虛擬儀器思想討論

1 引言

　　關(guān)于虛擬儀器，有許多種提法和分類[1~8]，如卡式儀器、總線式儀器、計算機化儀器等等，多數(shù)均強調(diào)其軟件面板，強調(diào)其虛擬界面及控制環(huán)境，強調(diào)其軟件方法，一句典型且具有代表性的口號則稱：“軟件就是儀器”！

　　實際上，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，通過計算機軟件，按已知的數(shù)學(xué)模型和時序?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，儀器的其它操作、測量、控制、變換、分析、顯示等功能均由軟件來實現(xiàn)的一種計算機管理的數(shù)字化儀器。

　　虛擬儀器的出現(xiàn)，給儀器科學(xué)與技術(shù)帶來了又一次震撼，它給人一種全新的理念和感受，為人們提供了前所未有的機遇及手段，也帶來了巨大的困惑與挑戰(zhàn)。那么，虛擬儀器的核心思想是什么？它的目標是什么？能解決什么問題和達到什么效果？它有什么弱點？本文將主要討論這些問題。

2 虛擬儀器

　　虛擬儀器的出現(xiàn)不是偶然的，它是客觀世界發(fā)展的必然。其最直接的表現(xiàn)即是以軟件功能代替硬件功能，從而迎接測試領(lǐng)域的三個挑戰(zhàn)：1）測試成本不斷增加；2）測試系統(tǒng)日趨復(fù)雜；3）測試投資的保護要求。

　　對于測量分析儀器來說，典型的虛擬儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其輸入為物理世界中的信號，中間經(jīng)過數(shù)字世界的變換、處理過程，以軟件模型實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中的儀器原理，輸出為物理世界的信號或數(shù)字世界的數(shù)據(jù)；這里，以A/D變換為特征的數(shù)據(jù)采集平臺是最基本的虛擬測量儀器平臺。而對于信號源類的設(shè)備來說，其輸入為數(shù)字世界的模型數(shù)據(jù)，以軟件模型實現(xiàn)傳統(tǒng)信號源中的信號波形生成原理，輸出則為物理世界的信號，如圖2所示，在這里，以D/A變換為特征的任意波發(fā)生器平臺是最基本的虛擬儀器式信號源平臺。

圖1 典型的虛擬測量儀器結(jié)構(gòu)框圖

圖2 典型的虛擬儀器式信號源結(jié)構(gòu)框圖

　　由此可見，傳統(tǒng)的儀器，其輸入、變換、處理、以及輸出，均以信號方式在物理世界中實現(xiàn)，依賴于物理原理、法則、定律，而虛擬儀器，其主導(dǎo)思想是將其復(fù)雜多樣的儀器原理部分，主要放到數(shù)字世界中，依賴于數(shù)學(xué)模型和算法，以信息數(shù)據(jù)處理、變換、辨識等實現(xiàn)，最終以數(shù)字方式輸出或回到物理世界以信號方式輸出。具體做法有：
1) 以數(shù)學(xué)模型的多樣性替代儀器原理的多樣性和復(fù)雜性；以軟件的變化獲得儀器功能的變化，以應(yīng)對復(fù)雜性測試要求；2) 以軟件數(shù)學(xué)模型的穩(wěn)定性獲得高性能的儀器特征；3) 以硬件平臺的通用性獲得儀器的通用性、兼容性、互換性；4) 以軟件平臺的公共性獲得不同儀器的交互性與互換性。