复杂虚拟仪

虚拟仪器技术将成为测试测量行业的主流 　 自二十世纪八十年代中期以来，虚拟仪器技术已结合了模块化硬件、开发软件和PC技术，从而使用户可通过软件来建立自定义的仪器。软件定义比厂商定义台式仪器功能的方式通测仪器有更大的灵活性，并且由于基于PC技术，所以能以更快的速度实现高级的功能。 如今在测试应用中使用虚拟仪器技术已成为主流。绝大多数测试行业已接受虚拟仪器技术的概念，或者倾向于采用虚拟仪器技术。例如，具有代表性的美国军方虽然不是技术趋势的领导者，但也在广泛地使用虚拟仪器技术。作为世界上最大的ATE(自动化测试设备)独立用户，美国国防部已在他们所推动的综合性仪器中采用了基于软件的仪器概念。在向国会提交的报告中，国防部指出：“在开发综合性仪器时，采用新近的商业化技术能实时地配置仪器以实现各种测试功能......单个综合性仪器可以代替多个独立仪器的功能，从而减小了后勤装备的体积并解决了设备过时的问题。”。综合性仪器和虚拟仪器技术具有商业化硬件和软件处理特性，把这两者结合起来能建立用户自定义的仪器。 目前，数千家大型的公司已经开始使用虚拟仪器技术。仅在生产检测中许多厂商已在关键性项目、大规模产品检测应用中使用虚拟仪器技术的硬件和软件。而在工业领域，虚拟仪器技术已被用于自动化石油钻探和提炼，生产中的机器控制，甚至是核反应堆的控制。 传统仪器和革新者的难题 正如ClaytonChristensen在同名的书中所描述的，传统仪器在此同时会遭遇“革新者的难题”。Christensen是这样描述这一现象的：新的具有突破性的技术会改变市场的前景并最终推翻市场领导者的地位。事实上，Christensen认为在市场领导者的地位被新技术推翻后就很难再领导市场了。在测试和测量领域中，传统仪器通过使用已有的架构来提高测量的性能并沿着这样方向不断进行革新。而在虚拟仪器技术出现的早期，由于它的测量性能比较低，因此在这种情况下，这些突破性技术对于传统仪器厂商并没有带来多大威胁，所以他们很大程度上忽视了虚拟仪器技术的存在。然而到了二十世纪八十年代的晚期和九十年代的早期，虚拟仪器技术开始应用于需要灵活性的测量中，而这些应用通过传统的方式是无法实现的。到了九十年代末和二十一世纪，随着PC处理器和商业化半导体的性能和精度的进一步提高，虚拟仪器技术的测量性能已比原来提高了许多。现在，虚拟仪器技术可以和传统仪器的测量性能相当，甚至超过它们，而且还具有更高的数据传输率、灵活性、可扩展性以及更低的系统成本。 为了证明在消费品市场中“革新者难题”这一原则，我们可以比较一下MP3和传统播放通测仪器媒介，如CD。开始的时候传统音频设备制造商并没有意识到MP3播放器的威胁——毕竟MP3降低了声音的质量，并且在播放时您还需要PC和专门的软件。而另一方面，CD播放器则容易使用并有专门的操作接口(按钮和旋钮)。然而由于MP3具有易于共享和便于携带的优势，所以尽管它有缺点，在诞生初期仍然被一些用户所推崇。随着时间的推移，MP3的质量已经可以接受并且播放MP3的软件也有了极大的发展。现在MP3已成为了主流，并且对传统的音频记录和播放行业造成了巨大的威胁。 尽管许多传统的播放器厂商最终通过开发出具有MP3功能的播放器以转向采用这一突破性技术(近来Sony推出了MP3W通测仪器alkman)，但是新的市场已被先推出MP3技术的公司所领导。例如，Apple已占据了基于硬盘音乐播放器销售量的82%。 在测试测量市场，行业领导者安捷伦已同样开始采用虚拟仪器技术的概念。例如，安捷伦最近推出的产品包括一套基于以太网的“综合性仪器”以及能兼容PXI的任意波形发生器，而PXI是工业标准的虚拟仪器技术平台。近来安捷伦的JohnStratton也表示支持软件定义的综合性仪器概念：“和目前标准的采用机架解决方案相比，另一种方案是使用综合性仪器。综合性仪器采用软件算法和硬件模块来代替分离的测试单元。”。