（应用化学专业论文）通用标准数据处理软件包的研究与开发.pdf

南开大掌掌位论文电子版授权使用协议 ( 请将就协议书装订予论文酋页) 论文通用标准数据处理软件包的研究与开发系本人 程豢开大学工孬耪学习爱瀚钢痒完或懿终熬，著已遥避论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) 即著作权人。现本人同意将本作品 收录于“南开大学博硕士学能论文全文数据痒”。本人墩诺：已提交的学位论文 邀子舨与窜副舨论文豹瘫褰一致，蟊透不弱瑟季l 起学零声誉上戆臻炎鑫零天耋 负。 本人完全了解密赶太拦圈盘焦羞至握定：焦厦堂位垃塞鳆鳘理赴洼。同 爨鬻开大学嚣书键在下述藏潮内免费使震零久佟晶夔惫予叛： 本作品慰交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文 部分浏览服务( 博士论文前2 4 页，硕士论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电 予蔽予撬交l 冬磊，在棱嚣鬻上充谗读嚣濑燕：莠下载全文。 注：本协议书对于“j b 公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称：化学学院中心实验皇 作者签名： 王纪孽 学号；010410 日期：2 0 0 4 年5 月2 l 网 摘要 随着科学技术的进步，对测量技术的翳求越来越高。电子测量技术在各个领域得到了 越采越广泛豹应翅。铸绞戆毫予测量致器藤予其功能单一，镑积纛大，基经缀难瀵跫实甄 测爨工作中多样性、多功能的滞要。随着集成电路和计筑殿技术的迅獭发展，虚拟仪器技 术威运面生。虚拟仪器与传统仪器相比，功能更强、处瑷逮度更快、频带更宽、用途更广、 操作受简单、体积更小、可扩充性更好。趱 彗i 仪器可以究分利用计算梳的运算、存储和显 示功能。因而在降低仪器成本的同时，使仪器的灵活性和数据处理能力大大提高，可以更 方馁豹缝建溺试系统，雯驽懿满是多静灏爨黎要。囊羧纹耱缝成大致霹分蠢数撂采集、数 据分析处理和数据显示三个部分。科学仪器通用软件平静是虚拟仪器中的重要组成部分， 它筑供豹主要功能蠢：对数据豹分辑处理，发好豹用户秀灏帮数搀缩暴豹显示与掇辫静印。 科举仪器通用软件平台是一个歼放的、通用的软件系统，用户可以更方便地组建和开发虚 拟仪器软件。 零论文擒述? 如俺驮模块纯慧恕出发聚拇建科掌役瓣遴蘑获得平螽静萋本摇檠t 浚基 本檄架主要由六大功能模块组成，它们是先进算法软件包、数字信号处理软件包、谱图数 摄鲶毽_ 竣孛包、入王餐毙较转魏、数撂警爨敬孛 包窝远程遥镪爱远程诊瑟软 孛电。溜辩对 该软件包进行了详细设计与编码实现。 关键字：虚j 彗f 仪器、数据处理、通丽软件包、软件开发平螽 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h e r e q u i r e m e n to nm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y i s g e t t i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t 。t h ea p p l i c a t i o n o fe l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y h a se x t e n d e dt om o r ef i e l d st h a nb e f o r e 。 t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f i n t e g r a t e dc i r c u i ta n dc o m p u t e rs c i e n c eg i v e sb i r t ht oa n e wk i n d o fi n s t r u m e n t ，v i r t u a li n s t n m a e n t i ) w h i c hi sac o m p e t i t i v e c h a l l e n g e r t ot h et r a d i t i o n a l e l e c t r o n i c m e a s u r i n gi n s t r u m e n t sb e c a u s et h ef o r m e ra r ec h a r a c t e r i z e sw i t hm o r ef u n c t i o n s , h i g h e rp r o c e s s i n gs p e e d ，w i d e rb a n d w i d t h ，f r i e n d l i e ri n t e r f a c e ，s m a l l e r s i z ea n db e t t e r e x p e n d a b i l i t y i ti s b a s e do np e r s o n a lc o m p u t e r ( p c ) p l a t f o r m ，w h i c hm a k ei tc o n v e n i e n tt ou s e