虚拟仪器的新进展【精品论文】 .pdf

1 2 -( 测控技术2 0 0 6 年第2 5 卷增刊 虚拟仪器的新进展 、应怀樵，刘进明，沈松 ( 北京东方振动和噪声技术研究所，北京1 0 0 0 8 5 ) 摘要：中国c o i n v ( 1 9 8 5 ) 和美国n i 公司( 1 9 8 6 ) 提出p c 卡泰仪器和虚拟仪器以来，经过2 0 余年 的发展探索，虚拟仪器( v i ) 有了长足的进步。“用软件制造仪器”，“软件即仪器”，“用软硬件相结合 取代传统的模拟式仪器”的潮流，深入人心模拟式仪器被大量的v i 所取代，v i 正在向多功能的虚拟 仪器库高精度，高可靠性，方便操作，一键完成所需功能的操作方向发展基于嵌入式的芯片d s p ， f p g a 、s o c 的发展，v i 迈向小型，一体化，轻便，快捷，多功能综合化时代文内指出，克服v i 的 缺点和弱点，研发如y l s 时频综合算法等新的算法，建立软硬件检测方法和指标已成为当务之急。 关键词：虚拟仪器；p c 卡泰；信号处理；数据采集；泄漏、混叠；算法；移动实验室 中图分类号：t p 2 1 6 文献标识码：a 文章编号：1 0 0 0 8 8 2 9 ( 2 0 0 6 ) s 0 0 0 1 2 0 4 n e wd e v e l o p m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t y i n gh u a i q i a o ，l i uj i n m i n g ，s h e ns o n g ( c h i n ao r i e n ti n s t i t u t eo fn o i s e v i b r a t i o n ，b e i j i n g1 0 0 0 8 5 ，c h i n a ) a b s t r a c t ：t h er e m a r k a b l ep r o g r e s sh a sa c h i e y e df o rv i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) d u r i n gt h eo v e r2 0y e a r s ，s i n c et h e c o n c e p to fc a t a ia n dv 1w e r ep u tf o r w a r db yc h i n ac o n v ( 1 9 8 5 ) a n da m e r i c a nc o m p a n yn i ( 1 9 8 6 ) “m a n u f a c t u r i n gi n s t r u m e n tb ys o f t w a r e ”，“s o f t w a r ei si n s t r u m e n t ”t h et i d eo fu s i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i n t e g r a t i o n t or e p l a c et r a d i t i o n a la n a l o gi n s t r u m e n t sa r ed e e p l yc o m p r e h e n d e d t h et r a d i t i o n a la n a l o g i n s t r u m e n t sa l er e p l a c i n gb yg r e a ta m o u n to fv i a n dt h ev ii sd e v e l o p i n gt o w a r dt h ed i r e c t i o no fm u l t i f u n c t i o nv il a b o r a t o r y , h i g hp r e c i s e ，h i g hr e l i a b i l i t y , c o n v e n i e n c e ，d o i n ga l lw o r kb yo n ek e y b a s e do nt h e d e v e l o p m e n to fe