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虚拟仪器思想述评

时间:2011-03-19 22:01:03  来源:未知  作者:admin  点击数:

 1 引言

  关于虚拟仪器,有许多种提法和分类[1~8],如卡式仪器、总线式仪器、计算机化仪器等等,多数均强调其软件面板,强调其虚拟界面及控制环境,强调其软件方法,一句典型且具有代表性的口号则称:“软件就是仪器”!

  实际上,虚拟仪器是一些借助于通用的<模拟量及数字量输入输出平台,通过计算机软件,按已知的数学模型和时序实现的,具有信号测量、控制、变换、分析、显示、输出等全部或部分功能的智能化输入输出系统。

  典型的虚拟仪器模式可以理解为,除了信号的输入和输出以外,仪器的其它操作、测量、控制、变换、分析、显示等功能均由软件来实现的一种计算机管理的数字化仪器。

   虚拟仪器的出现,给仪器科学与技术带来了又一次震撼,它给人一种全新的理念和感受,为人们提供了前所未有的机遇及手段,也带来了巨大的困惑与挑战。那 么,虚拟仪器的核心思想是什么?它的目标是什么?能解决什么问题和达到什么效果?它有什么弱点?本文将主要讨论这些问题。

  2 虚拟仪器

  虚拟仪器的出现不是偶然的,它是客观世界发展的必然。其最直接的表现即是以软件功能代替硬件功能,从而迎接测试领域的三个挑战:1)测试成本不断增加;2)测试系统日趋复杂;3)测试投资的保护要求。

   对于测量分析仪器来说,典型的虚拟仪器结构如图1所示。其输入为物理世界中的信号,中间经过数字世界的变换、处理过程,以软件模型实现传统仪器中的仪器 原理,输出为物理世界的信号或数字世界的数据;这里,以A/D变换为特征的数据采集平台是最基本的虚拟测量仪器平台。而对于信号源类的设备来说,其输入为 数字世界的模型数据,以软件模型实现传统信号源中的信号波形生成原理,输出则为物理世界的信号,如图2所示,在这里,以D/A变换为特征的任意波发生器平 台是最基本的虚拟仪器式信号源平台。

图1 典型的虚拟测量仪器结构框图

图2 典型的虚拟仪器式信号源结构框图

   由此可见,传统的仪器,其输入、变换、处理、以及输出,均以信号方式在物理世界中实现,依赖于物理原理、法则、定律,而虚拟仪器,其主导思想是将其复杂 多样的仪器原理部分,主要放到数字世界中,依赖于数学模型和算法,以信息数据处理、变换、辨识等实现,最终以数字方式输出或回到物理世界以信号方式输出。 具体做法有:

1) 以数学模型的多样性替代仪器原理的多样性和复杂性;以软件的变化获得仪器功能的变化,以应对复杂性测试要求;2) 以软件数学模型的稳定性获得高性能的仪器特征;3) 以硬件平台的通用性获得仪器的通用性、兼容性、互换性;4) 以软件平台的公共性获得不同仪器的交互性与互换性。

  因而可以说,虚拟仪器是跨跃物理世界与数字世界的桥梁和纽带,在统一的信息世界内涵里,连接着物理世界与数字世界。

  3 虚拟仪器的优势与效果

  与其它仪器不同,虚拟仪器技术的应用有很多不同以往的优势,并能获得一些截然不同的技术效果,总结归纳如下:
 

  1)以软件模型代替硬件原理;以软件模型的多样性和复杂性代替了硬件原理的多样性和复杂性,从而降低了仪器硬件的复杂性,软件模型没有漂移、老化等硬件的物理弱点,因此增加了系统的稳定性。

   2)用户可以在通用硬件平台上,通过变化软件模型自行设计研制自定义的仪器;增加了仪器设备研制设计的柔性、适应性,使得仪器升级更新速度加快,成本更 低,并能诞生许多新概念仪器[9,10],导致现代信号处理的最新理论、技术可以在第一时间应用于仪器仪表行业。例如,人们已经有可能研制出“统计特性分 析仪”,以便测量分析任何一个信号的统计特性;可研制出专门的“周期波形分析测量仪”,以对周期信号的幅度、周期、波谱、失真、拟合函数、信号带宽、抖动 等,进行综合]测量分析;也可以研制出专门的“小波波谱分析仪”,以便对任何感兴趣的简单或复杂信号进行小波变换分析,并输出其波谱。让复杂的原理和过程 简单化和平民化,使那些只了解和掌握基本概念和过程的工程技术人员,可以很容易地进行复杂繁琐的信号波形数据处理和运算,而不必了解和掌握其详细真实的数 学过程。