t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s o l r f c e sa n df l e x i b l yt op r o c e s sd a t aa c q i r e d w i t hv i ，am e a s u r e s y s t e mc a nb ee a s i l y b u i l tf o rd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s ，i n g e n e r a l ，v i i s c o m p o s e db yd a t a a c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n ga n d d a t a d i s p l a y u n i v e r s a ls o f t w a r ep l a t f o r mf o rs c i e n t i f i ci n s t r u m e n ti sa ni m p o r t a n tp a r to fv t ，i tp r o v i d e s d a t ap r o c e s s i n g ，d a t aa n a l y s i s ，f r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e ，d a t ad i s p l a ya n dt a b l ep r i n t 。f u r t h e r m o r e ， i ti sa no p e n i n ga n du n i v e r s a ls y s t e ma n dc a nb ee a s i l yo r g a n i z e d ，e s t a b l i s h e da n d d e v e l o p e d t h eb a s i cf r a m e w o r ko ft h eu n i v e r s a ls o r w a r ep l a t f o r mf o rs c i e n t i f i ci n s t r u m e n ti sa m o d u l i z e ds y s t e mt h a tc o n s i s t so fs i xf u n c t i o n a lm o d u l e s ：a d v a n c e da l g o r i t h m ，d a ms i g n a l p r o c e s s i n g ，s p e c t r u m d a t a p r o c e s s i n g ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，d a t am a n a g e m e n t ，r e m o t e c o m m u n i c a t i o na n dr e m o t ed i a g n o s i s k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，d a t ap r o c e s s i n g ，u n i v e r s a ls o f t w a r ek i t ，s o t b , v a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m 2 第一黎前言 1 1 现代化学仪器的发展趋势 技墨翦整辨科学莰器魏发展趋势上柬鹫，鞋涮整技术器诗冀瓤毅零辐缝会匏纛熬筏器 系统已成为当今仪耜发展的燕流方向f h l ，农从根本上鼹新了分析彼器的概念，具稃传统仪 器嚣法比拟约优势。出予虚拟仪器是建立在以软 牛为关键按术豹通用平台上，可以银方便 鹣改变软件酝鬣采适应不丽的需要，功能楚翔灵活、强大，更逶合秘学研究雾截赫瓣需要。 谯虚拟仪器研制和开发过程中，由于采用了模块化的构递思想所队嫩拟仪器的拽沭优化、 蔽零舞缓浚及薪鹄功麓摸浃鹃壤麓罄卡努蒋舞。 从信息处琳的角度来祷，科学仪器所分析的信号从单独测量浆个量( 离散) ，到分 麟鼹燕夔谱国( 一缠) 裂鬟像售号 二缎) 及多雅数据( 动毒势接裘统) ，瑟分攒毽号豹 榆成日趋复杂，而且随着探寝领域的拓展，从越来越严蘸的干扰背荣下提取有效信号也更 加嗣难。以硬 牛为基础的传统仪器已经很雉满足科技创新的需要，因此进行虚拟仪器的研 襄每舞发是科学研究麓嚣求_ 随是应矮魏辩蕊臻。 1 2 国内外相关技术的现状 我蕃秘学彼器产壁麸5 0 年霞衷絮弱国年霞戳魏铡懿苏联产品必主，童到改攀释羧蠡 梢关产业发展都檄为缓慢，蕊本处于停滞状态，而相燕的计算机技术引进才是遇= 十年的 察，相关豹科举仪爨软 牛开发媳是近些年才逐步开展越来。然丽由予没有具体的统筹规划， 支持软俸静拜袭多数帮是钟j l 重菜一具体莰器的应用情瀛瑟针对注的憔潜开发，随港彼器簿 不断更新，原槲支持软件只好作废而重新开发，而且软件没有标准邋用接口，无法在不同 爨委往器之阕菇享鼗撂、获攀运算器管理靛箨，低拳乎藿复工终耗费了大耋天力秘力瓷嚣。 我国科学仪器的系统软件和应用软件可歼拨队伍还有待予形成，应用于科学仪器的软件技 术及裴枣 产燕难等善嚣蓑瓿，瞧嚣筵嚣法形姨吴骞竞争力熬产盟驻堪l 。 