在最近召开的投资者大会上，安捷伦的首席运营官BillSullivan提出，“转向使用基于软件配置的模块化仪器，能让用户轻松地进行重复配置和重复使用，这将是测试和测量未来的发展方向”。 PC性能不断革新并降低了成本 在过去二十年里，PC的性能已提高了10,000倍，其它任何商业化技术都不曾有过这样高的性能增长。由于虚拟仪器技术采用PC处理器来进行测量分析，每次随着新一代PC处理器的出现，使用虚拟仪器技术就可以实现新的应用。例如，目前的3GHzPC可用来进行复杂的频域和调制分析以用于通信测试应用。使用1990年的PC(Intel386/16)，65,000个点的FFT(快速傅立叶变换，用于频谱分析的基本测量)需要1100秒。而现在使用3.4GHz的P4计算机实现相同的FFT只需要约0.8秒。 与此同时，硬盘、显示和总线带宽也有类似的性能提高。新一代的高速PC总线PCIExpress能提供的带宽高达3.2GBytes/s，从而可以利用PC架构来实现超高带宽的测量。某些厂商声称高速内部总线将会让位给如以太网和USB这样的外部总线。尽管毋庸置疑这些外部总线适合某些特定的应用需求(如以太网适用于分布系统而USB易于进行桌面连接)，但是同样也有高速的数据传输速率需求。例如，一个100MS/s的14位IF数字化仪能生成200MB/s的数据，这将高于千兆以太网的80MB/s带宽。基于这样的原因，您不会在市场看到有任何以太网的视频卡；甚至是千兆的网络也比PCIExpress慢30倍。实际上千兆以太网接口和其它外设是通过PCIExpress和CPU相连。虚拟仪器技术的基于软件的方式可以在应用软件中对总线进行抽象，从而利用所有这些总线——PCI，PCIExpress，USB和以太网。 许多传统仪器厂商采用在仪器中嵌通测仪器入PC的方式来解决这一问题。这些仪器通常有一个嵌入式仪器处理器和一个通过内部总线和仪器盒相连的标准PC主板。然而，这种方式就损失了PC技术的两个关键优势——一是像Dell这种桌面PC厂商的规模经济优势，二是能轻松地升级PC从而对测量性能进行大幅度的提高。大多数示波器的使用寿命为5到20年，而一台用了20年的PC早已没有了使用价值。此外，如图1所示，这些设备的功能还基本上是由厂商定义的——用户无法利用设备中的固件来自定义测量的功能。

应怀樵与虚拟仪器的缘分彷佛是早已注定的。几十年来，他致力于信号处理、虚拟仪器、测控技术、振动与噪声控制等领域的研究，自主创新研发完成DASP虚拟仪器库和INV系列虚拟仪器——移动实验室，被学术界称为“中国虚拟仪器之父”。然而，每当荣誉和赞美涌向他时，他却总是那样淡淡的一句话：“我所做的一切都是为了让我国具有自主知识产权的科学仪器登上国际领奖台，并改变国人使用外国仪器的习惯，是希望让中国自主创新的信号处理与虚拟仪器技术走出国门，达到世界普及，并希望让中国的振动与噪声技术能够朝着更开阔的方向发展。”　　突破十大世界性难题　　应怀樵是我国最早提出“虚拟仪器”构想、最早提出和实现“用软件制造仪器”，“用软硬件相结合”来取代传统的主要由硬件组成的模拟式仪器的学者。丰硕的成果源于扎实的积累。1965年，他参加国防核爆炸防护工程课题——地下铁道核爆炸震动噪声与动力学测试分析的研究，发现用硬件设备无法获得道床的下沉残余位移（0Hz）。1973年开始自行尝试用数字计算机的软件数字积分与频谱分析取代传统硬件的方法解决该难题，于1979年获得成功。这是虚拟仪器模块应用的最早成功范例。同年，在国防科委召开的核试验全国防护工程学术会（保密会）上，原创提出虚拟仪器的核心概念——“软件制造仪器”，获得主持会议的力学所所长郑哲敏院士、清华副校长张维院士、同济校长李国豪院士的赞扬和支持，并与7年后美国NI公司“软件是仪器”的概念不谋而合。1993年，由他主持研制的INV306虚拟仪器参加加拿大多伦多市的新技术展览会，赢得高度赞誉，列表扬名单第一名。　　