基于數據采集器的虛擬儀器計量技術研究

摘 要:提出一種便捷的虛擬儀器計量方法，介紹虛擬儀器的基本概念及在硬件平臺中技術指標的計量檢定方法，其技術指標對測量結果有較大的影響。利用軟件產生符合硬件平臺技術指標的仿真信號，根據虛擬儀器的軟件算法對仿真信號進行處理得到測量結果，對結果進行統計分析得到虛擬儀器的綜合性能指標。結果表明，這種方法能夠準確地完成對虛擬儀器的計量檢定工作。

關鍵詞:數據采集;虛擬儀器;計量檢定;硬件平臺

中圖分類號:TP216文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)02-179-03

Research on Metrology Technology of Virtual Instrument Based on Data Acquisition

LI Tao1，YUE Ruihua1，TENG Honglei1，WANG Lin2

(1.Second Postgraduate Team，Second Artillery Engineering College，Xi′an，710025，China;

2.Legionary Delegacy of Second Artillery in Xiaogan，Xiaogan，432100，China)

Abstract:A convenient metrology method of virtual instrument is proposed，the concept of virtual instrument，and metrology method of capability of hardware effect the result of measure primarily are introduced，the programme gives emulational signal accord with the capability of hardware，according to measure algorithm of virtual instrument deals with the signal，and the integrated capability of virtual instrument is gained from analysing results.The results show that this method can accomplish the metrology of virtual instrument

Keywords:data acquisition;virtual instrument;metrology;hardware platform

近幾年來，虛擬儀器技術發展迅猛，其體現的優點越來越明顯，而基于數據采集器的虛擬儀器的優點更加明顯，其所需硬件少、可擴展性強，一臺虛擬儀器可以完成示波器、頻譜分析儀、數字多用表等功能。虛擬儀器的計量保障是保證儀器的測量精度的必要手段，但是，目前國內還沒有針對這類虛擬儀器出臺的計量檢定規程。

1 虛擬儀器的基本概念

虛擬儀器是一種概念儀器，目前國際上還沒有一個明確的標準和定義。虛擬儀器就是一種基于計算機的自動化測試儀器系統。普遍認為，所謂虛擬儀器就是采用計算機開放體系結構取代傳統的單機測量儀器，對各種各樣的數據進行計算機處理、顯示和存儲。虛擬儀器在基本原理上與傳統儀器并無本質區別，但是在儀器原理的實現上，虛擬儀器與傳統儀器卻有以下所不同。

(1) 傳統儀器側重于硬件技術，儀器功能的實現主要依賴硬件電路，功能的擴展和性能的提高體現的是新材料、新工藝、新原理結構的發展。整個儀器各部分耦合性強，關系密切，一般不能拆分。而虛擬儀器側重是通用軟、硬件平臺，是數學模型、算法設計、軟件手段與硬件技術的有機結合，最終實現儀器功能和性能。虛擬儀器較多地體現了數學理論、信息理論及信息技術的應用。

(2) 傳統儀器受硬件、體積重量限制，實現功能較單一，技術更新也較慢，而虛擬儀器在同一硬件基礎上，可以實現多種功能，隨著數學研究和算法設計的發展，虛擬儀器可以實現的功能增長速度很快，性能提高也很快[1]。

2 虛擬儀器的計量檢定

目前，國內還沒有專門出臺虛擬儀器的計量檢定規程，現行虛擬儀器的計量檢定還是根據與其測量功能相對應的傳統儀器的計量檢定規程進行計量，即每一種功能都以其最終表現形式進行量傳溯源，整個計量檢定工作需要不同的計量標準儀器根據不同的測量功能提供不同的計量標準信號，即每一種功能按儀器整體進行計量檢定。因為虛擬儀器每種功能都是建立在同一硬件基礎上，按照傳統儀器的計量檢定方法，這會使計量檢定工作陷入“疲于奔命”的尷尬境地，計量資源、技術支持、人員配置與培訓等都難以滿足性能儀器快速發展帶來的計量需求[2]。

虛擬儀器的通用硬件和算法軟件屬于兩個不同的領域，可以拆分，因此，其儀器主要構成部分的可分離性為虛擬儀器新的計量檢定方法研究提供了可能。這里采用一種簡單、便捷的計量檢定辦法對虛擬儀器進行計量，這種計量檢定方法側重的是軟件及數學模型作為儀器的一部分所體現出的性能的評價，以及它與硬件平臺的性能最終合成虛擬儀器總體性能的溯源問題[3]。它的核心思想是先利用計量標準儀器對虛擬儀器的硬件平臺進行計量，即對硬件平臺在進行數據采集過程中的誤差進行分析和評定，得到硬件平臺的技術指標，如采集速率、轉換精度等;利用軟件產生符合硬件平臺技術指標的仿真采樣信號，而后儀器軟件平臺采用各種不同的算法對仿真信號進行處理，得到信號各種特征的測量結果，對結果進行統計分析得到虛擬儀器的性能指標。不同的測量功能對于硬件平臺的技術指標和所需標準信號的要求是不一樣的，因此，其產生的仿真信號也是不同的[4]。