m b e dc h i pd s p , f p g a ，s o c ，t h ev is t e p si n t ot h ep e r i o do fc o m p a c t ，i n t e g r a t i o n ，l i g h t n e s s ， r a p i d i t y t h ev e r yi m p o r t a n tt a s k a tp r e s e n tt i m ea r ep o i n t e do u t ，t h a ti so v e r c o m i n gt h ev is h o r t c o m i n g ， d e v e l o p i n ga l g o r i s ms u c ha sy l s c r e a t i n gt h em e t h o d sa n di n d e xo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n s p e c t i o n k e yw o r d s ：v i ；p cc a t a i ；d s p ；d a t aa c q u i s i t i o n ；l e a k a g e ；a l i a s i n g ；a l g o f i s m ；m o v i n gl a b o r a t o r y 虚拟仪器( v i ，v i r t u a li n s t r u m e n t ) 和卡泰仪器( c a t a i ， c o m p u t e ra c q u i s i t i o nt e s ta n a l y s i si i l s t r u m e n t s - 一 计算机采集测试分析仪器，简称卡泰) ，文内统称v i ， 它们的技术正在飞速发展，从构造到功能都发生了很 大变化，传统的模拟式仪器正在逐步退出它的统治地 位。目前，各方面的科学家和工程师正在各行各业的 测控设备中使用虚拟仪器和p c 卡泰。从而缩短了产品 收稿日期：2 0 0 6 0 5 2 5 作者简介：应怀樵( 1 9 4 1 一) ，男，教授，研究员，北大、清华、 中科力学所等博士合作导师，东方所所长，振噪控制学会理事 长，振动与信号处理专家，中国v i 早期开拓者与奠基人研究 领域：振噪控制、测控、信号处理、v i 研发完成d a s p 库 和i n v 3 0 3 3 0 6 移动实验室编著波谱分析与数据处理、现 代振动与噪声技术等书9 本，( ( 倒熵谱等文章百余篇 的研发时间，提高了产品的质量，降低了成本。虚拟 仪器( 卡泰仪器) 的出现是科技界、教学界和测试仪 器制造界的一次具有深远意义的技术革命。它像微机 出现一样，会影响到全人类的科学试验、教学、国防、 工农业生产、甚至家庭自动化，机器人及全人类的各 种社会活动。v i 目前的进展正在向功能综合化的多功 能虚拟仪器库、提高精度、提高可靠性、方便操作、一 键完成所需要的功能的方向发展，并已取得可喜进展。 1 虚拟仪器发展中的几个重要历史阶段 的回顾 ( 1 ) 1 9 8 5 年东方所建所之初就自主创新提出了下述 6 个研究课题和目标： “东方科卡”，把模拟量变成数字量，当时a d 虚拟仪器的新进展 1 3 为1 2 位，双a d 并行l o o k 同步采样，现在a f t ) 已达 1 6 位或2 4 位，频率精度已达到8 位( 十进制) 字长， 具有独创性突破，达到国际领先水平； “d a s p ”( 达世普) ( d a t aa c q u i s i t i o n s i g n a l p r o c e s s i n g ) 大容量数据自动采集和信号处理分析软 件；数据采集和信号处理在以前的模拟式仪器都是分 离的，这是v i 的一个大进步，目前已包含：信号示 波、数据采集、信号分析、信号发生、声学分析、虚 拟仪器库、模态分析、动力修改、响应计算、载荷识 别、计量检定、应变测量、旋转机械分析、故障诊断、 转子动平衡、桩基地基、振动控制、路桥土木、转子 实验、教学模态实验、应用测试等2 1 个大型模块； “p c 卡泰”( p c c 觚a i ) ，微机卡式采集测试 分析仪，i n v e n t 3 0 3 3 0 6 ( 创新3 0 3 1 3 0 6 型) 中国式 的虚拟仪器，具有1 0 1 项创新技术，已能取代5 0 多 种仪器； 采取“用软件制造仪器”的创新思路。