Introduction to Virtual Instrumentation
1. Introduction
An instrument is a device designed to collect data from an environment, or from a unit under test, and to display information to a user based on the collected data. Such an instrument may employ a transducer to sense changes in a physical parameter, such as temperature or pressure,and to convert the sensed information into electrical signals, such as voltage or frequency variations. The term instrument may also be defined as a physical software device that performs an analysis on data acquired from another instrument and then outputs the processed data to display or recording devices. This second category of recording instruments may include oscilloscopes, spectrum analyzers, and digital millimeters. The types of source data collected and analyzed by instruments may thus vary widely, including both physical parameters such as temperature, pressure, distance, frequency and amplitudes of light and sound, and also electrical parameters including voltage, current, and frequency. Virtual instrumentation is an interdisciplinary field that merges sensing, hardware, and software technologies in order to create flexible and sophisticated instruments for control and monitoring applications. The concept of virtual instrumentation was born in late 1970s, when microprocessor technology enabled a machinersquo;s function to be more easily changed by changing its software. The flexibility is possible as the capabilities of a virtual instrument depend very little on dedicated hardware – commonly, only applicationspecific signal conditioning module and the analog-to-digital converter used as interface to the external world. Therefore, simple use of computers or specialized onboard processors in instrument control and data acquisition cannot be defined as virtual instrumentation. Increasing number of biomedical applications use virtual instrumentation to improve insights into the underlying nature of complex phenomena and reduce costs of medical equipment and procedures. In this chapter, we describe basic concepts of virtual instrumentation.
2. Evolution of Virtual Instrumentation
Virtual instrumentation combines mainstream commercial technologies, such as the PC, with flexible software and a wide variety of measurement and control hardware, so engineers and scientists can create user-defined systems that meet their exact application needs. With virtual instrumentation, engineers and scientists reduce development time, design higher quality products, and lower their design costs. A large variety of data collection instruments designed specifically for computerized control and operation were developed and made available on the commercial market, creating the field now called “virtual instrumentation.”
Thus, virtual instrumentation refers to the use of general purpose computers and workstations, in combination with data collection hardware devices and virtual instrumentation software, to construct an integrated instrumentation system. In such a system, the data collection hardware devices are used to incorporate sensing elements for detecting changes in the conditions of test subjects. These hardware devices are intimately coupled to the computer, whereby the operations of the sensors are controlled by the computer software and the data collection devices are displayed on the computer screen with the use of displays simulating in appearance of the physical dials, meters, and other data visualization devices of traditional instruments. Virtual instrumentation systems also comprise pure software “instruments,” such as oscilloscopes and spectrum analyzers, for processing the collected sensor data and “messaging” it such that the users can make full use of the data.
3. Virtual Instrumentation
Virtual instrumentation achieved mainstream adoption by providing a new model for building measurement and automation systems. Keys to its success include rapid PC advancement; explosive low-cost, high-performance data converter (semiconductor) development; and system design software emergence. These factors make virtual instrumentation systems accessible to a very broad base of users.
3.1 Definition
A virtual instrumentation system is a software that is used by the user to develop a computerized test and measurement system, for controlling an external measurement hardware device from a desktop computer, and for displaying test or measurement data on panels in the computer screen. The test and measurement data are collected by the external device interfaced with the desktop computer. Virtual instrumentation also extends to computerized systems for controlling processes based on the data collected and processed by a PC based instrumentation system.
There are several definitions of a virtual instrument available in the open literature. Santori defines a virtual instrument as “an instrument whose general function and capabilities are determined in software.” Goldberg describes that “a virtual instrument is composed of some specialized subunits, some general-purpose computers, some software, and a little know-how”. Although informal, these definition capture the basic idea of virtual instrumentation and virtual concepts in general – provided with sufficient resources, “any computer can simulate any other if we simply load it with software simulating the other computer.” This universality introduces one of the basic properties of a virtual instrument – its ability to change form through software, enabling a user to modify its function at will to suit a wide range of applications.