虚拟仪器发展中有许多技术难题，但是应怀樵总是看准了方向便勇往直前。他不仅创办了东方振动与噪声技术研究所（简称东方所），研发了DASP和INV系列虚拟仪器库系统，实现了“把实验室拎着走”的理念，取得100多项创新技术。更为难能可贵的是，应怀樵及其团队还研制攻克了十大世界性技术难题，使我国虚拟仪器和动态测试分析仪器的性能从一般的低精度低档次测量仪器跃入了高端高精度测量仪器的领先水平。　　一、基于平台式设计的虚拟仪器库技术。应怀樵课题组研究的DASP虚拟仪器库系统是我国开发最早的虚拟仪器库系统。早在1979年，应怀樵就原创性地提出虚拟仪器的核心概念——“软件制造仪器，用软硬件结合取代主要由硬件构成的传统仪器”，这一具有里程碑式划时代意义的新路线对仪器制造业和测试技术界科学仪器、分析仪器、高端仪器及各种电子测量仪器会产生巨大影响，还能实现一些硬件实现不了的功能（如超低频和0Hz的积分器），对科学研究和国民经济有深远影响。1985年，他提出“把实验室拎着走”的目标，并研制成功中国第一台虚拟仪器，成功应用于杭州钱塘江大桥的火箭激励模态试验。1993年，随北京新技术展览会到加拿大展出，获得表扬名单第一名，1995年用于“长三捆”火箭全箭模态试验获得成功，1996年用于神舟号载人飞船移动发射平台模态试验获得成功，2004年用于航天员超重训练设备臂架系统模态分析获得成功。实践证明，这是功能最完善、技术水平最高，且完全具有民族自主知识产权的一套虚拟仪器系统，代表了我国在虚拟仪器研发方面的最高水平。　　二、变时基（VTB）传递函数（导纳）测量分析方法。变时基技术相对于国内外传统的等时基方法，能显著提高瞬态激励测试结果的精度与稳定性。目前，此项技术结合弹性聚能力锤，成功解决了大型低频结构锤击模态试验问题，达到国际领先水平，已获国家发明专利。已完成神舟飞船750吨移动发射平台模态试验、“长三捆”大型运载火箭模态试验、乌海黄河大桥模态试验、航天员超重训练机模态试验等数十项国家重点项目，效果良好。　　三、高精度频率、幅值、相位和阻尼测量技术。东方所原创的高精度频率计和幅值计，克服了FFT频率分析中频率步进值的限制和泄漏的影响，软件本身的频率与幅值均可达到十进制12~14位数字测量精度，已经相当于并可同时替代高端频率计和电压表等硬件设备，目前已经在中国计量院等单位推广使用，比国外常规方法提高精度100万倍，而单从硬件看也能提高精度100倍，能把仪器的硬件频率精度从十进制5~6位提高到7~8位。这一技术使虚拟仪器从一般低精度仪器进入高端科学仪器的行列，具有重大国际影响力。　　四、超低频信号快速测量技术。对于超低频信号（0.1Hz~0.00001Hz）的准确测定，尤其对于频率未知的情况，常规测量需要非常长的时间才可以完成，而东方所的方法，则可以实现仅仅测量1/4甚至更少周期的信号即可获取准确的频率、幅值、相位和失真度等参数，使得超低频信号得到快速测量，填补国内外空白。对于100秒周期的低频率信号测试，仅需2~3分钟即可同时得到频率、幅值、失真度相位和传感器标定灵敏度等参数，比起类似的美国HP35670仪器，时间缩短为原来的1/20，并且后者还不具备多种参数同时测量的功能。　　五、倒熵谱分析方法。采用倒熵谱分析是频谱的再次谱分析，可大幅度提高频率分辨率，特别是对短时间序列具有更好的效果，比国外提出的LPC法可靠，已得到国内外专家肯定，达到倒谱分析的国际领先水平。　　六、FFT/FT分析方法。FFT变换虽然大大提高了运算速度但是频率分辨率受到了限制，对于有限长信号，FFT/FT则可以进行无限细化，可得到主要频率、成分精度很高的频率、幅值和相位，是目前频谱细化的主要方法之一。　　七、振动全息AVD“一入三出”实时测试分析创新技术。长期以来国内外对连续实时数据的微积分一直没有解决办法，应教授课题组创新提出了全程微积分方法。