軟件定義儀器*

　　摘要： 為了加速新型儀器研發(fā)，提出了“軟件定義儀器”的方法并討論了其體系和可行性。

　　關(guān)鍵詞： 軟件定義儀器;微處理器;信號(hào)調(diào)理;模數(shù)轉(zhuǎn)換器;數(shù)字信號(hào)處理

　　引言

　　儀器，作為人類(lèi)感官的延伸，在人類(lèi)的文明和社會(huì)發(fā)展中起作不可替代的、極其重要的作用。在科學(xué)技術(shù)成爆炸狀發(fā)展的當(dāng)代，儀器所起的作用幾乎無(wú)所不在，離開(kāi)了儀器現(xiàn)代人們的生活就一刻也不能維繼：醫(yī)院對(duì)患者的搶救、發(fā)電廠的運(yùn)行、交通工具的運(yùn)行……。

　　實(shí)際上，近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史幾乎就是儀器儀表的發(fā)展史，即使到科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，儀器儀表也在科學(xué)研究中同樣起作不可替代的、極其重要的作用。儀器科學(xué)與技術(shù)本身也在迅速地發(fā)展，但這種發(fā)展主要體現(xiàn)在專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域應(yīng)用的儀器科學(xué)技術(shù)的研究上，對(duì)儀器儀表帶共性的問(wèn)題研究較少。

　　本文借助軟件定義無(wú)線電(SDR)、虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)和組態(tài)軟件(Configuration Software，CS)的思想，提出軟件定義儀器(Software Defined Instrumentation，SDI)的概念和系統(tǒng)。

　　軟件無(wú)線電的由來(lái)

　　1992年5月，Joe Mitola在美國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議上首次提出了軟件無(wú)線電SR(SoftWare Radio)(又稱(chēng)為軟件定義無(wú)線電，Software Defined Radio，SDR)的概念，它的基本思想是將硬件做為其通用的基本平臺(tái)，而把盡可能多的無(wú)線及個(gè)人通信功能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而將無(wú)線通信新系統(tǒng)、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程逐步轉(zhuǎn)移到軟件上來(lái)。它被稱(chēng)之為是繼模擬通信到數(shù)字通信、 定通信到移動(dòng)通信之后，無(wú)線通信領(lǐng)域的第三次革命，即從硬件定義的無(wú)線電通信到軟件定義的無(wú)線電通信。

　　軟件無(wú)線電可定義為：“軟件無(wú)線電是一種可用軟件進(jìn)行重配置和重編程的、靈活的、多業(yè)務(wù)、多標(biāo)準(zhǔn)、多頻段無(wú)線電系統(tǒng)的新興技術(shù)?！睘榱烁逦卣f(shuō)明軟件無(wú)線電與傳統(tǒng)無(wú)線電的區(qū)別，圖1~圖3分別給出軟件(數(shù)字)化程度不同的無(wú)線電結(jié)構(gòu)。

圖1  一種模擬手機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)字化手機(jī)（接收部分）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 基于軟件無(wú)線電的手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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　　由圖1~3可以看出，所謂的軟件無(wú)線電，從硬件上來(lái)看，就是要使ADC和DAC盡可能靠近天線，省卻高頻模擬的放大、變頻、調(diào)制與解調(diào)等環(huán)節(jié)。ADC和DAC越靠近天線，說(shuō)明軟件(數(shù)字)化程度越高。

　　顯然，軟件無(wú)線電將為所有遠(yuǎn)程通信市場(chǎng)的參與者、制造商、經(jīng)營(yíng)商和用戶帶來(lái)巨大的利益。制造商可以把研究與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)集中到簡(jiǎn)單的硬件平臺(tái)設(shè)備上，這些設(shè)備可應(yīng)用到每一個(gè)蜂窩系統(tǒng)和市場(chǎng)，而不僅僅是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)范圍的蜂窩系統(tǒng)和市場(chǎng)。因此，可進(jìn)行大批量生產(chǎn)以降低成本。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以不斷地改進(jìn)軟件，以及糾正在工作中發(fā)現(xiàn)的軟件錯(cuò)誤和故障。