3.2 Architecture of Virtual Instrumentation
A virtual instrument is composed of the following blocks:
– Sensor module
– Sensor interface
– Information systems interface
– Processing module<!--
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虚拟仪器简介
1. 简介
仪器就是用来收集数据并通过这个数据向用户显示信息的一种设备。这种数据可以来自环境，或者从一个测试中取得。这种仪器可以通过一个传感器来识别自然界中的变化，比如温度和压力，并把识别到的信息转换成电信号，比如电压或频率的变化。专用仪器可以定义为一种自然软件设备，这种设备可以分析从另一个仪器上得来的数据并显示或记录下处理过的数据。第二类可以记录的仪器包括示波镜，光谱分析器和数码显示器，因此，用这些仪器收集和分析的源数据就会不同，既包括物理参数如光和声的温度，压力，距离，频率和幅度，又包括电参数如电压，电流和频率。虚拟仪器就是一种混合感官，硬件和软件技术的跨学科组领域的用于产生灵活精密控制和监控的应用软件。虚拟仪器的概念产生于二十世纪七十年代晚期，那时微处理技术通过改变它的软件使得机器的功能简单化。只靠一个核心硬件，虚拟仪器就已经够灵活了，通常，只有特定的信号波形加工模式和作为与外界接口使用的模数转换器才能如此。因此，计算机或专门随身携带的仪器中的处理器控制和获得数据不能定义为虚拟仪器。越来越多的关于生物医学软件使用虚拟仪器来加强对大自然复杂现象的洞察，从而减少医学设备的成本和原有的步骤。在这一章节中，我们讲述了虚拟仪器的基本概念。
2. 虚拟仪器的发展
虚拟仪器联合了商业技术的主流，如PC机，拥有灵活的软件和各种测试和控制硬件，所以工程师和科学家们可以根据他们的需要创造自定义系统。有了虚拟仪器，他们减少了程序调试时间，可以设计更高质量的产品并降低设计成本。大量的专为计算机控制和操作而设计的数据收集仪器很先进并可在商业市场上使用，打开了一个叫做“虚拟仪器”的领域。
因此，虚拟仪器是指有目的的将计算机和工作站与数据收集硬件设备和虚拟仪器软件相结合，从而构建一个集成系统的使用。在这样一个系统中，数据收集硬件设备用来合并传感元件并探测在测试条件下的变化。这些硬件设备跟计算机连接，这样传感器的操作就受计算机软件控制，从数据收集设备输出的结果就会显示在计算机屏幕上，看起来就像是在模拟自然特征和传统仪器设备的其他数据。虚拟仪器系统也包含纯软件“仪器”，如示波镜和光谱分析仪，用它们来收集灵敏数据并传达这个信息，用户从而可以充分使用这些数据。
3. 虚拟仪器
虚拟仪器通过为构建测控系统提供了一个新的模型而成为主流。它的成功包括PC机的快速改进，低成本高性能的数据转换（半导体）的发展和系统设计软件的出现。这些因素使得虚拟仪器系统得到了广泛的应用。
3.1 定义
虚拟仪器系统就是一种软件，用户用它来开发一个计算机化的测试系统，通过台式电脑的外部测量硬件设备来控制，并在屏幕上显示测量数据。测试数据保存在台式电脑的外部设备的界面上。虚拟仪器还扩展到计算机系统控制过程，该过程基于一个仪器系统组成的PC机的数据收集和处理。
在公开文献中，虚拟仪器的定义有很多种。Santori把虚拟仪器定义为“一般功能是由软件决定的仪器”，Goldberg描述为“虚拟仪器由一些特殊的部分，一些普通用途的电脑，一些软件和一些小诀窍组成”。虽然是非正式的，这些定义在概念上大体上捕获了虚拟仪器和虚拟的基本思想，提供了足够的资源。“如果我们只是负荷模拟其它计算机的软件，任何一台电脑都可以模拟其它电脑。”这种普遍性介绍了虚拟仪器的一个基本性能----它能够通过软件改变形式，允许用户修改它的功能以适应广泛的应用。
3.2 虚拟仪器的构建
一个虚拟仪器由下面几块构成：
- 传感器模块
- 传感器接口
- 信息系统界面
- 处理模块
- 数据库接口
- 用户界面
图1显示了虚拟仪器的一般构建。该传感器模块检测物理信号并转换为电气形式，条件的信号，并转换为数字形式以便进一步的操作。传感器模块可以通过一个传感器接口与计算机进行通信。一旦数据在电脑中是数字形式，它们就会被处理，混合，比较，否则就是操纵或存储在一个数据库中。然后，该数据可能显示或转换回模拟形式以便进一步的控制。虚拟仪器往往与其它信息系统综合在一起，这样一来，配置设置和测量的数据可被储存，并与记录有联系。在以下各节会详细说明虚拟仪器的每一个模块。