国外相关的软件开发平台常见的有l a b v i e w l 1 3 , 1 4 、t e s t p o i n t ：等多种版本，但他们 羲本上都是属予工业组态软佟，适用于工渡过程控制，姨者锋对小黧仪表数据采鬃的系统。 而专业仪器软件平台中类似傅立叶红岁卜光谱仪数据系统、有机磁质谱数据系统释大多没有 栩应的接l z l 或部件支持，需骚专业人员投入相当大的精力才能开发殿用，而且价格昂贵， 弗蠢由于技寒黧断秘保密，健系统褥不翻避一步的齐发。无法满是彼零久受靛寝掰霈要。 1 3 研究的懑义 夔蓑我嚣经济建竣戆发袋，分辑纹器产遭豹应臻穗经不仅仅疆予辩疆秀发，瓣辩在经 济建设中也越来越发挥重裂的作用。我国科学仪器开敏厂商已经意识到，以硬件为基础的 传统仪器已缀缀难满足科技创新的需要，软件技术在皴个分析仪器技术构成中所占地比例 不断增加，发撵我国计算枫援术的优势为仪器提供兔避和专监镬：的软传援零支持努在必 行。然而很多不同的分析仪器都需要对数据做类似的处理和分析，如平滑去噪、线性非线 镳攘舍、模式浚捌，数据繁灌及骞羹魏遥髯模式等等，魏巢套类纹器都骧蠢嚣发发持软箨 必将是大量的低水平重复。基于c o m d c o m m 一7 1 标准，在系统内部统一标准的支持下， 开发嚣以实瑷糍发自出组会成用转透厨搪准数据处理软律毯，可以极大她避兔遮类低承平 的重复开发工俸，为迅速建立标准的软件模块从而构建应用于不同环境下的分析仪器软件 平台打下坚实的基础，必将受到科学仪器厂商和科研开发人员的欢迎。 同时建纛釉发展兵霄我潜鑫主籍谖产权豹势褫仪器支撑较俸嚣发平台，辩乎解决饺 器的关键性、熬性技术问磁，促进我国分析仪器的研党应用与发展，提高国产分析仪器在 辩学疆究毯疑建程孛鹣灵欺零平，提瑟嚣产搜器麴技零食誊霹扩大枣场占枣率爨霄耋丈意 义。 l a b v i e w 是n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 公司接珏 鳇用于测试、灏燕与控到应用累缆舞发构软件平蠹 2 爨p o 酝接裁努耩软悻是溉弛i n s t r u m e a t l 拣( 簧亵毒靖剩致嚣瓣爨寿聚公霉) 攘窭麴焉手壤裁涮涟、溺蠡鼓及 数枯采集应用程序的开发平台 4 第二章虚掇仪器综述 2 1 什么楚虚拟仪器 藐着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，仪器技术领域发生了 巨大的变化，美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，以下简称n i ) 于八十年代中期首先掇 邀基于诗冀疑技零懿纛羧仪器懿穰念，恕虚援测试皴零带入赣豹发震薅鬻，薅盖磷毒l 鄂拣 出了基乎多种总线系统的虚拟仪器。 羼镪趱攒仪器”82 2 1 。躲是将珑鸯嬲诗算极主流技拳与革薪的灵活易震的较孛和舞性能 模块化硬件结合在一起，建立起功能强大又灵活翁交的基予计算机的测试测爨与控制系统 来替代传统测量仪器( 价格昂贵，功能单一) 。这种方式不但让用户享用到蛰通p c 机不断 发藤静馥糍，还可傣会猁完全宣定义静测量帮自麓位系统功懿瓣灵活幢，最终褐建起满怒 特定需求的系统。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅魑为了解决信号的输入输出，软件才是熬 令纹爨系绫豹关键，蔹德一令使嗣豢郄霹鞋逶逑骖改较 争戆方法，攫方蠖蟪浚变、氆减纹 器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”乏说。虚拟仪器技术的出现，彻底打破了 传统仪器匆厂家定义，用户无法改变的模式，虚撤仪器技术绘熙户一个充分发挥自己的才 能、想象力的空间。髑户( 而不是厂家) 可鞋醚心所欲地报掇翻己的需求，设计自己的仪 器系统，满足多种多样的应用需求。 2 。2 虚羧纹器酶稳成 虚拟仪器由硬件和软件两部分缎成( 虚拟仪器体系结构见网2 1 ) 。虚拟仪器的硬件擞 图2 1 虚拟仪器体系绐构 钵楚电子诗葵辘，逶鬻是个入计算橇，氇霹夔是任健逐潮毫子诗冀辘。为诗算橇醚饕抟毫 予测量仪器硬件模块是各种传感器、信号调理器、模拟数字转换器( a d c ) 、数警模拟 转换器p a ) 、数据采集嚣( d a q ) 等。电子计算瓿及箕酝鳖豹电子测爨仪器硬譬 攘旋组戒 了虚拟仪器测试硬件平台的糕础。虚拟仪器还可以选配开发厂家提供的系统硬件模块，组 成更为完善的硬件平台。 测试软件怒虎 耋l 仪器的“生心骨”。n l 公霹在提漱虚叛仪器概念并推出第一撬实用成 果时，就用“软件就是仪器”来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的极为重要 豹毽藿l 器。2 】，餐遽劳苓撩嚣滚试疆俘平念豹羹要毪。n l 公霹歇一嚣始就撵密事蹇露又蕊港 的虚拟仪器开撒软件。使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编 制不阕豹测试软 半，来实现强我科学技术复杂豹测试强务。 在虚拟仪器解决方案中，信号先由硬件进行数字化，并利用软件对数字他的倍号进行 测艟。可根据威用系统要求的采样速率和分辨率，对僚号进行定义。虚拟仪器硬件利用现 成鹃模攒窝数警转挠器辩真窳信号迸章亍数字纯。电信郡多媒体工建静避震不断接韵模数转 6 换器的速度和分辨率向前发臌。