  3)以A/D转换和D/A转换为基本功能的公共硬件平台的出现;导致了硬件的标准化,促使硬件成本降低,增加了通用性、兼容性 和交互性。目前,主流的虚拟仪器主要是GPIB、VXI、PXI、PCI、LXI总线以及各种计算机总线(如ISA、RS232、USB、 Fireware、LAN)标准的各种插卡和仪器模块,即是标准化方面的尝试。同时,也使得虚拟仪器模块具有更加小巧的外形尺寸,容易组成功能强大的复杂 仪器系统,它们拥有良好的信息相融性,可自动完成各种复杂的预定任务。

   4)公共软件平台的出现;这导致了开放性、多功能、复合仪器、 集成仪器的发展成为可能[11~14];传统的非虚拟仪器大都不具有虚拟仪器平台的广泛开放性,这使得人们一方面可以更加广泛利用全部虚拟仪器资源,带来 了工作的灵活性和极大的便利,另一方面,可以利用这些开放性进行组合,合成各种具有独特目标功能和价值的专用仪器系统,达到以通用技术获得专用效果的目 的。

 

  例如,可以在通用数据采集系统的公共软件平台上使用软件模块,构造出“数字电压表”、“数字存储示波器”、“相位 计”、“失真度仪”、“频谱分析仪 ”、“频率计数器”等多种虚拟仪器,形成具有强大测量分析功能的“集成仪器系统”。而同样可以在D/A转换卡的公共软件上使用软件模块,构造出“正弦信号 发生器”、“方波”、“三角波”、“调幅”、“调频”、“调相”、“直流”等多种信号源类虚拟仪器,它们也将形成以硬件同一性为特征的“集成信号源”系统 供使用者选择。

  5)与计算机平台技术紧密结合、共同发展;导致了仪器性能伴随计算机技术的飞速发展而水涨船高,同时使得网络化仪器和超 越时空仪器的发展成为现实。网络化的虚拟仪器有可能与目前的仪器模式截然不同,它可能只是跨越时间和空间的一个技术存在而已,使人们无法确切表述其尺寸、 重量、放置场所等经典的仪器信息。目前已经有的需求和应用,诸如远程教育,已经在提出并筹划的如远程网络化计量校准和溯源,都属于这个方向上的进展 [15,16]。

  6)软件仪器模块作为独立仪器模块成为可能;可望造成软件仪器模块与硬件仪器模块技术分离,并分别独立发展,不同部分的模块有望可以任意组合,相同功能的模块有望达到无条件互换。IVI (Interchangeable Virtual Instrument)基金会制定的VPP(VXI Plug & Play)规范,应该属于这方面的工作和技术进展。

  7)标准化仪器序列的出现;具有相同功能、共用公共硬件平台、仅由软件不同而形成的 虚拟仪器系列将出现,它们可以强调实时性、精度、速度、复杂性等不同特征,分别应用于测试、控制、校准、实验等不同工作中;例如相位计虚拟仪器模块,可使 用过零检测求取时间差法,可使用相关分析法,可使用正交分解法,也可使用曲线拟合法等多种方法来实现;它们之中,可以有实时性最好的模块,有准确度最高的 模块,有适应性最广的模块等不同特征;可以有适合闭环控制用、计量校准用、一般工程测量用等多种不同应用场合和要求。可以按照不同的要求特点排序分类形成 系列供应用者选择。从根本上说,同系列中功能相同而方法不同的软件模块,理所当然地应视为不同的仪器模块。

  具有不同功能、共用公共硬件平台、仅由软件不同而形成的虚拟仪器系列将出现,它们可以强调参数多样性、系统性、复杂性等不同特征,组成集成仪器系统,达到以少量硬件资源,完成多种任务的目的。

