| | | | 虚拟仪器计量评价问题述评 | | | | | NEWS.C-CNC.COM 2006-4-8 来源： 阅读：次  | | <% if pyg2("img")<>"" then%> | <%end if%> 虚拟仪器，是一些借助于通用的模拟量及数字量输入输出平台，通过计算机软件，按已知的数字模型和时序实现的，具有信号测量、控制、变换、分析、显示、输出等全部或部分功能的智能化输入输出系统。它是软件技术在仪器仪表总体技术中比重不断加大的必然产物，也是计算机技术不断发展与完善、并与仪器仪表技术不断相互融合、渗透的必然结果。随着计算机技术的不断发展和总线技术的不断完善，推动了虚拟仪器技术的快速发展。
典型的虚拟仪器模式可以理解为，除了信号的输入和输出端子以外，仪器其它的操作、测量、控制、变换、分析、显示等功能均由软件来实现的一种计算机管理的数字化仪器。
这样一类仪器，不管是称其为虚拟仪器，还是其它什么，所完成的功能与性能，有一些与传统的非虚拟仪器没有什么重大区别，另外一些场合，往往可以实现许多非虚拟仪器很难实现的强大功能与性能，甚至出现了一种虚拟仪器平台可以实现许多种非虚拟仪器才能完全实现的全部功能和性能的情况，这样一来，就使虚拟仪器的计量校准问题变得现实与复杂起来，对于虚拟仪器，人们如何进行校准？校准哪些功能？所有这些，无疑是虚拟仪器生产厂家和用户所特别关注的。
一、虚拟仪器的种类
与非虚拟仪器相同，虚拟仪器也可分为模拟量类仪器和数字量类仪器，这两大类仪器又可分为测量类仪器和信号源类仪器。以模拟量类测量仪器为例，其中低频测量仪器类里最典型的虚拟仪器平台是借助于通用数据采集平台，在采样和A/D转换技术基础上，用已知的数学模型，借助于软件来实现的各种信号参量的测量功能，如幅度、频率、失真度、相位差、频率谱等等功能。
而模拟量信号源类虚拟仪器，最能体现虚拟仪器理念的是借助于通用D/A转换平台的任意波发生器，从原理上说，它可以产生直流、正弦交流、三角波、方波、调频波、调幅波、调相波等传统的通用波形信号，也可以产生如高斯噪声、随机序列、指数函数、对数函数、Walsh函数、切比雪夫函数等一系列可以用数学函数表示的曲线波形和无法用数学函数表述的曲线波形。
二、虚拟仪器的特点
关于虚拟仪器的特点，并不是凭空想象出来的，它是与非虚拟仪器相比较而存在的。
首先，从基本原理上看，虚拟仪器与非虚拟仪器并无本质不同，但是在仪器原理的实现上，虚拟仪器与非虚拟仪器却有所不同。
非虚拟仪器侧重的是使用材料技术、工艺技术、以及元器件技术等硬件制造技术来实现仪器功能和性能，因而其技术进步体现的是新材料、新工艺、新技术和新硬件结构原理等的进步，多数涉及制造技术、电子技术、材料技术等基础工业体系。
虚拟仪器侧重的是使用通用的软件平台，以软件手段、按固定的数学模型与硬件技术组合起来，最终实现仪器功能和性能，较多体现的是数学理论、信息理论及信息技术的应用，因而其技术进步除了上述基本硬件平台的工艺技术进步外，计算机技术和软件技术的进步，数学研究方法的进步，数学过程及原理的改变，均能导致虚拟仪器性能指标的极大提高；因而虚拟仪器也是更接近于网络化、信息化社会的产物，更适应信息社会这种智能化、信息化、网络化的需求。比如遥控、遥测这种在非虚拟仪器上很难实现的功能和性能，在虚拟仪器上实现，简直是轻而易举。
其次，从工作方式上看，非虚拟仪器的传统台式仪器，多数基本上为信号的某个单一参数或单一物理特征的测量与复现，如同平面照片对立体景物的存储与复现一样，忽略了绝大多数不感兴趣的特征；如频率计用于测量周期信号的频率，电压表用于测量信号的幅度，失真度仪用于测量正弦波信号的失真度，频谱分析仪用于分析信号的频谱序列。而直流信号源提供标准直流信号，正弦交流信号源提供标准正弦波信号，调频信号源提供标准调频信号等。
对于虚拟仪器来说，其基本测量仪器平台侧重于对输入信号全部信息、所有物理特征的序列测量和存储、如同全息照片一样，尽可能地保存了信号的全部特征；因此，同一台虚拟仪器，可以对其测量序列运用不同的模型化数学过程和手段进行处理，得到信号不同的物理特征及参量，如幅度、频率、相位、失真度、频率谱等等，由于一个软件平台可以分时执行多个数学处理过程，因而导致一台虚拟测量仪器可以实现多台非虚拟仪器才能实现和具有的全部功能和性能，如电压表、频率计、频谱分析仪、功率计、相位计等。
