虚拟仪器思想述评

作者：梁志国、孟晓风、孙璟宇　　单位：北京航空航天大学、长城计量测试技术研究所　　转载：仪器仪表学报　　发布时间：2009-07-06
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。
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