我對虛擬儀器技術的理解

　　從事虛擬儀器技術已經有好多年了，雖然這兩年從事其他方面的工作，但還一直在關注該領域的變化。從上研究生開始就一直從事虛擬儀器方面的工作，我本人主要做硬件方面的事情，但是一直在考慮虛擬儀器方面的幾個重要問題：什么是虛擬儀器技術？虛擬儀器技術研究內容是什么？在此，我想談談我對上述問題的一些想法。

　　首先，什么是虛擬儀器技術？提到這個問題很多朋友可能脫口而出：“虛擬儀器是不是一種模擬仿真的儀器？”，“虛擬儀器技術就是用Labview進行測試測量的開發(fā)”，“虛擬儀器技術就是基于計算機的測控系統(tǒng)”。從google中搜索“虛擬儀器”關鍵字，可能得到最多的是NI公司的咨訊，然后是鋪天蓋地的Labview信息，再者就是NI推出的各種模塊化儀器。的確，提到虛擬儀器技術（virtual instrument）離不開NI公司，因為這個概念就是NI公司提出來的，然后是中科泛華公司將其直譯成了中文。虛擬儀器的概念給人的第一感覺就是“虛擬”，是一種仿真、模擬。這種感覺不無道理，實際上一開始，虛擬儀器的創(chuàng)始人就是想在計算機平臺上模擬儀器，將計算機系統(tǒng)武裝成儀器系統(tǒng)。例如，最初的概念就是在計算機系統(tǒng)中插入一塊PCI的數(shù)據(jù)采集卡，然后運行一個虛擬示波器的軟件，那么這個計算平臺就演變成了一臺示波器。這就好比在計算機上插入一塊電視卡，將計算機升級成一臺電視機是一個道理。這是最初的虛擬儀器概念，通過簡單的硬件擴展將計算機升級成儀器系統(tǒng)，所以這樣的儀器系統(tǒng)我們也稱之為“卡式儀器”。但是，由于最初的儀器硬件卡都非常的簡單，所以儀器的性能都比較差，屬于儀器系統(tǒng)的底端產品。在擴展的計算平臺之上，通過軟件實現(xiàn)儀器功能。這里NI做出了一項非常杰出的貢獻，那就是Labview，該平臺是一個圖形化的虛擬儀器開發(fā)平臺，通過流程圖式的開發(fā)就可以非常容易的構建一套儀器系統(tǒng)。正因為Labview在虛擬儀器的中地位，所以很多人都認為虛擬儀器技術就是Labview編程，或者就是Labview。因此，目前國內的很多虛擬儀器開發(fā)論壇基本都是Labview論壇，大家在這里都是討論Labview的開發(fā)。這種對虛擬儀器的理解顯然有所偏頗。Labview只是虛擬儀器中的一種開發(fā)平臺，國內外還有很多開發(fā)平臺，都可以構建虛擬儀器，只不過Labview的功能的確強大，Labview的開發(fā)效率比較高，Labview受到了世人的認可。虛擬儀器技術離不開計算機系統(tǒng)，因此，很多人都將虛擬儀器系統(tǒng)歸結為基于計算機的測控系統(tǒng)，這看起來不無道理，但是這僅僅是虛擬儀器技術的外在表現(xiàn)，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的日新月異，哪套智能系統(tǒng)又能離得開計算機的支撐呢？基于計算機的測控系統(tǒng)能稱之為虛擬儀器技術嗎？顯然不能，大型測控系統(tǒng)都基于計算機，各類分析儀器也都離不開計算機的支撐，所以，這樣的答案也是站不住腳的，因為他沒有揭露虛擬儀器技術的本質特征。那虛擬儀器的本質特征是什么？我認為虛擬儀器技術的本質特征為可重構性。采用可重構硬件模塊和可重構軟件構建的儀器系統(tǒng)稱之為虛擬儀器系統(tǒng)，這種儀器構建的技術就是虛擬儀器技術。

　　虛擬儀器技術的核心特征為可重構性，那么我們需要在這方面做那些研究和開發(fā)呢？回答這個問題首先需要對虛擬儀器技術分分類。我認為虛擬儀器技術主要分成如下三大部分：

　　1、 模塊化的硬件。這是虛擬儀器的最基本硬件組成單元。

　　2、 硬件集成平臺。只有模塊化硬件是不行的，其需要一個集成平臺，將各個模塊協(xié)調工作起來。

　　3、 軟件開發(fā)平臺。這是儀器功能實現(xiàn)的關鍵。

　　從這三大部分中，我們就可以非常容易的找到需要研究的點。模塊化硬件是虛擬儀器的基礎，其本質上為虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)IO通道，往往也是儀器指標得以體現(xiàn)的地方，如果模塊化儀器做不好，那么軟件做的再高明，照樣實現(xiàn)不了預期的目標。模塊化儀器是可重用的，而不是專用的，這就對模塊化儀器的定義作出了挑戰(zhàn)。通常模塊化儀器可以分為數(shù)據(jù)采集類、信號發(fā)生類、定時計數(shù)類、開關IO類以及程控電源類等。所以，搞好模塊化儀器是虛擬測試測量的基礎，這一點，國內的航天測控做的不錯，開發(fā)了很多模塊化儀器。硬件集成平臺的研究重點在于儀器總線技術，目前儀器總線技術種類繁雜，有老年的VXI，中年的PXI以及青年的LXI。這些儀器總線各有特點，目前，LXI研究的較多，因為其可以實現(xiàn)儀器系統(tǒng)的遠程控制，將以太網(wǎng)技術引入到了測試測量領域。在集成平臺開發(fā)這一塊，不僅要研究各類儀器總線，同步、觸發(fā)方式，而且還需要設計開發(fā)各種總線控制器、標準通用的儀器驅動程序。目前，國內搞儀器總線的單位的確不多，VXI這方面哈工大搞的比較多，PXI總線方面航天測控、陜西海泰也都在開發(fā)，LXI方面目前我看到普源精電在一個示波器搞了一下，航天測控、陜西海泰等軍工研究單位也都在研究。軟件開發(fā)平臺是虛擬儀器中非常重要的一部分，通過虛擬儀器開發(fā)平臺可以定義儀器的具體功能，這方面的研究點我認為有兩個，一個是虛擬儀器開發(fā)平臺本身的研究，也就是圖形化開發(fā)平臺的研究，吉林大學（俺的實驗室）曾經開發(fā)了一個Labscene，能夠實現(xiàn)虛擬儀器的開發(fā)，重慶大學針對機械測量開發(fā)了一套圖形化開發(fā)平臺，集成了非常多的機械信號處理算法。另外浙江大學也對圖形化開發(fā)平臺進行過研究。除了圖形化平臺平臺本身這一研究點外，個人認為另一個非常重要的研究點是信號處理，一類是通用信號處理，另一類專用信號處理。實際上虛擬儀器的功能全都在這些信號處理集上得以體現(xiàn)，所以做好信號處理的模塊庫，有利于虛擬儀器功能的實現(xiàn)。

　　上述是我對虛擬儀器技術的一個基本理解，以后有時間再慢慢展開分析。