|
1 引言 關(guān)于虛擬儀器，有許多種提法和分類(lèi)，如卡式儀器、總線(xiàn)式儀器、計算機化儀器等等，多數均強調其軟件面板，強調其虛擬界面及控制環(huán)境，強調其軟件方法，一句典型且具有代表性的口號則稱(chēng)：“軟件就是儀器”！ 實(shí)際上，虛擬儀器是一些借助于通用的模擬量及數字量輸入輸出平臺，通過(guò)計算機軟件，按已知的數學(xué)模型和時(shí)序實(shí)現的，具有信號測量、控制、變換、分析、顯示、輸出等全部或部分功能的智能化輸入輸出系統。 典型的虛擬儀器模式可以理解為，除了信號的輸入和輸出以外，儀器的其它操作、測量、控制、變換、分析、顯示等功能均由軟件來(lái)實(shí)現的一種計算機管理的數字化儀器。 虛擬儀器的出現，給儀器科學(xué)與技術(shù)帶來(lái)了又一次震撼，它給人一種全新的理念和感受，為人們提供了前所未有的機遇及手段，也帶來(lái)了巨大的困惑與挑戰。那么，虛擬儀器的核心思想是什么？它的目標是什么？能解決什么問(wèn)題和達到什么效果？它有什么弱點(diǎn)？本文將主要討論這些問(wèn)題。 2 虛擬儀器 虛擬儀器的出現不是偶然的，它是客觀(guān)世界發(fā)展的必然。其最直接的表現即是以軟件功能代替硬件功能，從而迎接測試領(lǐng)域的三個(gè)挑戰：1）測試成本不斷增加；2）測試系統日趨復雜；3）測試投資的保護要求。 對于測量分析儀器來(lái)說(shuō)，典型的虛擬儀器結構如圖1所示。其輸入為物理世界中的信號，中間經(jīng)過(guò)數字世界的變換、處理過(guò)程，以軟件模型實(shí)現傳統儀器中的儀器原理，輸出為物理世界的信號或數字世界的數據；這里，以A/D變換為特征的數據采集平臺是最基本的虛擬測量?jì)x器平臺。而對于信號源類(lèi)的設備來(lái)說(shuō)，其輸入為數字世界的模型數據，以軟件模型實(shí)現傳統信號源中的信號波形生成原理，輸出則為物理世界的信號，如圖2所示，在這里，以D/A變換為特征的任意波發(fā)生器平臺是最基本的虛擬儀器式信號源平臺。 圖1 典型的虛擬測量?jì)x器結構框圖 圖2 典型的虛擬儀器式信號源結構框圖 由此可見(jiàn)，傳統的儀器，其輸入、變換、處理、以及輸出，均以信號方式在物理世界中實(shí)現，依賴(lài)于物理原理、法則、定律，而虛擬儀器，其主導思想是將其復雜多樣的儀器原理部分，主要放到數字世界中，依賴(lài)于數學(xué)模型和算法，以信息數據處理、變換、辨識等實(shí)現，最終以數字方式輸出或回到物理世界以信號方式輸出。具體做法有： 1) 以數學(xué)模型的多樣性替代儀器原理的多樣性和復雜性；以軟件的變化獲得儀器功能的變化，以應對復雜性測試要求；2) 以軟件數學(xué)模型的穩定性獲得高性能的儀器特征；3) 以硬件平臺的通用性獲得儀器的通用性、兼容性、互換性；4) 以軟件平臺的公共性獲得不同儀器的交互性與互換性。 因而可以說(shuō)，虛擬儀器是跨躍物理世界與數字世界的橋梁和紐帶，在統一的信息世界內涵里，連接著(zhù)物理世界與數字世界。 3 虛擬儀器的優(yōu)勢與效果 與其它儀器不同，虛擬儀器技術(shù)的應用有很多不同以往的優(yōu)勢，并能獲得一些截然不同的技術(shù)效果，總結歸納如下： 1）以軟件模型代替硬件原理；以軟件模型的多樣性和復雜性代替了硬件原理的多樣性和復雜性，從而降低了儀器硬件的復雜性，軟件模型沒(méi)有漂移、老化等硬件的物理弱點(diǎn)，因此增加了系統的穩定性。 2）用戶(hù)可以在通用硬件平臺上，通過(guò)變化軟件模型自行設計研制自定義的儀器；增加了儀器設備研制設計的柔性、適應性，使得儀器升級更新速度加快，成本更低，并能誕生許多新概念儀器，導致現代信號處理的最新理論、技術(shù)可以在第一時(shí)間應用于儀器儀表行業(yè)。例如，人們已經(jīng)有可能研制出“統計特性分析儀”，以便測量分析任何一個(gè)信號的統計特性；可研制出專(zhuān)門(mén)的“周期波形分析測量?jì)x”，以對周期信號的幅度、周期、波譜、失真、擬合函數、信號帶寬、抖動(dòng)等，進(jìn)行綜合]測量分析；也可以研制出專(zhuān)門(mén)的“小波波譜分析儀”，以便對任何感興趣的簡(jiǎn)單或復雜信號進(jìn)行小波變換分析，并輸出其波譜。