1 引言
從1986年NI公司提出虛擬儀器VI概念到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，不僅VI技術(shù)本身的內(nèi)涵不斷豐富，外延不斷擴(kuò)展，在**和民用領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用，而且對(duì)現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。例如，VI原來(lái)*核心的思想是利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大資源使本來(lái)需要硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化，以便*大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能與靈活性。由IT產(chǎn)業(yè)特征決定了VI技術(shù)也必須走標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性這條技術(shù)路線，目前VI已發(fā)展成具有GPIB、PC-DAQ、VXI和PXI四種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放技術(shù)。1998年NI又發(fā)布了虛擬硬件(Virtual Hardware)和可互換虛擬儀器(Interchangeable Virtual Instruments)的概念，按照VH概念設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已經(jīng)面市，如(NI5911、NI5912)，而IVI基金會(huì)已于1998年8月在美國(guó)正式成立，并發(fā)布了相應(yīng)的IVI技術(shù)規(guī)范。基于IVI技術(shù)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序完全獨(dú)立于硬件，提高了程序代碼的復(fù)用性，大大降低了應(yīng)用系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用，必將成為測(cè)控技術(shù)的主要基礎(chǔ)技術(shù)之一。
就VI的外延而言，由于VI技術(shù)本身以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，具有方便、靈活的互聯(lián)能力(conne ctivity)，因而廣泛支持諸如CAN、DeviceNet、FieldBus、PROFIBUS等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)，并有大量適于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的分布式I/O(Distributed I/O)產(chǎn)品面市。盡管Internet技術(shù)*初并沒(méi)有考慮如何將嵌入式智能設(shè)備連接在一起，不過(guò)NI等公司已開(kāi)發(fā)了通過(guò)Web瀏覽器觀測(cè)這些嵌入式設(shè)備的產(chǎn)品，使人們可以通過(guò)Internet操作虛擬儀器，進(jìn)而形成遍布家庭、辦公室和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。而且有關(guān)MCN(Measurement and Control Networks)方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行，并取得了一定進(jìn)展。隨著測(cè)量、控制過(guò)程的進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò)化，一個(gè)真正虛擬化的測(cè)控時(shí)代即將到來(lái)。
2 虛擬硬件
虛擬硬件(VH)的思想源于可編程器件，使用戶通過(guò)程序能夠方便地改變硬件的功能或性能參數(shù)，從而依靠硬件設(shè)備的柔性(Flexibility)來(lái)增強(qiáng)其適用性和靈活性。例如，NI5911/ 5912就是按這種思想設(shè)計(jì)的高速(100MS/s)、高精度(8～21-bit)、柔性數(shù)采設(shè)備，其采樣率和精度都是可變的。由于一般的ADC都是用戶可變采樣率的，下邊主要介紹NI5911/5912中采用的柔性精度技術(shù)(flexible resolution technology)。
所謂柔性精度技術(shù)由一個(gè)專門的數(shù)字濾波器、高速ADC、DAC和用于抽取與線性化的DSP 組成(如圖1所示)。對(duì)4～100MHz帶寬的信號(hào)，該系統(tǒng)可以使用常規(guī)方式按8-bit精度工作于100MS/s的實(shí)時(shí)采樣速率；當(dāng)被測(cè)信號(hào)的帶寬在4MHz以下時(shí)，使用柔性精度方式，可以使有效垂直精度達(dá)到21-bit。在柔性精度模式下，采樣信號(hào)中的寬帶量化噪聲由噪聲形成電路濾除，然后數(shù)據(jù)送入DSP進(jìn)行線性化處理，并由DSP中的抗混疊濾波器進(jìn)一步濾除高頻噪聲，*后用抽取技術(shù)按較低速率重構(gòu)波形，使有效垂直精度達(dá)到8～21bit。需要指出的是，所有信號(hào)處理是在100MHz的數(shù)據(jù)流上實(shí)時(shí)完成的，這樣可以保證采集與處理過(guò)程中虛擬儀器中不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。