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1、南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 I 摘摘 要要 虚拟仪器技术是从二十世纪末发展起来的一种高级测控技术，它充分地将计算机图形界 面和强大的软硬件技术与仪器仪表相融合，已广泛运用到各个领域。肺音是人体内一种特殊 的生理信号，反应了人体呼吸系统的特征。肺音信号的研究在临床医学和教学中具有重要的 意义。因此,设计出一个基于虚拟仪器的肺音分析系统具有重大的意义，将成为肺音研究领域 又一重要成果。 本系统选用主流的 LabVIEW 软件为平台， 开发了一个以肺音信号采集模块、 去噪模块、 分析模块为主体的虚拟仪器。肺音信号的采集主要以压电传感器和计算机声卡为硬件，在 LabVIEW 前面板上配置好采
2、样率等配置参数，即可进行信号的采集。 肺音去噪模块是本设计的一个特色模块。肺音信号的主要频率集中在 10-250Hz，那么心 音等其它生理信号与肺音信号有很大的重叠部分，特别是心音信号在 150Hz以下部分对肺音 信号产生重大干扰，因此如何去除心音等高频信号而不影响到肺音的主要成分是一个重大难 题。本模块提出了一种改进的去除心音的方法，该方法使用小波逼近系数的多尺度乘积来检 测原始肺音中混合的心音，一旦心音成分被识别，将从每一级的小波系数中去除心音，并且 使用 ARMA 模型来估算去除部分的数据，以补偿去除心音所产生的局部缝隙。最终实现从肺 音中去除心音而并没有影响到原始肺音的主要成分。 最后
3、，与 Matlab 结合，开发出了肺音信号的分析模块，包括 FFT 功率谱和频谱分析、小 波分析、Wigner-Ville 分析。可根据分析结果来判断和研究各种类型的病态肺音信号。 通过一系列的实验结果可以看出，该系统能够采集到良好的肺音信号，有效的去除心音 等杂音的干扰，并对肺音信号进行多种分析，总体效果良好，达到预期目标。 关键词：关键词： 虚拟仪器 ，肺音，信号采集，去噪，信号分析 南京邮电大学硕士研究生学位论文 Abstract II Abstract The virtual instrument technology which was born at the end of last
4、 century is a kind of senior measurement and control technology. It fully combine computer and instruments technology, which are already widely used in various fields. Lung sound in the body is a kind of special physiological signal ,which represents characteristics of the human respiratory system.
5、Lung sound signal is of great significance in clinical medicine research and teaching. Therefore, developing an analysis system of lung sound based on virtual instrument has a significant meaning. This system chooses the popular LabVIEW software platform, developing a set of virtual instrument which
6、 integrates mainly lung sound signal collection module, de-noising module and analysis module. Lung sound acquisition module mainly depends on piezoelectric sensors and computer sound card for the hardware. Do set the configuration parameters on the front panel such as sample rate and then the lung
