我對(duì)虛擬儀器技術(shù)的理解

　　從事虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)有好多年了，雖然這兩年從事其他方面的工作，但還一直在關(guān)注該領(lǐng)域的變化。從上研究生開(kāi)始就一直從事虛擬儀器方面的工作，我本人主要做硬件方面的事情，但是一直在考慮虛擬儀器方面的幾個(gè)重要問(wèn)題：什么是虛擬儀器技術(shù)？虛擬儀器技術(shù)研究?jī)?nèi)容是什么？在此，我想談?wù)勎覍?duì)上述問(wèn)題的一些想法。

　　首先，什么是虛擬儀器技術(shù)？提到這個(gè)問(wèn)題很多朋友可能脫口而出：“虛擬儀器是不是一種模擬仿真的儀器？”，“虛擬儀器技術(shù)就是用Labview進(jìn)行測(cè)試測(cè)量的開(kāi)發(fā)”，“虛擬儀器技術(shù)就是基于計(jì)算機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)”。從google中搜索“虛擬儀器”關(guān)鍵字，可能得到最多的是NI公司的咨訊，然后是鋪天蓋地的Labview信息，再者就是NI推出的各種模塊化儀器。的確，提到虛擬儀器技術(shù)（virtual instrument）離不開(kāi)NI公司，因?yàn)檫@個(gè)概念就是NI公司提出來(lái)的，然后是中科泛華公司將其直譯成了中文。虛擬儀器的概念給人的第一感覺(jué)就是“虛擬”，是一種仿真、模擬。這種感覺(jué)不無(wú)道理，實(shí)際上一開(kāi)始，虛擬儀器的創(chuàng)始人就是想在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上模擬儀器，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)武裝成儀器系統(tǒng)。例如，最初的概念就是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中插入一塊PCI的數(shù)據(jù)采集卡，然后運(yùn)行一個(gè)虛擬示波器的軟件，那么這個(gè)計(jì)算平臺(tái)就演變成了一臺(tái)示波器。這就好比在計(jì)算機(jī)上插入一塊電視卡，將計(jì)算機(jī)升級(jí)成一臺(tái)電視機(jī)是一個(gè)道理。這是最初的虛擬儀器概念，通過(guò)簡(jiǎn)單的硬件擴(kuò)展將計(jì)算機(jī)升級(jí)成儀器系統(tǒng)，所以這樣的儀器系統(tǒng)我們也稱之為“卡式儀器”。但是，由于最初的儀器硬件卡都非常的簡(jiǎn)單，所以儀器的性能都比較差，屬于儀器系統(tǒng)的底端產(chǎn)品。在擴(kuò)展的計(jì)算平臺(tái)之上，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)儀器功能。這里NI做出了一項(xiàng)非常杰出的貢獻(xiàn)，那就是Labview，該平臺(tái)是一個(gè)圖形化的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)流程圖式的開(kāi)發(fā)就可以非常容易的構(gòu)建一套儀器系統(tǒng)。正因?yàn)長(zhǎng)abview在虛擬儀器的中地位，所以很多人都認(rèn)為虛擬儀器技術(shù)就是Labview編程，或者就是Labview。因此，目前國(guó)內(nèi)的很多虛擬儀器開(kāi)發(fā)論壇基本都是Labview論壇，大家在這里都是討論Labview的開(kāi)發(fā)。這種對(duì)虛擬儀器的理解顯然有所偏頗。Labview只是虛擬儀器中的一種開(kāi)發(fā)平臺(tái)，國(guó)內(nèi)外還有很多開(kāi)發(fā)平臺(tái)，都可以構(gòu)建虛擬儀器，只不過(guò)Labview的功能的確強(qiáng)大，Labview的開(kāi)發(fā)效率比較高，Labview受到了世人的認(rèn)可。虛擬儀器技術(shù)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此，很多人都將虛擬儀器系統(tǒng)歸結(jié)為基于計(jì)算機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)，這看起來(lái)不無(wú)道理，但是這僅僅是虛擬儀器技術(shù)的外在表現(xiàn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的日新月異，哪套智能系統(tǒng)又能離得開(kāi)計(jì)算機(jī)的支撐呢？基于計(jì)算機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)能稱之為虛擬儀器技術(shù)嗎？顯然不能，大型測(cè)控系統(tǒng)都基于計(jì)算機(jī)，各類分析儀器也都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)的支撐，所以，這樣的答案也是站不住腳的，因?yàn)樗麤](méi)有揭露虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征。那虛擬儀器的本質(zhì)特征是什么？我認(rèn)為虛擬儀器技術(shù)的本質(zhì)特征為可重構(gòu)性。采用可重構(gòu)硬件模塊和可重構(gòu)軟件構(gòu)建的儀器系統(tǒng)稱之為虛擬儀器系統(tǒng)，這種儀器構(gòu)建的技術(shù)就是虛擬儀器技術(shù)。

