虛擬儀器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

虛擬儀器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

關(guān)于虛擬儀器，有許多方法和分類，如卡式儀表、在線儀表、計(jì)算機(jī)化儀表等。許多人強(qiáng)調(diào)自己的軟件界面，強(qiáng)調(diào)自己的虛擬界面和操作環(huán)境，強(qiáng)調(diào)自己的數(shù)學(xué)模型和軟件方法。一個(gè)典型且具代表性的口號是“軟件就是工具”，許多觀點(diǎn)是不同的。但是,如果要對虛擬儀器的現(xiàn)狀及其發(fā)展做一番討論時(shí),則首先應(yīng)從測量及其本質(zhì)內(nèi)涵談起。測量,有多種定義被提及,而多數(shù)強(qiáng)調(diào)其試驗(yàn)、量值可比及單位統(tǒng)一。從本質(zhì)上講,測量應(yīng)該是客觀世界信息或特征的一種展示。而信號是信息的一種載體。因此,所有與測量有關(guān)的儀器設(shè)備,總體上可分為兩種,一種是提供被展示信息的設(shè)備——稱為信號源;另一種是獲取信息并進(jìn)行變換、分析、處理和展示的儀器——稱為測量儀器設(shè)備。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,通過計(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(tǒng)。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,儀器的其他操作、測量、控制、變換、分析、顯示等功能均由軟件來實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)管理的數(shù)字化儀器。1計(jì)算機(jī)虛擬儀器如前所述,虛擬儀器是計(jì)算機(jī)管理的數(shù)字化儀器系統(tǒng),因此,依據(jù)某種通用或?qū)Ｓ每偩€標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)約,或以某種接口形式,與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信和管理,并與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)共同工作運(yùn)行的儀器系統(tǒng),目前多數(shù)屬于虛擬儀器系統(tǒng),它的典型特征是不可脫離計(jì)算機(jī)而獨(dú)立工作。在信號源類虛擬儀器系統(tǒng)中,種類不是很多,主要有D/A卡系統(tǒng)和任意波發(fā)生器,另外還有函數(shù)發(fā)生器、合成信號源等。在測量儀器類虛擬儀器系統(tǒng)中,則有許多種類,其中最主要的是A/D卡系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),另外還有數(shù)字存儲示波器、瞬態(tài)記錄儀、數(shù)字化儀、數(shù)字多用表、頻率計(jì)數(shù)器、信號分析儀、相位計(jì)、失真儀、噪聲分析儀、阻尼計(jì)等多種。原則上,非虛擬儀器里的儀器,都可以用虛擬儀器方式實(shí)現(xiàn),但在大功率領(lǐng)域以及射頻微波領(lǐng)域里的儀器設(shè)備,虛擬儀器實(shí)現(xiàn)比較困難,模塊也較少;低頻領(lǐng)域,以及小功率領(lǐng)域里,虛擬儀器已經(jīng)具有了良好的發(fā)展態(tài)勢。目前,主流的虛擬儀器主要是VXI、PXI、各種計(jì)算機(jī)總線(如PCI、ISA、RS232、USB)等總線標(biāo)準(zhǔn)的各種插卡和儀器模塊,間或有少數(shù)其他總線形式的儀器模塊,工作方式多是插入各種總線式儀器機(jī)箱內(nèi)或直接插入計(jì)算機(jī)主機(jī)箱內(nèi),少數(shù)情況下是獨(dú)立模塊以接口形式接入計(jì)算機(jī)。它們多數(shù)屬于中低頻范圍,主要是工程應(yīng)用類儀器設(shè)備,射頻微波類以及高準(zhǔn)確度類儀器設(shè)備較少。