XY图等。

本发明的技术效果包括：

1、显示模式是显示图形的方式，智能虚拟显示器能够实现多种显示模式，是一种虚拟显示设备。

2、显示模式对数据格式要求严格，智能虚拟显示器可以适应所有显示模式。

3、智能虚拟显示器可以实现多模式切换，可以满足复杂虚拟仪器对计算可视化的要求。

4、能够实现即插即用功能，具备一般显示器的特征。

附图说明

以下结合附图作进一步说明。

附图1为智能虚拟显示器的区域配置图，图中把显示器划分为边框区、间隙区和多个图形显示区，图形显示区又包括标注区、栅格区、绘图区等。

附图2为智能虚拟显示器的结构图。智能虚拟显示器能够实现多个仪器功能，各仪器功能之间可以互相切换；每个仪器功能包含图形显示区数、绘图颜色表、绘图字体表和区域链表；区域链表又对应多个图形显示区；每个图形显示区则包含显示模式、数据管理和数据传输及其它的多个功能和涉及外观和性能的多个属性。

附图3为智能虚拟显示器的数据结构，包括显示器外观参数、通道数和图形显示区参数。

附图4～9为虚拟显示器的外观模式，分别为：三维突凸模式、线性渐变模式、线性变灰的渐变模式、亮度渐变模式、线性变灰的亮度渐变模式和亮度渐变模式。

附图10～12为三种人机交互接口：交互属性页、菜单交互和标签交互。

附图13为虚拟显示器的原理图，从图中可以看出用户接口CI通过主适配器可映射到波形显示、XY显示、瀑布图显示等的对应功能实体。

附图14～32智能虚拟显示器的软件实现方法建立的智能虚拟显示器实例。计有：图片显示、金属质感棒图、平面棒图、峰值搜索图、动态示波图(从右到左)、动态示波图(从左到右)、三维图、多通道平铺图、多通道重叠图、(正弦)对数图、示波读数图、放大图、三维瀑布图、三维色彩图、双通道波形/棒图示波、双通道示波、单通道示波图、项部菜单风格、XY图。

其中附图14为图片显示。

附图15～16为金属质感棒图和平面棒图。棒图(或称直方图)显示在科学统计、工业实时监控等领域中有着广泛的应用，比如，在噪声分析仪中，显示噪声信号的倍频程图。

附图17为峰值搜索图。

附图18～19为动态示波图(从右到左)、动态示波图(从左到右)。

附图20为三维图。

附图21～22为多通道平铺图和多通道重叠图。

附图23为(正弦)对数图。

附图24为示波读数图。

附图25为放大图。

附图26为三维瀑布图。在虚拟仪器中，借助计算机系统的显示设备，通过投影矩阵变换将离散的三维空间数据场转换为离散的二维数据，即对三维离散数据场的重新采样和图像合成的方法来实现三维场的数据显示。同时参考Matlab的颜色管理，建立了一张可伸缩的颜色数据表，使不同大小的数据对应着其中的不同的颜色值，给人以真实、直观的感觉，适合于小波分析、联合时频分析、医学图像信号处理和三维造型等方面使用。

附图27为三维色彩图。三维色彩图(或称色谱图)是实现三维场数据显示的另一种方式，通过颜色表达第三维。此方式与三维瀑布图互为补充：三维瀑布图感性化，形象直观，色谱图具有更好的量化特征，可以通过交互游标进行科学、准确的读数。

附图28为双通道波形/棒图示波。

附图29～30为双通道示波和单通道示波图。

附图31为顶部菜单风格图。

附图32为XY图。如果取样的区间并非有规律性，或者为了描述两组数据的某种关系，则需要一组数据沿X轴显示，另一组数据沿Y显示。这就需要使用XY图绘图模式，输入一一对应的X、Y值。

附图33为虚拟记忆示波器的功能结构图。

附图34为虚拟记忆示波器的软件设计图。

附图35～39为拼搭好的智能控件化虚拟记忆示波器，分别表示单通道信号的示波，对信号的光标读数，双通道信号的示波，正弦和方波的相加，以及调频信号的放大图。

具体实施方案

现以智能控件化记忆示波器为例来说明智能虚拟显示器的实现过程。

1、分析仪器的功能组成，并建立功能库

示波器的主要功能是观察和测量电信号的波形，不但能观察到电信号的动态过程，而且还能定量地测量电信号的各种参数。例如交流电的周期、幅度、频率、相位等。在测试脉冲信号时，响应非常迅速，而且波形清晰可辨。另外还可将非电信号转变为电信号，用来测量温度，压力、声、热等，因此它的用途非常广泛。

