软件定义仪器的可行性

软件定义仪器的可行性林凌李刚林凌女士，天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授；李刚先生，博士生导师、教授。关键词：软件无线电虚拟仪器软件定义仪器一引言仪器的种类繁多，生产企业也是小而全，数量也众多。而一台现代化的仪器，涉及学科多、技术要求高。每个仪器制造企业都要求具备仪器所涉及学科和技术的人才与研发条件，不仅造成低水平重复和劳动的浪费，也很难研发和生产出高水平的仪器。本文借鉴软件无线电和虚拟仪器的思想，提出了软件仪器的概念。二软件无线电的由来和发展仪器仪表的借鉴意义软件无线电(SoftWareRadio，SR)(又称为软件定义无线电，SoftwareDefinedRadio，SDR)，它的基本思想是将硬件作为其通用的基本平台，而把尽可能多的无线及个人通信功能用软件来实现，从而将无线通信新系统、新产品的开发过程逐步转移到软件上来。它被称之为是继模拟通信到数字通信、定通信到移动通信之后，无线通信领域的第三次革命，即从硬件定义的无线电通信到软件定义的无线电通信。软件无线电可定义为：“是一种可用软件进行重配置和重编程的、灵活的、多业务、多标准、多频段无线电系统的新兴技术。”由图1可以看出，所谓的软件无线电，从硬件上来看，就是要使A/DC和D/AC尽可能靠近天线，省却高频模拟的放大、变频、调制与解调等环节。A/DC和D/AC越靠近天线，说明软件(数字)化程度越高。显然，软件无线电将为厂商和用户带来巨大的利益。制造商可把研究与开发重点集中到简单的硬件平台设备上，这些设备可应用到每一个蜂窝系统和市场，而不仅是一个国家或地区范围的蜂窝系统和市场。因此，可进行大批量生产以降低成本。且可不断改进软件，以及纠正在工作中发现的软件错误和故障。经营商能快速拓展适合每个用户并区别于其他经营商的新业务。同样的终端能提供所有服务，即使这些服务用不同的通信标准支持。并可实现多标准基站。对用户来说，软件无线电的优点是能将他们的通信漫游到其他蜂窝系统，并利用全球移动和覆盖范围的优势(即，只要有一个蜂窝网络覆盖某地区，就可以提供服务)。而且，用户可以根据其偏爱配置他们的终端。对比之下，现代仪器仪表的一般结构如图2所示。在仪器仪表的研发中，模拟电路部分(传感器接口电路＋放大滤波)和数字部分(μP或μC)是最为重要的两个部分，又是各个整机厂“各自”研发、投入最大、重复最多的两个部分。与“无线电”可以有以下对比：传感器——天线；传感器接口电路＋放大滤波——高频放大、变频、调制与解调；μP或μC——DSP等等。因此，我们完全可以借鉴“软件无线电”的概念，构成图3所示的“软件定义仪器”(SoftwareDefinedInstrument，SDI)或软件仪器(SoftwareInstrument，SI)(为简便起见，以下均简称软件仪器)。在软件仪器的概念中，一台仪器分成以下4个部分：(1)传感器：这部分把被测量转换成电量甚至直接转换成数字量。(2)数字化接口：根据传感器的特性把信号转换成数字信号。(3)仪器引擎：针对仪器应用不同，由嵌入式计算机构成功能强弱和繁杂程度不同的若干种平台。(4)仪器接口：仪器的其余部分，如人机对话部分、通信接口部分、存储部分和控制部分等。上述4个部分完全可以由专业化公司研发和生产。这样，可以把分散、重复而且最耗费人力、财力的“个体”或“小作坊”式的研发行为变成专业化的“规模”开发和生产，而整机生产企业和仪器仪表的用户则较容易地根据自己的需要重新“定义”仪器仪表的功能、以最小的代价更新、升级或维护已有仪器仪表。三与虚拟仪器的异同虚拟仪器的出现是测试仪器领域的一场新的革命，是测试仪器与计算机深层次的结合。虚拟仪器的主要组成就是用一套通用的数据采集系统通过不同的接口接入计算机，在计算机上实现各种测量功能。虚拟仪器与传统仪器相比，具有以下特点：(1)传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件。由此导致许多认读与操作错误。而虚拟仪器可通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可实现功能操作的单纯化与面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性与便捷性。同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准件和加工工艺的限制，而由编程来实现，设计者可根据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板。(2)通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。(3)仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的．