图1 虚拟仪器的构成
传感器模块
传感器模块执行信号调整并转换成数字形式，以便进一步的操作。一旦数据以数字形式存在在计算机中，它们就会被显示，处理，混合，比较，存储在数据库中或转换回模拟形式以便进一步的处理控制。数据库也可存储配置设置和信号记录。传感器模块接口将虚拟仪器与外部连接，主要是模拟信号并转换成计算机可读形式。一个传感器模块主要由三部分组成：
- 传感器
- 信号调整部分
- A/D转换器
传感器从环境中检测物理信号，如果被测量的参数没有电气特性，那这个传感器必须包括一个能将信息转换成电信号的传感器，例如，测量血压时。信号调节模块执行（通常是此类）信号调节优先于AD转换，次模块通常将检测到的信号扩增，传感器激励，线性化，隔离，过滤。
A/D转换器将检测和条件化的电话转换成数字值，该转换器由其分辨率和采样频率定义。转换的数据必须精确时间标记，以方便后面复杂的分析。虽然大多数生物医学传感器专门用来处理某些信号，但使用一些通用的测量元件测试这些信号也是有可能的，如数据采集（DAQ），或图像采集（IMAQ）议会，这可能是使用与更广泛的一类信号。建立通用的测量块，并将不同传感器最重要的部分纳入到一个单元中，这有可能在相同的计算机是上实现许多医疗仪器的功能。
传感器接口
在传感器模块和计算机之间有很多用来通信的接口。根据连接的类型，传感器接口可以分为有线的和无线的。
- 有线接口通常是标准的并行接口，如GPIB,小计算机系统接口（SCSI），系统总线（仪器PCI的PCI扩展或仪器的VME扩展（VXI）），或串行总线（RS232或USB接口）
- 无线接口由于自身的方便越来越多，典型的接口包括802.11系列标准，蓝牙，或GPRS/GSM接口。无线通信对于植入传感器的地方特别重要，那里连接电缆是不切实际或根本就是不可能的。此外，标准，如蓝牙，定义了一个自我认同的协议，允许网络动态配置并可以描述自身，这样，减少安装费用和产生像传感器网络一样即插即用的网络就有可能实现了。允许用医疗设备进行智能传感器通信的个人区域网络（PANs）发展的装置的小型化发展也是规范与IEEE 1073系列标准。此接口是要在设备经常与网络连接和断开的这种非常强劲的环境下使用的。
处理模块
一般用途的微处理器/微控制器的一体化允许精密的处理功能的灵活执行。虚拟仪器的功能很少依靠精密的硬件，这主要是因为不需要执行任何复杂的加工，使用不同的处理功能，虚拟仪器的功能和外观可能会彻底改变。大体上说，虚拟仪器中使用的处理技术可被分为分析处理和人工智能技术。
- 分析处理：分析功能定义了输入之间明确的功能关系。在虚拟仪器中使用的一些常见分析包括频谱分析，过滤，加窗，变换，峰值检测，或曲线拟合。虚拟仪器往往使用各种功能，如随机分配和生物统计分析，目前大多数功能都可以在实际工作时间内执行。
- 人工智能技术：人工智能技术可以用来在相关领域的测量，系统辨别和控制的应用中加强和改善效率，能力和特点，这些技术利用现代计算机系统先进的计算能力来操纵采样输入信号并提取所需的测量。人工智能技术使用于各种应用，如神经网络，模糊逻辑和专家系统，包括向高层次的传感器的融合，系统辨别，预测，系统控制，复杂的测量程序，校准和仪器仪表的故障检测和隔离。各种非线性信号的处理，包括模糊逻辑和神经网络，在分析生物医学信号时也只是同一个工具。利用人工智能，甚至可以向普通用户接口设备增加医疗情报，例如，几个人工智能技术如模式识别和机器学习，用在一个基于软件的视野测试系统中。
数据库接口
电脑仪器允许测量数据离线处理后存储，或备存病人记录的一部分，有几个现有的数据库技术可以用于这一目的。文件系统接口的简单使用导致许多专有格式的产生，所以互操作性可能是一个问题，可扩展标记语言（XML）可能会通过提供普遍语法来解决互操作性问题。XML是一个标准的描述文件的结构和内容的语言，它用记号标记，产生自我描述文件来组织数据，就像标签描述它所包含的语言一样。当代数据库管理系统如SQL Sever和Oracle支持XML的输入输出数据，很多虚拟仪器使用数据库管理系统（DBMSs），它们提供有效的数据管理和标准化的插入，更新，删除和选择。大部分这些DBMSs提供了结构化查询语言（SQL）接口，允许从不同供应商而产生的数据库中的相同的程序能够透明执行，虚拟仪器通过使用一些程序接口如ODBC,JDBC,ADO和DAO来使用这些DMBSs。
系统信息界面