7、sound signal can be collected. Lung sound de-noising module is a characteristic module of this design system. The main frequency of lung sound concentrate in 10-250 Hz. So heart sound and other physiological signal have very big overlap with lung sound signal. Heart sound below 150 Hz , may have a s
8、ignificant interference which have produced major interference to lung sound. An improved method of removing heart sound has been proposed in this module. The method uses wavelet multi-scale product of coefficient of approximation to detect heart sound of the original lung sound. Once the heart soun
9、d components are recognized, they will be removed from every level of wavelet coefficients. After then, this method uses ARMA model to estimate purify part of data, compensating the results to the generated gaps. Finally the heart sound from the lung sound is removed and have not interfered to the l
10、ung sounds main ingredient. Finally, lung sound signal analysis module is effectively developed with Matlab, including FFT spectrum and spectral analysis, wavelet analysis and Wigner-Ville analysis. The results can be used to analyze and judge all types of sick signals of lung sound. According to th
11、e experimental results, this system can collect good lung sound signal and effectively remove heart sounds and analyze the lung sound in different ways. The general effect is good, and meets expectations. Key words: Virtual Instrument, Lungs Sound, Signal Acquisition, De-noising, Signal Analysis 南京邮
12、电大学硕士研究生学位论文 目录 III 目目 录录 摘 要. I Abstract . II 目 录 III 第一章 绪论 1 1.1 虚拟仪器和肺音的国内外研究发展现状 1 1.1.1 国外研究状况 1 1.1.2 国内研究状况 2 1.2 本课题的研究意义 2 1.3 论文结构及所完成的工作 3 1.4 本章小结 5 第二章 虚拟仪器技术与肺音 6 2.1 虚拟仪器技术简介 6 2.1.1 虚拟仪器产生背景及基本概念 6 2.1.2 虚拟仪器系统结构及特点 6 2.1.3 LabVIEW 简介 9 2.1.4 LabVIEW 创建虚拟仪器的基本过程 10 2.1.5 LabVIEW 与 M
