1 引言

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

　　實(shí)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(tái)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件,，按已知的數(shù)學(xué)模型和時(shí)序?qū)崿F(xiàn)的,，具有信號(hào)測(cè)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(hào)的輸入和輸出以外,，儀器的其它操作,、測(cè)量、控制,、變換,、分析,、顯示等功能均由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)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(lái)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(jī)遇及手段,，也帶來(lái)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(biāo)是什么,？能解決什么問(wèn)題和達(dá)到什么效果？它有什么弱點(diǎn),？本文將主要討論這些問(wèn)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(cè)試領(lǐng)域的三個(gè)挑戰(zhàn)：1）測(cè)試成本不斷增加；2）測(cè)試系統(tǒng)日趨復(fù)雜,；3）測(cè)試投資的保護(hù)要求,。

　　對(duì)于測(cè)量分析儀器來(lái)說(shuō)，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(hào),，中間經(jīng)過(guò)數(shù)字世界的變換、處理過(guò)程,，以軟件模型實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中的儀器原理,，輸出為物理世界的信號(hào)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(tái)是最基本的虛擬測(cè)量?jī)x器平臺(tái),。而對(duì)于信號(hào)源類(lèi)的設(shè)備來(lái)說(shuō)，其輸入為數(shù)字世界的模型數(shù)據(jù),，以軟件模型實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)信號(hào)源中的信號(hào)波形生成原理,，輸出則為物理世界的信號(hào)，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(tái)是最基本的虛擬儀器式信號(hào)源平臺(tái)。

圖1 典型的虛擬測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)框圖

圖2 典型的虛擬儀器式信號(hào)源結(jié)構(gòu)框圖

　　由此可見(jiàn),，傳統(tǒng)的儀器,，其輸入、變換、處理,、以及輸出,，均以信號(hào)方式在物理世界中實(shí)現(xiàn)，依賴(lài)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(lài)于數(shù)學(xué)模型和算法,，以信息數(shù)據(jù)處理,、變換、辨識(shí)等實(shí)現(xiàn),，最終以數(shù)字方式輸出或回到物理世界以信號(hào)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(duì)復(fù)雜性測(cè)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(tái)的通用性獲得儀器的通用性,、兼容性,、互換性；4) 以軟件平臺(tái)的公共性獲得不同儀器的交互性與互換性,。

　　因而可以說(shuō),，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(shì)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(shì),，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(méi)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(hù)可以在通用硬件平臺(tái)上,，通過(guò)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(cè)量分析任何一個(gè)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性,；可研制出專(zhuān)門(mén)的“周期波形分析測(cè)量?jī)x”，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(cè)量分析,；也可以研制出專(zhuān)門(mén)的“小波波譜分析儀”，以便對(duì)任何感興趣的簡(jiǎn)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(guò)程簡(jiǎn)單化和平民化，使那些只了解和掌握基本概念和過(guò)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(guò)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(xiàn)以及各種計(jì)算機(jī)總線(xiàn)（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(kāi)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(kāi)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(lái)了工作的靈活性和極大的便利,，另一方面,，可以利用這些開(kāi)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(zhuān)用儀器系統(tǒng),，達(dá)到以通用技術(shù)獲得專(zhuān)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(cè)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(lèi)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(wú)法確切表述其尺寸、重量,、放置場(chǎng)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(wú)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(cè)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(guò)零檢測(cè)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(xiàn)擬合法等多種方法來(lái)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(cè)量用等多種不同應(yīng)用場(chǎng)合和要求?？梢园凑詹煌囊筇攸c(diǎn)排序分類(lèi)形成系列供應(yīng)用者選擇,。從根本上說(shuō)，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(cè)量難題的解決和測(cè)量能力的擴(kuò)展；例如,，Agilent公司的N5530系列測(cè)量接收機(jī),，其調(diào)幅、調(diào)頻,、調(diào)相信號(hào)測(cè)量誤差限分別為1%,、1%和2 %，是目前測(cè)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(cè)量方法進(jìn)行數(shù)字化解調(diào),，完全可以獲得更高的測(cè)量準(zhǔn)確度,，并有望最終解決其校準(zhǔn)溯源問(wèn)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(cè)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(guò)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(cè)量,。

　　9）智能化儀器成為可能,?？傮w說(shuō)來(lái)，儀器的智能化發(fā)展主要應(yīng)體現(xiàn)出其測(cè)量的柔性,、魯棒性,、自適應(yīng)性、全面性,、多樣性諸方面,，軟件模型在這些方面的表現(xiàn)要遠(yuǎn)優(yōu)于硬件技術(shù)，并且為這些技術(shù)在機(jī)器人,、無(wú)人飛行器等行業(yè)和領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了技術(shù)可能,。

　　10）不確定度評(píng)定。測(cè)量結(jié)果的不確定度給出問(wèn)題,，一直是測(cè)量行業(yè)的一個(gè)基本問(wèn)題,，在非虛擬儀器條件下，它的給出極為困難,，而虛擬儀器有著智能化和軟件模型化特點(diǎn),，在已知硬件極限參數(shù)和執(zhí)行參量這些基本的邊界條件下，其軟件模型參數(shù)的不確定度可望已知,，并有希望在測(cè)量結(jié)果給出的同時(shí),，給出其不確定度，這也應(yīng)該是虛擬儀器的一個(gè)發(fā)展方向,。至少在計(jì)量校準(zhǔn)行業(yè)和社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)中,，它有著廣泛的需求空間。

　　4 虛擬儀器的缺點(diǎn)與不足

　　與傳統(tǒng)儀器相比,，虛擬儀器仍然有一些不足,，總結(jié)如下：

　　1）實(shí)時(shí)性較差；由于需要使用算法模型,，導(dǎo)致量化采樣成為虛擬儀器的必須環(huán)節(jié),，使得虛擬儀器給出測(cè)量結(jié)果需要更多的時(shí)間，軟件模型的適應(yīng)性犧牲了其實(shí)時(shí)性,，致使目前的虛擬儀器多集中在比較低的頻率范圍內(nèi)使用,，射頻、微波類(lèi)儀器設(shè)備較少,。解決方法之一便是借助于DSP技術(shù),、FPGA技術(shù)、ARM技術(shù)等將軟件硬件化,，提高其實(shí)時(shí)性,。

　　2）量化誤差的影響不可避免；由于借助于數(shù)字化技術(shù),，基于A/D或D/A平臺(tái),，量化誤差屬于客觀存在,，將對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度也受到限制,，無(wú)法達(dá)到很高水平,，導(dǎo)致其在工程應(yīng)用中通常達(dá)不到特別高的測(cè)量準(zhǔn)確度，多數(shù)限于一般工程應(yīng)用,。解決的方法是借助于模型化測(cè)量方式,，以模型參數(shù)給出測(cè)量結(jié)果，這將降低測(cè)量速度,，從而犧牲實(shí)時(shí)性,，而量化效應(yīng)的影響仍然存在。