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1、5虚拟仪器的新进展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 100085）摘要：中国COINV（1985）和美国NI公司（1986）提出PC卡泰仪器和虚拟仪器以来，经过20余年的发展探索，虚拟仪器（VI）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VI所取代，VI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DSP、FPGA、SOC的发展，VI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VI的缺点和弱点，研发
2、如YLS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；PC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： 文献标识码： 文章编号：The New Development of Virtual InstrumentYing Huai-Qiao, Liu Jin-Ming, Shen Song(China Orient Institute of Noise & Vibration, Beijing, 100085)Abstract: The remarkable progress has achieved for Virtual Instru
3、ment (VI) during the over 20 years, since the concept of CATAI and VI were put forward by China COINV（1985） and American company NI（1986）. Manufacturing Instrument by Software, Software is Instrument, the tide of using hardware and software integration to replace traditional analog instruments are d
4、eeply comprehended. The traditional analog instruments are replacing by great amount of VI, and the VI is developing toward the direction of multi function VI laboratory, high precise, high reliability, convenience, doing all work by one key. Based on the development of embed chip DSP, FPGA, SOC, Th
5、e VI steps into the period of compact, integration, lightness, rapidity. The very important task at present time are pointed out by this paper, that is overcoming the VI shortcoming, developing algorism such as YLS, creating the methods and index of hardware and software inspection. Key Words: VI; P
6、C CATAI; DSP; Data acquisition; leakage; aliasing; algorism; moving laboratory虚拟仪器（Virtual Instrument 简称VI）和卡泰仪器（Computer Acquisition Test Analysis Instruments计算机采集测试分析仪器，简称卡泰CATAI），文内统称VI，它们的技术正在飞速收稿日期：2006-5-25作者简介：应怀樵（1941-），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VI早期开拓者与奠基人。研究领域
7、：振噪控制、测控、信号处理、VI。研发完成DASP VI库和INV303/306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九本，倒熵谱等文章百余篇。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PC卡泰。从而缩短了产品的研发时间，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。VI目前的进展正在向
8、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) 1985年东方所建所之初就自主创新提出了下述六个研究课题和目标： 东方科卡，把模拟量变成数字量，当时A/D为12位，双A/D并行100k同步采样，现在A/D已达16位或24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；DASP(达世普)Data Acquisition & Signal Processing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VI的一个大
9、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，（21）应用测试等21个大型模块； PC卡泰（PCCATAI），微机卡式采集测试分析仪，INVENT303/306（创新303/306型）中国式的虚拟仪器，具有101项创新技术，已能取代50多种仪器； 采取用软件制造仪器的创新思路。1983年5月出版的波形与频谱分析与随机数据处理一书第306页（p304-313）图6-27到6-30中提出了早期虚拟仪器（VI）用软件制
10、造代替仪器与本人研究成果的实例，一个采样波形能得到12种分析结果。在此前1979年11月出版的振动测试与分析一书中（p351-357）其中p355图7-6用软件测到了很难测量的结构随大地下沉位移45.14mm其中（残余位移）20mm，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Hz）位移20mm。这是上世纪七十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（YLS）新方法，频率精度已能达到10位（十进制）字长，保证九位，突破了信号分析中常用的快速傅立叶变换（FFT）的频率分辨率f的限制，目前已达到同行业国际领先
11、水平；用软硬件相结合（东方科卡DASP）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VI（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1000多家用户在使用INV移动实验室。(2) 1986年美国NI公司提出了“软件即仪器”的著名口号，推出了NI-LabVIEW直观的流程图编程风格的开发和运行程序平台。(3) 1988年9月16日中国虚拟仪器PC卡泰INV101用于杭州钱塘江大桥火箭激振模态试验，获得圆满成
12、功，这是中国的VI首次用于现场实际大型结构模态试验分析的成功先例。(4) 1993年3月中国的虚拟仪器东方科卡和DASP，移动实验室INV306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) 1995年INV306和DASP用锤击法测长征三号火箭全箭模态试验分析获得成功。(6) 1996年INV306和DASP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) 2004年INV306和DASP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) 20
13、05年INV306用于地震预测研究的甚低频标准振动测试系统超低频为0.0002Hz（周期5000秒）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) 2006年INV306和DASP推出一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1985年以来总计创新技术有：变时基（VTB），变频基（VFB），倒熵谱（CEM），精熵谱，FFT/FT、拟小波、短时熵谱阵、变时熵谱阵、Y1/Y2窗、滑动可变指数窗、智能谱修正、峰保压缩、BDFWPS、多时基、LSCF法及YLS时频综合法等达101项。2 虚拟仪器的构造和分类