   8)测量难题的解决和测量能力的扩展;例如,Agilent公司的N5530系列测量接收机,其调幅、调频、调相信号测量误差限分别为1%、1%和2 %,是目前测量行业里指标最高的调制信号解调仪器,校准溯源极为困难,但使用虚拟仪器方式,以波形测量方法进行数字化解调,完全可以获得更高的测量准确 度,并有望最终解决其校准溯源问题,将调制参数溯源到具有更高准确度的幅度和时间参量上。例如,目前计量行业中,正弦信号总失真度的测量多数在 200kHz以下进行,超出这个范围的仪器设备很难找到,只能使用频谱分析仪进行,过程烦琐且误差较大。而使用虚拟仪器,则可以很容易在相当宽的频率范围 内进行失真度的测量。

  9)智能化仪器成为可能。总体说来,仪器的智能化发展主要应体现出其测量的柔性、鲁棒性、自适应性、全面性、多样性诸方面,软件模型在这些方面的表现要远优于硬件技术,并且为这些技术在机器人、无人飞行器等行业和领域的广泛应用提供了技术可能。

   10)不确定度评定。测量结果的不确定度给出问题,一直是测量行业的一个基本问题,在非虚拟仪器条件下,它的给出极为困难,而虚拟仪器有着智能化和软件 模型化特点,在已知硬件极限参数和执行参量这些基本的边界条件下,其软件模型参数的不确定度可望已知,并有希望在测量结果给出的同时,给出其不确定度,这 也应该是虚拟仪器的一个发展方向。至少在计量校准行业和社会公用计量标准中,它有着广泛的需求空间。
 

  4 虚拟仪器的缺点与不足

  与传统仪器相比,虚拟仪器仍然有一些不足,总结如下:

   1)实时性较差;由于需要使用算法模型,导致量化采样成为虚拟仪器的必须环节,使得虚拟仪器给出测量结果需要更多的时间,软件模型的适应性牺牲了其实时 性,致使目前的虚拟仪器多集中在比较低的频率范围内使用,射频、微波类仪器设备较少。解决方法之一便是借助于DSP技术、FPGA技术、ARM技术等将软 件硬件化,提高其实时性。

  2)量化误差的影响不可避免;由于借助于数字化技术,基于A/D或D/A平台,量化误差属于客观存在,将对测 量结果造成影响。其稳定性和准确度也受到限制,无法达到很高水平,导致其在工程应用中通常达不到特别高的测量准确度,多数限于一般工程应用。解决的方法是 借助于模型化测量方式,以模型参数给出测量结果,这将降低测量速度,从而牺牲实时性,而量化效应的影响仍然存在。

   3)构成虚拟仪器的核心——软件算法的专门研究缺乏;包括算法模型的收敛性、使用边界条件、与实际工程问题的符合程度等等。解决方式是开展虚拟仪器各种算法模型研究,研制标准化软件仪器模块。

  4)虚拟仪器属于间接测量原理;其仪器指标与其硬件平台指标有较大差异,用户容易混淆其中的差别,导致指标提法和应用的混乱状况;解决方式是同时给出硬件平台指标和虚拟仪器指标参数。

   5)由用户自己定义和研制的虚拟仪器缺乏指标和全面系统的性能考核。绝大多数虚拟仪器用户没有仪器设计和制造的专业知识与经验,因而在虚拟仪器研制时, 缺乏确定仪器指标的经验和技术,对于量值溯源校准缺乏意识。解决方式是可以加强该方面的研究和方法规范,使之成为行业标准。

  6)单台仪 器系统操作复杂、不够直观。典型的虚拟仪器系统都离不开电子计算机,它们通常没有独立自主的硬件面板和按键旋钮等,需要借助于仪器硬件平台和计算机软件平 台,以软件系统执行测量操作;因而当完成简单的任务时,比非虚拟仪器的台式仪器复杂和不够直观。解决的方法是可以将一部分虚拟仪器模块技术与计算机技术相 融合,研制成即插即用(plug & play)形式仪器模块以降低其操作、安装的复杂性。
 

  5 结论

   综上所述,虚拟仪器的表述尽管有多种多样的提法和特征,但其根本思想是以软件模型算法代替仪器测量原理,将物理世界中的信号变换、处理功能转换到数字世 界,以软件模型对数据信息特征的提取来实现。结合电子计算机技术的巨大优势和潜力,为人们带来了前所未有的便利和发展空间。
 

  参考文献

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