軟件定義儀器

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

關鍵詞：軟件定義儀器；微處理器；信號調理；模數轉換器；數字信號處理

引言

儀器，作為人類感官的延伸，在人類的文明和社會發展中起作不可替代的、極其重要的作用。在科學技術成爆炸狀發展的當代，儀器所起的作用幾乎無所不在，離開了儀器現代人們的生活就一刻也不能繼續：醫院對患者的搶救、發電廠的運行、交通工具的運行……。

實際上，近代科學技術的發展史幾乎就是儀器儀表的發展史，即使到科學技術高度發達的今天，儀器儀表也在科學研究中同樣起作不可替代的、極其重要的作用。儀器科學與技術本身也在迅速地發展，但這種發展主要體現在專門領域應用的儀器科學技術的研究上，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)和組態軟件(Con－figuration Software，CS)的思想，提出軟件定義儀器(Software Defined Instrumentation，SDI)的概念和系統。

軟件無線電的由來

1992年5月，Joe Mitola在美國電信系統會議上首次提出了軟件無線電SR(SoftWareRadio)(又稱為軟件定義無線電，Software De－fined 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，從而將無線通信新系統、新產品的開發過程逐步轉移到軟件上來。它被稱之為是繼模擬通信到數字通信、定通信到移動通信之后，無線通信領域的第三次革命，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、多業務、多標準、多頻段無線電系統的新興技術。”為了更清晰地說明軟件無線電與傳統無線電的區別，分別給出軟件(數字)化程度不同的無線電結構。

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、調制與解調等環節。ADC和DAC越靠近天線，說明軟件(數字)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、經營商和用戶帶來巨大的利益。制造商可以把研究與開發重點集中到簡單的硬件平臺設備上，這些設備可應用到每一個蜂窩系統和市場，而不僅僅是一個國家或地區范圍的蜂窩系統和市場。因此，可進行大批量生產以降低成本。另一個優點是可以不斷地改進軟件，以及糾正在工作中發現的軟件錯誤和故障。

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

另外，軟件無線電技術延長了硬件(基站和用戶終端的)的使用壽命，降低了過時落伍的風險。系統可重編程能力使硬件可重復使用，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同樣的現象。

雖然軟件無線電能夠為研發、生產、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、高速模數轉換器、處理器電路、算法等很大的問題和挑戰。對比之下，現代儀器儀表的一般結構。

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

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、調制與解調；μP或μC、DSP……

因此，我們完全可以借鑒“軟件無線電”的概念，構成圖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 In－terface，應用編程接口)、儀器接口協議棧的μP或μC平臺；可以把分散、重復而且最耗費人力、財力的“個體”或“小作坊”式的研發行為變成專業化的“規模”開發和生產，而整機生產企業和儀器儀表的用戶則較容易地根據自己的需要重新“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

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

(1)傳統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，設計者可以根據用戶的認知要求和操作要求設計儀器面板，可以通過在幾個分面板上的操作來實現比較復雜的功能。這樣，在每個分面板上就可以實現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軟件設計更新，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點，但軟件儀器是“實實在在”的儀器，是建立在嵌入式系統，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性、可靠性和靈活性。

軟件儀器的主要研究內容

軟件儀器有四個主要研究內容。

1 軟件儀器的理論體系與系統結構

結合儀器的特點，研究軟件儀器的理論體系與系統結構。根據多數種類的儀器及其測量要求，軟件儀器有三個關鍵技術：傳感器數字化接口、軟件儀器處理引擎和儀器接口(兩個虛線框之外的部份)。

2 數字化傳感器接口模塊

以數字電路和算法取代模擬電路是軟件儀器的關鍵和核心。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字電路來實現傳感器的模擬輸出信號轉換成數字信號，或者說盡量使ADC靠近傳感器。在該部分內容中，重點研究過采樣技術：結合數字信號處理和FPGA技術，采用中、高速中分辨率的ADC實現高分辨率的數據轉換，即Z-A型ADC技術。另外，還要研究過采樣與調制，解調(鎖相檢測)相結合的技術。

3 軟件儀器處理引擎

根據儀器檢測信息的復雜程度、數據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、駐留編譯器，研發相應的API。

4 儀器接口

根據不同種類的應用，優選和研發軟件儀器的硬件接口。

下面分別就軟件儀器中的“傳感器數字化接口”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。各類傳感器的數字化接口的可能性分析如下。

(1)電阻：可以直接采用24位Z∑－△型ADC(比例法)轉換得到數字信號，或具有R/CF型轉換集成電路與單片機直接將電阻阻值轉換成數字。

(2)電容：現有電容數字轉換器的分辨率可達24bit，5aF√Hz的噪聲。

(3)電感：給出了一種便于集成化的直接轉換方法。

(4)比例、(5)差動和(6)橋式差動：集成化的數字轉換器已有很多品種，如美國ADI公司的AD2S930、美信公司的MAXl452、MAXl457等。

(7)和(10)電壓：直接采用ADC轉換為數字信號，沒有采用放大器所帶來的動態范圍損失在后面討論。

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

(12)和(13)數字輸出：傳感器本身是數字信號輸出。

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數字化。在傳感器接口數字化的一個關鍵技術是高分辨率、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，微電子技術的發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已經商品化，而且價格很低；高速ADC已經達到2G的采樣速度，12－16bit的ADC已經達到幾百KSPS－幾百MSPS。而利用過采樣技術可以將ADC的數據通過率充分發揮出來，即可以在采樣速度和分辨率中進行平衡，在不需要ADC所具備的高采樣率時，可以用其速度換取精度(分辨率)，從而達到直接數字化的目的。

下面討論模擬信號處理中若干關鍵技術在直接數字化后的影響。

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0.15lμV。足以滿足絕大多數的測量應用。利用過采樣技術，如200 KSPS/16bit的ADC下抽樣至200SPS時相當于21bit的分辨率。在輸入范圍為2.5V時的可分辨1.2lμY。

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，數字信號處理可以比模擬信號處理優異得多的多的結果。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(對濾波器參數及其元件的要求低)。

調制/解調

一般說來，儀器中調制，解調使用的載波頻率遠較無線電中使用的頻率要低，因而實現起來更為容易。

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的進展為儀器的校準/補償提供了基礎。

綜上所述，傳感器數字化接口的信號處理流程，其中最主要的研究內容是“高數據通過率的ADC”。而這部分內容的實現方式。

信號處理核心模塊

借鑒已有的嵌入式系統和根據儀器檢測信息的復雜程度、數據量大小等不同要求選擇或研發若干硬件平臺(ARM、DSP、FPGA、MCU等，或他們的組合)和實時操作系統、駐留編譯器，研發相應的API、傳感器數字化接口等等。

結語

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