虚拟仪器与其他医疗信息系统如医院信息系统日益一体化。它们可以用来建立可执行面板，支持决策，实时警报并预测警告。一些虚拟接口工具包，如LabVIEW，为自定义组件提供机制，如ActiveX对象，隐藏从虚拟界面代码通信的细节。在基于网络的应用中，这种一体化的实施通常使用统一资源定位器（ URL ）。每一个虚拟仪器都用它的URL定义，通过参数接受配置设置，虚拟仪器然后将加工成一个用URL识别的数据库的结果储存。
3.3 显示和控制
虚拟仪器显示和控制的一个有效用户界面影响一个操作者测量和结果解释的效率和精度，由于计算机的用户界面比常规仪器的用户界面更容易形成和改变，采用更多演示效果和为每个用户自定义界面是有可能实现的。据介绍和互动能力，我们可以将在虚拟仪器中使用的界面分为四组：
- 终端用户界面
- 图形用户界面
- 多通道用户界面
- 虚拟和增强现实界面
终端用户界面
仪器控制和数据采集的第一程序具有特征为导向的终端的用户界面，这是有必要的，因为早前一般用途的电脑没有能力呈现复杂图形。因为终端的用户界面需要很少的系统资源，它们可在许多平台上实施。在这个界面上，用户和计算机之间的通行是纯粹的文本，用户通过命令向计算机发送请求，并一某种形式的文本信息收到回应。显示通常是用固定的决议在屏幕上执行，例如普通PC机的25列和80列，每个单元显示了固定的字符集中的一个字符，如ASCII的设置。一些附加功能，如文本和背景颜色或闪烁是有可能在终端用户界面实现的，即使一些字符的有限设置，某种形式的字符的更精密的效果图形也有可能出现。尽管终端用户界面在台式PC机上还没有得到广泛的应用，它们在新的无孔不入的装置这样一个广泛范围内变得很重要，如手机或低端个人数字助理（PDAs）。作为文本服务，如短消息系统（SMS）的，需要小演示和网络资源，它们广泛支持几乎所有的蜂窝电话设备并可用，这些服务可能在分布式虚拟仪器和紧急警报中是非常重要的。
图形用户界面
图形用户界面(GUIs) 使得人机交互更直观，使虚拟仪器更方便。简单的互动和高度直观的图形用户界面的操作使得创造用户友善的虚拟仪器成为可能。GUIs允许创造了许多先进的图形化工具，如图形，图表，表，仪表或米，它们可以轻松地用很多用户界面的工具来产生，此外，个人电脑显示能力上的改进需要各种先进的二维和三维医学成像技术的发展。计算机图形学在许多方面扩展了传统的医疗诊断影像功能，例如，加入视觉颜色的工具，举例来说，解释黑白影像X光片，需要大量的训练，但是，通过颜色有可能清楚地突出问题。此外，个人电脑显示能力的改善需要各种先进的二维和三维医学成像技术的发展。
多式联运介绍
除了改善可视化的图形用户界面，当代个人电脑有提交其他方式的能力，例如作为触觉渲染，多式联运组合的互补性方式可以大大提高知觉质量的用户界面，sonification是第二个最重要的演示的方式。可视化和sonification之间的关系本身是一个复杂的设计问题，由于认知信息处理的性质，作为声演示的方式，sonification的效率取决于其他演示文稿的方式。sonification有效地运用在各种生物医学中，例如在虚拟仪器上进行脑电图分析。
虚拟和增强现实
虚拟环境将在未来的医疗实践中最有可能随处可见，许多虚拟现实技术的发展目标，其实像那些所涉及的虚拟仪器的工作。虽然虚拟现实的系统并不一定涉及使用虚拟仪器，但它们在新的条件下的驱动器的发展，医师按照不同的形式从根本上将需要存取数据，用真实世界的物体组合虚拟演示创建增强现实的接口。
3.4 功能整合
虚拟仪器模块的功能集成，执政的灵活性。最简单最灵活的方式是建立一个虚拟仪器，作为一个单一的模块，铁板一块与虚拟仪器的所有应用软件模块的文书在逻辑上的综合。这种方法可以达到最好的效果，但很难维修和定制。因此，使用模块化组织是更方便的。一种面向对象的方法在建模和文书设计上被确定为自然的做法。每个模块的虚拟仪器然后实施作为具有明确界面的对象，与其他物体使用消息交汇处综合，类似的做法是面向组件的方法，例如，除了逻辑分离的组成部分纳入对象，它们是身体放置到不同的单位使得能有重用。另一种做法是，类似的在以面向对象的做法为基本思想，是一个结构性的耦合范式为规控制器界定分层方法，采用传感器模块的功能一体化，该传感器模型，应用在许多网域，包括电生理系统的相互作用与传感器人体生理信号，在这传感器的互动模式中，遥感的硬件的原料数据流，例如脑电图（EEG）数据，经过长达两个层次的信号预处理前，是既无通过一个应用程式或直接向一个主题。第二个命令层是可选的，允许组织数据处理和即插即用更灵活，就像复杂处理机制整合成为一个虚拟仪器的解决办法。<!--
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