1 9 8 3 年 5 月出版的波形与频谱分析与随机数据处理一书第 3 0 6 页( p 3 0 4 3 1 3 ) 图6 2 7 到6 3 0 中提出了早期虚拟 仪器( v i ) “用软件制造代替仪器”与本人研究成果的 实例，一个采样波形能得到1 2 种分析结果。在此前 1 9 7 9 年1 1 月出版的振动测试与分析一书中( p 3 5 1 3 5 7 ) 其中p 3 5 5 图7 - 6 用软件测到了很难测量的结构 随大地下沉位移4 5 1 41 1 1 1 1 1 其中( 残余位移) 2 0m i l l ， 给出了用软件替代制造仪器的成功实例。用软件测得 了用硬件几乎是无法测量的大面积的地下结构随大地 的下沉( 残余零h z ) ，位移2 0l l l l n 。这是上世纪7 0 年 代用于我国核试验效应分析的卓越成果。现在采用创 新的软件频率计算分析( y l s ) 新方法，频率精度已 能达到1 0 位( 十进制) 字长，保证9 位，突破了信号 分析中常用的快速傅立叶变换( r 丌) 的频率分辨率厂 的限制，目前已达到同行业国际领先水平； “用软硬件相结合”( 东方科卡+ d a s p ) 来取 代传统的单纯由硬件组成的模拟式仪器，为科学实验 测试仪器的研制开辟了一条崭新的技术途径。目前， 国内外的仪器公司正在这条路上迅跑。 提出“把实验室拎着走”的口号和目标；自主 创新采用虚拟仪器v i ( 数字化仪器) 来取代传统的示 波器、磁带机、瞬态记录仪和信号处理、模态分析仪 等研究课题。目前，已有1 0 0 0 多家用户在使用i n v 移动实验室。 ( 2 ) 1 9 8 6 年美国n i 公司提出了“软件即仪器” 的著名口号，推出了n i - l a b v i e w 直观的流程图编程 风格的开发和运行程序平台。 ( 3 ) 1 9 8 8 年9 月1 6 日中国虚拟仪器p c 卡泰烈v - 1 0 1 用于杭州钱塘江大桥火箭激振模态试验，获得圆满 成功，这是中国的v i 首次用于现场实际大型结构模态 试验分析的成功先例。 ( 4 ) 1 9 9 3 年3 月中国的虚拟仪器东方科卡和 d a s p ，移动实验室i n v 3 0 6 走出国门，参加北京市新 技术展览会，赴加拿大多伦多市展出，获国外专家的 好评，在参展单位受表扬的名单中排名第一，第二是 北大方正汉字激光排版系统，第三名是瑞星防病毒卡。 ( 5 ) 1 9 9 5 年i n n 3 0 6 和d a s p 用锤击法测长征三 号火箭全箭模态试验分析获得成功。 ( 6 ) 1 9 9 6 年i n v 3 0 6 和d a s p 系统，用于“神舟 号”载人飞船移动发射平台模态试验分析获得成功。 ( 7 ) 2 0 0 4 年i n v 3 0 6 和d a s p 用于航天员超重训 练设备臂架系统模态试验分析获得成功。 ( 8 ) 2 0 0 5 年i n v 3 0 6 用于地震预测研究的甚低 频标准振动测试系统超低频为0 0 0 02h z ( 周期50 0 0 s ) 的超低频高精度快速测量，比国外仪器测量效率提 高几十倍，获鉴定会通过，评价为达到国际先进水平。 ( 9 ) 2 0 0 6 年i n v 3 0 6 和d a s p 推出键自动高精度 测频率、幅值、相位差，传递函数( 放大倍数) 失真度等 多功能软件研发成功。从1 9 8 5 年以来总计创新技术有： 变时基( v m ) ，变频基( v f b ) ，倒熵谱( c e m ) ，精熵 谱，f f r f r 、拟小波、短时熵谱阵、变时熵谱阵、y 1 y 2 窗、滑动可变指数窗、智能谱修正、峰保压缩、b d f w p s 、 多时基、l s c f 法，及y l s 时频综合法等达1 0 1 项。 2 虚拟仪器的构造和分类 虚拟仪器是以软件为主体，结合适当的硬件p c 、 a d 、d a 、a f ( 抗混) 、s c ( 信号调理) 、t s ( 传感 器) 的一种智能测试仪器，它的典型构造如图i 的东 方构造金三角所示。 