虚拟记忆示波器是在数字记忆示波器的理论基础上发展起来的，也是最早，最成功的虚拟化产品之一。借助商用计算机平台的运算处理和Windows等操作系统，虚拟记忆示波器能够实现大数据量的存储、方便快捷的输出、实时捕捉信息、智能化的交互显示、比较测量、自动测量，以及对数据进行各种不同的处理，包括FFT、时频分析等。而采用智能虚拟控件后，虚拟记忆示波器就改造为智能控件化记忆示波器。

(1)虚拟记忆示波器的系统原理

数字记忆示波器的规范和主要的功能指标有：1)带宽；2)采样样本；3)存储及输出功能；4)触发功能，常用的触发方式有：边沿、视频、毛刺等；5)分析功能。

虚拟记忆示波器由计算机、数据采集卡和分析处理软件构成。其功能结构如附图33所示，主要分为以下几部分：1)数据采集硬件部分。由数据采集板和相应的驱动程序组成；2)数据采集过程。由驱动程序实现对数据采集硬件的设定，包括量程、信号通道、采样频率/触发控制和时基控制等，以及对采样数据的读取及海量存储到硬盘等设备，完成模拟量到数字量的转换；3)数据预处理。对采集数据进行数字滤波、零均值化、基本特征量统计、数据拟合等处理；4)图形显示。以动态曲线、直方图、数字等形式将信息显示的显示屏上；5)数据分析处理包。包括抖动分析、FFT变换、峰值搜索以及积分、微分等运算，这也是虚拟记忆示波器显著的优势；6)数据输出。将显示数据或采集数据以磁盘文件形式存储或打印，以便回放；7)操作控制过程。操作人员通过控制软面板发出控制信号，控制硬件和软件模块作相应的处理。

(2)数据采集系统

数据采集系统的性能指标直接影响虚拟仪器的精度。选择数据采集系统要综合考虑以下因素：

1)总线：VXI总线价格相对较高，适用于尖端和军用测试领域；ISA总线，曾经在虚拟仪器中大量使用，但由于其带宽、位数等的限制，不能满足系统工作的要求，将逐步淘汰；串口、并口和USB已成为计算机的标准配置，串口、并口适用于采样频率较低，数据量较少的应用，而随着USB总线规范的完善和更多厂商的支持，特别是变携式计算机的普及，USB得到更广泛的使用；PCI总线有独特的优点及很高的性价比，比较适合我国国情。

2)采样频率：采样频率的选择应满足香农采样定理的要求，即f_n＝2f_N≥2f_max(f_max为信号的最高频率，f_n为采样频率，f_N为分析频率)。在工程应用中，须留下一定的裕量，一般取f_n＝(4～10)f_max。实际上，在满足香农定理的前提下，采样频率的确定还必须兼顾数据长度和频率分辨率Δf的要求，即f_n＝NΔf。为了方便数据处理，一般取N为2的整数幂。综合考虑，才能最终确定合适的采样频率。

3)分辨率：分辨率是指A/D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变换量。设A/D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则A/D转换器的分辨率定义为：分辨率＝FSR/2ⁿ。另外，也可以用百分数来表示分辨率，此时的分辨率称为相对分辨率。相对分辨率的定义为：相对分辨率＝1/2ⁿ×100％。A/D转换器的位数一般有8位、10位、12位、16位、24位等，A/D转换器分辨率的高低取决于位数的多少，因此，目前一般都简单地用A/D转换器的位数n来间接代表分辨率。

4)触发方式：数据采集系统中触发信号有两个来源，一是来自微机系统的控制信号，称为内触发式；一是来自现场的扰动信号，称为外触发式。

除此之外，精度、量程以及价格等因素也应给予充分的考虑。

(3)虚拟记忆示波器的功能特征及实现

虚拟记忆示波器是示波器测量法和计算机技术相结合的产物，它集成了示波器和计算机的主要特征，还产生了一些新的独特的技术特征和功能。

1)存储和提取波形参数。计算机提供了多种存储方式，如内存、硬盘、软盘以及网络等，为示波器提供了记忆存储的条件。数字化存储便于复现和进行计算机分析处理，尤其是在现场和野外测试，可以将测试结果带回实验室进行细致的分析和数据处理，往往会得到重要的试验结果。记忆示波器必须具备两种工作状态：采样状态和回放状态。当记忆示波器处于采样状态时，数据来自A/D转换器，此时实时显示输入端的电压波形。当记忆示波器处于回放状态时，数据来自计算机内存，此状态可显示已采集的数据或从磁盘中读出的历史数据。

