當(dāng)今儀器儀表的特點與設(shè)計方法

1　當(dāng)今儀器儀表的特點

1.1　硬件功能軟件化

　　隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微處理器的速度越來越快，價格越來越低，已被廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，使得一些實時性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以通過軟件來實現(xiàn)。甚至許多原來用硬件電路難以解訣或根本無法解決的問題，也可以采用軟件技術(shù)很好地加以解決。數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展和高速數(shù)字信號處理器的廣泛采用，極大地增強了儀器的信號處理能力。數(shù)字濾波、FFT、相關(guān)、卷積等是信號處理的常用方法，其共同特點是，算法的主要運算都是由迭代式的乘和加組成，這些運算如果在通用微機上用軟件完成，運算時間較長，而數(shù)字信號處理器通過硬件完成上述乘、加運算，大大提高了儀器性能，推動了數(shù)字信號處理技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1.2集成化、模塊化

　　大規(guī)模集成電路LSI技術(shù)發(fā)展到今天，集成電路的密度越來越高，體積越來越小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能也越來越強大，從而大大提高了每個模塊進而整個儀器系統(tǒng)的集成度。模塊化功能硬件是現(xiàn)代儀器儀表的一個強有力的支持，它使得儀器更加靈活，儀器的硬件組成更加簡潔，比如在需要增加某種測試功能時，只需增加少量的模塊化功能硬件，再調(diào)用相應(yīng)的軟件來使用此硬件即可。

1.3　參數(shù)整定與修改實時化

　　隨著各種現(xiàn)場可編程器件和在線編程技術(shù)的發(fā)展，儀器儀表的參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)不必在設(shè)計時就確定，而是可以在儀器使用的現(xiàn)場實時置入和動態(tài)修改。

1.4　硬件平臺通用化

　　現(xiàn)代儀器儀表強調(diào)軟件的作用，選配一個或幾個帶共性的基本儀器硬件來組成一個通用硬件平臺，通過調(diào)用不同的軟件來擴展或組成各種功能的儀器或系統(tǒng)。一臺儀器大致可分解為三個部分：1）數(shù)據(jù)的采集；2）數(shù)據(jù)的分析與處理；3）存儲、顯示或輸出。傳統(tǒng)的儀器是由廠家將上述三類功能部件根據(jù)儀器功能按固定的方式組建，一般一種儀器只有一種或數(shù)種功能。而現(xiàn)代儀器則是將具有上述一種或多種功能的通用硬件模塊組合起來，通過編制不同的軟件來構(gòu)成任何一種儀器。

2　儀器儀表設(shè)計的新方法

　　為了造應(yīng)儀器儀表發(fā)展的新特點，各種新型的設(shè)計工具和設(shè)計方法不斷涌現(xiàn)。這里擇其具有代表性的二者加以介紹。

2.1　儀器儀表的虛擬化設(shè)計與LabVIEW圖形化發(fā)工具

　　電子儀器與計算機技術(shù)更深層次的結(jié)合產(chǎn)生了一種新的儀器模式：虛擬儀器（Virtual Instrument）。虛擬儀器是指在通用計算機上添加一層軟件和一些硬件模塊，使用戶操作這臺通用計算機就像操作一臺自己專門設(shè)計的儀器一樣。虛擬儀器技術(shù)強調(diào)軟件的作用，提出了“軟件就是儀器”的概念。它是電子測試與儀器領(lǐng)域中發(fā)展方興未艾的技術(shù)，特別適用于現(xiàn)代越來越復(fù)雜的測試系統(tǒng)。

　　NI公司的LabVIEW是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)而設(shè)計的圖形化編程軟件。它增強了用戶在標(biāo)準(zhǔn)的計算機上配以經(jīng)濟的硬件設(shè)備來構(gòu)建自己的儀器系統(tǒng)的能力。將LabVIEW與一般的數(shù)據(jù)采集以及儀器設(shè)備加以組合，就可以設(shè)計出虛擬儀器，并將其應(yīng)用于許多領(lǐng)域，而不象傳統(tǒng)的儀器那樣，受生產(chǎn)商所設(shè)計功能的限制。

　　LabVIEW提供一種像數(shù)據(jù)流一樣的編程方式，用戶只要連接各個邏輯框即可構(gòu)成程序。它的基本程序單位是VI。LabVIEW通過圖形編程的方法，建立一系列的VI，來完成用戶的測試任務(wù)。對于簡單的測試任務(wù)，可由一個VI完成;對于復(fù)雜的測試任務(wù)，則可按照模塊設(shè)計的概念，把一項復(fù)雜的測試任務(wù)變成一系列的子任務(wù)。設(shè)計時，先設(shè)計各種VI以完成每項子任務(wù)，然后把這些VI組合起來以完成更大的任務(wù)，zui后建成的頂層虛擬儀器就成為一個包括眾多功能子虛擬儀器的集合。

　　使用傳統(tǒng)的程序設(shè)計語言開發(fā)儀器系統(tǒng)存在許多困難。不僅要關(guān)心程序流程方面的問題，還必須考慮用戶界面、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)表達(dá)等復(fù)雜的問題，這些問題在LabVIEW中都迎刃而解了。LabVIEW還帶有多種基本的VI庫。其中包括采用GP-IB、VISA、VXI和串行接口的儀器的驅(qū)動程序。LabVIEW還擁有功能*且龐大的分析函數(shù)庫，其涵蓋了統(tǒng)計、估計、回歸分析、線性代數(shù)、信號生成、時域頻域分析及數(shù)字濾波等眾多科學(xué)領(lǐng)域。

2.2　ESP在系統(tǒng)可編程技術(shù)

　　ISP（In System Programmability）在系統(tǒng)可編程是指在用戶自己設(shè)計的目標(biāo)系統(tǒng)中或線路板上為重構(gòu)邏輯器件進行編程或反復(fù)編程的能力。這種重構(gòu)可以在實驗開發(fā)過程中、制造過程中甚至在交付用戶使用后在現(xiàn)場進行或通過Internet進行。ISP技術(shù)的應(yīng)用，給儀器儀儀器儀表系統(tǒng)的設(shè)計帶來了革命性的變化。它使得儀器儀表的硬件系統(tǒng)不再是固定結(jié)構(gòu)，而是具有了軟件的靈活性，在調(diào)試過程中不斷更改“軟件”就可達(dá)到硬件功能的改進，這種“軟”硬件的全新設(shè)計概念，使系統(tǒng)具有了*的靈活性的適應(yīng)性。

　　傳統(tǒng)上，在系統(tǒng)可編程技術(shù)主要用于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，如美國Xilinx公司的FPGA現(xiàn)場可編程門陣列和CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件等均支持ISP技術(shù)。

3　結(jié)論

　　現(xiàn)代儀器儀表不再是功能單一的和固定的不可變結(jié)構(gòu)，而是越來越表現(xiàn)出柔性化和智能化，適應(yīng)性越來越強，功能越來越豐富。相應(yīng)地，儀器儀表的設(shè)計需要更寬的知識面，因而也更富于挑戰(zhàn)性。