、 图1v i 的东方构造金字塔 目前的虚拟仪器有下述6 种类型：0 ) p c 总线 指插卡型；p c 端口一i ，门并行口、u s b 口、1 3 9 4 口和以太网型；g p i b 总线方式；v x i 总线方式； 匿) p x i 总线方式；袖珍型，一体机由嵌入式工控机， p c i 0 4 或掌上电脑，嵌入式的d s p 或f p g a 或s o c 和a d 、d a 、l c d 、a f 、s c 、闪存及电子盘、l c d 、 ：! ! ! 苎垫查! 丝耋墅塑查垄翌 通过u s b 口、同卡口方式组成如s v s a - i 型。 3 v i 的软件平台的研发及新进展 目前国内外由两丈类型的软件平台：第一类是美 国n i 公司为代表的l a b v i e w 平台，它很有特色。有 大量的用户，在国际上报有影响，它要经过一定的编 程组织，才能用于测量。它对仪嚣制造商和学习教学 v i 及一些特殊的用户是适用的。第二类是c 0 1 n v 的 d a s p 虚拟仪器平台系统它面向晟终用户、只想用 v l 马上进行测试试验的对象，希望快捷获得结果的用 户目前已有1 千多家用户，并在不断增加中。尽管 仪器制造商和教学部门很多，但是绝大多数用户希望 马上进行测试而不想编程即使是很掩单的编程。比 如绝大多数人买房子是为了住，而不是为了造房子， 一般人连装修都嫌太费精力。 据不少国内外专家反映通过n i - l a b v i e w 方式 要设计出高精度，又可靠性高的软件是很困难的。只 有通过像c o i n v 的d a s p 方式，靠自己编制的算法推 广蹬用户。目前软件频率精度已选t 0 位( 十进制) 。 而使用n i 的l a b v i e w 方式要测5 位半到6 位( 十 进制) 精度已十分困难。而在买来的硬件如m 的高级 卡3 4 万j 卧睫。硬件频率精度只能达到5 位5 位 半( 十进制) 。而c o i n v 的东方科卡硬件精度已能选 到7 8 位( 十进制) 。 4v 1 功能和构造的新进展 目前的软硬件构造正处在一个犬的变革时期， 当年的冷门变成了今天的热门，在c 0 矾v 和n i 公司 的带头并推动下，目前国内外各种仪器制造商正在加 大力度向研发v i 仪器过渡。仪器生产厂家不断涌现， 各种新的仪器制造公司正在不断的加入这个行列 新产品大量推出，功能逐步提高。 ( i ) 硬件产品方面随着p c 和电子技术及蕊片技 术的提高，嵌入式d s p ，f p g a 及s o c 的发展a d 和 d a 的进步，如一z a i d 芯片的使用。整个虚拟仪 器结构向高精度、小型化、低功耗、便捷化方向发展。 a d 1 6 位已变成了普及型。2 4 位即将进入主流产品。 高精度的数采加蛆调理和抗混滤波模块式的发展， 数采与调理的一体化是一个好的方向不同的测试参数 的外挂组合插件方式能节省成本和方便用户使用。 智能传感器( t e d s ) 豹研发和使用日趋热门，太 有发展前途。 ( 2 ) 软件方面，目前主流平台向两个方向发展， 一种v i l a b v i e w 方式发展另一种是向c o i n v - d a s p 方式发展，如b k 、h p 、l m s 等都采用和d a s p 相同的方式，因为用户的主要目的是为了使用v i ，而 不是为了编制程序。因此软件的多功能化高精度 高可靠性操作方便的键式操作已成为重要的研究 方向，可以预见虚拟仪器主流软件平台，会向综合化 多功能的虚拟仪器库方向发展( 见图2 所示) 。 一 囊蓦溱霉季粤酬 ：= 。：一_ 。；冀f l ：l 冀：罾量越上兰i 测 写：要主誊ji 。j 量：蓉：证t ：一曼葛? 。 一，抑， ，一t 一一- _ 一一i 圈2 d a s p 虚拟仪器库 图2 中的仪器库有2 2 种仪器在图上显示有 这2 2 种仪器原型和缩小方块图。 ( 3 ) 提高软件的精度和可靠性将成为v l 的主 要研究方向。目前国内外常用的虚拟仪器的频率精度 和幅值精度差。误差大的现象应该改进了。自1 9 6 5 年 f f t 问世以来，已妊过4 1 年了，直到现在还是各种虚 拟仪嚣的主要算眭工具，因此研究高精度误差小 的算法已提到日程上来。 ( 4 ) 目前c o i n v 的d a s p 中。