2.1 靜態測量特性評定

基于數據采集器的虛擬儀器的靜態測試功能主要是直流電壓、電流、電阻測量，電流、電阻數字化測量的核心技術與電壓數字化測量相同，不同之處是將電流、電阻轉換為電壓，因此，其計量檢定方法與測電壓功能的計量檢定方法相同。其靜態測量特性評定分為兩個部分:硬件平臺技術指標計量和軟件平臺技術指標計量。

2.1.1 硬件平臺技術指標計量

硬件平臺技術指標中對虛擬儀器靜態測試功能影響較大的是轉換精度，其采集速率的誤差影響可以忽略[5]，因此只對其轉換精度進行計量。硬件平臺轉換精度的計量可以利用Fluke 5520A 標準校準源為其提供標準直流電壓信號，讓儀器對標準電壓進行采樣，對采樣數據統計分析，可以得到硬件平臺轉換的系統誤差u及標準不確定度σ，硬件平臺轉換過程中的測量誤差ΔX服從N(u，σ2)的正態分布。

2.1.2 軟件平臺技術指標計量

虛擬儀器軟件平臺主要是各種算法模型，其誤差主要是各種算法的誤差，每種算法的誤差模型是不變的，而需將硬件平臺的測量數據作為輸入，計量方法一般是算法推導、仿真，因此，對軟件平臺技術指標的計量實際上是虛擬儀器軟硬件平臺技術指標合成的過程[6，7]。

在對軟件平臺技術指標的計量中，首先由軟件產生符合硬件平臺技術指標的仿真信號，即軟件按照該硬件平臺轉換誤差分布進行抽樣，樣本容量為n，根據公式:

Xi=X+ΔXi，i=1，2，…，n(1)

式中:Xi為仿真采樣數據;X為理想電壓值;ΔXi為采樣過程中的誤差。

利用虛擬儀器軟件平臺中靜態測試功能算法，如平均求和法，遞推求和法等，對仿真采樣數據Xi進行處理，對處理結果進行統計分析，根據分析結果對虛擬儀器靜態測試功能做出評價。

2.2 動態測量特性評定

基于數據采集器的虛擬儀器的動態測試功能主要是動態信號測量，如交流電壓、電流測量，幅頻特性，相位差測量等，其動態測量特性評定與靜態測量特性指標的兩個部分相同。

2.2.1 硬件平臺技術指標計量

在動態測試中硬件平臺主要對動態信號進行離散化和量化，其原理誤差主要有兩項:一項是離散化過程中用時間上離散的數據近似代替時間上連續的數據所產生誤差，主要取決于硬件平臺的通道采集速率;另一項是對離散后的電壓信號的幅值進行量化而產生的誤差，主要取決于硬件平臺轉換精度[8]。因此，硬件平臺的技術指標中對動態測試精度影響較大的除了上述的硬件平臺的轉換精度外，還包括數據采集器的通道采集速率。轉換精度的計量按照上述的方法進行計量，通道采集速率是采集通道在單位時間內所采集的數據個數，是比較重要的動態特性指標，其計量多使用標準周期計數法[9]進行，其基本思想是通過給數據采集系統的采集通道加載一個周期非常準確的標準信號，啟動數據采集系統對該信號進行采集，找出采集數據個數中所包含的輸入信號整周期的個數N，以及N個信號整周期中包含的采集數據個數n。

若標準信號頻率為f，周期為T，數據采集系統通道采集速率為v，則:

v=n/(NT)=nf/N(2)

對輸入的標準周期信號進行多次重復測量，得出N個信號整周期的采集數據個數ni(i=1，2，…，n)，由式(2)得出數據采集通道采集速率vi(i=1，2…，n)，對其求平均得到通道采集速率，利用貝塞爾公式得到其標準不確定度σv，因此，采集速率的誤差Δv服從N(0，σ2v)的正態分布。

2.2.2 軟件平臺技術指標計量

在虛擬儀器動態測試中，當其輸入信號為一隨時間變化的變化量，設其輸入信號為y=x(t)，而其硬件平臺的計量結果為測量誤差ΔX服從N(u，σ2)的正態分布，其通道采集速率為，誤差Δv服從N(0，σ2v)的正態分布。利用數值仿真方法對輸入信號y=x(t)的采樣數據進行仿真，其采樣數據是一些離散化的值yi(i=1，2，…，n)，其時間也是離散化的ti其中ti=i/v為第i個測量點的時刻，再利用軟件平臺的各種測試算法對仿真采樣數據yi(i=1，2，…，n)進行處理，得到信號的各種參數，如有效值，失真度，幅頻特性，相頻特性等，對結果進行統計分析得到虛擬儀器動態測試功能的計量評價結果[10]。

