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(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則稱：“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，通過計(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(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(gè)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(hù)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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。[!--empirenews.page--]

　　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”，以對周期信號的幅度、周期、波譜、失真、擬合函數(shù)、信號帶寬、抖動等，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”，以便對任何感興趣的簡單或復(fù)雜信號進(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，可自動完成各種復(fù)雜的預(yù)定任務(wù)。

　　4）公共軟件平臺的出現(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)的公共軟件平臺上使用軟件模塊，構(gòu)造出“數(shù)字電壓表”、“數(shù)字存儲示波器”、“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“集成信號源”系統(tǒng)供使用者選擇。

　　5）與計(jì)算機(jī)平臺技術(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、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、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。[!--empirenews.page--]

　　9）智能化儀器成為可能。總體說來，儀器的智能化發(fā)展主要應(yīng)體現(xiàn)出其測量的柔性、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）不確定度評定。測量結(jié)果的不確定度給出問題，一直是測量行業(yè)的一個(gè)基本問題，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，量化誤差屬于客觀存在，將對測量結(jié)果造成影響。其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度也受到限制，無法達(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量方式，以模型參數(shù)給出測量結(jié)果，這將降低測量速度，從而犧牲實(shí)時(shí)性，而量化效應(yīng)的影響仍然存在。
　
　　3）構(gòu)成虛擬儀器的核心——軟件算法的專門研究缺乏；包括算法模型的收斂性、使用邊界條件、與實(shí)際工程問題的符合程度等等。解決方式是開展虛擬儀器各種算法模型研究，研制標(biāo)準(zhǔn)化軟件儀器模塊。

　　4）虛擬儀器屬于間接測量原理；其儀器指標(biāo)與其硬件平臺指標(biāo)有較大差異，用戶容易混淆其中的差別，導(dǎo)致指標(biāo)提法和應(yīng)用的混亂狀況；解決方式是同時(shí)給出硬件平臺指標(biāo)和虛擬儀器指標(biāo)參數(shù)。

　　5）由用戶自己定義和研制的虛擬儀器缺乏指標(biāo)和全面系統(tǒng)的性能考核。絕大多數(shù)虛擬儀器用戶沒有儀器設(shè)計(jì)和制造的專業(yè)知識與經(jīng)驗(yàn)，因而在虛擬儀器研制時(shí)，缺乏確定儀器指標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，對于量值溯源校準(zhǔn)缺乏意識。解決方式是可以加強(qiáng)該方面的研究和方法規(guī)范，使之成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　6）單臺儀器系統(tǒng)操作復(fù)雜、不夠直觀。典型的虛擬儀器系統(tǒng)都離不開電子計(jì)算機(jī)，它們通常沒有獨(dú)立自主的硬件面板和按鍵旋鈕等，需要借助于儀器硬件平臺和計(jì)算機(jī)軟件平臺，以軟件系統(tǒng)執(zhí)行測量操作；因而當(dāng)完成簡單的任務(wù)時(shí)，比非虛擬儀器的臺式儀器復(fù)雜和不夠直觀。解決的方法是可以將一部分虛擬儀器模塊技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相融合，研制成即插即用（plug & play）形式儀器模塊以降低其操作、安裝的復(fù)雜性。

5 結(jié)論

　　綜上所述，虛擬儀器的表述盡管有多種多樣的提法和特征，但其根本思想是以軟件模型算法代替儀器測量原理，將物理世界中的信號變換、處理功能轉(zhuǎn)換到數(shù)字世界，以軟件模型對數(shù)據(jù)信息特征的提取來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的巨大優(yōu)勢和潛力，為人們帶來了前所未有的便利和發(fā)展空間。