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(tái)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(jí)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(hào)處理的最新理論、技術(shù)可以在第一時(shí)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(gè)信號(hào)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(duì)周期信號(hào)的幅度、周期、波譜、失真、擬合函數(shù)、信號(hào)帶寬、抖動(dòng)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(duì)任何感興趣的簡單或復(fù)雜信號(hào)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(hào)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(tái)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(shí),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(dòng)完成各種復(fù)雜的預(yù)定任務(wù)。
4)公共軟件平臺(tái)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(tái)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(jià)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(tái)上使用軟件模塊,構(gòu)造出“數(shù)字電壓表”、“數(shù)字存儲(chǔ)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(hào)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(hào)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(hào)源”系統(tǒng)供使用者選擇。
5)與計(jì)算機(jī)平臺(tái)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(shí)使得網(wǎng)絡(luò)化儀器和超越時(shí)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(shí)間和空間的一個(gè)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(gè)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(huì)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(tái)、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(shí)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(shí)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(shí)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。可以按照不同的要求特點(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(tái)、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(hào)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(hào)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(shí)間參量上。例如,目前計(jì)量行業(yè)中,正弦信號(hào)總失真度的測量多數(shù)在200kHz以下進(jìn)行,超出這個(gè)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。
評(píng)論