虚拟仪器思想述评

例如，可以在通用数据采集系统的公共软件平台上使用软件模块，构造出"数字电压表"、"数字存储示波器"、"相位计"、"失真度仪"、"频谱分析仪"、"频率计数器"等多种虚拟仪器，形成具有强大测量分析功能的"集成仪器系统"。而同样可以在D/A转换卡的公共软件上使用软件模块，构造出"正弦信号发生器"、"方波"、"三角波"、"调幅"、"调频"、"调相"、"直流"等多种信号源类虚拟仪器，它们也将形成以硬件同一性为特征的"集成信号源"系统供使用者选择。

5）与计算机平台技术紧密结合、共同发展；导致了仪器性能伴随计算机技术的飞速发展而水涨船高，同时使得网络化仪器和超越时空仪器的发展成为现实。网络化的虚拟仪器有可能与目前的仪器模式截然不同，它可能只是跨越时间和空间的一个技术存在而已，使人们无法确切表述其尺寸、重量、放置场所等经典的仪器信息。目前已经有的需求和应用，诸如远程教育，已经在提出并筹划的如远程网络化计量校准和溯源，都属于这个方向上的进展[15,16]。

6）软件仪器模块作为独立仪器模块成为可能；可望造成软件仪器模块与硬件仪器模块技术分离，并分别独立发展，不同部分的模块有望可以任意组合，相同功能的模块有望达到无条件互换。IVI (Interchangeable Virtual Instrument)基金会制定的VPP(VXI Plug & Play)规范，应该属于这方面的工作和技术进展。

7）标准化仪器序列的出现；具有相同功能、共用公共硬件平台、仅由软件不同而形成的虚拟仪器系列将出现，它们可以强调实时性、精度、速度、复杂性等不同特征，分别应用于测试、控制、校准、实验等不同工作中；例如相位计虚拟仪器模块，可使用过零检测求取时间差法，可使用相关分析法，可使用正交分解法，也可使用曲线拟合法等多种方法来实现；它们之中，可以有实时性最好的模块，有准确度最高的模块，有适应性最广的模块等不同特征；可以有适合闭环控制用、计量校准用、一般工程测量用等多种不同应用场合和要求。可以按照不同的要求特点排序分类形成系列供应用者选择。从根本上说，同系列中功能相同而方法不同的软件模块，理所当然地应视为不同的仪器模块。

具有不同功能、共用公共硬件平台、仅由软件不同而形成的虚拟仪器系列将出现，它们可以强调参数多样性、系统性、复杂性等不同特征，组成集成仪器系统，达到以少量硬件资源，完成多种任务的目的。

8）测量难题的解决和测量能力的扩展；例如，Agilent公司的N5530系列测量接收机，其调幅、调频、调相信号测量误差限分别为1%、1%和2%，是目前测量行业里指标最高的调制信号解调仪器，校准溯源极为困难，但使用虚拟仪器方式，以波形测量方法进行数字化解调，完全可以获得更高的测量准确度，并有望最终解决其校准溯源问题，将调制参数溯源到具有更高准确度的幅度和时间参量上。例如，目前计量行业中，正弦信号总失真度的测量多数在200kHz以下进行，超出这个范围的仪器设备很难找到，只能使用频谱分析仪进行，过程烦琐且误差较大。而使用虚拟仪器，则可以很容易在相当宽的频率范围内进行失真度的测量。

9）智能化仪器成为可能。总体说来，仪器的智能化发展主要应体现出其测量的柔性、鲁棒性、自适应性、全面性、多样性诸方面，软件模型在这些方面的表现要远优于硬件技术，并且为这些技术在机器人、无人飞行器等行业和领域的广泛应用提供了技术可能。

10）不确定度评定。测量结果的不确定度给出问题，一直是测量行业的一个基本问题，在非虚拟仪器条件下，它的给出极为困难，而虚拟仪器有着智能化和软件模型化特点，在已知硬件极限参数和执行参量这些基本的边界条件下，其软件模型参数的不确定度可望已知，并有希望在测量结果给出的同时，给出其不确定度，这也应该是虚拟仪器的一个发展方向。至少在计量校准行业和社会公用计量标准中，它有着广泛的需求空间。

4 虚拟仪器的缺点与不足

与传统仪器相比，虚拟仪器仍然有一些不足，总结如下：

1）实时性较差；由于需要使用算法模型，导致量化采样成为虚拟仪器的必须环节，使得虚拟仪器给出测量结果需要更多的时间，软件模型的适应性牺牲了其实时性，致使目前的虚拟仪器多集中在比较低的频率范围内使用，射频、微波类仪器设备较少。解决方法之一便是借助于DSP技术、FPGA技术、ARM技术等将软件硬件化，提高其实时性。

2）量化误差的影响不可避免；由于借助于数字化技术，基于A/D或D/A平台，量化误差属于客观存在，将对测量结果造成影响。其稳定性和准确度也受到限制，无法达到很高水平，导致其在工程应用中通常达不到特别高的测量准确度，多数限于一般工程应用。解决的方法是借助于模型化测量方式，以模型参数给出测量结果，这将降低测量速度，从而牺牲实时性，而量化效应的影响仍然存在。
　
　　3）构成虚拟仪器的核心——软件算法的专门研究缺乏；包括算法模型的收敛性、使用边界条件、与实际工程问题的符合程度等等。解决方式是开展虚拟仪器各种算法模型研究，研制标准化软件仪器模块。

4）虚拟仪器属于间接测量原理；其仪器指标与其硬件平台指标有较大差异，用户容易混淆其中的差别，导致指标提法和应用的混乱状况；解决方式是同时给出硬件平台指标和虚拟仪器指标参数。

5）由用户自己定义和研制的虚拟仪器缺乏指标和全面系统的性能考核。绝大多数虚拟仪器用户没有仪器设计和制造的专业知识与经验，因而在虚拟仪器研制时，缺乏确定仪器指标的经验和技术，对于量值溯源校准缺乏意识。解决方式是可以加强该方面的研究和方法规范，使之成为行业标准。

6）单台仪器系统操作复杂、不够直观。典型的虚拟仪器系统都离不开电子计算机，它们通常没有独立自主的硬件面板和按键旋钮等，需要借助于仪器硬件平台和计算机软件平台，以软件系统执行测量操作；因而当完成简单的任务时，比非虚拟仪器的台式仪器复杂和不够直观。解决的方法是可以将一部分虚拟仪器模块技术与计算机技术相融合，研制成即插即用（plug & play）形式仪器模块以降低其操作、安装的复杂性。

5 结论

综上所述，虚拟仪器的表述尽管有多种多样的提法和特征，但其根本思想是以软件模型算法代替仪器测量原理，将物理世界中的信号变换、处理功能转换到数字世界，以软件模型对数据信息特征的提取来实现。结合电子计算机技术的巨大优势和潜力，为人们带来了前所未有的便利和发展空间。

作者：梁志国，孟晓风，孙璟宇　北京航空航天大学，长城计量测试技术研究所