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”，“虛擬儀器技術就是基于計算機的測控系統”。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，虛擬儀器的創始人就是想在計算機平臺上模擬儀器，將計算機系統武裝成儀器系統。例如，最初的概念就是在計算機系統中插入一塊PCI的數據采集卡，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，所以這樣的儀器系統我們也稱之為“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，屬于儀器系統的底端產品。在擴展的計算平臺之上，通過軟件實現儀器功能。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平臺，通過流程圖式的開發就可以非常容易的構建一套儀器系統。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論壇基本都是Labview論壇，大家在這里都是討論Labview的開發。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平臺，國內外還有很多開發平臺，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，因此，很多人都將虛擬儀器系統歸結為基于計算機的測控系統，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，隨著計算機技術的飛速發展，嵌入式系統的日新月異，哪套智能系統又能離得開計算機的支撐呢？基于計算機的測控系統能稱之為虛擬儀器技術嗎？顯然不能，大型測控系統都基于計算機，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稱之為虛擬儀器系統，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，將各個模塊協調工作起來。

　　3、 軟件開發平臺。這是儀器功能實現的關鍵。

　　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的數據IO通道，往往也是儀器指標得以體現的地方，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。通常模塊化儀器可以分為數據采集類、信號發生類、定時計數類、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，因為其可以實現儀器系統的遠程控制，將以太網技術引入到了測試測量領域。在集成平臺開發這一塊，不僅要研究各類儀器總線，同步、觸發方式，而且還需要設計開發各種總線控制器、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，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。軟件開發平臺是虛擬儀器中非常重要的一部分，通過虛擬儀器開發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平臺本身的研究，也就是圖形化開發平臺的研究，吉林大學（俺的實驗室）曾經開發了一個Labscene，能夠實現虛擬儀器的開發，重慶大學針對機械測量開發了一套圖形化開發平臺，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，所以做好信號處理的模塊庫，有利于虛擬儀器功能的實現。

　　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。