由于一部分虛擬儀器模塊及系統(tǒng)(如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))早在虛擬儀器概念提出之前就已經(jīng)存在,所以,虛擬儀器概念的建立、提出和發(fā)展,一直是圍繞著現(xiàn)有儀器設(shè)備的功能和性能,逐步強(qiáng)調(diào)和加大軟件在儀器中的地位和作用,并以軟件技術(shù)代替硬件技術(shù)為核心進(jìn)行,逐漸將非虛擬儀器虛擬化。關(guān)于虛擬儀器的發(fā)展趨勢,也一直以軟件就是儀器和虛擬面板為特征來進(jìn)行。實(shí)際上,還遠(yuǎn)不止如此,本文將結(jié)合典型應(yīng)用,試圖討論它在另外幾個(gè)方面的發(fā)展傾向。2虛擬儀器軟件模塊的發(fā)展方向和展望軟件就是儀器,應(yīng)該確切地說成:軟件就是儀器的一部分,而且是越來越重要的一部分,但軟件不等于儀器。虛擬儀器之所以稱為儀器,就在于它是面對信號的,而不是面對數(shù)據(jù)的。它具有輸入輸出,不可能只由軟件組成。它通常由通用硬件平臺、軟件平臺、計(jì)算機(jī)以及數(shù)學(xué)模型幾方面組成。其本身體現(xiàn)的就是儀器的軟件化。這同時(shí)也是符合測量的本質(zhì)要求且大有可為的。就虛擬儀器的軟件來說,應(yīng)包含基本測量原理、測量方法、數(shù)學(xué)模型及邊界條件、軟件算法及時(shí)序等幾部分。但是,測量原理不等于儀器;測量方法不等于儀器;數(shù)學(xué)模型不等于儀器;軟件算法也不等于儀器。它們都只是虛擬儀器的一部分,要加上適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件,并與相應(yīng)的硬件基本平臺相結(jié)合,具有信號的輸入輸出功能后才最終構(gòu)成儀器。就如同說,傅里葉變換原理不等于儀器,它的快速算法FFT不等于儀器,加上適當(dāng)邊界條件與硬件相結(jié)合,構(gòu)成的頻譜分析儀才是儀器。因?yàn)閮x器是針對信號的,而不是針對數(shù)據(jù)的,所以,虛擬儀器同MATLAB等軟件程序包有著本質(zhì)的不同。由于軟件在虛擬儀器中的特殊地位,在可以預(yù)見的將來,它有以下幾個(gè)方向的發(fā)展趨勢:虛擬儀器軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、系列化和網(wǎng)絡(luò)化。由于測量原理、測量方法、數(shù)學(xué)模型和軟件算法都不等于儀器,因而虛擬儀器的軟件有著按儀器通用要求模塊化的發(fā)展趨勢。將其基本硬件平臺的參數(shù)作為邊界條件,使用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,以軟件技術(shù)構(gòu)建并封裝成具有一個(gè)個(gè)典型儀器特點(diǎn)的軟件模塊是可能的,在強(qiáng)大的市場需求下也是可行的和必要的,如數(shù)字電壓表模塊、頻譜分析儀模塊、數(shù)字示波器模塊、正弦函數(shù)發(fā)生器模塊等。它們需要像硬件模塊那樣,由專門的儀器開發(fā)人員研制,并形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),使其基本功能、通用性能及指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化,并逐步將那些具有典型推廣價(jià)值和意義的數(shù)學(xué)模型儀器化和標(biāo)準(zhǔn)化,使人們可以像購置硬件模塊那樣購置軟件模塊。IVI(interchangeablevirtualinstrument)基金會制定的VPP(VXIPlug&Play)規(guī)范,應(yīng)該屬于這方面的工作和技術(shù)進(jìn)展。同樣一種儀器功能,通?？梢允褂枚喾N不同的數(shù)學(xué)模型和軟件算法來實(shí)現(xiàn),一般說來,它們的運(yùn)算量的大小體現(xiàn)了結(jié)果精度的高低,且精度與實(shí)時(shí)性之間存在著矛盾,在不同應(yīng)用場合的側(cè)重點(diǎn)又各不相同,如過程控制、工程測量及動態(tài)測試通常更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性和速率,而計(jì)量校準(zhǔn)則更關(guān)注其準(zhǔn)確度以及各儀器參數(shù)的極限值,適合前者的軟件模型,不一定適合后者,反之亦然。