軟件定義儀器*

　　摘要： 為了加速新型儀器研發(fā)，提出了“軟件定義儀器”的方法并討論了其體系和可行性。

　　關(guān)鍵詞： 軟件定義儀器;微處理器;信號調(diào)理;模數(shù)轉(zhuǎn)換器;數(shù)字信號處理

　　引言

　　儀器，作為人類感官的延伸，在人類的文明和社會發(fā)展中起作不可替代的、極其重要的作用。在科學(xué)技術(shù)成爆炸狀發(fā)展的當(dāng)代，儀器所起的作用幾乎無所不在，離開了儀器現(xiàn)代人們的生活就一刻也不能維繼：醫(yī)院對患者的搶救、發(fā)電廠的運行、交通工具的運行……。

　　實際上，近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史幾乎就是儀器儀表的發(fā)展史，即使到科學(xué)技術(shù)高度發(fā)達的今天，儀器儀表也在科學(xué)研究中同樣起作不可替代的、極其重要的作用。儀器科學(xué)與技術(shù)本身也在迅速地發(fā)展，但這種發(fā)展主要體現(xiàn)在專門領(lǐng)域應(yīng)用的儀器科學(xué)技術(shù)的研究上，對儀器儀表帶共性的問題研究較少。

　　本文借助軟件定義無線電(SDR)、虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)和組態(tài)軟件(Configuration Software，CS)的思想，提出軟件定義儀器(Software Defined Instrumentation，SDI)的概念和系統(tǒng)。

　　軟件無線電的由來

　　1992年5月，Joe Mitola在美國電信系統(tǒng)會議上首次提出了軟件無線電SR(SoftWare Radio)(又稱為軟件定義無線電，Software Defined Radio，SDR)的概念，它的基本思想是將硬件做為其通用的基本平臺，而把盡可能多的無線及個人通信功能用軟件來實現(xiàn)，從而將無線通信新系統(tǒng)、新產(chǎn)品的開發(fā)過程逐步轉(zhuǎn)移到軟件上來。它被稱之為是繼模擬通信到數(shù)字通信、 定通信到移動通信之后，無線通信領(lǐng)域的第三次革命，即從硬件定義的無線電通信到軟件定義的無線電通信。

　　軟件無線電可定義為：“軟件無線電是一種可用軟件進行重配置和重編程的、靈活的、多業(yè)務(wù)、多標準、多頻段無線電系統(tǒng)的新興技術(shù)。”為了更清晰地說明軟件無線電與傳統(tǒng)無線電的區(qū)別，圖1~圖3分別給出軟件(數(shù)字)化程度不同的無線電結(jié)構(gòu)。

圖1  一種模擬手機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 數(shù)字化手機（接收部分）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 基于軟件無線電的手機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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　　由圖1~3可以看出，所謂的軟件無線電，從硬件上來看，就是要使ADC和DAC盡可能靠近天線，省卻高頻模擬的放大、變頻、調(diào)制與解調(diào)等環(huán)節(jié)。ADC和DAC越靠近天線，說明軟件(數(shù)字)化程度越高。

　　顯然，軟件無線電將為所有遠程通信市場的參與者、制造商、經(jīng)營商和用戶帶來巨大的利益。制造商可以把研究與開發(fā)重點集中到簡單的硬件平臺設(shè)備上，這些設(shè)備可應(yīng)用到每一個蜂窩系統(tǒng)和市場，而不僅僅是一個國家或地區(qū)范圍的蜂窩系統(tǒng)和市場。因此，可進行大批量生產(chǎn)以降低成本。另一個優(yōu)點是可以不斷地改進軟件，以及糾正在工作中發(fā)現(xiàn)的軟件錯誤和故障。

　　經(jīng)營商能夠快速拓展適合每個用戶并區(qū)別于其他經(jīng)營商的新業(yè)務(wù);同樣的終端能夠提供所有服務(wù)，即使這些服務(wù)用不同的通信標準支持。另外，還可以實現(xiàn)多標準基站。對用戶來說，軟件無線電的優(yōu)點是能將他們的通信漫游到其他蜂窩系統(tǒng)，并利用全球移動和覆蓋范圍的優(yōu)勢(即只要有一個蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋某地區(qū)就可以提供服務(wù))。而且，用戶可以根據(jù)其偏愛配置他們的終端。

　　另外，軟件無線電技術(shù)延長了硬件(基站和用戶終端的)的使用壽命，降低了過時落伍的風(fēng)險。系統(tǒng)可重編程能力使硬件可重復(fù)使用，直到可以利用新一代硬件平臺。但這并不意味著用戶終端的壽命可以無限延長，因為在PC機市場，運行功能越來越強大的程序需要功能更強大的PC機。在不久的將來，移動終端也可能出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。

　　雖然軟件無線電能夠為研發(fā)、生產(chǎn)、運營和使用等各方帶來巨大的利益，但存在和面臨天線、前端電路、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、處理器電路、算法等很大的問題和挑戰(zhàn)。對比之下，現(xiàn)代儀器儀表的一般結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4   現(xiàn)代儀器儀表的一般結(jié)構(gòu)

