2019年11月14日 | 我对虚拟仪器技术的理解

　　从事虚拟仪器技术已经有好多年了，虽然这两年从事其他方面的工作，但还一直在关注该领域的变化。从上研究生开始就一直从事虚拟仪器方面的工作，我本人主要做硬件方面的事情，但是一直在考虑虚拟仪器方面的几个重要问题：什么是虚拟仪器技术？虚拟仪器技术研究内容是什么？在此，我想谈谈我对上述问题的一些想法。

　　首先，什么是虚拟仪器技术？提到这个问题很多朋友可能脱口而出：“虚拟仪器是不是一种模拟仿真的仪器？”，“虚拟仪器技术就是用Labview进行测试测量的开发”，“虚拟仪器技术就是基于计算机的测控系统”。从google中搜索“虚拟仪器”关键字，可能得到最多的是NI公司的咨讯，然后是铺天盖地的Labview信息，再者就是NI推出的各种模块化仪器。的确，提到虚拟仪器技术（virtual instrument）离不开NI公司，因为这个概念就是NI公司提出来的，然后是中科泛华公司将其直译成了中文。虚拟仪器的概念给人的第一感觉就是“虚拟”，是一种仿真、模拟。这种感觉不无道理，实际上一开始，虚拟仪器的创始人就是想在计算机平台上模拟仪器，将计算机系统武装成仪器系统。例如，最初的概念就是在计算机系统中插入一块PCI的数据采集卡，然后运行一个虚拟示波器的软件，那么这个计算平台就演变成了一台示波器。这就好比在计算机上插入一块电视卡，将计算机升级成一台电视机是一个道理。这是最初的虚拟仪器概念，通过简单的硬件扩展将计算机升级成仪器系统，所以这样的仪器系统我们也称之为“卡式仪器”。但是，由于最初的仪器硬件卡都非常的简单，所以仪器的性能都比较差，属于仪器系统的底端产品。在扩展的计算平台之上，通过软件实现仪器功能。这里NI做出了一项非常杰出的贡献，那就是Labview，该平台是一个图形化的虚拟仪器开发平台，通过流程图式的开发就可以非常容易的构建一套仪器系统。正因为Labview在虚拟仪器的中地位，所以很多人都认为虚拟仪器技术就是Labview编程，或者就是Labview。因此，目前国内的很多虚拟仪器开发论坛基本都是Labview论坛，大家在这里都是讨论Labview的开发。这种对虚拟仪器的理解显然有所偏颇。Labview只是虚拟仪器中的一种开发平台，国内外还有很多开发平台，都可以构建虚拟仪器，只不过Labview的功能的确强大，Labview的开发效率比较高，Labview受到了世人的认可。虚拟仪器技术离不开计算机系统，因此，很多人都将虚拟仪器系统归结为基于计算机的测控系统，这看起来不无道理，但是这仅仅是虚拟仪器技术的外在表现，随着计算机技术的飞速发展，嵌入式系统的日新月异，哪套智能系统又能离得开计算机的支撑呢？基于计算机的测控系统能称之为虚拟仪器技术吗？显然不能，大型测控系统都基于计算机，各类分析仪器也都离不开计算机的支撑，所以，这样的答案也是站不住脚的，因为他没有揭露虚拟仪器技术的本质特征。那虚拟仪器的本质特征是什么？我认为虚拟仪器技术的本质特征为可重构性。采用可重构硬件模块和可重构软件构建的仪器系统称之为虚拟仪器系统，这种仪器构建的技术就是虚拟仪器技术。

　　虚拟仪器技术的核心特征为可重构性，那么我们需要在这方面做那些研究和开发呢？回答这个问题首先需要对虚拟仪器技术分分类。我认为虚拟仪器技术主要分成如下三大部分：

　　1、 模块化的硬件。这是虚拟仪器的最基本硬件组成单元。

　　2、 硬件集成平台。只有模块化硬件是不行的，其需要一个集成平台，将各个模块协调工作起来。

　　3、 软件开发平台。这是仪器功能实现的关键。

　　从这三大部分中，我们就可以非常容易的找到需要研究的点。模块化硬件是虚拟仪器的基础，其本质上为虚拟仪器系统的数据IO通道，往往也是仪器指标得以体现的地方，如果模块化仪器做不好，那么软件做的再高明，照样实现不了预期的目标。模块化仪器是可重用的，而不是专用的，这就对模块化仪器的定义作出了挑战。通常模块化仪器可以分为数据采集类、信号发生类、定时计数类、开关IO类以及程控电源类等。所以，搞好模块化仪器是虚拟测试测量的基础，这一点，国内的航天测控做的不错，开发了很多模块化仪器。硬件集成平台的研究重点在于仪器总线技术，目前仪器总线技术种类繁杂，有老年的VXI，中年的PXI以及青年的LXI。这些仪器总线各有特点，目前，LXI研究的较多，因为其可以实现仪器系统的远程控制，将以太网技术引入到了测试测量领域。在集成平台开发这一块，不仅要研究各类仪器总线，同步、触发方式，而且还需要设计开发各种总线控制器、标准通用的仪器驱动程序。目前，国内搞仪器总线的单位的确不多，VXI这方面哈工大搞的比较多，PXI总线方面航天测控、陕西海泰也都在开发，LXI方面目前我看到普源精电在一个示波器搞了一下，航天测控、陕西海泰等军工研究单位也都在研究。软件开发平台是虚拟仪器中非常重要的一部分，通过虚拟仪器开发平台可以定义仪器的具体功能，这方面的研究点我认为有两个，一个是虚拟仪器开发平台本身的研究，也就是图形化开发平台的研究，吉林大学（俺的实验室）曾经开发了一个Labscene，能够实现虚拟仪器的开发，重庆大学针对机械测量开发了一套图形化开发平台，集成了非常多的机械信号处理算法。另外浙江大学也对图形化开发平台进行过研究。除了图形化平台平台本身这一研究点外，个人认为另一个非常重要的研究点是信号处理，一类是通用信号处理，另一类专用信号处理。实际上虚拟仪器的功能全都在这些信号处理集上得以体现，所以做好信号处理的模块库，有利于虚拟仪器功能的实现。