這在客觀上就要求虛擬儀器的軟件專業(yè)化和按照客觀實(shí)際需求而分類化,以便更好地適應(yīng)實(shí)際需求。這應(yīng)是一個(gè)具有非常良好前景的發(fā)展方向。軟件模塊的系列化是虛擬儀器的另一個(gè)重要發(fā)展方向。在實(shí)際應(yīng)用過程中,有兩個(gè)比較有影響的系列化分支,將會具有廣闊的前景,一個(gè)是由軟件模塊的專業(yè)化引起的系列化。例如相位計(jì)虛擬儀器模塊,可以使用過零檢測求取時(shí)間差法,可以使用相關(guān)分析法,可以使用正交分解法,也可以使用曲線擬合法等多種方法來實(shí)現(xiàn);它們之中,可以有實(shí)時(shí)性最好的模塊,有準(zhǔn)確度最高的模塊,有適應(yīng)性最廣的模塊等不同特征;可以有適合閉環(huán)控制用、計(jì)量校準(zhǔn)用、一般工程測量用等多種不同應(yīng)用場合和要求?？梢园凑詹煌囊筇攸c(diǎn)排序分類形成系列供應(yīng)用者選擇。從根本上說,同系列中功能相同而方法不同的軟件模塊,理所當(dāng)然地應(yīng)視為不同的儀器模塊。軟件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化,在客觀上將對構(gòu)成虛擬儀器的硬件平臺提出標(biāo)準(zhǔn)化的通用要求,同一種硬件平臺,可以由于軟件模塊的不同而產(chǎn)生另一個(gè)系列化分類。將可以在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺上運(yùn)行的軟件模塊,按功能特點(diǎn)排序,形成另一種有意義的系列化模塊軟件,它將有助于節(jié)省硬件資源,促進(jìn)一機(jī)多用,形成強(qiáng)大的“集成儀器”功能。例如,可以在通用數(shù)據(jù)采集平臺上使用軟件模塊,構(gòu)造出“數(shù)字電壓表”、“數(shù)字存儲示波器”、“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)換卡硬件平臺上使用軟件模塊,構(gòu)造出“正弦信號發(fā)生器”、“方波”、“三角波”、“調(diào)幅”、“調(diào)頻”、“調(diào)相”、“直流”等多種信號源類虛擬儀器,它們也將形成以硬件同一性為特征的“集成信號源”系統(tǒng)供使用者選擇。當(dāng)今世界是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的世界,網(wǎng)絡(luò)延展了人們的社會空間、技術(shù)空間和生命空間,打破了以往許多關(guān)于距離、尺寸的概念和禁忌,虛擬儀器也將順應(yīng)這一需求而發(fā)展。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,使人們無法確切表述其尺寸、重量、放置場所等經(jīng)典的儀器信息。目前已經(jīng)有的需求和應(yīng)用,諸如遠(yuǎn)程教育,已經(jīng)在提出并籌劃的如遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化計(jì)量校準(zhǔn)和溯源,都屬于這個(gè)方向上的進(jìn)展。3不確定度分析測量結(jié)果的不確定度給出問題,一直是測量行業(yè)的一個(gè)基本問題。在非虛擬儀器條件下,它的給出極為困難。而虛擬儀器有著智能化和軟件模型化特點(diǎn),在已知硬件極限參數(shù)和執(zhí)行參量這些基本的邊界條件下,其軟件模型參數(shù)的不確定度可望已知,并有希望在測量結(jié)果給出的同時(shí),給出其不確定度,這也應(yīng)該是虛擬儀器的一個(gè)發(fā)展方向。至少在計(jì)量校準(zhǔn)行業(yè)和社會公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)中,它有著廣泛的需求空間。