讓復雜的原理和過(guò)程簡(jiǎn)單化和平民化，使那些只了解和掌握基本概念和過(guò)程的工程技術(shù)人員，可以很容易地進(jìn)行復雜繁瑣的信號波形數據處理和運算，而不必了解和掌握其詳細真實(shí)的數學(xué)過(guò)程。 3）以A/D轉換和D/A轉換為基本功能的公共硬件平臺的出現；導致了硬件的標準化，促使硬件成本降低，增加了通用性、兼容性和交互性。目前，主流的虛擬儀器主要是GPIB、VXI、PXI、PCI、LXI總線(xiàn)以及各種計算機總線(xiàn)（如ISA、RS232、USB、Fireware、LAN）標準的各種插卡和儀器模塊，即是標準化方面的嘗試。同時(shí)，也使得虛擬儀器模塊具有更加小巧的外形尺寸，容易組成功能強大的復雜儀器系統，它們擁有良好的信息相融性，可自動(dòng)完成各種復雜的預定任務(wù)。 4）公共軟件平臺的出現；這導致了開(kāi)放性、多功能、復合儀器、集成儀器的發(fā)展成為可能；傳統的非虛擬儀器大都不具有虛擬儀器平臺的廣泛開(kāi)放性，這使得人們一方面可以更加廣泛利用全部虛擬儀器資源，帶來(lái)了工作的靈活性和極大的便利，另一方面，可以利用這些開(kāi)放性進(jìn)行組合，合成各種具有獨特目標功能和價(jià)值的專(zhuān)用儀器系統，達到以通用技術(shù)獲得專(zhuān)用效果的目的。 例如，可以在通用數據采集系統的公共軟件平臺上使用軟件模塊，構造出“數字電壓表”、“數字存儲示波器”、“相位計”、“失真度儀”、“頻譜分析儀 ”、“頻率計數器”等多種虛擬儀器，形成具有強大測量分析功能的“集成儀器系統”。而同樣可以在D/A轉換卡的公共軟件上使用軟件模塊，構造出“正弦信號發(fā)生器”、“方波”、“三角波”、“調幅”、“調頻”、“調相”、“直流”等多種信號源類(lèi)虛擬儀器，它們也將形成以硬件同一性為特征的“集成信號源”系統供使用者選擇。 5）與計算機平臺技術(shù)緊密結合、共同發(fā)展；導致了儀器性能伴隨計算機技術(shù)的飛速發(fā)展而水漲船高，同時(shí)使得網(wǎng)絡(luò )化儀器和超越時(shí)空儀器的發(fā)展成為現實(shí)。網(wǎng)絡(luò )化的虛擬儀器有可能與目前的儀器模式截然不同，它可能只是跨越時(shí)間和空間的一個(gè)技術(shù)存在而已，使人們無(wú)法確切表述其尺寸、重量、放置場(chǎng)所等經(jīng)典的儀器信息。目前已經(jīng)有的需求和應用，諸如遠程教育，已經(jīng)在提出并籌劃的如遠程網(wǎng)絡(luò )化計量校準和溯源，都屬于這個(gè)方向上的進(jìn)展。 6）軟件儀器模塊作為獨立儀器模塊成為可能；可望造成軟件儀器模塊與硬件儀器模塊技術(shù)分離，并分別獨立發(fā)展，不同部分的模塊有望可以任意組合，相同功能的模塊有望達到無(wú)條件互換。IVI (Interchangeable Virtual Instrument)基金會(huì )制定的VPP(VXI Plug & Play)規范，應該屬于這方面的工作和技術(shù)進(jìn)展。 7）標準化儀器序列的出現；具有相同功能、共用公共硬件平臺、僅由軟件不同而形成的虛擬儀器系列將出現，它們可以強調實(shí)時(shí)性、精度、速度、復雜性等不同特征，分別應用于測試、控制、校準、實(shí)驗等不同工作中；例如相位計虛擬儀器模塊，可使用過(guò)零檢測求取時(shí)間差法，可使用相關(guān)分析法，可使用正交分解法，也可使用曲線(xiàn)擬合法等多種方法來(lái)實(shí)現；它們之中，可以有實(shí)時(shí)性最好的模塊，有準確度最高的模塊，有適應性最廣的模塊等不同特征；可以有適合閉環(huán)控制用、計量校準用、一般工程測量用等多種不同應用場(chǎng)合和要求�？梢园凑詹煌囊筇攸c(diǎn)排序分類(lèi)形成系列供應用者選擇。從根本上說(shuō)，同系列中功能相同而方法不同的軟件模塊，理所當然地應視為不同的儀器模塊。 具有不同功能、共用公共硬件平臺、僅由軟件不同而形成的虛擬儀器系列將出現，它們可以強調參數多樣性、系統性、復雜性等不同特征，組成集成儀器系統，達到以少量硬件資源，完成多種任務(wù)的目的。 8）測量難題的解決和測量能力的擴展；例如，Agilent公司的N5530系列測量接收機，其調幅、調頻、調相信號測量誤差限分別為1%、1%和2 %，是目前測量行業(yè)里指標最高的調制信號解調儀器，校準溯源極為困難，但使用虛擬儀器方式，以波形測量方法進(jìn)行數字化解調，完全可以獲得更高的測量準確度，并有望最終解決其校準溯源問(wèn)題，將調制參數溯源到具有更高準確度的幅度和時(shí)間參量上。