13、atlab 混合编程. 11 2.1.6 子 VI 的创建与使用 . 12 2.2 肺与肺音简介 13 2.2.1 肺的结构与作用机制 13 2.2.2 肺音的产生机理及分类17 . 13 2.3 本章小结 15 第三章 肺音信号采集模块的设计与实现 16 3.1 系统的软硬件架构 16 3.1.1 软件部分 16 3.1.2 硬件部分 17 3.2 肺音信号的采集 18 3.3 VI 的实现 . 19 3.4 本章小结 21 第四章 肺音信号去噪模块的设计与实现 22 4.1 研究目的 22 4.2 消除心音干扰方法的比较 22 4.3 采取的方法 25 4.3.1 小波变换与小波多尺度乘积
14、 25 4.3.2 心音检测与去除 27 4.3.3 线性预估模块 27 4.4 VI 的实现 30 4.4.1 系统结构图 30 4.4.2 心音检测部分 30 4.4.3 心音去除部分 32 4.4.4 建模与预估 33 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 IV 4.5 仿真结果. 34 4.5.1 心音检测与去除 34 4.5.2 预估模块 35 4.5.3 去噪后效果显示 36 4.6 本章小结 37 第五章 肺音信号分析模块的设计与实现 38 5.1 肺音信号的 FFT 分析. 38 5.1.1 FFT 分析理论. 38 5.1.2 VI 的实现 . 39 5.2 肺音信号的小波分
15、析 40 5.2.1 小波分析理论. 40 5.2.2 VI 的实现 . 42 5.3 肺音信号 Wigner-Ville 分布 . 43 5.3.1 Wigner-Ville 分布理论 . 43 5.3.2 VI 的实现 . 44 5.4 本章小结 46 第六章 总结与展望 47 6.1 论文工作总结 47 6.2 未来研究展望 48 致谢 49 参考文献 50 研究生期间作者的研究成果.53 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 虚拟仪器技术实现了在计算机平台上根据需求来定义和设计仪器的功能，大大缩短了仪 器仪表开发的时间周期，充分利用了计算机的各种资源
16、，代表了仪器仪表的发展方向，是仪 器技术和计算机技术完美结合的产物。 肺音是人体内重要的生理信号，对肺音的研究在医学领域具中有重要的意义。如何使用 一款精确的仪器实现肺音的采集和智能分析于一体，使医生摆脱长期听诊的疲劳和对从医经 验的依赖，可以使得对肺音的研究仅仅借助一个软件平台就可以轻松进行，同时使用方便， 成本低廉，这成为现在肺音听诊和研究中非常实际的需求。在这种背景下，肺音研究与虚拟 仪器技术的结合恰恰满足了这个需求，本文的设计充分将二者结合，开发出一款处理肺音的 虚拟仪器，能够成为肺音信号研究和肺音听诊的良好帮手。 1.1 1.1 虚拟仪器和肺音的国内外研究发展现状虚拟仪器和肺音的国内
17、外研究发展现状 1.1.1 国外研究状况 虚拟仪器技术是从上世纪末发展起来的一种高级测控技术，它的特色就是利用功能化极 强的硬件和灵活多样化的软件，来解决复杂度较高的测量测试的任务。虚拟仪器技术发展的 一个重大成果就是虚拟仪器，它充分利用了现代 PC 成熟的图形界面技术和强大的软硬件技 术，通过软件显示虚拟面板，并通过面板上各种操控按钮来实现对仪器的综合控制以及对数 据和结果的显示、分析、保存。强大而且灵活的软件可以帮助用户创建人性化的操作界面， 高性能的硬件能更好地实现系统的集成， 软硬件平台标准化且能够符合用户对定时及同步的 要求1。正是由于这些显著的特点，美国国家仪器公司在近几十年中始终
18、充当着先驱者的角 色，引导着测试测量行业的高速发展。模块化的输入输出硬件、强大的软件以及综合的软硬 件平台构成了虚拟仪器。在同时拥有这三大部分的时候，它强大的可扩展性，高效的开发效 率，优秀的性能和杰出的集成优势等特点才能得以发挥。在西方国家, 虚拟仪器已经渗透到 了国家的各个领域，在经济发展、航天航空、国防研究等方面发挥了巨大的作用。目前全球 以 NI 为首的虚拟仪器的生产厂家已超过百家，产品种类已经有 1000 多种，销售额也已经达 到 10 亿美金以上，而且销售额每年都呈现较高的上涨趋势，在仪器仪表行业的占有率也逐 渐提高23。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 人在呼吸