　　虛擬儀器技術(shù)的核心特征為可重構(gòu)性，那么我們需要在這方面做那些研究和開(kāi)發(fā)呢？回答這個(gè)問(wèn)題首先需要對(duì)虛擬儀器技術(shù)分分類。我認(rèn)為虛擬儀器技術(shù)主要分成如下三大部分：

　　1、 模塊化的硬件。這是虛擬儀器的最基本硬件組成單元。

　　2、 硬件集成平臺(tái)。只有模塊化硬件是不行的，其需要一個(gè)集成平臺(tái)，將各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作起來(lái)。

　　3、 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。這是儀器功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

　　從這三大部分中，我們就可以非常容易的找到需要研究的點(diǎn)。模塊化硬件是虛擬儀器的基礎(chǔ)，其本質(zhì)上為虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)IO通道，往往也是儀器指標(biāo)得以體現(xiàn)的地方，如果模塊化儀器做不好，那么軟件做的再高明，照樣實(shí)現(xiàn)不了預(yù)期的目標(biāo)。模塊化儀器是可重用的，而不是專用的，這就對(duì)模塊化儀器的定義作出了挑戰(zhàn)。通常模塊化儀器可以分為數(shù)據(jù)采集類、信號(hào)發(fā)生類、定時(shí)計(jì)數(shù)類、開(kāi)關(guān)IO類以及程控電源類等。所以，搞好模塊化儀器是虛擬測(cè)試測(cè)量的基礎(chǔ)，這一點(diǎn)，國(guó)內(nèi)的航天測(cè)控做的不錯(cuò)，開(kāi)發(fā)了很多模塊化儀器。硬件集成平臺(tái)的研究重點(diǎn)在于儀器總線技術(shù)，目前儀器總線技術(shù)種類繁雜，有老年的VXI，中年的PXI以及青年的LXI。這些儀器總線各有特點(diǎn)，目前，LXI研究的較多，因?yàn)槠淇梢詫?shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，將以太網(wǎng)技術(shù)引入到了測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域。在集成平臺(tái)開(kāi)發(fā)這一塊，不僅要研究各類儀器總線，同步、觸發(fā)方式，而且還需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)各種總線控制器、標(biāo)準(zhǔn)通用的儀器驅(qū)動(dòng)程序。目前，國(guó)內(nèi)搞儀器總線的單位的確不多，VXI這方面哈工大搞的比較多，PXI總線方面航天測(cè)控、陜西海泰也都在開(kāi)發(fā)，LXI方面目前我看到普源精電在一個(gè)示波器搞了一下，航天測(cè)控、陜西海泰等軍工研究單位也都在研究。軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是虛擬儀器中非常重要的一部分，通過(guò)虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)可以定義儀器的具體功能，這方面的研究點(diǎn)我認(rèn)為有兩個(gè)，一個(gè)是虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)本身的研究，也就是圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)的研究，吉林大學(xué)（俺的實(shí)驗(yàn)室）曾經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)Labscene，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬儀器的開(kāi)發(fā)，重慶大學(xué)針對(duì)機(jī)械測(cè)量開(kāi)發(fā)了一套圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，集成了非常多的機(jī)械信號(hào)處理算法。另外浙江大學(xué)也對(duì)圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行過(guò)研究。除了圖形化平臺(tái)平臺(tái)本身這一研究點(diǎn)外，個(gè)人認(rèn)為另一個(gè)非常重要的研究點(diǎn)是信號(hào)處理，一類是通用信號(hào)處理，另一類專用信號(hào)處理。實(shí)際上虛擬儀器的功能全都在這些信號(hào)處理集上得以體現(xiàn)，所以做好信號(hào)處理的模塊庫(kù)，有利于虛擬儀器功能的實(shí)現(xiàn)。

　　上述是我對(duì)虛擬儀器技術(shù)的一個(gè)基本理解，以后有時(shí)間再慢慢展開(kāi)分析。