虛擬儀器思想述評

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雜性代替了硬件原理的多樣性和復雜性，從而降低了儀器硬件的復雜性，軟件模型沒(méi)有漂移、老化等硬件的物理弱點(diǎn)，因此增加了系統的穩定性。

　　2）用戶(hù)可以在通用硬件平臺上，通過(guò)變化軟件模型自行設計研制自定義的儀器；增加了儀器設備研制設計的柔性、適應性，使得儀器升級更新速度加快，成本更低，并能誕生許多新概念儀器[9,10]，導致現代信號處理的最新理論、技術(shù)可以在第一時(shí)間應用于儀器儀表行業(yè)。例如，人們已經(jīng)有可能研制出“統計特性分析儀”，以便測量分析任何一個(gè)信號的統計特性；可研制出專(zhuān)門(mén)的“周期波形分析測量?jì)x”，以對周期信號的幅度、周期、波譜、失真、擬合函數、信號帶寬、抖動(dòng)等，進(jìn)行綜合]測量分析；也可以研制出專(zhuān)門(mén)的“小波波譜分析儀”，以便對任何感興趣的簡(jiǎn)單或復雜信號進(jìn)行小波變換分析，并輸出其波譜。讓復雜的原理和過(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)行復雜繁瑣的信號波形數據處理和運算，而不必了解和掌握其詳細真實(shí)的數學(xué)過(guò)程。

　　3）以A/D轉換和D/A轉換為基本功能的公共硬件平臺的出現；導致了硬件的標準化，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)以及各種計算機總線(xiàn)（如ISA、RS232、USB、Fireware、LAN）標準的各種插卡和儀器模塊，即是標準化方面的嘗試。同時(shí)，也使得虛擬儀器模塊具有更加小巧的外形尺寸，容易組成功能強大的復雜儀器系統，它們擁有良好的信息相融性，可自動(dòng)完成各種復雜的預定任務(wù)。

　　4）公共軟件平臺的出現；這導致了開(kāi)放性、多功能、復合儀器、集成儀器的發(fā)展成為可能[11~14]；傳統的非虛擬儀器大都不具有虛擬儀器平臺的廣泛開(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，合成各種具有獨特目標功能和價(jià)值的專(zhuān)用儀器系統，達到以通用技術(shù)獲得專(zhuān)用效果的目的。

　　例如，可以在通用數據采集系統的公共軟件平臺上使用軟件模塊，構造出“數字電壓表”、“數字存儲示波器”、“相位計”、“失真度儀”、“頻譜分析儀”、“頻率計數器”等多種虛擬儀器，形成具有強大測量分析功能的“集成儀器系統”。而同樣可以在D/A轉換卡的公共軟件上使用軟件模塊，構造出“正弦信號發(fā)生器”、“方波”、“三角波”、“調幅”、“調頻”、“調相”、“直流”等多種信號源類(lèi)虛擬儀器，它們也將形成以硬件同一性為特征的“集成信號源”系統供使用者選擇。

　　5）與計算機平臺技術(shù)緊密結合、共同發(fā)展；導致了儀器性能伴隨計算機技術(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)有的需求和應用，諸如遠程教育，已經(jīng)在提出并籌劃的如遠程網(wǎng)絡(luò )化計量校準和溯源，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到無(wú)條件互換。IVI (Interchangeable Virtual Instrument)基金會(huì )制定的VPP(VXI Plug Play)規范，應該屬于這方面的工作和技術(shù)進(jìn)展。

　　7）標準化儀器序列的出現；具有相同功能、共用公共硬件平臺、僅由軟件不同而形成的虛擬儀器系列將出現，它們可以強調實(shí)時(shí)性、精度、速度、復雜性等不同特征，分別應用于測試、控制、校準、實(shí)驗等不同工作中；例如相位計虛擬儀器模塊，可使用過(guò)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(xiàn)擬合法等多種方法來(lái)實(shí)現；它們之中，可以有實(shí)時(shí)性最好的模塊，有準確度最高的模塊，有適應性最廣的模塊等不同特征；可以有適合閉環(huán)控制用、計量校準用、一般工程測量用等多種不同應用場(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，理所當然地應視為不同的儀器模塊。

　　具有不同功能、共用公共硬件平臺、僅由軟件不同而形成的虛擬儀器系列將出現，它們可以強調參數多樣性、系統性、復雜性等不同特征，組成集成儀器系統，達到以少量硬件資源，完成多種任務(wù)的目的。