19、时，即呼吸系统在与人体外部交换气体的过程中，会在呼吸道及肺部等处产生 震动，这就形成了肺音。随着近年来医学上的发展，肺音与各种病理的相关性研究已经成为 医学中一个重要的方向。总体来说，国内外在肺音方面的研究进展比较慢，国外学者在这方 面的研究也相对较少，对肺音信号的分析处理方面，都是基本的信号处理方法，例如时频域 中的独立子波分析、自相关函数法、频谱分析、功率谱分析、同态滤波、小波分析等等。在 虚拟仪器技术出现以后， 在虚拟仪器平台上处理肺音信号成为研究肺音的一个重要研究课题， 很多国外学者已经开始研究基于虚拟仪器的肺音分析平台，所实现的肺音分析的虚拟仪器功 能越来越多，精度日益增高，界面日益
20、人性化，软件也越来越庞大。 1.1.2 国内研究状况 在我国，虚拟仪器技术的发展较迟，在上世纪末才开始引进美国国家仪器公司的产品。 但是近年来，随着国民经济和科学技术的发展，虚拟仪器技术在我国已得到广泛的推广和应 用，为中国仪器仪表行业的发展带来全新的变革，在教育、科研和产业中都得到了迅速的认 知和实践。虚拟仪器中经典产品 LabVIEW 的课程已经被众多高校纳入专业课程之中，其中 某些高校还专门建成虚拟实验室，配备了最新的产品，使得众多的大学生有了接触虚拟仪器 的机会。诸如清华大学、国防科技大学等高等院校和其它高科技公司，都将虚拟仪器应用到 了高级测控领域，在相关平台设计等方面做出了许多奉献
21、，成绩显著。业内人士认为，在不 久的将来，虚拟仪器在国内所有的仪器仪表中所占的数量将会超过一半。借助着现代 PC 技 术及各种高科技的快速发展，虚拟仪器将一步步的成为当今测试测量领域的主角 4。 关于人体内声音信号的研究，国内尚属起步阶段，研究者较少，其中心音方面已经取得 一些成果，如心音的身份识别等56。而对于肺音，在国内重大期刊文献上很少见到相关的研 究成果，只有少数几个院校和科研单位在研究肺音。对于仅取得的成果，主要是在肺音信号 特征分析和信号处理方面有过一些基本的研究。把虚拟仪器技术和肺音信号结合起来，在国 内还是一片空白，属于新思想。国内在肺音的采集、处理方面仍然是通过一些硬件电路及
22、相 关的传统仪器，它们功能单一，结构不完善，价格高。在临床上肺音的使用价值仍然没有被 开发出来，其本身的诸如微弱等特性固然是一方面，没有相关的较好的低成本的肺音处理设 备也是一个很重要的原因。 1.2 1.2 本课题的研究意义本课题的研究意义 肺音信号与人体内呼吸系统密切相关，是肺部结构生理特性的重要表征，对研究肺部疾 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 病有着重大的医学价值。自从十九世纪听诊器诞生以来，它便成为了医疗诊断中一个主要的 手段，成为医生们诊断定性肺部疾病和心脏疾病的一个不可或缺的工具。但是，这也成为了 临床医学的一个瓶颈。正常情况下，人耳听觉的敏感频段在 1kHz
23、到 2kHz，而肺音信号属于 低频信号，其频率范围一般在 10Hz到 2kHz 之间，因此，医学所常用的双通道听诊器的频响 大多在 0.5 kHz 以上，再加上使用者听觉上及临床经验等因素的限制，某些相对较隐晦的疾 病信息就难以被准确的诊断出来。这些主观因素和客观因素都决定了传统的听诊器无法承担 准确的听诊任务，它们无法准确充分地获得体内的有效信号，从而不能准确地获取与疾病相 关的信息， 这无疑是一个迫切需要解决的难题。 除此之外， 学者们对人体内声音信号的形成、 传播的方式及受干扰性等方面还需要做要进一步的研究，同时需深入剖析肺音与人体内各种 疾病的关系，这些对诊断的精确度有着重要的影响。
24、在过去临床医疗中，大多数的医生都是通过耳朵听来诊断呼吸系统疾病的，这种方式受 人耳听觉的客观因素和医生经验判断力的主观因素的干扰，有很大的局限性。因此，这对于 肺部疾病的诊断与研究有着很大的障碍，是临床医学中必须要解决的重大问题。由此看来， 如果能开发出一种方便、 精确的肺音信号检测和分析仪器， 则可以解决上述难题， 满足病人、 医院及科研人员的需求，其经济和应用价值将不言而喻。 虚拟仪器技术如今已经十分流行，在众多行业中已经成为主流开发技术。NI 开发的 LabVIEW 软件平台是虚拟仪器的经典成果之一，同时 Matlab 软件在数值计算领域具有王者 之称， 二者在信号处理领域都有着独特的应
25、用。 本课题将利用虚拟仪器， 借助强大的 LabVIEW 和个人计算机平台，以及 Matlab 在计算方面的优秀性能，利用他们强大的数据融合能力并将 它们融为一体，设计一款集肺音采集、去噪、时频域分析为一体的肺音采集分析仪器。同时， 将它用于更多的试验中，针对实际情况进行修改，逐步使得该仪器的结构更完善，操作更加 人性化，功能更加强大，让它在临床应用和教学科研中发挥越来越大的作用。 1.3 1.3 论文结构及所完成的工作论文结构及所完成的工作 本课题开发了一个基于虚拟仪器的肺音分析系统， 实现了对肺音信号的采集、 噪音去除、 时频域多种分析，最终是一款在实际中具有应用价值的虚拟仪器。 该仪器系