而不是事先由厂家定义好的。(4)仪器的改进和功能扩展只需相关软件设计更新，而不需购买新的仪器。可以说，软件仪器具有与上述虚拟仪器的优点，但软件仪器是“实实在在”的仪器，计算机与仪器完全融为一体，而不是建立在普通PC机上。软件仪器有比虚拟仪器更大的适应性、可靠性和灵活性。四软件仪器的可行性1.研发和生产厂商的分工结合仪器的特点，研究软件仪器的理论体系与系统结构，仪器生产厂商可以分为两类：(1)基础供应商：这类供应商也分为两小类。(a)传感器与部分仪器引擎的研发和生产厂商：这些厂商中的一部分可能由原具备较强实力的仪器厂商发展过来，另外一部分由大型IC公司或嵌入式系统开发厂商兼营或专营。这一小类的特点是传统的仪器仪表厂商中具有实力的部分能够发展进入。(b)传感器数字化接口、部分仪器引擎、仪器接口的研发和生产厂商：全部由大型IC公司或嵌入式系统开发厂商兼营或专营。显然，这部分产品与现有的IT行业完全重叠。(2)销售、服务商：将基础供应商所提供的硬件和软件集成为用户提供所需的仪器。2.数字化传感器接口模块以数字电路和算法取代模拟电路是软件仪器的关键和核心。这部分的研究是要在保证测量精度的条件下尽可能地采用数字电路来实现传感器的模拟输出信号转换成数字信号，或者说尽量使A/DC靠近传感器。讨论传感器的接口电路时，可采用图4的方式对传感器进行分类。各类传感器的数字化接口的可能性分析如下：(1)电阻：可以直接采用24位Σ-Δ型A/DC(比例法)转换得到数字信号，或具有R/CF型转换集成电路与单片机直接将电阻阻值转换成数字。(2)电容：现有电容数字转换器的分辨率可达24bit，5aFHz的噪声。(3)电感：《电感式测微仪的直接数字化处理研究》一文中给出了一种便于集成化的直接转换方法。(4)比例。(5)差动和(6)桥式差动：集成化的数字转换器已有很多品种，如美国ADI公司的AD2S93、美信公司的MAX1452、MAX1457等。(7)和(10)电压：直接采用A/DC转换为数字信号。(8)和(11)电流：很容易转换成电压信号后再直接采用A/DC转换为数字信号。(12)和(13)数字输出：传感器本身是数字信号输出。综上所述，在较低频率的测量中，对几乎所有传感器接口都可以实现数字化。在传感器接口数字化的一个关键技术是高分辨率、高速度的A/DC问题。一般说来，仪器中的A/DC速度远比软件无线电中要求低(特殊的高速示波器等仪器除外)，但对精度要求较高。近年来，微电子技术的发展为解决软件仪器中的A/DC问题提供了很好的条件：分辨率高达24位的A/DC已经大批量商品化，而且价格很低；高速A/DC已经达到2G的采样速度，12～16bit的A/DC已经达到几百kS/s～几百MS/s。而利用过采样技术可以将A/DC的数据通过率充分发挥出来，即可以在采样速度和分辨率中进行平衡，在不需要A/DC所具备的高采样率时，可以用其速度换取精度(分辨率)，从而达到直接数字化的目的。下面讨论模拟信号处理中若干关键技术在直接数字化后的影响。(1)模拟放大(a)直接采用高分辨率的ADC，如24bit的A/DC在输入范围为2.5V时的可分辨0.15μV。足以满足绝大多数的测量应用。(b)利用过采样技术，如200kS/s/(16bit)的A/DC下抽样至200SPS时相当于21bit的分辨率。在输入范围为2.5V时的可分辨1.2μV。(2)滤波除非干扰超出A/DC的输入范围，在可得到足够分辨率的条件下，数字信号处理可以比模拟信号处理优异得多的结果。即使干扰可能超出A/DC的输入范围，在过采样(目前比较容易做到)时所需的滤波器也比较容易实现(对滤波器参数及其元件的要求低)。(3)调制/解调一般说来，仪器中调制/解调使用的载波频率远较无线电中使用的频率要低，因而实现起来更为容易。(4)校准/补偿微处理器的高速度、大容量的非易失性存储器、在线下载等微电子学的进展为仪器的校准/补偿提供了基础。这也是数字化的优越性之一。综上所述，传感器数字化接口的信号处理流程如图5所示，其中最主要的研究内容是“高数据通过率的A/DC”。而这部分内容的实现方式如图6所示，其中虚线框内为今后需要研究的主要内容之一。3.仪器引擎根据仪器检测信息的复杂程度、数据量大小等不同要求选择若干硬件平台(ARM、DSP、FPGA、MCU等)和实时操作系统、驻留编译器，研发相应的API。这部分与现有的嵌入式系统的研发已经完全重叠，因而是完全可行的。4.仪器接口这部分的内容也完全被嵌入式系统所涵盖，如人机对话部分、通信接口部分、存储部分和控制部分等。其可行性也是不言而喻的。五结束语本文借鉴软件无线电和虚拟仪器的思想，提出软件仪器的构想并证明其可行性。软件仪器概念的确立，将为未来的仪器研发提供理论指导和平台，有助于仪器的专业化研发和生产，使仪器行业的发展进入高效益、高速度的新时代。（全文完）来源：《世界仪表与自动化》出版日期：2007年10月