首先，由計算機軟件產生服從誤差分布密度函數的抽樣隨機數，其測量誤差為ΔX~N(u，σ2)的正態分布，通道采集速率的誤差Δv~N(0，σ2v)的正態分布，由軟件產生m組服從相應正態分布的隨機數Δvji和ΔXji(j=1，2，…，m，i=1，2，…，n)，得到m組仿真的采樣速率vji′為:vji′=+Δvji，則其采樣時間點tji′=i/vji′，將采樣時間點和測量誤差的偽隨機數帶入輸入信號的模型中得到m組輸入信號y=x(t)的仿真采樣數據，即:

yji′=x(tji′)+ΔXji(3)

式中:yji′表示第j(j=1，2，…，m)組仿真采樣數據中第i(i=1，2，…，n)個采樣點的值。

用各種算法對輸入信號的仿真采樣數據進行處理。如對數據進行相關分析、數字濾波、微分、積分、求有效值、傅里葉變換和小波變換，得到信號的各方面信息。它有m組測量結果，進行統計分析，得到該虛擬儀器動態測試功能的計量評價結果。

3 實 例

以一個基于SCO 232型數據采集系統的虛擬儀器測量交流信號有效值為例，其硬件平臺SCO 232型數據采集系統的技術指標為其系統誤差為0.108，標準不確定度為0.049，測量誤差ΔX~N(0.108，0.0492)，采集速率v為2 kS/s，其標準不確定度為0.86，誤差Δv~N(0，0.862)對一正弦交流信號x(t)=10sin(2πf0t)，其中f0=50 Hz，利用軟件對信號進行仿真采樣，其理想輸入信號曲線與仿真采樣曲線如圖1所示。

圖1 理想輸入信號曲線與仿真采樣曲線

仿真采樣數據為:x′(i)=10sin(2πf0i/v′)+Δx，i=1，2，…，n，其中取1 000個采樣點，即n=1 000，根據公式:

xξ=\i=1x2(i)\\〗/n(4)

得到仿真采樣信號的有效值如表1所示。

表1 交流信號有效值測量數據及處理結果

序號123456789101112

測量值7.069 07.074 67.077 77.072 17.064 47.072 97.071 47.077 47.058 07.073 17.068 87.078 1

平均值 7.071 5

理論值7.071 1

標準差0.005 9

對結果進行統計分析得到該虛擬儀器測量交流電壓信號有效值的系統誤差為0.000 4 V，隨機不確定度為0.005 9 V。

4 結 語

由于虛擬儀器發展的歷史比較短，其計量檢定工作在國內甚至國際幾乎還是空白，而虛擬儀器的計量檢定工作又是不可缺的。基于數據采集器的虛擬儀器的計量評價是軟件及數學模型作為儀器一部分所體現的性能的評價，以及它與硬件平臺的性能最終合成虛擬儀器總體性能的溯源問題。它的誤差主要來源還是硬件部分，因此其計量檢定方案側重對于硬件平臺的計量檢定。

參考文獻

[1]金濤.虛擬儀器系統的誤差分析方法的研究\\.重慶:重慶大學，2005.

[2]馬海瑞，周愛軍.虛擬測試儀器計量檢定初探\\.國防技術基礎，2005(6):6-7.

[3]Deyst J P，Soulders T M，Solomon O M Jr.Bounds on Lea_stsquares Fourparameter Sine_Fit Errors Due to Harmonic Distortion and Noise\\.IEEE Trans.on Instru.Meas.，1995，44(3):637-642.

[4]陳曉懷，薄曉靜，王宏濤.基于蒙特卡羅方法的測量不確定度合成\\.儀器儀表學報，2005，26(8):759-761.

[5]梁志國.數據采集系統計量標準建立中的幾個問題\\.測控技術，1999，18(11):12-14.

[6]Elmar Schrufer，Elektrische Messtechnik.8 Auflage\\.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2005.

[7]王中宇，葛爾矣，楊文平，等.一種小樣本虛擬儀器測量不確定度評定新方法\\.計量學報，2008，29(4):387-392.

[8]丁穎，李浚圣.數據采集系統中的不確定度分析\\.沈陽大學學報，2006，18(2):22-25.

[9]梁志國，盛曉巖，孫宇.計數法測量采集速率的不確定度評定\\.計量技術，2003(12):54-56.

[10]詹惠琴，習友寶，古天祥.基于數值仿真法的虛擬儀器不確定度評估研究\\.儀器儀表學報，2005，26(10):1 011-1 018.