26、统一共包含如下三大模块：1、肺音信号采集模块。该部分采用自制的利用聚合 材料制作的压电传感器采集来自体表的肺音信号，经声卡将肺音信号送入计算机。2、肺音信 号去噪模块。肺音信号属于低频信号，采集到的肺音都含有杂音，如心音等会对肺音形成较 强的干扰，因此对采集到的信号进行分析不能完全体现肺音的特性，所以需要先对其进行去 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 噪。3、肺音信号分析模块。由于肺音的频率较低，其特性在时域中不明显，而在频域显示的 更加突出，故对其进行多种频域分析，主要包括 FFT 频谱分析、小波分解、Wigner-Ville 分 布等分析，从多方面去分析肺音。 最终，肺音采
27、集分析系统的实验结果表明，该系统能够满足不同用户的需求，清楚地采 集到质量较好的肺音信号，能在较大程度上去除干扰噪声，最后对肺音信号进行各种时频域 分析，分析效果良好。可以说整个设计的成果非常符合预期。本论文的结构如下： 第一章 介绍此课题的研究背景和意义， 国内外在虚拟仪器和肺音信号分析方面的研究现 状。 第二章 介绍肺音的相关基础知识， LabVIEW 软件的特点以及用 LabVIEW 创建虚拟仪器 的基本过程。 第三章 介绍肺音采集模块的设计与实现，介绍如何利用传感器、LabVIEW 软件和计算 机声卡实现肺音信号的采集。 第四章 介绍肺音信号去噪模块的设计与实现， 介绍了一种基于小波多
28、尺度乘积和线性预 估实现心音的去除的新方法。 第五章 介绍肺音信号分析模块的设计与实现，介绍了时频域分析、小波分析、 Wigner-Ville 分布等具体分析方法的内容与结果。 第六章 最后一章是总结和展望，对全文做了一个概述，然后总结了自己的得失，包括遇 到的困难和解决问题的方法，最后提出了一些设想，为今后的研究指明了方向。 本文在完成上述工作中，除了克服和解决一些虚拟仪器技术上的难题，实现了肺音信号 的采集、去噪、时频域分析外，还在理论和应用方面有两个明显的创新点： 1、将虚拟仪器技术用于肺音研究，开发了一个包含对肺音信号采集、去噪、分析功能为 一体的肺音分析系统，实现了一种将虚拟仪器与肺
29、音研究相结合的新技术。到目前为止，国 内期刊杂志上尚未见到专家学者发表过有关将虚拟仪器用于肺音研究的文章，因此本文的设 计具有创新性。 2、 在肺音去噪方面， 提出了一种基于小波多尺度乘积和线性预估的去除心音的新型方法。 由于肺音属于低频信号，那么心音等其它生理信号与肺音信号有很大的重叠部分，特别是心 音信号在 150Hz以下部分对肺音会产生重大干扰，这使得对肺音的分析准确度很低，因此去 除心音的干扰而保留原始肺音的主要成分成为了一项十分必要且较难的任务。本文所提出的 方法使用小波逼近系数的多尺度乘积来检测原始肺音中的心音成分，一旦心音成分被识别出 来，将从每一级的小波系数中去除心音并且使用
30、ARMA 模型来估算去除部分的数据，然后再 将估算出的信号成分补偿到原始肺音中，完成信号的重构。结果表明，该方法去除心音的效 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 果非常好，并且对肺音主要成分没有任何影响，比传统的方法有较大改进，而且在计算速度 上也相对较快。 1.4 1.4 本章小结本章小结 本章主要介绍了三个方面的内容。其一是介绍了国外与国内虚拟仪器技术的发展情况和 肺音信号的研究状况。其二是在上述背景之下介绍了本课题的研究意义，指出了利用虚拟仪 器技术来开发肺音分析系统的创新性。其三是简单介绍了本文的结构和需要解决的问题等， 最后介绍了本文两个创新点。 南京邮电大学硕士研究生
31、学位论文 第二章 虚拟仪器技术与肺音 6 第二章第二章 虚拟仪器技术与虚拟仪器技术与肺音肺音 2.1 2.1 虚拟仪器技术简介虚拟仪器技术简介 2.1.1 虚拟仪器产生背景及基本概念 各种仪器和仪表是测控领域不可或缺的工具，是人们获取物体信息的主要途径之一。而 传统的测试测量设备有许多缺点，如笨重，难以适应不同场地的要求，功能单一化，多数为 手动模式，使得传统仪器对于现代复杂精确的多任务、多数据的测试测量要求难以胜任。本 世纪以来，伴随着计算机等各种高端技术的快速发展，测控领域的设备也发生了翻天覆地的 变化。测试测量仪器与软件越来越多的交叉集合，使得两者成为一个强大的有机整体。在此 发展背景下