电新提出i n v - y l s ( 创新应宣u 沈方法) 时颇综合算法，使额率精度突 破了p f r 算法 ，的限制，使频率精度从常规的4 5 位半( 十进制) 提高到9 1 0 位( 十进制) 保证9 位， 同时幅值精度也大幅提高达7 位精度( 见圈3 所示) 。 ；y “- j ：j 茹翟 1+。 _ # _ 虚拟仪器的新进展 1 5 度太慢，对超低频信号的采集分析是国际难题。而y l s 法有重大突破，克服了这一难题，比国内外各种主流 仪器的常用方法提高效率几十倍到上百倍。如测试万 秒级周期的信号只要l 周期的时间，就可测出频率、 幅值和多种参数。 ( 6 ) 测试功能综合化，向多功能、高精度快速分 析方向发展。如d a s p 软件中频率、幅值( 峰值、有 效值) 失真度、初相位、相位差、传递率( 放大倍数) 仪器灵敏度，频谱图曲线和动态实时显示测试波形， 同时具有信号的一次两次积分、微分功能。 ( 7 ) 测量和采样频率的自动化设置即手自两用功 能的研发。 很多被测信号不知道频率范围，从而无法合理设 置采样频率和分析频率，特别是超低频信号，d a s p 就有了自动s f ( 采样频率) 装置。能够自动跟踪设置 采样频率，像傻瓜相机，点一个键就能工作，完成高 精测试。同时又有手动设置，与汽车的手自一体化相 似，操作非常方便，是个高技术突破。 5结束语 经过2 0 多年的发展，虚拟仪器v i 正在进入主流 仪器平台，可以预测不久的将来v i 必将取代传统仪器 大部分领域。虚拟仪器有很多优点，但是虚拟仪器迅 猛发展时，它的弱点和缺点日渐显露出来，严重时甚 至会产生错误的结果。由于虚拟仪器与模拟式仪器有 很大区别，其精度与以下3 个因素有密切关系：与 硬件精度有关；与软件精度、计算分析方法、编程 技巧有关；与使用操作方式有密切的关系，当使用 者的测试操作方式不同时，仪器性能可能差别很大。 虚拟仪器是用软件制造仪器，软硬件相结合取代 传统的模拟式仪器，因而： 软件和计算分析方法算法的研发和改进已日渐 重要，上世纪6 0 年代曾有一个算法研制高潮，目前显 得冷清了。y l s 时频域综合算法，是一个可喜的进展 和重大的突破。 了解v i 功能建立虚拟仪器的科学的合理的指 标和标准，改进计量测试规程，已成为当务之急。 v i 是数字化仪器，目前，有必要对数字化仪器 的特性进行研讨和了解，数字化离散采样和数据选取 中的截断会产生混迭和泄漏现象，应高度重视。要对 抗混滤波的概念、机理和指标( 东方所1 9 9 2 年就研发 出高质量、高精度一1 2 0d b o c t 的抗混滤波器，目前已 超过1 5 0d b o c t ) 进行了解和宣传。使日益普及的v i 厂家少走弯路，避免给用户造成损失。 要对信号处理和使用中经常会遇到的一些技 术名词术语的意义及作用进行研讨和普及。如：频率泄 漏、压谱线、频率混迭、抗混滤波、失真度、半功率带 宽法、相位差、长数据丢点( 漏码) 、实时频率和计算 分析时间、多a d 和多采保，a d 位数与测试精度。软 件精度和硬件精度，模拟和数字滤波器，抗混滤波器与 低通滤波器，低、高、带通、带阻滤波，软件好坏如何 测试判断，传输方式、总线口、并口、串口、u s b 口、 1 3 9 4 口、以太网口等数据采集传输和信号传输。 建立v i 仪器最常用指标：频率精度与误差、幅 值精度与误差、使用频率范围和动态范围、阻尼比、 相位差、失真度、灵敏度( 放大倍数) 、抗混滤波衰减 陡度、测量分析时间( 实时性) 、模态参数和振型等。 虚拟仪器必然会在发展中不断改进，在应用中不 断完善，v i 和c 加m 的前途无限光明。 参考文献： 【1 】应怀樵振动测试和分析 m i 北京：中国铁道出版社， 1 9 7 9 1 l ：3 5 1 3 5 7 【2 】应怀樵波形和频谱分析随机数据处理【m 】北京：中国铁道 出版社，1 9 8 3 0 5 ：3 0 4 3 1 3 【3 】应怀樵、刘进明微机智能自动化动静态测试分析技术的 研究 a 】全国八届振动技术会议( 1 9 9 4 ) ，现代振动和噪声 技术【c 】北京：航空工业出版社，1 9 9 7 0 9 ：3 3 3 6 【4 】应怀樵科技展望“大振动”与微机卡泰时代【a 】全 国十一届