　　在儀器儀表的研發(fā)中，模擬電路部分(傳感器接口電路+放大濾波)和數(shù)字部分(mP或mC)是最為重要的兩個部分，又是各個整機廠“各自”研發(fā)、投入最大、重復(fù)最多的兩個部分。

　　與“無線電”可以有以下對比：傳感器、天線;傳感器接口電路+放大濾波、高頻放大、變頻、調(diào)制與解調(diào);mP或mC、DSP……

　　因此，我們完全可以借鑒“軟件無線電”的概念，構(gòu)成圖5所示的“軟件定義儀器”(Software Defined Instrument，SDI)或軟件儀器(Software Instrument，SI)(為簡便起見，以下均簡稱軟件儀器)。這樣使得一方面A/DC盡可能地靠近傳感器，減少或避免模擬電路，同時采用具有API(Application Programming Interface, 應(yīng)用編程接口)、儀器接口協(xié)議棧的mP或mC平臺;可以把分散、重復(fù)而且最耗費人力、財力的“個體”或“小作坊”式的研發(fā)行為變成專業(yè)化的“規(guī)?！遍_發(fā)和生產(chǎn)，而整機生產(chǎn)企業(yè)和儀器儀表的用戶則較容易地根據(jù)自己的需要重新“定義”儀器儀表的功能、以最小的代價更新、升級或維護已有儀器儀表。

　　與虛擬儀器的異同

　　虛擬儀器的出現(xiàn)是測試儀器領(lǐng)域的一場新的革命，是測試儀器與計算機深層次的結(jié)合。虛擬儀器的主要組成就是用一套通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過不同的接口接人計算機，在計算機上實現(xiàn)各種測量功能。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，具有以下幾個特點。

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　　(1)傳統(tǒng)儀器的面板只有一個，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，由此導(dǎo)致許多認讀與操作錯誤。而虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受標準件和加工工藝的限制，而由編程來實現(xiàn)，設(shè)計者可以根據(jù)用戶的認知要求和操作要求設(shè)計儀器面板，可以通過在幾個分面板上的操作來實現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡潔化，從而提高操作的正確性與便捷性。

　　(2)通用硬件平臺確定后，由軟件取代傳統(tǒng)儀器中的硬件來完成儀器的功能。

　　(3)儀器的功能是用戶根據(jù)需要由軟件來定義的.而不是事先由廠家定義好的。

　　(4)儀器的改進和功能擴展只需相關(guān)軟件設(shè)計更新，而不需購買新的儀器。

　　可以說，軟件儀器具有上述虛擬儀器的優(yōu)點，但軟件儀器是“實實在在”的儀器，是建立在嵌入式系統(tǒng)，如單片機、ARM、DSP等之上，而不是建立在普通PC機上。軟件儀器有比虛擬儀器大得多的適應(yīng)性、可靠性和靈活性。

圖5 軟件儀器的結(jié)構(gòu)框圖

　　軟件儀器的主要研究內(nèi)容

　　軟件儀器有四個主要研究內(nèi)容。

　　1.軟件儀器的理論體系與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　結(jié)合儀器的特點，研究軟件儀器的理論體系與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖6～8所示)。根據(jù)多數(shù)種類的儀器及其測量要求，軟件儀器有三個關(guān)鍵技術(shù)：傳感器數(shù)字化接口、軟件儀器處理引擎和儀器接口(兩個虛線框之外的部份)。

圖6 軟件儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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圖7 軟件儀器的3維結(jié)構(gòu)圖

圖8 軟件儀器結(jié)構(gòu)中的軟件與硬件的關(guān)系

圖9 傳感器按其輸出特性分類

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　　2.數(shù)字化傳感器接口模塊

　　以數(shù)字電路和算法取代模擬電路是軟件儀器的關(guān)鍵和核心。這部分的研究是要在保證測量精度的條件下盡可能地采用數(shù)字電路來實現(xiàn)傳感器的模擬輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，或者說盡量使A/DC靠近傳感器。在該部分內(nèi)容中，重點研究過采樣技術(shù)：結(jié)合數(shù)字信號處理和FPGA技術(shù)，采用中、高速中分辨率的A/DC實現(xiàn)高分辨率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即S-nD型A/DC技術(shù)。另外，還要研究過采樣與調(diào)制/解調(diào)(鎖相檢測)相結(jié)合的技術(shù)。

　　3.軟件儀器處理引擎

　　根據(jù)儀器檢測信息的復(fù)雜程度、數(shù)據(jù)量大小等不同要求選擇若干硬件平臺(ARM、DSP、FPGA、MCU等)和實時操作系統(tǒng)、駐留編譯器，研發(fā)相應(yīng)的API。

　　4.儀器接口

　　根據(jù)不同種類的應(yīng)用，優(yōu)選和研發(fā)軟件儀器的硬件接口。

　　下面分別就軟件儀器中的“傳感器數(shù)字化接口”和“信號處理核心模塊”兩個核心問題進行說明。

　　傳感器數(shù)字化接口

　　討論傳感器的接口電路時，可以采用圖9所示的方式對傳感器進行分類。各類傳感器的數(shù)字化接口的可能性分析如下。

　　(1)電阻：可以直接采用24位S-D型ADC(比例法)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，或具有R/C F型轉(zhuǎn)換集成電路與單片機直接將電阻阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字。