32、，20 世纪 80 年代，美国国家仪器公司提出了虚拟测量仪器的理念，这就是 VI(Virtual Instruments，虚拟仪器)的雏形， 从此迎来了测控领域改朝换代的年代。 同时， 计算机技术也融入了仪器仪表领域，二者紧密的融为一体，开辟了“仪器软件”的新面 貌。 从实质上来说， 虚拟仪器的运行流程是首先利用已有的模块化的硬件设备采集待测 数据并进行初步调理， 再将数据传递给计算机并利用其强大功能对数据进行运算分析处 理，最后将处理结果显示并且保存。所谓的虚拟性主要从两个方面来解释7 ：一是指虚 拟仪器的面板是虚拟化的， 二是它所实现的功能是通过程序编写代码生成应用软件来完成的。 一方面，
33、如 LabVIEW 的前面板上的各种“按钮开关”等控件都是由软件来控制实现的，用 户只需用鼠标在前面板上点击相关的控制按钮，即可完成仪器所具有的各种测试测量功能， 可随时了解运行过程、仪器的状态并读取最后的测试结果。另一方面，虚拟仪器的最大特点 是其所有的功能都可以通过软件来实现，如 LabVIEW 软件通过图形化语言来编程，以此来 取代传统的电子电路，这样可以大大减少对硬件的消耗，更有利于资源的整合。 2.1.2 虚拟仪器系统结构及特点 虚拟仪器有软硬件两大部分组成。硬件平台主要是外围的电子设备及其电路加上计算机 本身的硬件；软件是虚拟系统的核心部分，应用软件通过编程来实现各种功能模块，再将
34、它 们组合起来完成仪器的设计，再配合系统硬件部分，共同完成不同的测试测量任务。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 虚拟仪器技术与肺音 7 虚拟仪器的软硬件系统结构如图 2-1 所示。 图 2-1 虚拟仪器的结构 1. 虚拟仪器的硬件 虚拟仪器的硬件主要包括计算机和 I/O 接口设备，按照 I/O 接口的不同，可分为如下的 几种体系结构8。 1）基于 PC 总线的虚拟仪器。由于当今世界计算机的通用性及庞大的用户群，基于 PC 总线 的虚拟仪器成为了主流。这种虚拟仪器使得 PC 的软硬件资源得到了最大程度的利用，同时 也提高了系统的可操作性和多样性。 2) 基于 GPIB （General
35、Purpose Interface Bus） 总线的虚拟仪器。 在已有的大多数专业设备中， 都自带这接口。因此在这类设备上开发基于 PC 的虚拟仪器过程中都可以选用 GPIB 实现。 它的优点在于可以较好的利用现有的装置来完成功能的实现，但缺点是它的传输速率较低， 只适用于低速系统的应用。 3）基于 VXI 总线的虚拟仪器。该系统一般包括多功能的模块化硬件和驱动、应用软件，系 统中的各个功能可以更换为新系统，具有通用性，即插即用，这都是它的优点。但它的缺点 是成本高，更多的应用于高端系统的测量测试。 4）基于PXI总线的虚拟仪器。 这种总线整合了台式计算机的高速PCI总线的80MB/s的优势，
36、 充分借鉴了 VXI 总线中先进的仪器技术，并增加了主动冷却、环境测试等要求。 测 控 对 象 信号调理 数据采集卡 GPIB 接口仪器 VXI 接口仪器 图形采集仪器 串行口仪器 并行口仪器 其他仪器 计 算 机 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 虚拟仪器技术与肺音 8 2. 虚拟仪器的软件 虚拟仪器软件部分架构由底层到顶层，由 VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture）库、仪器驱动程序、应用软件三大部分组成。 1） VISA 库。从本质上来说，VISA 库就是标准输入输出函数库以及相关标准的总称。 它 内嵌于 PC 系统中，
37、主要负责 PC 与仪器的衔接，以方便对仪器设备的控制。对于开发底层驱 动的程序员来说，VISA 库就是一个可供调用的操作命令函数库，可以直接调用。 2） 仪器驱动库。所谓的驱动软件，就是能都完成对设备的控制并且能够与外界通信的一系 列的软件集，可以成为上层应用软件与系统通信的桥梁。常用的虚拟仪器中都包含了较多的 常规的驱动程序， 这有利于开发者更方便地使用。 3） 应用软件。大致来说，应用软件的开发工具可以分成两类：一是通用编程软件，如 Visual C+，Visual Basic，Matlab 等；二是专业性较强的图形化编程软件，如美国国家仪器公司的 LabVIEW、LabWindow/CV