　　經(jīng)營(yíng)商能夠快速拓展適合每個(gè)用戶并區(qū)別于其他經(jīng)營(yíng)商的新業(yè)務(wù);同樣的終端能夠提供所有服務(wù)，即使這些服務(wù)用不同的通信標(biāo)準(zhǔn)支持。另外，還可以實(shí)現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)基站。對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，軟件無(wú)線電的優(yōu)點(diǎn)是能將他們的通信漫游到其他蜂窩系統(tǒng)，并利用全球移動(dòng)和覆蓋范圍的優(yōu)勢(shì)(即只要有一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋某地區(qū)就可以提供服務(wù))。而且，用戶可以根據(jù)其偏愛(ài)配置他們的終端。

　　另外，軟件無(wú)線電技術(shù)延長(zhǎng)了硬件(基站和用戶終端的)的使用壽命，降低了過(guò)時(shí)落伍的風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)可重編程能力使硬件可重復(fù)使用，直到可以利用新一代硬件平臺(tái)。但這并不意味著用戶終端的壽命可以無(wú)限延長(zhǎng)，因?yàn)樵赑C機(jī)市場(chǎng)，運(yùn)行功能越來(lái)越強(qiáng)大的程序需要功能更強(qiáng)大的PC機(jī)。在不久的將來(lái)，移動(dòng)終端也可能出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。

　　雖然軟件無(wú)線電能夠?yàn)檠邪l(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)和使用等各方帶來(lái)巨大的利益，但存在和面臨天線、前端電路、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、處理器電路、算法等很大的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。對(duì)比之下，現(xiàn)代儀器儀表的一般結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4   現(xiàn)代儀器儀表的一般結(jié)構(gòu)

　　在儀器儀表的研發(fā)中，模擬電路部分(傳感器接口電路+放大濾波)和數(shù)字部分(mP或mC)是最為重要的兩個(gè)部分，又是各個(gè)整機(jī)廠“各自”研發(fā)、投入最大、重復(fù)最多的兩個(gè)部分。

　　與“無(wú)線電”可以有以下對(duì)比：傳感器、天線;傳感器接口電路+放大濾波、高頻放大、變頻、調(diào)制與解調(diào);mP或mC、DSP……

　　因此，我們完全可以借鑒“軟件無(wú)線電”的概念，構(gòu)成圖5所示的“軟件定義儀器”(Software Defined Instrument，SDI)或軟件儀器(Software Instrument，SI)(為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，以下均簡(jiǎn)稱(chēng)軟件儀器)。這樣使得一方面A/DC盡可能地靠近傳感器，減少或避免模擬電路，同時(shí)采用具有API(Application Programming Interface, 應(yīng)用編程接口)、儀器接口協(xié)議棧的mP或mC平臺(tái);可以把分散、重復(fù)而且最耗費(fèi)人力、財(cái)力的“個(gè)體”或“小作坊”式的研發(fā)行為變成專(zhuān)業(yè)化的“規(guī)?！遍_(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，而整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和儀器儀表的用戶則較容易地根據(jù)自己的需要重新“定義”儀器儀表的功能、以最小的代價(jià)更新、升級(jí)或維護(hù)已有儀器儀表。

　　與虛擬儀器的異同

　　虛擬儀器的出現(xiàn)是測(cè)試儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)新的革命，是測(cè)試儀器與計(jì)算機(jī)深層次的結(jié)合。虛擬儀器的主要組成就是用一套通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)不同的接口接人計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

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　　(1)傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，其上布置著種類(lèi)繁多的顯示與操作元件，由此導(dǎo)致許多認(rèn)讀與操作錯(cuò)誤。而虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類(lèi)與形式不受標(biāo)準(zhǔn)件和加工工藝的限制，而由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的認(rèn)知要求和操作要求設(shè)計(jì)儀器面板，可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡(jiǎn)潔化，從而提高操作的正確性與便捷性。

　　(2)通用硬件平臺(tái)確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來(lái)完成儀器的功能。