4虛擬儀器硬件標(biāo)準(zhǔn)化目前的虛擬儀器硬件平臺,已經(jīng)有了標(biāo)準(zhǔn)化和通用化趨勢,如VXI聯(lián)盟、PXI規(guī)范、PCI規(guī)范、IVI基金會等自發(fā)性標(biāo)準(zhǔn)化組織和措施,另一些要求,如標(biāo)準(zhǔn)化觸發(fā)方式,不同通道的共用時(shí)基,同步、延遲以及執(zhí)行參數(shù)是否連續(xù)可調(diào)或斷續(xù)可調(diào)等,涉及信號及其質(zhì)量和相互關(guān)系等方面,尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化和通用化,可能將影響虛擬儀器軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化,也將影響其在不同平臺上的互換性和移植性。故與軟件模塊的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展趨勢一樣,虛擬儀器硬件標(biāo)準(zhǔn)化也是其發(fā)展的一個(gè)重要方向。該方面的需求態(tài)勢已非常明顯。5測量準(zhǔn)確度顯著提高計(jì)量測試儀器設(shè)備中,總有一些指標(biāo)最高者,其校準(zhǔn)溯源極為困難。由于虛擬儀器的軟件儀器化、模塊化、專業(yè)化、系列化以后,有可能通過使用計(jì)量專用軟件儀器模塊解決它們的校準(zhǔn)溯源問題,這也應(yīng)該是虛擬儀器的一個(gè)非常廣闊的發(fā)展空間。這種做法的根本意義在于,硬件條件相同的情況下,可以通過變化虛擬儀器的軟件模塊,將其測量準(zhǔn)確度極大提高,從而真正體現(xiàn)出軟件在儀器中的強(qiáng)大作用和價(jià)值。例如,Agilent公司的8902B系列測量接收機(jī),其調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)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(biāo)最高的調(diào)制信號解調(diào)儀器,校準(zhǔn)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(shù)字化解調(diào),完全可以獲得更高的測量準(zhǔn)確度,并有望最終解決其校準(zhǔn)溯源問題,將調(diào)制參數(shù)溯源到具有更高準(zhǔn)確度的幅度和時(shí)間參量上。虛擬儀器中,由于使用軟件完成其核心功能,因而在拓展測量儀器量程范圍以及提高測量準(zhǔn)確度方面也有著廣闊前景和發(fā)展空間。它的基本限制僅僅是其通用平臺的參數(shù)極限。例如,目前計(jì)量行業(yè)中,正弦信號總失真度的測量多數(shù)在200kHz以下進(jìn)行,超出這個(gè)范圍的儀器設(shè)備很難找到,只能使用頻譜分析儀進(jìn)行,過程煩瑣且誤差較大。而使用虛擬儀器,則可以很容易在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行失真度的測量。6客觀主義的未來需求目前的虛擬儀器,基本上是沿襲和使用著非虛擬儀器的概念和定義,完成著相同的功能,具有同類的性能,只不過是將一部分儀器功能軟件化而已。未來虛擬儀器的發(fā)展,有必要突破原來非虛擬儀器的概念,誕生新型儀器設(shè)備,它符合測量是對客觀世界的一種展示這種實(shí)質(zhì)理念,由于軟件模型的強(qiáng)大能力,在技術(shù)上也是可行的。同時(shí),最根本的原因在于,客觀上始終存在這方面的需求。例如,人們已經(jīng)有可能研制出“統(tǒng)計(jì)特性分析儀”,以便測量分析任何一個(gè)信號的統(tǒng)計(jì)特性;可研制出專門的“周期波形分析測量儀”,以對周期信號的幅度、周期、波譜、失真、擬合函數(shù)、信號帶寬、抖動等,進(jìn)行綜合測量分析;也可以研制出專門的“小波波譜分析儀”,以便對任何感興趣的簡單或復(fù)雜信號進(jìn)行小波變換分析,并輸出其波譜。