38、I 等。 虚拟仪器较传统的仪器有如下几个方面的特点： 首先，它不同于传统的仪器在硬件实现的基础上完成设计，而是通过软件设计来代替硬 件。待测数据的采集、分析、处理及显示等物理上的功能都可以通过软件来完成。这就完全 体现了虚拟仪器和 PC 技术结合的强大性，利用基本的硬件支持，借助 PC 优越的处理性能及 发达的软件技术，来完成各种传统功能。 其次，它充分共享系统的硬件和软件资源，复用性高。虚拟仪器可以与现代各种自动控 制技术、数字信号处理（DSP）技术等相结合，只需利用基本的硬件，用户自定义设计出不 同功能的软件，从而获得各种新仪器设备 。这将大大节约了各种硬件成本，也大大增加了设 计的灵活性
39、，促进了工业领域的发展。 最后，面板具有多样性，人性化，可操作性较强。虚拟仪器的面板可以由用户自定义设 计，利用 PC 的丰富的图形界面设计出不同风格的按钮、开关、数值显示器等等。用户只需 要通过鼠标点击相对应的按钮即可完成对仪器的控制，方便易懂，还可以与网络相连，将数 据、分析结果等信息传到数据库中。 除了上述所列出的几个方面的特点以外，与传统的仪器设备相比，虚拟仪器具有多方面 的优点，具体如表 2-1 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 虚拟仪器技术与肺音 9 表 2-1 虚拟仪器与传统仪器比较表 仪器类型 项目比较 传统仪器 虚拟仪器 关键要素 硬件 软件 技术更新周期 长
40、短 仪器功能定义 厂商 用户 系统 封闭、固定 开放、灵活 与其它设备连接情况 困难 容易 开发维护费用 高 低 价格 高 低 由以上可以看出，虚拟仪器的在处理能力、可扩展性、开发效率、可集成度、性 价比、 可操作性等方面具有明显的优势， 这些也是虚拟仪器技术越来越普及的原因所在。 2.1.3 LabVIEW 简介 LabVIEW 是实 验室虚拟 仪器集成环 境(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)的简称，是美国国家仪器公司 NI 的创新软件产品。这是一个功能强大且灵活的软 件。LabVIEW 所采用的图形化编程法彻底改变了传
41、统的开发方法，它使得虚拟仪器的开发效 率进一步得到了提高，同时也使得开发者更加容易去设计产品。它已经逐步发展成为测试测 量领域开发者的得力助手，获得了极大的青睐。 LabVIEW 采用的编程语言为“G 语言” （Graphic Language） 。它基于图形化编程语言， 非常人性化，简洁直观，使得开发者很容易接受、学习与掌握。它使用各种图标代替文本语 言（如 C 语言等）来创建应用程序。开发者不需要像过去使用经典的 C 语言那样来逐行写代 码，而是使用一个个易懂的图标来代替，这些图标大多为工程师等技术人员的所熟悉。它具 有很多优点。如 LabVIEW 采用了数据流模型，实现了多线程处理，这就
42、充分利了系统资源； 软件内部含有自带的编译器，如果在编程过程中有错误，便可立即显示出来，开发者很容易 就会发现；它与流行的 Matlab、.NET 等脚本节点技术都可以兼容，方便了多种语言的结合， 利用各自的优势提高效率8 。同时，它还可以产生独立系统的可执行文件，这就使得用户在 计算机上并不需要安装 LabVIEW 软件而使用其成果。像许多重要的软件一样，LabVIEW 提 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 虚拟仪器技术与肺音 10 供了 Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。 2.1.4 LabVIEW 创建虚拟仪器的基本过程 使用 LabVIEW 软件
43、来设计一个虚拟仪器，大体上可分为四个基本步骤： 1、创建前面板。如图 2-2 所示，前面板是基于图形化的用户界面，主要用于输入输出 的设置，其输入控件和输出显示控件都有多种选择，方便用户根据自己的爱好选择。只需 从控件选板中选择好所需控件， 并用鼠标拖拽将它放置在前面板上， 调整大小和位置即可。 图 2-2 创建前面板 2、创建后面板。后面板即程序框图。当在前面板界面时，只需按下 CTRL+E 即可显示 出后面板（另一种方法是从前面板 窗口菜单栏中单击显示程序框图，即可转换到程序框 图后面板） ，切换之后会看到前面板中输入、输出显示控件所对应的程序端口。在后面板，右 击鼠标可出现函数选板，选板