14、虚拟仪器是以软件为主体，结合适当的硬件PC、A/D、D/A、AF（抗混）、SC（信号调理）、TS（传感器）的一种智能测试仪器，它的典型构造如图一的东方构造金三角所示：目前的虚拟仪器有下述六种类型：（1）PC总线指插卡型 （2）PC端口LPT并行口、USB口、1394口和以太网型（3）GPIB总线方式 （4）VXI总线方式 （5）PXI总线方式 （6）袖珍型，一体机由嵌入式工控机，PC104或掌上电脑，嵌入式的DSP或FPGA或SOC和A/D、D/A、LCD、AF、SC、闪存及电子盘、LCD、通过USB口、网卡口方式组成。如SVSA-1型。3 VI的软件平台的研发及新进展目前国内外由两大类型的软
15、件平台，第一类是美国NI公司为代表的LabVIEW平台，它很有特色。有大量的用户，在国际上很有影响，它要经过一定的编程组织，才能用于测量。它对仪器制造商和学习教学VI及一些特殊的用户是适用的。第二类是COINV的DASP虚拟仪器平台系统，它面向最终用户、只想用VI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，即使是很简单的编程。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NI-LabVIEW方式要设计出高精度，又可靠性高的软件
16、是很困难的。只有通过像COINV的DASP方式，靠自己编制的算法推广给用户。目前软件频率精度已达十位（十进制）。而使用NI的LabVIEW方式，要测5位半到六位（十进制）精度已十分困难。而在买来的硬件如NI的高级卡，3-4万元/块，硬件频率精度只能达到5位5位半（十进制）。而COINV的东方科卡硬件精度已能达到78位（十进制）。4 VI功能和构造的新进展目前VI的软硬件构造正处在一个大的变革时期，当年的冷门变成了今天的热门，在COINV和NI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VI仪器过渡。仪器生产厂家不断涌现，各种新的VI仪器制造公司正在不断的加入这个行列，新产品大
17、量推出，功能逐步提高。(1) 硬件产品方面随着PC和电子技术及芯片技术的提高，嵌入式DSP，FPGA及SOC的发展A/D和D/A的进步，如A/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/D16位已变成了普及型，24位即将进入主流产品。高精度的数采加以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（TEDS）的研发和使用日趋热门，大有发展前途。(2) 软件方面，目前主流平台向两个方向发展，一种VI-LabVIEW方式发展，另一种是向COINV-DASP方式发展，如BK、HP、LM
18、S等都采用和DASP相同的方式，因为用户的主要目的是为了使用VI，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，操作方便的一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。（见图二所示）：图二 DASP虚拟仪器库图二中的VI仪器库有二十二种仪器，在图上显示有这二十二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VI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1965年FFT问世以来，已经过四十一年了，直到现在还是各种虚拟仪器的主要算法工具，因此，研究高精度，误差小的算法
19、已提到日程上来。(4) 目前COINV的DASP中，创新提出INV-YLS（创新应刘沈方法）时频综合算法，使频率精度突破了FFT算法f的限制，使频率精度从常规的45位半（十进制）提高到九位到十位（十进制）保证九位，同时幅值精度也大幅提高，达七位精度。（见图三所示）：图三 DASP十位（十进制）高精度频率分析(5) 特别是INV-YLS（应刘沈）方法，能快速高精度的测试超低频信号，对超低频信号即使国外的ZOOMFFT也毫无办法，由于采集时间太长，采集速度太慢，对超低频信号的采集分析是国际难题。而YLS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
20、周期的信号只要百分之一周期的时间，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DASP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，DASP就有了自动SF（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，是一个
21、高技术突破。5结语经过20多年的发展，虚拟仪器VI正在进入主流仪器平台，可以预测不久的将来VI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，其精度与以下三个因素有密切关系。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，上世纪六十年代曾有一个算法研制高潮，目前显得冷清了。YLS时频域
22、综合算法，是一个可喜的进展和重大的突破。了解VI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。VI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1992年就研发出高质量、高精度-120dB/oct的抗混滤波器，目前已超过150dB/oct）进行了解和宣传。使日益普及的VI厂家少走弯路，避免给用户造成损失。要对信号处理和VI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
23、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、USB口、1394口、以太网口等数据采集传输和信号传输。建立VI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）；模态参数和振型等等。虚拟仪器必然会在发展中不断改进，在应用中不断完善，VI和CATAI的前途无限光明。参考文献1 应怀樵 振动测试和分析.北京：中国铁
24、道出版社，1979.11：p351-3572 应怀樵 波形和频谱分析随机数据处理.北京：中国铁道出版社，1983.5：p304-3133 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.全国八届振动技术会议（1994）.现代振动和噪声技术.航空工业出版社： 1997.9：p33-36.4 应怀樵 科技展望“大振动”与微机卡泰时代.全国十一届振动技术会议（1997），现代振动与噪声技术（第二卷），航空工业出版社.2000.1：p13-17.5 应怀樵 虚拟仪器与PC卡泰技术的现状与发展.计算机自动测量与控制，2000.4, 2期：p1，2，13.6 秦树人 虚拟仪器测试仪器从硬件到软件.
25、振动、测试与诊断，2000.3, 1期：p1-6.7 应怀樵 卡泰仪器与虚拟仪器技术的现状与发展趋势.国外电子测量技术，2000.4, 2期：p2-4.8 应怀樵 “虚拟仪器”与计算机采集测试分析仪器的发展和展望.振动、测试与诊断，2000.9，第三期。9 应怀樵 “虚拟仪器”（VI）与计算机测试分析仪器（CATAI）在动态测试领域的发展和应用，测控技术2000,8期。10应怀樵 “虚拟仪器”（VI）与计算机测试分析仪器（CATAI）在动态测试领域的发展和应用，中国科技成果，2000年10月专刊，庆祝东方振动和噪声技术研究所成立十五周年专辑。11应怀樵 虚拟仪器与计算机采集测试分析仪器的现状和
26、展望。振动工程学报，2000.10第十三卷增刊。12应怀樵，刘进明，沈松 DASP（达世普）软件虚拟仪器库系统的设计开发和应用.全国第十五届振动（与噪声）高技术及应用会议论文，2001.10.18于清华大学。13应怀樵，刘进明，沈松 把实验室拎着走DASP2000（达世普）性能介绍，数据采集与信号处理软件.全国第十五届振动（与噪声）高技术及应用会议论文，2001.10.18于清华大学，现代振动与噪声第三卷，航空工业出版社，2002.914James Truchard虚拟仪器的未来测控技术2002.9：12.15应怀樵 虚拟仪器的过去，现在和将来.北京：航空出版社，2005.10： p37-42