该方法尤其适合于连续采集的时间序列，充分考虑全程波形的特征，有效避免传统微积分的缺陷，使得在长时间连续信号采集过程中，创新虚拟通道技术，可实时得到一二次微积分后的准确波形，实现AVD“一入三出”振动全息实时动态连续测量。　　八、自动化模态分析方法。模态试验和分析由于包含较多的技术内容，通常操作比较复杂，需要操作人员具有相当丰富的理论知识和工程经验，才可以获取较为准确的结果，但是通过自动化模态分析手段，一般工程人员通过简单操作即可获得专家级的模态分析结果。　　九、24位“双核”变幅基A/D高精度超量程160dB数采仪技术。24位双核采集仪具有160dB的超宽量程范围，既保证大信号不会出现过载而导致试验失败，又可同时保证微弱信号不会因为欠载而导致信噪比不足。因此不用考虑仪器档位问题，更适合具有特殊要求的高难度试验。　　十、突破了传递函数的测试及实时控制和反演关键技术，为提高仪器测量精度和范围开辟了新途径。　　传递函数的测试及实时控制和反演是一项世界难题。提出由软件构成的在数采过程中实时快速精确测试幅频相频曲线，并通过YSL专门技术实时实现传递函数的控制和反演，已在DASP软件中取得成功应用。此技术可以大大扩展仪器的频率测试范围，提高测试精度，极具国际竞争力。此项技术是2010年12月9日提出，12月24日完成的，使得中美两国共同创造的虚拟仪器达到可以问鼎诺贝尔物理奖的具有世界性重大意义的成果。其意义可与光纤之父诺奖得主高锟教授的“光纤通信”的成果相提并论。　　实践证明，“软件制造仪器”省掉大量昂贵和笨重的硬件材料和人力物力、设备、厂房及能源，便于生产、携带，通过网络传输还能实现“云智慧”科学仪器。目前，已广泛用于国防军工、航天航空等许多部门，参与完成火箭、神舟飞船、大桥高层建筑和大型机械设备等上百项国家重大工程项目的测试，实现了许多常规仪器和硬件无法实现的功能。据不完全统计，东方所已有2000多家用户，累计经济效益超过1亿元，为国家节省外汇约数亿美元。其经济价值按我国2007年仪器产值估算，若按软件取代硬件一半计算，将会产生1000多亿元的巨大价值。　　推动虚拟仪器技术“达到世界普及”　　应教授在全国20多所重点高校，如清华、北大、浙大、中国科大、上海交大、西安交大和香港理工大学等高校讲学几十次，并成功组织和主持了二十三届全国振动与噪声高技术学术会议，还为有关部门培训了一大批从事振动噪声、信号处理、动态测试和虚拟仪器方面的急需人才。同时，联合指导培养硕士、博士和博士后研究生30余名，为国家培养了信号处理、动态测试和虚拟仪器技术的高端人才。　　上世纪90年代，应怀樵研发的虚拟仪器技术已受到国内外的广泛关注，并在市场上初露锋芒。然而，由于超负荷的工作，长期加班熬夜和巨大压力导致过度疲劳，1994年1月14日，在北京邮电大学学术交流大会报告的讲台上，应怀樵突发脑出血，送往医院急救，昏迷了3天，左边半身不遂，出院后，拄上了拐杖。2003年，突发脑血栓。2004年、2005年突发心梗阻……　　“3次中风、4次心梗，我7次至阎王殿，阎王都没收我。”说到此处，应怀樵微笑着感慨万分。尽管现在病情有些好转，可是他几乎时刻都处在生命危险之中。药物只能控制他的病情，却不能让他彻底摆脱病痛困扰。　　功夫不负有心人。如今，研究所已经初步建立起一支研发与市场开发队伍。“现在，我们的科研队伍壮大起来了，从副所长到总工程师都是博士，具有很强的科研能力。”他看到虚拟仪器的发展前景，要尽全力推动虚拟仪器技术“达到世界普及”的产业化进程，应怀樵对未来依然充满信心。“让INV系统走进每个实验室，让DASP软件运行在每个试验台上

实际工作中，遇到不少新进实验室的人员，直接上机吧有些心虚，不上机又总是不会独立使用，是否应该有个虚拟的仪器，可以先试试自己操作一下，熟练些了再上机多好。前几年看到过有家公司做过虚拟气相色谱，主要做培训和基础虚拟测试，最后就不知道怎么样了。虚拟现实东西发展很快，虚拟色谱怎么没有发展？是否有前途？