44、上包含了各种程序节点，程序员只需根据需要找到所需的图形 结构， 并将其拖拽到程序框图上即可。 然后再将这些节点和端口用相对应的数据线连接起来， 组成一个完整的框图。如果没有错误，则窗口运行标识会显示正常，若有错误，则运行标识 会显示断裂，可以双击它显示错误所在处。对应于图2-2的后面板如图 2-3 左所示。 图 2-3 创建后面板 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 虚拟仪器技术与肺音 11 3、创建图标和连线板。在编写程序过程中，经常会用到程序调用，在 LabVIEW 中即为 子 VI 的调用。前面板和后面板都完成之后，程序没有错误，可设置图标和连线版，将它设置 为一个子 VI，这本质上
45、相当于文本语言（如 C 语言）中的函数原型。所有的 VI 的后面板上 都有一个图标，在右上角，它是本 VI 的标识。如需使用子 VI 还需要创建连线板，使用右键 单击 VI 标识，然后选择“显示连线板”这个选项即可显示出连线板。图 2-4 左边为图标，右 边为连线板。 图 2-4 VI 的图标与连线板 4、调试与运行程序。用户可以进行运行和连续运行两种方式，只需点击前面板或者后 面板中的运行图标即可（如图 2-5） 。运行过程中，用户可以选择暂停和终止。在调试程序过 程中，可以有多种调试方式，也可以选择单步执行、断点、高亮显示、探针等工具来检测错 误和逻辑，在高亮显示过程中会占用大量的系统资源
46、并且使得程序运行速度急速下降。 图 2-5 调试与运行按钮 2.1.5 LabVIEW 与 Matlab 混合编程 LabVIEW 提供非常丰富的接口及常用仪器的驱动程序，可将其与测量硬件连接，方便的 实现数据采集、信号分析、数据处理等许多常见的任务，同时能够建立灵活的人机交互化的 控制界面。Matlab 软件在数学计算上已经证明了其空前的强大性，拥有大量成熟的算法及库 函数，编程效率高，它的优势已经相当突出，被认为是计算领域中的一个规范标准。因此， 将这两者结合起来，通过 LabVIEW 程序接口函数来调用其他应用程序和 Matlab 软件中强大 的数据处理软件包，可以使得软件平台有着更强的
47、数据处理能力9。 可以通过两种方式实现从 LabVIEW 软件中调用 Matlab 脚本节点： 一是利用 LabVIEW 提 供的 MathScript 节点实现；二是通过 LabVIEW 后面板函数选板中的脚本节点中 Matlab 脚本 节点实现。打开后面板，前者可从后面板中函数选板-数学-脚本与公式子选板找到，后者 位于函数选板-数学-脚本与公式-子选板中。打开后只需在脚本框中输入 Matlab 程序，可 在脚本节点边框上设置 Matlab 输入输出变量，并将其与外部节点连接好即可。图 2-6 为上述 两种节点所在位置。图 2-7 为 Matlab 脚本节点的样式和右键快捷菜单中所显示的功
48、能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 虚拟仪器技术与肺音 12 图 2-6 Matlab 脚本节点所在位置 图 2-7 Matlab 脚本节点与快捷菜单 2.1.6 子 VI 的创建与使用 在 LabVIEW 图形化编程界面中，屏幕空间中的大部分图形连线占据着，编程人员很难 将所有的程序都在同一个 VI 的程序框图中实现。所以，很多情况下，需要把程序分割成为多 个小的模块来实现，这样可简化编程界面，也易于理解，这就是子 VI。 创建一个字 VI 的基本步骤如下1011： 1、确定需要转化为 VI 的程序 。 可以是整个 VI， 也可以是已存在的 VI 中的部分程序。 2、使用定位工具选择重复使用的部分程序框图，然后选择“编辑”-“创建子 VI” 。将 选中的程序转换为子 VI。 3、编辑 VI 图标。右键单击右上方的 VI 图标，选择“编辑图标” ，进行编辑。 4、建立连接端子。用它来确定输入输出连接，由部分程序转换的字 VI 可自动实现。 5、为其命名，保存该 VI。 需要使用子 VI 时，单击“函数”选板上“选择 VI”按钮，找到所需的字 VI，双击 该 VI 将它放置在程序框图中。在一个 VI 的程序中也可放置另一个已