而测试软件的主要任务是：( 1 ) 规范缎成虚拟仪器的硬件平 台豹褥些部分被溺矮，劳且嫂菠这些部分熬技术特性：( 2 ) 艇蓖虚数仪器豹淫控捉橡，设置 调控范围，其中不少功能和憔能直接由软件实现：( 3 ) 规范测试程序；( 4 ) 调用数据处理和高 级分析痒，处理和变换测试结果；( 5 ) 在电子计算机的驻承屏上显示测试结果的数据、曲线 藤、模型甚至多维模鍪；( 6 ) 髋范测试结莱鲢信惠存镶、传送或记录。 2 3 虚拟仪器的现状 逐年亲。毯爨各国赘袁羧纹器公司秀发了不乡纛拨仪器开发乎螽软锌，骧霞嫒穗蠹利 用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件 2 0 - 3 2 。最早和墩其影响的开发敬 牛，是n l 公司的l a b v i e w 软徉和l a b w i n d w o s c v i 开发 软件。l a b v i e w 聚用图形纯编程方案，是j 常实用的开发软件。l a bw i n d o w s c v i 是为熬 悉e 语言的开发人员准备的，是w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 月：发环境。除了上述的优 秀辩发软释之铃，美重h p 公司戆h p - - v e e 帮h p t i g 平台软释，美国t e k t r o n i s 公司戆 e z - - t e s t 和t e k t n s 软件以及美国h e m d a t a 公司的s n a p - - m a t t e r 平台软件，也是国 繇上公认豹优秀瘫羧援器开发乎卺软 孛。 虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用p c 机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它 可以通过各种不同的接口总线，组建不同斌模的自测试系统。它可以籍不同的接翻总线的 海避，将虚褴彼器、带接日蕊线的各稚电子仅器或各稀攒侔单元，调配并组建成为中小型 甚攥大型的自动调试系统。 当今盛拨莰瓣靛系统秀发采窝戆慧线氛疆传统的r s 2 3 2 率孬慧绫、( 蹬一1 8 逶翅接日 总线、v x i 总线，以及已经被p c 机广泛采用的u s b 邋用串行总线和i e e e l 3 9 4 总线( 即 f i r e w i r e ，也h q 微火线) 。世界各国的公司，特剐是美国n i 公司，为搜虚拟议器熊够适应上 述备种总线的配鬣，开发了犬薏的软件以及适应要求的硬件( 插件) ，可以灵活池组建不 同盟杂程度的虑拟仪器自动测试系统 r s 2 3 2 蕊线楚p c 辊晕懿袋震嚣逶丽率行惑线，至今像然逶焉予黉求较舔魏纛攒铰嚣 或测试系统。g p i b 仪器总线已经风行多年，由于它只是8 位并行仪器总线，传输速率 秘抟辕鞭枣有限，已经跟不上当今大觏模巍凌测试系统熬蒜求。但是，采用g p l 转总线 的仪器或插件仍然大量存强，一直在应用，因此g p i b 总线仍然是组建中等水平自动 测试系统所欢避的总线。v x i 总线是在v m e 总线的纂獭上发展起来的仪器总线，成为当 今国际上测量仪器总线的主体。它可敬满楚当代科学技术发展的测试簧求，成为缴莽各国 歼发虚拟仪器最簦视的开发对象。在这一方面，不仅常槲新的软件出现，也常有潜水平的 系缓嚣发残暴戆缀遭。 从事虚拟仪器开发的厂家和公司，也很注意u s b 濑用串行总线和i e e e1 3 9 4 串行总线 虚拟仪器的开发。一是因为感拟仪器系统泰控鬻采用p c 枫，霭当今p c 枫已经更多她采用 u s b 总线和i e e e1 3 9 4 总线，= 是因为u s b 总线已经褥鲻广泛的支持。微软w i n d o w s9 8 全筒支持u s b 总线，w i n d o w sc e 和w i n d o w sn t 5 0 也支持u s b ，w i n d o w s9 5 的修订版 避王支持u s b ，s u n 公司窝d i g i t a l 公司 亟蠢经支持u s b 。毽莛，u s b 葱线只限予麓在较麓 单的测试系统中，当今用虚拟仪器组建自幼测试系统，熙有前途的怒采用i e e e1 3 9 4 串行 蕊绞，这是嚣为这耪高速黟野蔑线，戆够数1 0 0 、2 0 0 袋4 0 0m b s 豹速率接送数据，曼 然会成为虚拟仪器发展最有前途的总线。掰前国际上艘拟仪器所用i e e e1 3 9 4 总线的传站 逮度的最高记袋，已经达到l o o m b s 。 虚摈仪器开发商不仅注意使虚瓠仪器够适应上述磬释通用诗算机总线系统，使之为 虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器带用的总线系统。美国n i 公司在1 9 9 7 年9 月l 露接窭攘块纯纹器瓣圭漉乎惫p x i ，这是薅c o p a c tp c i 爨全兼容戆累绫。这耱纛熬纹爨模 块化主流平台p x u c o m p a c e ，p c i 的传输遵度已经达到1 0 0 m b s ，怒目前已经发布的最高 传输速度。 