虛擬儀器思想討論

　　因而可以說，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，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上，通過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)代信號處理的最新理論、技術(shù)可以在第一時間應(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”，以便測量分析任何一個信號的統(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。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)雜繁瑣的信號波形數(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。

　　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，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，可自動完成各種復(fù)雜的預(yù)定任務(wù)。

　　4）公共軟件平臺的出現(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)換卡的公共軟件上使用軟件模塊，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。

　　5）與計(jì)算機(jī)平臺技術(shù)緊密結(jié)合、共同發(fā)展；導(dǎo)致了儀器性能伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展而水漲船高，同時使得網(wǎng)絡(luò)化儀器和超越時空儀器的發(fā)展成為現(xiàn)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，它可能只是跨越時間和空間的一個技術(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，都屬于這個方向上的進(jìn)展[15,16]。

　　6）軟件儀器模塊作為獨(dú)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(dú)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(dá)到無條件互換。IVI (Interchangeable Virtual Instrument)基金會制定的VPP(VXI Plug Play)規(guī)范，應(yīng)該屬于這方面的工作和技術(shù)進(jìn)展。

　　7）標(biāo)準(zhǔn)化儀器序列的出現(xiàn)；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(xiàn)，它們可以強(qiáng)調(diào)實(shí)時性、精度、速度、復(fù)雜性等不同特征，分別應(yīng)用于測試、控制、校準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)等不同工作中；例如相位計(jì)虛擬儀器模塊，可使用過零檢測求取時間差法，可使用相關(guān)分析法，可使用正交分解法，也可使用曲線擬合法等多種方法來實(shí)現(xiàn)；它們之中，可以有實(shí)時性最好的模塊，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。

　　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(xiàn)，它們可以強(qiáng)調(diào)參數(shù)多樣性、系統(tǒng)性、復(fù)雜性等不同特征，組成集成儀器系統(tǒng)，達(dá)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(kuò)展；例如，Agilent公司的N5530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)確度的幅度和時間參量上。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。