這種讓復(fù)雜的原理和過程簡單化和平民化,使那些只了解和掌握基本概念和過程的工程技術(shù)人員,可以很容易地進(jìn)行復(fù)雜煩瑣的信號波形數(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)過程的做法,應(yīng)該是虛擬儀器另一個(gè)非常重要的發(fā)展方向。7測量分析方法測量有兩個(gè)基本問題:①信號的獲取。它包含對信號的采集、記錄存儲和使用,一般有參數(shù)獲取、波形獲取、特征值獲取等。②信號的表述。它包含對信號的分析、分解基礎(chǔ)上的重構(gòu)技術(shù),可以有序列表述、參數(shù)表述、函數(shù)表述等。關(guān)于虛擬儀器式的測量分析儀器,很多功能都類似于MATLAB中的函數(shù)或數(shù)學(xué)處理功能,不同的是,它有儀器特征和邊界條件,且針對的是信號,而非數(shù)據(jù)。對于靜態(tài)測量儀器,儀器特征和邊界條件體現(xiàn)在量程和分辨力上。對于動態(tài)測量儀器,儀器特征和邊界條件主要是波形量程、波形分辨力,包括幅度范圍及分辨力,時(shí)間范圍和分辨力,還有動態(tài)過程響應(yīng)能力。測量分析儀器的發(fā)展方向?qū)⒁佬盘柲Ｊ降牟煌煌?。對于具有明確形狀或函數(shù)關(guān)系的確定信號,基于各種正交變換和分解原理的測量分析儀器將具有廣闊的發(fā)展空間。同時(shí),各種數(shù)字濾波技術(shù)和最優(yōu)化技術(shù)將使這一方向的軟件技術(shù)更加強(qiáng)大和豐富多彩。例如,以正弦函數(shù)模型為基礎(chǔ)的正交函數(shù)基,是一個(gè)完備正交基,利用該正交基進(jìn)行的信號變換與分解,被稱為傅里葉變換與分解,其快速算法為FFT,形成的儀器稱為頻譜分析儀。之所以它不叫頻譜測量儀,是由于它并不去精確測量信號的周期而進(jìn)行諧波分解,其頻譜通常只具有相對意義和價(jià)值。以正弦模型參數(shù)隨時(shí)間變化為特征的調(diào)制度分析儀,以諧波、雜波、噪聲與基波比例關(guān)系為特征的失真度分析儀,以不同通道正弦模型時(shí)序關(guān)系為特征的相位計(jì),以及相位噪聲分析儀或測量系統(tǒng)等,均建立在正弦函數(shù)這一正交變換模型基礎(chǔ)上。在分解、變換后,人們完全可以用該正交基對所測量的信號波形進(jìn)行函數(shù)表述,而不僅僅是序列或參數(shù)表述,從而最終形成完整測量結(jié)論提供使用。對于其他完備正交基,可以形成對測量信號相應(yīng)的正交變換與分解,以及研制出相應(yīng)的波譜分析儀,也能用于以函數(shù)形式表述測量信號波形,這些方面,虛擬儀器擁有相當(dāng)廣的發(fā)展空間。常見的這類正交函數(shù)基有:Walsh函數(shù)族,切比雪夫(Chebishev)函數(shù)族,Hadmacher函數(shù)族,Radmacher函數(shù)族和廣義Radmacher函數(shù)族,Har函數(shù)族,Gabor函數(shù)族等?；谏鲜瞿骋徽换男〔ㄗ儞Q與分解也被證明是一種正交變換,它們都可以形成獨(dú)具特色的波譜分析儀器。其中,對Walsh變換已經(jīng)有了與FFT相類似的快速算法,稱為快速Walsh變換(FWT);也有了快速Hadmacher變換(FHT)。對于相應(yīng)的虛擬儀器研制無疑是一件好事。對于隨機(jī)信號,以及信號的隨機(jī)特征,預(yù)計(jì)人們可以研制一系列用于統(tǒng)計(jì)特性分析的虛擬儀器。例如,“幅度特征參數(shù)的直方圖分析儀”、“高階累量分析儀”、“時(shí)頻分析儀”、“短時(shí)傅里葉變換分析儀”、“隨機(jī)信號譜分析儀(最大熵譜分析,最小交叉熵譜分析等)”等,隨著現(xiàn)代信號處理理論與實(shí)踐的深入發(fā)展,相應(yīng)技術(shù)的儀器化應(yīng)用進(jìn)程,將是虛擬儀器又一個(gè)重要的發(fā)展方向。8標(biāo)準(zhǔn)化、功能化的通用模塊虛擬儀器信號源的主要目標(biāo),是以盡量簡潔的方式,按人們可以想象出來的數(shù)學(xué)關(guān)系式產(chǎn)生信號波形以及產(chǎn)生無法用簡單數(shù)學(xué)關(guān)系式表述的曲線波形。前者,要求虛擬儀器信號源提供強(qiáng)大的軟硬件資源,以能夠按函數(shù)關(guān)系式及足夠密集的時(shí)間間