2)数学运算。虚拟记忆示波器可以进行波形的加、减、乘、除、微分、积分、对数、指数、代数表达式运算等，以便发现信号或信号间的微妙关系。还可以将复杂信号经FFT变换转换到频域中进行观察分析，用于判断放大器及滤波器的频响、测量信号源的噪声、通信的调制分析等。这是传统记忆示波器难以实现的。

3)丰富的显示功能。记忆示波器不仅具有多种动态曲线显示方法，可对信号进行缩小或局部放大等，还具有直方图、XY显示等。信号的直方图分析已成为高档记忆示波器的一个共同特点，主要用于提供对批量测量数据的分布显示、检验产品的质量、查出间歇性故障的原因、追踪测量数据的变化趋势等。虚拟记忆示波器可提供三种直方图分析方法：波形统计处理、波形参数结果的统计处理和电压直方图显示。XY图用于描述两组信号的相互关系，当两通道都处于选通状态时，可选用此模式来显示李沙育(Lissajous)图形及测量相位差或频率，而且还可以同时显示时域波形和频谱变换后的频域信号，以及对功能选择、运行状态和测量结果的全屏幕注释。

4)光标读数。通常，数字示波器有4条测量光标：2条电压光标(水平)和2条时间光标(垂直)，分别用来在屏幕上标出所测量的电压差ΔV和时间差ΔT。

5)测量和自动测量(AUTOSETUP)。虚拟记忆示波器具有的常规测量参数包括：①振幅——振幅的高、低，最大值与最小值，峰-峰值，平均值，周期平均值，均方根值(RMS)，周期均方根值，正过冲与负过冲等；②时间——上升时间，下降时间，正脉宽，负脉宽，正工作周期，负工作周期，时间，频率，延迟等；③组合——区域，周期区域，相位，脉冲宽度等；④直方图相关测量——波形数，框点击数，最高点击数，中值，最大值，最小值，峰-峰值，平均值等。借助光标与数字显示，按程序自动完成对记忆示波器的参数设定和波形显示，包括时间轴扫描参数和电压轴数值范围的设定、仪器本身的自动校准等，以及波形参数的计算与数字化测量。

6)组建自动测试网络。基于计算机的虚拟记忆示波器构建自动测试网络是很方便的。利用计算机的并口、串口、USB、PCI等扩展接口，绘图仪、打印机、硬盘、软盘、网络等输出设备，以及操作系统、特定软件包的支持和协作，可以组建功能强大的自动测试网络，满足特定复杂的测试需求。

这样，根据记忆示波器的原理和功能，结合计算机软件工程的思想，将功能细化为若干个功能模块，分别对这些功能进行数学建模和算法设计及编程，建立与虚拟记忆示波器对应的功能库。(参见附图34)。

2、智能虚拟显示器的制作

根据智能虚拟显示器的制作步骤，在Windows系统下建立的智能控件化虚拟仪器开发系统中完成智能虚拟显示器的制作。

(1)对智能虚拟显示器进行属性设置，完成智能虚拟显示器的外观制作。

(2)确定智能虚拟显示器需要实现的功能，特别是完成显示模式的选择。

(3)联系虚拟记忆示波器的仪器功能，从已建立的仪器功能库中选择所需功能。

经过以上步骤，用于智能控件化记忆示波器的智能虚拟显示器制作完成了。

3、在智能控件化虚拟仪器开发系统中组建一台四通道500kHz的智能控件化记忆示波器

根据记忆示波器的原理把虚拟记忆示波器划分为以下四组控件群：

(1)通道选择。它包括总通道数和当前通道数。总通道数由滑杆控制，可以选择1、2、3、4，分别表示单通道、双通道、三通道和四通道采样。当前通道数指定一个通道用于通道设定。

(2)通道设定。对当前通道的X扫描时基、Y放缩因子、Y移动因子进行设定，可以稳定、直观地观察信号。

(3)示波控制。包括示波、暂停、记录、回放、退出、波形叠加、打印比例、打印等等功能控制操作。

(4)设置采样频率。用于设置硬件采集系统的采样频率。

根据这四组控件群又选择了智能虚拟旋钮、智能虚拟按钮、智能虚拟滑杆等智能虚拟控件，与前面建立的智能虚拟显示器相配合，共同构成智能控件化的虚拟记忆示波器。

附图35～39是按照上述方法拼搭好的智能控件化记忆示波器的几种显示模式，分别为单通道低频信号的示波图，对信号的光标读数图，双通道信号的示波图，正弦和方波的相加图，以及调频信号的放大图。

Claims (5)