　　(2)電容：現(xiàn)有電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率可達24bit，5aF√Hz的噪聲。

　　(3)電感：參考文獻[11]給出了一種便于集成化的直接轉(zhuǎn)換方法。

　　(4)比例、(5)差動和(6)橋式差動：集成化的數(shù)字轉(zhuǎn)換器已有很多品種，如美國ADI公司的AD2S930、美信公司的MAX1452、MAX1457等。

　　(7)和(10)電壓：直接采用A/DC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,沒有采用放大器所帶來的動態(tài)范圍損失在后面討論。

　　(8)和(11)電流：很容易轉(zhuǎn)換成電壓信號后再直接采用ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

　　(12)和(13)數(shù)字輸出：傳感器本身是數(shù)字信號輸出。

　　綜上所述，在較低頻率的測量中，對幾乎所有傳感器接口都可以實現(xiàn)數(shù)字化。在傳感器接口數(shù)字化的一個關(guān)鍵技術(shù)是高分辨率、高速度的ADC問題。一般說來，儀器中的ADC速度遠比軟件無線電中要求低(特殊的高速示波器等儀器除外)，但對精度要求較高。

　　近年來，微電子技術(shù)的發(fā)展為解決軟件儀器中的ADC問題提供了很好的條件：分辨率高達24位的ADC已經(jīng)商品化，而且價格很低;高速ADC已經(jīng)達到2G的采樣速度，12~16bit的ADC已經(jīng)達到幾百KSPS~幾百MSPS。而利用過采樣技術(shù)可以將A/DC的數(shù)據(jù)通過率充分發(fā)揮出來，即可以在采樣速度和分辨率中進行平衡，在不需要A/DC所具備的高采樣率時，可以用其速度換取精度(分辨率)，從而達到直接數(shù)字化的目的。

　　下面討論模擬信號處理中若干關(guān)鍵技術(shù)在直接數(shù)字化后的影響。

　　模擬放大

　　直接采用高分辨率的ADC，如24 bit的ADC在輸入范圍為2.5V時的可分辨0.15mV。足以滿足絕大多數(shù)的測量應(yīng)用。利用過采樣技術(shù)，如200 KSPS/16bit 的ADC下抽樣至200 SPS時相當(dāng)于21bit的分辨率。在輸入范圍為2.5V時的可分辨1.2mV。

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　　濾波

　　除非干擾超出ADC的輸入范圍，在可得到足夠分辨率的條件下，數(shù)字信號處理可以比模擬信號處理優(yōu)異得多的多的結(jié)果。即使干擾可能超出ADC的輸入范圍，在過采樣(目前比較容易做到)時所需的濾波器也比較容易實現(xiàn)(對濾波器參數(shù)及其元件的要求低)。

　　調(diào)制/解調(diào)

　　一般說來，儀器中調(diào)制/解調(diào)使用的載波頻率遠較無線電中使用的頻率要低，因而實現(xiàn)起來更為容易。

　　校準/補償

　　微處理器的高速度、大容量的非易失性存儲器、在線下載等微電子學(xué)的進展為儀器的校準/補償提供了基礎(chǔ)。

　　綜上所述，傳感器數(shù)字化接口的信號處理流程如圖10所示，其中最主要的研究內(nèi)容是“高數(shù)據(jù)通過率的A/DC”。而這部分內(nèi)容的實現(xiàn)方式如圖11所示。

圖10 傳感器數(shù)字化接口的信號處理流程圖

圖11 “高數(shù)據(jù)通過率的A/DC”的實現(xiàn)途徑

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　　信號處理核心模塊

　　借鑒已有的嵌入式系統(tǒng)和根據(jù)儀器檢測信息的復(fù)雜程度、數(shù)據(jù)量大小等不同要求選擇或研發(fā)若干硬件平臺(ARM、DSP、FPGA、MCU等，或他們的組合)和實時操作系統(tǒng)、駐留編譯器，研發(fā)相應(yīng)的API、傳感器數(shù)字化接口等等。

　　結(jié)語

　　本文借鑒軟件無線電和虛擬儀器的思想，提出軟件儀器的構(gòu)想，認證了軟件儀器的理論架構(gòu)和體系、實現(xiàn)的必要性和可能性。軟件儀器概念的確立，將為未來的儀器研發(fā)提供理論指導(dǎo)和平臺，有助于儀器的研發(fā)和生產(chǎn)及其應(yīng)用進入高效益、高速度的新時代。

　　參考文獻：

　　1. 中國儀器儀表學(xué)會，儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報告，中國科學(xué)技術(shù)出版社,2007

　　2. 郭巍一、趙英、曲延濤，組態(tài)軟件關(guān)鍵技術(shù)研究，電測與儀表，2006年第43卷第3期：49-52, 12

　　3. 楊小牛、樓才義、徐建良，軟件無線電原理與應(yīng)用，電子工業(yè)出皈社，2001