虛擬儀器思想述評

　　8）測量難題的解決和測量能力的擴展；例如，Agilent公司的N5530系列測量接收機，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)確度的幅度和時間參量上。例如，目前計量行業(yè)中，正弦信號總失真度的測量多數(shù)在200kHz以下進行，超出這個范圍的儀器設(shè)備很難找到，只能使用頻譜分析儀進行，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)進行失真度的測量。

　　9）智能化儀器成為可能?？傮w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)要遠優(yōu)于硬件技術(shù)，并且為這些技術(shù)在機器人、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，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，給出其不確定度，這也應(yīng)該是虛擬儀器的一個發(fā)展方向。至少在計量校準(zhǔn)行業(yè)和社會公用計量標(biāo)準(zhǔn)中，它有著廣泛的需求空間。

4 虛擬儀器的缺點與不足

　　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）實時性較差；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)果需要更多的時間，軟件模型的適應(yīng)性犧牲了其實時性，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，提高其實時性。

　　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，無法達到很高水平，導(dǎo)致其在工程應(yīng)用中通常達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，從而犧牲實時性，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)計和制造的專業(yè)知識與經(jīng)驗，因而在虛擬儀器研制時，缺乏確定儀器指標(biāo)的經(jīng)驗和技術(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)都離不開電子計算機，它們通常沒有獨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算機軟件平臺，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，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)與計算機技術(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現(xiàn)。結(jié)合電子計算機技術(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。