　　(3)儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來(lái)定義的.而不是事先由廠家定義好的。

　　(4)儀器的改進(jìn)和功能擴(kuò)展只需相關(guān)軟件設(shè)計(jì)更新，而不需購(gòu)買(mǎi)新的儀器。

　　可以說(shuō)，軟件儀器具有上述虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)，但軟件儀器是“實(shí)實(shí)在在”的儀器，是建立在嵌入式系統(tǒng)，如單片機(jī)、ARM、DSP等之上，而不是建立在普通PC機(jī)上。軟件儀器有比虛擬儀器大得多的適應(yīng)性、可靠性和靈活性。

圖5 軟件儀器的結(jié)構(gòu)框圖

　　軟件儀器的主要研究?jī)?nèi)容

　　軟件儀器有四個(gè)主要研究?jī)?nèi)容。

　　1.軟件儀器的理論體系與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　結(jié)合儀器的特點(diǎn)，研究軟件儀器的理論體系與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖6～8所示)。根據(jù)多數(shù)種類(lèi)的儀器及其測(cè)量要求，軟件儀器有三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：傳感器數(shù)字化接口、軟件儀器處理引擎和儀器接口(兩個(gè)虛線框之外的部份)。

圖6 軟件儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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圖7 軟件儀器的3維結(jié)構(gòu)圖

圖8 軟件儀器結(jié)構(gòu)中的軟件與硬件的關(guān)系

圖9 傳感器按其輸出特性分類(lèi)

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　　2.數(shù)字化傳感器接口模塊

　　以數(shù)字電路和算法取代模擬電路是軟件儀器的關(guān)鍵和核心。這部分的研究是要在保證測(cè)量精度的條件下盡可能地采用數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，或者說(shuō)盡量使A/DC靠近傳感器。在該部分內(nèi)容中，重點(diǎn)研究過(guò)采樣技術(shù)：結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理和FPGA技術(shù)，采用中、高速中分辨率的A/DC實(shí)現(xiàn)高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即S-nD型A/DC技術(shù)。另外，還要研究過(guò)采樣與調(diào)制/解調(diào)(鎖相檢測(cè))相結(jié)合的技術(shù)。

　　3.軟件儀器處理引擎

　　根據(jù)儀器檢測(cè)信息的復(fù)雜程度、數(shù)據(jù)量大小等不同要求選擇若干硬件平臺(tái)(ARM、DSP、FPGA、MCU等)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、駐留編譯器，研發(fā)相應(yīng)的API。

　　4.儀器接口

　　根據(jù)不同種類(lèi)的應(yīng)用，優(yōu)選和研發(fā)軟件儀器的硬件接口。

　　下面分別就軟件儀器中的“傳感器數(shù)字化接口”和“信號(hào)處理核心模塊”兩個(gè)核心問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。

　　傳感器數(shù)字化接口

　　討論傳感器的接口電路時(shí)，可以采用圖9所示的方式對(duì)傳感器進(jìn)行分類(lèi)。各類(lèi)傳感器的數(shù)字化接口的可能性分析如下。

　　(1)電阻：可以直接采用24位S-D型ADC(比例法)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號(hào)，或具有R/C F型轉(zhuǎn)換集成電路與單片機(jī)直接將電阻阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字。

　　(2)電容：現(xiàn)有電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率可達(dá)24bit，5aF√Hz的噪聲。

　　(3)電感：參考文獻(xiàn)[11]給出了一種便于集成化的直接轉(zhuǎn)換方法。

　　(4)比例、(5)差動(dòng)和(6)橋式差動(dòng)：集成化的數(shù)字轉(zhuǎn)換器已有很多品種，如美國(guó)ADI公司的AD2S930、美信公司的MAX1452、MAX1457等。

　　(7)和(10)電壓：直接采用A/DC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),沒(méi)有采用放大器所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)范圍損失在后面討論。

　　(8)和(11)電流：很容易轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后再直接采用ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

　　(12)和(13)數(shù)字輸出：傳感器本身是數(shù)字信號(hào)輸出。

　　綜上所述，在較低頻率的測(cè)量中，對(duì)幾乎所有傳感器接口都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。在傳感器接口數(shù)字化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是高分辨率、高速度的ADC問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)，儀器中的ADC速度遠(yuǎn)比軟件無(wú)線電中要求低(特殊的高速示波器等儀器除外)，但對(duì)精度要求較高。