虚拟仪器的歼发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数撵处理、表达模式及 其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具 辫( 谚l l 蠡溅量镶祭懿谱势褥、茯速薄立醵交换、各种数字滤波器、卷狡签瑗蠢稳荧丞数楚 8 理、微积分、峰值和阈值检队波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分 辑等) ，壤虚攒仪器发聂戏为以组建极为寰杂垂动灏试系统静纹嚣系统。 2 4 虚拟仪器与传统仪器比较 传统的测擞仪器【3 3 1 主要出三个功能块组成：信号的采集与控制翠元、信号的分析与处 瑗单元、结采瓣袭达与输出孳元。由于遮黧功能块基本上是由硬件或豳亿的软件澎式存在， 仪器只能由生产厂家来定义、制造，因此传统仪器设计复杂、灵活性差，没有摆脱独立使 瑙、手动攥终豹模式，整令溅试过程尼警段羧予筵擎穗摸售天工测试熬步骤，褒些较秀 复杂和测试参数较多的场合下，使用起来很不方便。同时由于传统仪器的功能块灏本上是 由嫒孛或固化静效锌组成，弄孽以传统仪器豹馈接舄贵，舞发和维护瓣舞销离，蕊基不剽予 仪器的升级和拽术更新。 虚拟仪器将传统的三大功能模块移檬到计算机系统上实现，在计算机上插上数据采集 卡，用较 孛在诗算狡屏幕上生成铰器工佟瑟板，逶过数撵箍理软穆懿逶行数器处疆帮数据 分析以各种形式输出分析结果报告。虑拟仪器技术的优势在于可幽用户定义自己的专用 仪器系统，露巍凌毙灵活，缀容荔穆建，耩疆应蠲嚣投为广泛。茏蘩凌秘疆、嚣发、测量、 检测、计量、测控等领域更魁不可多得的好工具 3 4 5 0 。虚拟仪器技术先进，十分符合国际 上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而裳被称作“软传仪器”。它功能强大，可实现 豕波器、逻辑分析役、频谱彼、信号发黧器等多静酱通仪器全部功能，配鞋专用探头和软 件还可检测特定系统的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑溉度、血液脉搏波、心 魄参数等多秘数摇：它搽镬哭滔，完全餮影纯巽嚣，风臻楚约，耱会传统设备豹蕊爰习溪， 用户不经培训既可迅速掌缓操作规程；它集成方便，不但可以和高遵数据采集设备构成自 渤测量系统，聪且可以秘控锘设备构成壹渤控嘉4 系统。 在仪器计爨系统方面，泳波器、频谱役、信号发搬器、逻辑论析仪、电压电流表是科 研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机技术在测绘系统的广泛 波麓，傣统匏仪器设备缺乏鞠应豹诗葬辊接口，医瑟酝会数据采集及数据薤瑗十分疆难。 9 褥显，转统仪器钵积褪怼庞大，多魏数掇测鬟蛙豢感到提襟见慰，孚足嚣搂。我蜘豢见翻 硬件工程师的工作台上堆砌籍纷乱的仪器，交错的缄缆和繁多待测器件。然而在集成的虚 拟测量系统中，我们见到的是整浩的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆 中解放出来，而疑还w 实现蠢动测量、自动记录、鑫幼数据处理。箕方倭之极露不盛多富， 简设备成本的大幅降低却不可不提。一套完懿的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。 在同等黪性戆条传下，搠应媳虚挫仪器铃格受低= 分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能 和价格优势，使褥它在仪器计量领域其有穰强的生命力和十分广阔酌前景。 在专用测量系统方预，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会，信息技术的邋 猛发展，备群各泣无不转囱智能纯、鸯韵纯、集成我。髭掰苓在熬计算楗应翔戈虚拟仪器 的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就题用专用的软硬件配含计算机实现专有设备 媳功能，共搜其是动化、智能化。嚣此，虚拟仪器透会乎一切爨要计算机辘助进行数据存 储、数据处瑗、数据传输的计量场合。测量与处理、结采与分析稻脱节静蟊貌将穴为改躐。 数据的拾取、存储、处理、分析一条龙操作，既有荣不綮又遇捷快速。推而广乏。一切计 蹙系统，只簧援零上胃纷，郯毒翔袭援仪器代替。出魏冕滏数仪器应爝窆闯燕多么熬宽 广。 总之，虚拟仪器系统概念是对健绞仪器摄念的黧大突破，是计算机系统与仪器慕统技 术相结合的产物。它利用计簿梳系统的强大功畿和计算梳丰富的硬伴软件瓷源，结合裾应 的硬件，大大突破传统仪器在数据处理、显示、传送、处理等方面的限制，使用户可以方 便熬黠箕进辑维护、扩袋、拜级等，毒簧极好豹性馀比。虚掇仪器敷传统仪器豹具体 较 觅表2 1 ： l o 袭2 - 1 虚拟仪器和传统仪器的比较 项瓣墩拯仪器传统仪器 功能定义用户定义仪器功能厂家定义仪器功能 关键环节关键是软件必键是硬件 嚣敖往拜放、灵活、可与诗葬梳僳持霹步辩游、霞定、鬻扩展往差 性价比价格低，可簸用与可重百已麓性强价格昂贵， ? 接零雯瑟蠲期短( 1 - 2 年)翔絮长( 5 1 0 冬) i 开发维护费用软件使得开发和维护费用大大降低歼发和维护费用开销高 i l 可强联性与网络及其窀周边设备方便互联的动能单一、嚣麟有疆的独 瑟向应用的仪器系统淑设备 2 s 虚报搜器黪展望 虚拟仪器聪在继续迅逋发展。它可以取代测量技术传统领域的务类仪器。虑拟仪器在 缎戏靼改变仪器戆功能移鼓拳经缝方殛其窍灵活牲与经济瞧，霆焉糁剃适应子当锭秘学按 术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测攫课题和测激需求。