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;信號調理;模數轉換器;數字信號處理

　　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)展的當代，儀器所起的作用幾乎無(wú)所不在，離開(kāi)了儀器現代人們的生活就一刻也不能維繼：醫院對患者的搶救、發(fā)電廠(chǎng)的運行、交通工具的運行……。

　　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)展主要體現在專(zhuān)門(mén)領(lǐng)域應用的儀器科學(xué)技術(shù)的研究上，對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(xiàn)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。

　　軟件無(wú)線(xiàn)電的由來(lái)

　　1992年5月，Joe Mitola在美國電信系統會(huì )議上首次提出了軟件無(wú)線(xiàn)電SR(SoftWare Radio)(又稱(chēng)為軟件定義無(wú)線(xiàn)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，而把盡可能多的無(wú)線(xiàn)及個(gè)人通信功能用軟件來(lái)實(shí)現，從而將無(wú)線(xiàn)通信新系統、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程逐步轉移到軟件上來(lái)。它被稱(chēng)之為是繼模擬通信到數字通信、 定通信到移動(dòng)通信之后，無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的第三次革命，即從硬件定義的無(wú)線(xiàn)電通信到軟件定義的無(wú)線(xiàn)電通信。

　　軟件無(wú)線(xiàn)電可定義為：“軟件無(wú)線(xiàn)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)、多標準、多頻段無(wú)線(xiàn)電系統的新興技術(shù)?！睘榱烁逦卣f(shuō)明軟件無(wú)線(xiàn)電與傳統無(wú)線(xiàn)電的區別，圖1~圖3分別給出軟件(數字)化程度不同的無(wú)線(xiàn)電結構。

圖1  一種模擬手機的內部結構

圖2 數字化手機（接收部分）的內部結構

圖3 基于軟件無(wú)線(xiàn)電的手機內部結構

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

　　顯然，軟件無(wú)線(xiàn)電將為所有遠程通信市場(chǎng)的參與者、制造商、經(jīng)營(yíng)商和用戶(hù)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)單的硬件平臺設備上，這些設備可應用到每一個(gè)蜂窩系統和市場(chǎng)，而不僅僅是一個(gè)國家或地區范圍的蜂窩系統和市場(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)現的軟件錯誤和故障。

　　經(jīng)營(yíng)商能夠快速拓展適合每個(gè)用戶(hù)并區別于其他經(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)用不同的通信標準支持。另外，還可以實(shí)現多標準基站。對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，軟件無(wú)線(xiàn)電的優(yōu)點(diǎn)是能將他們的通信漫游到其他蜂窩系統，并利用全球移動(dòng)和覆蓋范圍的優(yōu)勢(即只要有一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò )覆蓋某地區就可以提供服務(wù))。而且，用戶(hù)可以根據其偏愛(ài)配置他們的終端。

　　另外，軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)延長(cháng)了硬件(基站和用戶(hù)終端的)的使用壽命，降低了過(guò)時(shí)落伍的風(fēng)險。系統可重編程能力使硬件可重復使用，直到可以利用新一代硬件平臺。但這并不意味著(zhù)用戶(hù)終端的壽命可以無(wú)限延長(cháng)，因為在PC機市場(chǎng)，運行功能越來(lái)越強大的程序需要功能更強大的PC機。在不久的將來(lái)，移動(dòng)終端也可能出現同樣的現象。

　　雖然軟件無(wú)線(xiàn)電能夠為研發(fā)、生產(chǎn)、運營(yíng)和使用等各方帶來(lái)巨大的利益，但存在和面臨天線(xiàn)、前端電路、高速模數轉換器、處理器電路、算法等很大的問(wèn)題和挑戰。對比之下，現代儀器儀表的一般結構如圖4所示。

圖4   現代儀器儀表的一般結構

　　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)和數字部分(mP或mC)是最為重要的兩個(gè)部分，又是各個(gè)整機廠(chǎng)“各自”研發(fā)、投入最大、重復最多的兩個(gè)部分。

　　與“無(wú)線(xiàn)電”可以有以下對比：傳感器、天線(xiàn);傳感器接口電路+放大濾波、高頻放大、變頻、調制與解調;mP或mC、DSP……

　　因此，我們完全可以借鑒“軟件無(wú)線(xiàn)電”的概念，構成圖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, 應用編程接口)、儀器接口協(xié)議棧的mP或mC平臺;可以把分散、重復而且最耗費人力、財力的“個(gè)體”或“小作坊”式的研發(fā)行為變成專(zhuān)業(yè)化的“規?！遍_(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，而整機生產(chǎn)企業(yè)和儀器儀表的用戶(hù)則較容易地根據自己的需要重新“定義”儀器儀表的功能、以最小的代價(jià)更新、升級或維護已有儀器儀表。

　　與虛擬儀器的異同

　　虛擬儀器的出現是測試儀器領(lǐng)域的一場(chǎng)新的革命，是測試儀器與計算機深層次的結合。虛擬儀器的主要組成就是用一套通用的數據采集系統通過(guò)不同的接口接人計算機，在計算機上實(shí)現各種測量功能。虛擬儀器與傳統儀器相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

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　　(1)傳統儀器的面板只有一個(gè)，其上布置著(zhù)種類(lèi)繁多的顯示與操作元件，由此導致許多認讀與操作錯誤。而虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類(lèi)與形式不受標準件和加工工藝的限制，而由編程來(lái)實(shí)現，設計者可以根據用戶(hù)的認知要求和操作要求設計儀器面板，可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現比較復雜的功能。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現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)通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統儀器中的硬件來(lái)完成儀器的功能。

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

　　(4)儀器的改進(jìn)和功能擴展只需相關(guān)軟件設計更新，而不需購買(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，如單片機、ARM、DSP等之上，而不是建立在普通PC機上。軟件儀器有比虛擬儀器大得多的適應性、可靠性和靈活性。

圖5 軟件儀器的結構框圖

　　軟件儀器的主要研究?jì)热?/STRONG>