1、一种智能虚拟显示器的制作方法，包括以下步骤：

(1)确定智能虚拟显示器的形态；

(2)确定智能虚拟显示器的构成，包括：

至少一个仪器功能，各仪器功能之间可以互相切换；每个仪器功能包含图形显示区数、绘图颜色表、绘图字体表和区域链表；区域链表又对应多个图形显示区；每个图形显示区则包含显示模式、数据管理和数据传输及涉及外观和性能的属性；

(3)建立构成智能虚拟显示器的模块：

根据智能虚拟显示器的结构，可以划分出仪器功能模块、功能模块和属性模块三类，各模块可以建立各自的数学模型，其内容包括：

①仪器功能模块根据具体的仪器功能包括：示波器功能、信号发生器功能、快速傅立叶变换分析仪功能、小波变换分析仪功能、噪声测试分析仪功能、温度控制仪功能、扭矩测量仪功能、功率测量仪功能、机械效率测量仪功能、轴心轨迹测量仪功能、设备预测维修系统功能；

②功能模块包括：显示模式、数据管理和数据传输、游标读数、双光标、图形放缩、旋转、统计、拟合和插值、打印输出模块；其中显示模式具体还可划分为：图片显示、金属质感棒图、平面棒图、峰值搜索图、从右到左的动态示波图、从左到右的动态示波图、多通道平铺图、多通道重叠图、正弦对数图、示波读数图、放大图、三维参数图、三维瀑布图、三维色彩图、双通道波形/棒图示波、双通道示波、单通道示波图、顶部菜单风格、XY图；实现数据管理和数据统计功能主要体现在智能虚拟显示器的数据结构设计上，智能虚拟显示器的数据结构主要包括显示器外观参数、通道数和图形显示区参数；

③属性模块包括：显示区背景设置、外观模式、人机交互模式、栅格、标注、文字、颜色、显示器的尺寸、边缘模式的涉及外观和性能的模块，其中，外观模式包括：三维突凸模式、线性渐变模式、线性变灰的渐变模式、亮度渐变模式；人机交互模式包括：交互属性页、菜单交互和标签交互；

④分别对这些模块进行数学建模，包括三维形状的建模，真实感处理建模，功能结构建模；

⑤进行算法、数据结构和程序设计，完成控件三维形状绘制算法、真实感处理算法、功能结构设置算法函数；

⑥分别建立仪器功能库和功能库；

(4)在Windows系统下建立智能控件化虚拟仪器开发系统，并在此系统中完成智能虚拟显示器的制作，其步骤为：

①通过设置和修改属性构建智能虚拟显示器的外观；

②选择智能虚拟显示器的功能，包括数据输入方式、参数测量的设置、显示模式的选择；

③选择智能虚拟显示器所要实现的仪器功能。

2、根据权利要求1所述的智能虚拟显示器的制作方法，其特征是：步骤(1)确定智能虚拟显示器形态采用的是基于区域的配置方法，步骤包括：(1)任意划分显示器时，各区域原点位置的确定；(2)不同区域中显示比例的确定；(3)鼠标响应的窗口位置转化到特定区域的位置。

3、根据权利要求1所述的智能虚拟显示器的制作方法，其特征是：步骤(2)中还包括显示模式的互相切换，其方法包括采用信号传输到图形显示间的转换匹配装置。

4、根据权利要求1所述的智能虚拟显示器的制作方法，其特征是：步骤(3)中建立数学模型涉及的显示器参数数据结构包括：显示器外观参数、通道数、图形显示区参数；其中，外观参数包括：位置大小、背景栅格颜色、光标追踪窗口的大小、颜色、插值、放大模式、整体风格参数、文字规格参数；图形显示区参数包括显示区位置、大小、图形数据、绘图模式、栅格属性设置、标注方式、文字、显示区量程参数。

5、根据权利要求1所述的智能虚拟显示器的制作方法，其特征是：步骤(3)建立的数学模型中包括显示器外观的实现方式，包括：

(1)输入三元色RGB值，生成阴阳边缘过渡，实现三维突凸效果；

(2)输入起始、终止RGB值：RS、GS、BS，计算R、G、B各分量的步距：Rstep、Gstep、BStep，从而确定各点的颜色：r、g、b；另设参数i表示步进量，[r，g，b]＝[RS+i*RStep，GS+i*GStep，BS+i*BStep]，实现线性渐变效果；

(3)输入RGB值，将RGB值转化为色度、亮度、饱和度值，通过递进修改亮度、饱和度值，获得新的色度、亮度、饱和度值，并转化为对应点的RGB值；实现亮度渐变效果。

Images