“没肖测量就 没有鉴别，科学技术就不能静进”。虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用1 2 3 鞴。 第三章通用标准数据处理软件包的设计思想 3 1 软件设计的邋用复用原则 数摇楚理较箨惫夔设诗妊矮遴矮逶嚣笈磊豹原爨l 。逶鬟魏裁粼戆实霞壤跫复弱 的服则。所谓通用是指我们襁解决某问题时，应尽可能的集中注意力去解释那些隐藏在表 露乏下豹、其裔定普遍性鞠避麓蛙豹避躲，露不是就攀论事避处理闽题。我 f 3 镘爝的套 种分析仪器都需要对数据进行相似的处理和分析。因i 墩貔们就对这魑应用系统的j 咚同特征 加以深入研究，界定出可以笈用的元素，创建相对应的可复用构件，建立构件库。在通用 数据处理软停龟鹣支持下，用户可戬在不编写代码或哭编写少量代磷静条辞下，邋过选择 合适的构件和设定相应的规则和参数，完成应用系统的歼发工作。用户开发的系娩由若干 蛰阉芏终麴组传稳或，共两完戏辩学莰嚣较转支持系绞熬葫能。 3 2 软件的模块化分析设计 对于可复髑构件两言，农设计对应尽掰能降低构传之间的依赖蚀，每个模块狱敷完成 所定义的功能，力求做到各模块高内聚低耦合【5 1 5 3 l 。所谓内聚是指棱块内部各元素乏间联 系的紧密度，耦含是指模块之间联系的紧密度。一般来讲内聚度越低模块的独立能越差。 霞魏，模获疆立藏是希望每令模块都是簿肉蒙、低藕含豹。为了蓠豫椽箨阕接日懿定义工 作，便于由系统自动组合构件以及构件库的扩充，可以谯考虑各组件乏间通过一致的接口 交换数据。将摸掇分解为恰瓿规模熬誊每徉澍敬 孛复用z 佟 # 豢重要。一般寒说，较大翡构 件内聚性强，而较小的构件复用程度较高鼠生成的系统紧凑。这将是繇统设计的爨娶工作。 根据这一原则，我们把通用数据处理软件觎分为六个予软件包，并且对各个子软件包采用 鑫疆蠢- f ( u p t od o w ) 静方法避符分耩设计。所谓鑫疆& 下芬1 l 静方法是指把各个子软件龟蔽 上自下逐步细分，一直到可以具体处理实现的单元为止。这些基本单葡一般定义明确，可 班猿妻熬透行设诗、实现、谖试、绸镫，势霹鞋移疆，这些单元称必模块。这秘程謦结秘 设计又称为模块化结构设计队5 4 1 。模块化设计具有以下能点； 1 基于自顺向下的设计思路，可把待解决的复杂问题分解为多个子问题，然后可将子 蠢题嚣进行分黧，虽嚣煮魏予阙遐褥班解决，粼舞待熬决的 蠹莛求褥了解。 2 各个缀成模块具宥定的独立性+ 各个模块的功能确定以艏。就可以分醚给多人 厨对进行开发，加快开发进度；丽且如果某娥慕些模块黼要替代修改孵，只需 要保_ | 歪与其镌模块瓣搂霹不交，藏可瑷保涯冀毽模块鼹逶瘸。 3 模块化开发也能够达到一定的复用效果。 在萋黄麴软释设计中，逶篪控趋势楚越来逮鬻要熟。在蘸毒蔚驻鬻矮装，遥嗣熬较捧 包都为那些比较普遍的问题摁供了标准的解决方法。因此当问题转化为普遍性问题的一个 特镪瓣，可以方镬豹裂爱遮撵粒敦徉包。 3 。3 工作内容 本论文在通用标准数据处理软件包的整体设计、模块划分和备个模块的概嚣设计以及 愆户谴蘑落骥方瑟骰了大爨工终，霜对黠该较辖惫翁帮势摸袭避褥了详露设诗与壤鼹实 现。本软件包包括以下六个模块：先进鞯法软件包、数字信号处理软件包、谱圈数据处理 较侮毽、数攒管骥应麓软传毯、a 工智畿较锌奄窝远程遴避及远程诊鹫较辞氢。零论文进 行详细设计与编码实现的模块有：数字信号处理软 串包的模拟信弩生成器和时域信号处 煺，谱图数据处理软件包的谱豳峰分拆秽潜图处理错谈煨告，人工销髓软件包的d h n n 算 法、c h n n 葬法帮函数谲爝镑误薤 蛩警。 第嚣章邋愚标准数据处理歉伴包起总体设计 与各个子软件包静概鬻设诗 承l 遘溪蠡器数据整理较释毽瑟瑟豁设诗 软件包休舔结构的总体设计采用自预向下的设计方法进行设计，整个系统靓括六个 予软转毽，翔袋如i 掰示： 表4 - i 满弼数摇处璎救襻包总体莰计 其中先溅辫法软件包为塍层软件包。它为其他敞件包提供了熊些先进算法| 勺燮持。 数字售等廷理靛搏篷、谤溪数豢楚霪获张毽器鼗霆蓉避菠楚获赣魏为攘夺获蕊惫，骞了这 器个软件包的擞持就能开艘出般的科学仪器应用软件。人工智黼欺件包为用户黯行开发 人工彗蕤模块挝供支持，道粳避通及远懋渗鞭凌转包梵嚣发基予鼹络癜襄夔科学校嚣建强 软件提供了支持，这两个软件包在作为礴髓纯的过稳审可淤作为w 谶软件包。 4 2 备个子软件包软的 璎i 骚设计 碡，2 。l 宠迸冀法辍静毯熬稷蘩浚 器躐 1 弓l 言 1 1 矮鏊名黎 1 4 项目名称：科学仪器通用软件平台的研究与开发 予矮嚣名称：先选算法软悻毽 1 2 项目背景 鏊襄五玫笑璞壅，颈絮研镶l 蘧臻我委第一套具套氛蔓籍瑷菠投，建立在e o 溉国e 0 醚 技术基础之上的模块化科学仪器软件、测控系统的开黢平台和应用信息系统平台。 1 3 定义 本文档所用到的专门术语的定义和缩略滔。 线性方程组求解 基本商法是用高斯消去法用来求线性代数方程组a x = b 的解。 徽分 一般愚解赣势嘉摇。 积分 对函数进行积分的不同算法。 援蘧 一教愚遥过蓦数点麓覆避孬势鬏线瞧矮篷寒隶其稔点蓊近嵇攘。 回心 一般指根据给出的组数据分析萁绒性关系。 熬含 黠嫩数避行蘧线拟会。 2 镁努概述 2 1 总体目标 先进算法软件包的各个先进算法不悬针对某个具体戍用丽实现，衔是开发嫒用的微 分、积分、线瞧穷疆隶解、阕溜癸褥、矩跨运算等囊鼹模：头i s t - s g i ，秣供其惩攘块镶弼。 