　　近年來(lái)，微電子技術(shù)的發(fā)展為解決軟件儀器中的ADC問(wèn)題提供了很好的條件：分辨率高達(dá)24位的ADC已經(jīng)商品化，而且價(jià)格很低;高速ADC已經(jīng)達(dá)到2G的采樣速度，12~16bit的ADC已經(jīng)達(dá)到幾百KSPS~幾百M(fèi)SPS。而利用過(guò)采樣技術(shù)可以將A/DC的數(shù)據(jù)通過(guò)率充分發(fā)揮出來(lái)，即可以在采樣速度和分辨率中進(jìn)行平衡，在不需要A/DC所具備的高采樣率時(shí)，可以用其速度換取精度(分辨率)，從而達(dá)到直接數(shù)字化的目的。

　　下面討論模擬信號(hào)處理中若干關(guān)鍵技術(shù)在直接數(shù)字化后的影響。

　　模擬放大

　　直接采用高分辨率的ADC，如24 bit的ADC在輸入范圍為2.5V時(shí)的可分辨0.15mV。足以滿足絕大多數(shù)的測(cè)量應(yīng)用。利用過(guò)采樣技術(shù)，如200 KSPS/16bit 的ADC下抽樣至200 SPS時(shí)相當(dāng)于21bit的分辨率。在輸入范圍為2.5V時(shí)的可分辨1.2mV。

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　　濾波

　　除非干擾超出ADC的輸入范圍，在可得到足夠分辨率的條件下，數(shù)字信號(hào)處理可以比模擬信號(hào)處理優(yōu)異得多的多的結(jié)果。即使干擾可能超出ADC的輸入范圍，在過(guò)采樣(目前比較容易做到)時(shí)所需的濾波器也比較容易實(shí)現(xiàn)(對(duì)濾波器參數(shù)及其元件的要求低)。

　　調(diào)制/解調(diào)

　　一般說(shuō)來(lái)，儀器中調(diào)制/解調(diào)使用的載波頻率遠(yuǎn)較無(wú)線電中使用的頻率要低，因而實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為容易。

　　校準(zhǔn)/補(bǔ)償

　　微處理器的高速度、大容量的非易失性存儲(chǔ)器、在線下載等微電子學(xué)的進(jìn)展為儀器的校準(zhǔn)/補(bǔ)償提供了基礎(chǔ)。

　　綜上所述，傳感器數(shù)字化接口的信號(hào)處理流程如圖10所示，其中最主要的研究?jī)?nèi)容是“高數(shù)據(jù)通過(guò)率的A/DC”。而這部分內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)方式如圖11所示。

圖10 傳感器數(shù)字化接口的信號(hào)處理流程圖

圖11 “高數(shù)據(jù)通過(guò)率的A/DC”的實(shí)現(xiàn)途徑

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　　信號(hào)處理核心模塊

　　借鑒已有的嵌入式系統(tǒng)和根據(jù)儀器檢測(cè)信息的復(fù)雜程度、數(shù)據(jù)量大小等不同要求選擇或研發(fā)若干硬件平臺(tái)(ARM、DSP、FPGA、MCU等，或他們的組合)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、駐留編譯器，研發(fā)相應(yīng)的API、傳感器數(shù)字化接口等等。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文借鑒軟件無(wú)線電和虛擬儀器的思想，提出軟件儀器的構(gòu)想，認(rèn)證了軟件儀器的理論架構(gòu)和體系、實(shí)現(xiàn)的必要性和可能性。軟件儀器概念的確立，將為未來(lái)的儀器研發(fā)提供理論指導(dǎo)和平臺(tái)，有助于儀器的研發(fā)和生產(chǎn)及其應(yīng)用進(jìn)入高效益、高速度的新時(shí)代。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. 中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)，儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告，中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2007

　　2. 郭巍一、趙英、曲延濤，組態(tài)軟件關(guān)鍵技術(shù)研究，電測(cè)與儀表，2006年第43卷第3期：49-52, 12

　　3. 楊小牛、樓才義、徐建良，軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用，電子工業(yè)出皈社，2001