例如，目前計量行業(yè)中，正弦信號總失真度的測量多數在 200kHz以下進(jìn)行，超出這個(gè)范圍的儀器設備很難找到，只能使用頻譜分析儀進(jìn)行，過(guò)程煩瑣且誤差較大。而使用虛擬儀器，則可以很容易在相當寬的頻率范圍內進(jìn)行失真度的測量。 9）智能化儀器成為可能�？傮w說(shuō)來(lái)，儀器的智能化發(fā)展主要應體現出其測量的柔性、魯棒性、自適應性、全面性、多樣性諸方面，軟件模型在這些方面的表現要遠優(yōu)于硬件技術(shù)，并且為這些技術(shù)在機器人、無(wú)人飛行器等行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應用提供了技術(shù)可能。 10）不確定度評定。測量結果的不確定度給出問(wèn)題，一直是測量行業(yè)的一個(gè)基本問(wèn)題，在非虛擬儀器條件下，它的給出極為困難，而虛擬儀器有著(zhù)智能化和軟件模型化特點(diǎn)，在已知硬件極限參數和執行參量這些基本的邊界條件下，其軟件模型參數的不確定度可望已知，并有希望在測量結果給出的同時(shí)，給出其不確定度，這也應該是虛擬儀器的一個(gè)發(fā)展方向。至少在計量校準行業(yè)和社會(huì )公用計量標準中，它有著(zhù)廣泛的需求空間。 4 虛擬儀器的缺點(diǎn)與不足 與傳統儀器相比，虛擬儀器仍然有一些不足，總結如下： 1）實(shí)時(shí)性較差；由于需要使用算法模型，導致量化采樣成為虛擬儀器的必須環(huán)節，使得虛擬儀器給出測量結果需要更多的時(shí)間，軟件模型的適應性犧牲了其實(shí)時(shí)性，致使目前的虛擬儀器多集中在比較低的頻率范圍內使用，射頻、微波類(lèi)儀器設備較少。解決方法之一便是借助于DSP技術(shù)、FPGA技術(shù)、ARM技術(shù)等將軟件硬件化，提高其實(shí)時(shí)性。 2）量化誤差的影響不可避免；由于借助于數字化技術(shù)，基于A(yíng)/D或D/A平臺，量化誤差屬于客觀(guān)存在，將對測量結果造成影響。其穩定性和準確度也受到限制，無(wú)法達到很高水平，導致其在工程應用中通常達不到特別高的測量準確度，多數限于一般工程應用。解決的方法是借助于模型化測量方式，以模型參數給出測量結果，這將降低測量速度，從而犧牲實(shí)時(shí)性，而量化效應的影響仍然存在。 3）構成虛擬儀器的核心——軟件算法的專(zhuān)門(mén)研究缺乏；包括算法模型的收斂性、使用邊界條件、與實(shí)際工程問(wèn)題的符合程度等等。解決方式是開(kāi)展虛擬儀器各種算法模型研究，研制標準化軟件儀器模塊。 4）虛擬儀器屬于間接測量原理；其儀器指標與其硬件平臺指標有較大差異，用戶(hù)容易混淆其中的差別，導致指標提法和應用的混亂狀況；解決方式是同時(shí)給出硬件平臺指標和虛擬儀器指標參數。 5）由用戶(hù)自己定義和研制的虛擬儀器缺乏指標和全面系統的性能考核。絕大多數虛擬儀器用戶(hù)沒(méi)有儀器設計和制造的專(zhuān)業(yè)知識與經(jīng)驗，因而在虛擬儀器研制時(shí)，缺乏確定儀器指標的經(jīng)驗和技術(shù)，對于量值溯源校準缺乏意識。解決方式是可以加強該方面的研究和方法規范，使之成為行業(yè)標準。 6）單臺儀器系統操作復雜、不夠直觀(guān)。典型的虛擬儀器系統都離不開(kāi)電子計算機，它們通常沒(méi)有獨立自主的硬件面板和按鍵旋鈕等，需要借助于儀器硬件平臺和計算機軟件平臺，以軟件系統執行測量操作；因而當完成簡(jiǎn)單的任務(wù)時(shí)，比非虛擬儀器的臺式儀器復雜和不夠直觀(guān)。解決的方法是可以將一部分虛擬儀器模塊技術(shù)與計算機技術(shù)相融合，研制成即插即用（plug & play）形式儀器模塊以降低其操作、安裝的復雜性。 5 結論 綜上所述，虛擬儀器的表述盡管有多種多樣的提法和特征，但其根本思想是以軟件模型算法代替儀器測量原理，將物理世界中的信號變換、處理功能轉換到數字世界，以軟件模型對數據信息特征的提取來(lái)實(shí)現。結合電子計算機技術(shù)的巨大優(yōu)勢和潛力，為人們帶來(lái)了前所未有的便利和發(fā)展空間。 |