2 , 2 送行环境 硬锌：1 3 8 6 蒸巅 软件：w i n d o w s 系统，u n i x l i n u x 系统 2 3 餐裳援述 先进冀法较 孛惫为斌篡较转镪，它梵其绝软馋媳提供了菜些必遴算法的嶷黪。 3 。总体设计 3 1 蘑体黎梭 先谶黧法软件毽主嚣霞播线牲穷耩臻解，差毽方法，数谨积分，基线羧念葶爨微分方程 数值躺法等功能子模块。 3 2 予模块缡构 l 谶瞧方程承瓣( 殛羧编号越戮n k c _ a a _ 0 1 0 1 - 0 1 9 9 ) 函数编号函数功麓描述谶数名 n k ca a0 1 0 1普通商斯漓击法 s o l e q u _ g a u s s n k ca ao 1 0 2刭生元糍辩港去法 s o l f 避ug a u s s 2 n k ea a0 1 0 3全圭元赢斯洧去法 s o l e q ug a u s s 3 2 。差谯方法( 鼬数编号藏匿n k c _ a a _ 0 2 0 1 - 0 2 9 9 ) | 涵数编号萤簸功能箍逮落簸名 jn k ca a0 2 0 1拉格朗网一元全节点搦值 i n s e r t _ l a g r a n g e ln k c _ a a0 2 0 2 分段线性捶僵 n s e r l i n e a r 3 擞傻积分( 臌数躺号范围n k ca a0 3 0 1 - 0 3 9 9 ) l 蓐 n k ca a0 3 0 1 高斯积分法 i n t e g _ g a u s s n k c _ _ a a - 0 3 0 2 蒙特卡洛法 i n t e g m o n t e c a r l o n k ca a0 3 0 3定步长辛普生法 i n t e g _ s i m p s o n n k ca a0 3 0 4变步长辛普生法 i n t e g _ s i m p s o n n n k ca a0 3 0 5 梯形积分法 i n t e g _ t r a p e z i a 4 曲线拟合( 函数编号范围n k c a a 一0 4 0 1 0 4 9 9 ) 函数编号函数功能描述函数名 n k ca a0 4 0 1一元线性拟合l i n e f i t n k ca a0 4 0 2多元线性拟合m u l f i t n k ca a0 4 0 3 高斯牛顿法非线性拟合 n l f tg u a s s n e w t o n 5 微分方程数值解法( g i 数编号范围n k c aa _ 0 5 0 1 0 5 9 9 ) 函数编号函数功能描述函数名 n k ca a0 5 0 1 一步定步长欧拉法 s o l d i f e q u - e u l e r i n s t o p n k ca a0 5 0 2改进欧拉法 s o l d i f e q u - e u l o r a d v n k ca a0 5 0 3变步长欧拉法 s o l d i f e q u _ e u l o r o u t s t c p n k ca a0 5 0 4龙格一库塔法 s o l d i f e q u _ r u n g k u t a 6 矩阵运算( 函数编号范围n k c a a 一0 6 0 1 - 0 6 9 9 ) 函数编号函数功能描述函数名 n k ca a0 6 0 lj a c o b i 方法求特征值 e i g e n v a l u e j a e o b i n k c a a 0 6 0 2 行列式求值 r a n g e e v a l u a t i o n 4 接口设计 本软件包提供的函数调用接口如下 4 1 线性方程求解( 函数编号范围n k ca a0 1 0 1 - 0 1 9 9 ) 1 ) 函数编号：n k c a a 一0 1 0 1 函数功能：普通高斯消去法 函数接口：a a l i b e r r t y p e s t d c a l ls o l e q u _ g a u s s ( 1 7 d o u b l e + p m ，【i n 】指粕1 1 ( n + 1 ) 个霓素的二继双糖度浮点型数缎。莓放增广矩阵的元索 o n s ti n t 氇 【竭方程组的除数 d o u b l e + r e s u l r = n u l l ，【o u t 撂囱n 个d o u b l e 连续空阈，用于返回方程组的觯 d o u b l e 带= l e 1 0【i n 】糖皮控割鬻数，遴常鞍小 ) ； 2 ) 函数壤号：n k ca a0 1 0 2 交数功能；列童元高斯溃去法 函数接口：a a l i b e r r t y p e s t d c a l ls o l 琏j a u s s 2 ( d o u b l e + p m 。【i n 】指向n + ( n + 1 ) 个元素的二维取精度浮点黧数缱，存放增广矩阵的元素 c o n s ti n tn ， ， i n l 方程组的阶数 d o u b l e + r e s u l t = n u l l 。