虛擬儀器思想述評(píng)

　　1 引言

　　關(guān)于虛擬儀器，有許多種提法和分類[1~8]，如卡式儀器、總線式儀器、計(jì)算機(jī)化儀器等等，多數(shù)均強(qiáng)調(diào)其軟件面板，強(qiáng)調(diào)其虛擬界面及控制環(huán)境，強(qiáng)調(diào)其軟件方法，一句典型且具有代表性的口號(hào)則稱：“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(shù)字量輸入輸出平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件，按已知的數(shù)學(xué)模型和時(shí)序?qū)崿F(xiàn)的，具有信號(hào)測(cè)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(tǒng)。

　　典型的虛擬儀器模式可以理解為，除了信號(hào)的輸入和輸出以外，儀器的其它操作、測(cè)量、控制、變換、分析、顯示等功能均由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)管理的數(shù)字化儀器。

　　虛擬儀器的出現(xiàn)，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(jī)遇及手段，也帶來(lái)了巨大的困惑與挑戰(zhàn)。那么，虛擬儀器的核心思想是什么？它的目標(biāo)是什么？能解決什么問(wèn)題和達(dá)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(xiàn)不是偶然的，它是客觀世界發(fā)展的必然。其最直接的表現(xiàn)即是以軟件功能代替硬件功能，從而迎接測(cè)試領(lǐng)域的三個(gè)挑戰(zhàn)：1）測(cè)試成本不斷增加；2）測(cè)試系統(tǒng)日趨復(fù)雜；3）測(cè)試投資的保護(hù)要求。

　　對(duì)于測(cè)量分析儀器來(lái)說(shuō)，典型的虛擬儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其輸入為物理世界中的信號(hào)，中間經(jīng)過(guò)數(shù)字世界的變換、處理過(guò)程，以軟件模型實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中的儀器原理，輸出為物理世界的信號(hào)或數(shù)字世界的數(shù)據(jù)；這里，以A/D變換為特征的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)是最基本的虛擬測(cè)量?jī)x器平臺(tái)。而對(duì)于信號(hào)源類的設(shè)備來(lái)說(shuō)，其輸入為數(shù)字世界的模型數(shù)據(jù)，以軟件模型實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)信號(hào)源中的信號(hào)波形生成原理，輸出則為物理世界的信號(hào)，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(tái)是最基本的虛擬儀器式信號(hào)源平臺(tái)。

圖1 典型的虛擬測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)框圖

圖2 典型的虛擬儀器式信號(hào)源結(jié)構(gòu)框圖

　　由此可見，傳統(tǒng)的儀器，其輸入、變換、處理、以及輸出，均以信號(hào)方式在物理世界中實(shí)現(xiàn)，依賴于物理原理、法則、定律，而虛擬儀器，其主導(dǎo)思想是將其復(fù)雜多樣的儀器原理部分，主要放到數(shù)字世界中，依賴于數(shù)學(xué)模型和算法，以信息數(shù)據(jù)處理、變換、辨識(shí)等實(shí)現(xiàn)，最終以數(shù)字方式輸出或回到物理世界以信號(hào)方式輸出。具體做法有：1) 以數(shù)學(xué)模型的多樣性替代儀器原理的多樣性和復(fù)雜性；以軟件的變化獲得儀器功能的變化，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜性測(cè)試要求；2) 以軟件數(shù)學(xué)模型的穩(wěn)定性獲得高性能的儀器特征；3) 以硬件平臺(tái)的通用性獲得儀器的通用性、兼容性、互換性；4) 以軟件平臺(tái)的公共性獲得不同儀器的交互性與互換性。

　　[$page]　　因而可以說(shuō)，虛擬儀器是跨躍物理世界與數(shù)字世界的橋梁和紐帶，在統(tǒng)一的信息世界內(nèi)涵里，連接著物理世界與數(shù)字世界。

　　3 虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)與效果

　　與其它儀器不同，虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用有很多不同以往的優(yōu)勢(shì)，并能獲得一些截然不同的技術(shù)效果，總結(jié)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(fù)雜性代替了硬件原理的多樣性和復(fù)雜性，從而降低了儀器硬件的復(fù)雜性，軟件模型沒有漂移、老化等硬件的物理弱點(diǎn)，因此增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　2）用戶可以在通用硬件平臺(tái)上，通過(guò)變化軟件模型自行設(shè)計(jì)研制自定義的儀器；增加了儀器設(shè)備研制設(shè)計(jì)的柔性、適應(yīng)性，使得儀器升級(jí)更新速度加快，成本更低，并能誕生許多新概念儀器[9,10]，導(dǎo)致現(xiàn)代信號(hào)處理的最新理論、技術(shù)可以在第一時(shí)間應(yīng)用于儀器儀表行業(yè)。例如，人們已經(jīng)有可能研制出“統(tǒng)計(jì)特性分析儀”，以便測(cè)量分析任何一個(gè)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性；可研制出專門的“周期波形分析測(cè)量?jī)x”，以對(duì)周期信號(hào)的幅度、周期、波譜、失真、擬合函數(shù)、信號(hào)帶寬、抖動(dòng)等，進(jìn)行綜合]測(cè)量分析；也可以研制出專門的“小波波譜分析儀”，以便對(duì)任何感興趣的簡(jiǎn)單或復(fù)雜信號(hào)進(jìn)行小波變換分析，并輸出其波譜。讓復(fù)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(fù)雜繁瑣的信號(hào)波形數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算，而不必了解和掌握其詳細(xì)真實(shí)的數(shù)學(xué)過(guò)程。

　　3）以A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換為基本功能的公共硬件平臺(tái)的出現(xiàn)；導(dǎo)致了硬件的標(biāo)準(zhǔn)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總線以及各種計(jì)算機(jī)總線（如ISA、RS232、USB、Fireware、LAN）標(biāo)準(zhǔn)的各種插卡和儀器模塊，即是標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)大的復(fù)雜儀器系統(tǒng)，它們擁有良好的信息相融性，可自動(dòng)完成各種復(fù)雜的預(yù)定任務(wù)。

　　4）公共軟件平臺(tái)的出現(xiàn)；這導(dǎo)致了開放性、多功能、復(fù)合儀器、集成儀器的發(fā)展成為可能[11~14]；傳統(tǒng)的非虛擬儀器大都不具有虛擬儀器平臺(tái)的廣泛開放性，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，可以利用這些開放性進(jìn)行組合，合成各種具有獨(dú)特目標(biāo)功能和價(jià)值的專用儀器系統(tǒng)，達(dá)到以通用技術(shù)獲得專用效果的目的。

　　例如，可以在通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的公共軟件平臺(tái)上使用軟件模塊，構(gòu)造出“數(shù)字電壓表”、“數(shù)字存儲(chǔ)示波器”、“相位計(jì)”、“失真度儀”、“頻譜分析儀”、“頻率計(jì)數(shù)器”等多種虛擬儀器，形成具有強(qiáng)大測(cè)量分析功能的“集成儀器系統(tǒng)”。而同樣可以在D/A轉(zhuǎn)換卡的公共軟件上使用軟件模塊，構(gòu)造出“正弦信號(hào)發(fā)生器”、“