虚拟仪器信号源基本平台，侧重于用软件和数学模型来复现信号的全部信息和要求，以最为典型的虚拟仪器信号源基本平台———任意波发生器为例，它以计算机和D/A变换器为核心平台，其输出信号的全部信息和所有物理特征，均存在于由软件实现并产生波形的数学函数中；而同样，一台虚拟仪器信号源的软件平台上可以分时执行多种不同的函数模型和时序，因此，这样的一台虚拟仪器信号源，可以实现非虚拟仪器式多台信号源才能实现的功能和性能，如直流信号源、正弦交流信号源、调频信号、调幅信号、调相信号、随机噪声信号等，也能实现非虚拟仪器很难实现的信号模式，如Walsh函数信号、切比雪夫函数信号等。
三、虚拟仪器计量评价中的几个问题
从上述虚拟仪器的特点，人们不难发现，虚拟仪器的硬件平台及软件平台是其存在的物理基础，它的优劣，是虚拟仪器性能的基本技术基础，如同建筑物的地基一样，但远非虚拟仪器的全部；数学模型及软件是虚拟仪器不可分割的一部分，而且是更为重要的一部分；这里，软件的编制及完善发展，实际上体现了虚拟仪器技术的进步与发展，成熟的具有明确边界条件的数学模型，应视为虚拟仪器的标准模块和通用模块。由此引出虚拟仪器的计量解决方案：
１．虚拟仪器的基本硬件平台，理应以量值溯源方式纳入计量测试体系；
２．虚拟仪器所用数学模型的稳定性、不确定度和使用边界条件，应该由数学家以数学方式给出明确结果，除少数情况外，不便于进行直接量值溯源和传递；
３．虚拟仪器的计量性能指标，应该是其基本硬件和软件平台的性能指标与所用数学模型指标合成的结果。
虚拟仪器基本硬件平台的计量校准，可以归结为其基本性能的计量校准，如静态特性、动态响应特性、瞬态响应特性、随机噪声、抗干扰特性等，可以通过在几种规定状态下的性能参数来评价和校准，如直流响应特性、阶跃响应特性、正弦波响应特性等。
虚拟仪器基本软件平台的评价，可以归结为运算速度和运算误差两个基本问题：其中运算速度是最主要的，而运算误差或不确定度可以归结到数学模型中去研究。
虚拟仪器所用数学模型的稳定性和不确定度，从根本上说应是一个数学问题，应由数学工作者去完成，其方法可以有原理和公式的推导、证明，以及软件仿真、经验公式总结、归纳等多种形式。
单独对硬件平台进行计量溯源，仅仅是作了一部分工作，并不能评价出虚拟仪器功能和性能的全部；对每种特定功能，如频率测量、幅度测量、失真测量等，都按照非虚拟仪器式的常规仪器进行计量溯源，这种将每个功能都校准一遍的工作量将是异常惊人的，亦是一种重复和浪费。另有一些功能，如虚拟仪器产生的Walsh函数信号、切比雪夫函数信号、浪涌信号等如何溯源和校准？都不是轻而易举就能解决的问题，也是常规计量里尚未解决的问题。
四、结束语
到目前为止，虚拟仪器的计量评价还没有被当成一个特别问题提取出来，习惯性的做法依然是和传统的非虚拟仪器一样，但已经引起了人们的困惑，即使是非虚拟仪器，如在数字存储示波器中，目前可以具有多达几十种分析处理的测量功能，如求波形的极值、最大值、最小值、顶值、底值、中值、平均值、均方根值、峰峰值、幅度值、包络、周期、频率、上升时间、下降时间、正脉冲宽度、负脉冲宽度、占空比、延时、面积、群延时、FFT、小波变换、加、减、乘、除、积分、微分、李萨育图形、通道延迟、功率频谱、互谱、自相关、互相关、功率密度、信号带宽、矢量、相位、有功率、无功功率、功率因数、信噪比、失真度、拌动等；包含了时域测量、频域测量、变换域测量、统计特性分析测量、平滑及数字滤波等众多功能。另外，还可具有复杂多样的触发功能，如沿触发、电平触发、事前触发、事后触发、逻辑图触发、延迟触发、漏失触发、掉电触发、毛刺触发以及外触发等多种触发形式。可以说，一台有上述功能的数字存储示波器，具有多台单参数测量仪器的功能和性能，这些在基本硬件和软件平台上，以软件来实现的功能，其性能的计量评价问题与虚拟仪器计量评价面临问题是一样的，如果依然遵循非虚拟仪器计量评价的方法和手段，每一功能和性能，均直接以最终表现形式来直接进行量值溯源，由于软件功能的多样性，将导致计量评价工作量的极大增加，不仅仅如此，某些功能因其数学关系的复杂性，根本难以实现简单溯源。
实际上，我们讨论的虚拟仪器及其计量评价是一个很特殊的问题，它侧重的是软件及数学模型作为仪器一部分所体现的性能的评价，以及它与硬件平台的性能最终合成虚拟仪器总体性能的溯源问题。由于非虚拟仪器也在向计算机化、智能化方向发展，因而虚拟仪器与非虚拟仪器所面临的问题有些是相通的，二者并不能完全割裂开来，只不过在表现形式上，虚拟仪器对软件模型的影响更加显而易见，更加迫切需要解决而已。 | | | | | |
|
|
|