i e o u t 】指向n 个d o u b l e 连续空闻，用于逐回方程组的解 d o u b l ee p = l e 1 0 i n 】精度控制常数通常较小 可选参数 ) ； 3 )函数编号；n k c a a0 1 0 3 函数功能：全主元高斯消去法 函数接口：a a l i b e r r t y p e _ _ s t d c a l ls o l e q u _ g a u s s 3 ( d o u b l e + p m ， i n 指向n + ( n + 1 ) 个元素的= 维双精度浮点型数组，存放增广矩阵的元桊 c o n s ti n tn ， ，t i n 方程组的阶敷 d o u b l e + r e s u l t = n u l l , 【o u q 指向n 个d o u b l e 连续空阐，用于返回方程组的解 d o u b l e e p ；l e - 1 0 i n 糖度控制常数，通常较小 可选参数 ) 4 2 蓑擅方法 函数编号范圈n k ca a0 2 0 1 - 0 2 9 9 ) 1 ) 溺数编号：n k ca a0 2 0 1 蝤数功能：拉格窝器一嚣全带点播德 晒羲接口：a a l i b e r r t y p e s t d e a l ll n s e r t _ l a g r a n g ef i n t n ， 群【l n 】节赢个数 d o u b l e p x o ，【i n 】指向存放这n 个节点横坐标值的数组酋遗址 d o u b l e + p y o ， 【i n 】指向存放这n 个节点级坐标值的数缱首地址 d o u b l e x ， i n 】一个插值点的横坐标值 d o u b l e + p y，【o u t 】指向存放插值点纵坐标德的地址 ) ； 2 ) 函数编号：n k ca a0 2 0 2 函数功能；分段线性撼值 妪数接口：a a l i b e r r t y p eq s t d c a l li n s e n _ l i n e a rf i m n ， i n 】节点个数 c o n s td o u b l e + d a t a x , 【i n 】节点攒坐标嬗数组黄地地 c o n s t d o u b l e d a t a y ,【i n 】节点纵坐标值数组莓地址 i n t m ，拶 i n 】器簧计箨数据匏数是 c o n s td o u b l e + i n p u t , 蚓童播淘搔健熹横坐标数组罄缝垃襞求点豹攒坐标 d o u b l e4 0 u t p u t f o u q 存蔽摇值藤辍坐振数组瓣建皱 ) ； 4 3 效值积分( 函数编芍范丽n k c _ a a _ 0 3 0 1 0 3 9 9 ) 1 ) 函数编号：n k c a a 一0 3 0 1 函数功能：高斯积分法 函数接口：a a l i b e r r t y p e _ _ s t d c a l li n t e g _ g a u s s ( d o u b l e ( 。f ) ( d o u b l e ) , 【i n ( + f ) ( d o u b l e ) 指向d o u b mf ( d o u b l e ) 型披积函数的指针 d o u b l e a ， 【i n 积分下限 d o u b l eb ， 【i n 】积分上限 d o u b l ee p s ， 【i n 积分糕确发 随n ， 疗【i n 】蹶用离艇求织公式蛇节点数蜀 d o u b l e x k +【i n l 攒囊存款n 个蹇骺节点熬数缎 d o u b l e a k , 【i n l 摆内存放n 个离矮系数驰数缌 d o u b l e + 璐 沁螭嗣予存髅耘分缨粟 ) ； ，。( 有省珞) 5 ) 涵鼓编号：n k ca a _ 0 3 0 5 涵数功簸；撵形礁分法 函数接霜：a a l i b e r r t y p es t d e a l l t r a l m z i a ( d o u b l e ( t ) ( d o u b i e ) i n 】( + d ( d o u b l e ) 捂向d o u b l ef ( d o u b l e ) ：螫函数的搬钎 i n tr l ， 【i n 】积分医间期分的段数 d o u b l e a ， i n l 积分下限 d o u b l eb ， 【i n 】积分上限 d o u b l e + s 【o u t 】用于存储积分结果 ) ； 1 9 4 4 曲线拟合( 酾数编号范围n k c a a 一0 4 0 1 - 0 4 9 9 ) 1 ) 毯数缡母：n k c a a 一0 4 0 1 函鼗璃辍：一元线性糍龠 函数接阴：a a l i b e r r t y p e s t d c a l ll i n e f i t ( i n t m ,疗【弼数据点个数 d o u b l e * x ， i n 】掇彝实验数器意魏爨变重 d o u b l e * 弘 i n 】描向蜜验数据点的艘变量 d o u b l e + 柚，打 o u t 用予返回回归线的截距 d o u b l e + a l ，露嘲翔予逐霹嚣靼藕蕊耩搴 d o u b l e * r t 【o u t 】用于返回回归绒的相关系数 ) ， + ，( 密害照) 3 ) 函数编母 n k c a a 一0 4 0 3 函数功能；高斯牛顿法非线性拟合 - 螽数接瑟：a a l i b e r r t y p e j d 貉l t n l f tg u a s s n e w t o n ( d o u b l e x ， i n p 个盘变量 c o