软件定义仪器的可行性.pdf

软件定义仪器的可行性
林凌李刚

林凌女士，天津大学精密仪器与光电子工程学院副教授；李刚先生，博士生导师、教授。

关键词：软件无线电虚拟仪器软件定义仪器

一引言

仪器的种类繁多，生产企业也是小而全，数量也众多。而一台现代化的仪器，涉及学科
多、技术要求高。每个仪器制造企业都要求具备仪器所涉及学科和技术的人才与研发条件，
不仅造成低水平重复和劳动的浪费，也很难研发和生产出高水平的仪器。
本文借鉴软件无线电和虚拟仪器的思想，提出了软件仪器的概念。

二软件无线电的由来和发展仪器仪表的借鉴意义

软件无线电(SoftWareRadio，SR)(又称为软件定义无线电，SoftwareDefinedRadio，
SDR)，它的基本思想是将硬件作为其通用的基本平台，而把尽可能多的无线及个人通信功
能用软件来实现，从而将无线通信新系统、新产品的开发过程逐步转移到软件上来。它被称
之为是继模拟通信到数字通信、定通信到移动通信之后，无线通信领域的第三次革命，即
从硬件定义的无线电通信到软件定义的无线电通信。
软件无线电可定义为：“是一种可用软件进行重配置和重编程的、灵活的、多业务、多
标准、多频段无线电系统的新兴技术。”

由图1可以看出，所谓的软件无线电，从硬件上来看，就是要使A/DC和D/AC尽可能
靠近天线，省却高频模拟的放大、变频、调制与解调等环节。A/DC和D/AC越靠近天线，
说明软件(数字)化程度越高。显然，软件无线电将为厂商和用户带来巨大的利益。
制造商可把研究与开发重点集中到简单的硬件平台设备上，这些设备可应用到每一个蜂
窝系统和市场，而不仅是一个国家或地区范围的蜂窝系统和市场。因此，可进行大批量生产
以降低成本。且可不断改进软件，以及纠正在工作中发现的软件错误和故障。
经营商能快速拓展适合每个用户并区别于其他经营商的新业务。同样的终端能提供所有
服务，即使这些服务用不同的通信标准支持。并可实现多标准基站。
对用户来说，软件无线电的优点是能将他们的通信漫游到其他蜂窝系统，并利用全球移
动和覆盖范围的优势(即，只要有一个蜂窝网络覆盖某地区，就可以提供服务)。而且，用户
可以根据其偏爱配置他们的终端。

对比之下，现代仪器仪表的一般结构如图2所示。在仪器仪表的研发中，模拟电路部分
(传感器接口电路＋放大滤波)和数字部分(μP或μC)是最为重要的两个部分，又是各个整机
厂“各自”研发、投入最大、重复最多的两个部分。
与“无线电”可以有以下对比：传感器——天线；传感器接口电路＋放大滤波——高频
放大、变频、调制与解调；μP或μC——DSP等等。
因此，我们完全可以借鉴“软件无线电”的概念，构成图3所示的“软件定义仪器”
(SoftwareDefinedInstrument，SDI)或软件仪器(SoftwareInstrument，SI)(为简便起见，以下均
简称软件仪器)。

在软件仪器的概念中，一台仪器分成以下4个部分：
(1)传感器：这部分把被测量转换成电量甚至直接转换成数字量。
(2)数字化接口：根据传感器的特性把信号转换成数字信号。
(3)仪器引擎：针对仪器应用不同，由嵌入式计算机构成功能强弱和繁杂程度不同的若
干种平台。
(4)仪器接口：仪器的其余部分，如人机对话部分、通信接口部分、存储部分和控制部
分等。
上述4个部分完全可以由专业化公司研发和生产。这样，可以把分散、重复而且最耗费
人力、财力的“个体”或“小作坊”式的研发行为变成专业化的“规模”开发和生产，而整
机生产企业和仪器仪表的用户则较容易地根据自己的需要重新“定义”仪器仪表的功能、以
最小的代价更新、升级或维护已有仪器仪表。

三与虚拟仪器的异同

虚拟仪器的出现是测试仪器领域的一场新的革命，是测试仪器与计算机深层次的结合。
虚拟仪器的主要组成就是用一套通用的数据采集系统通过不同的接口接入计算机，在计算机
上实现各种测量功能。虚拟仪器与传统仪器相比，具有以下特点：
(1)传统仪器的面板只有一个，其上布置着种类繁多的显示与操作元件。由此导致许多
认读与操作错误。而虚拟仪器可通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，
在每个分面板上就可实现功能操作的单纯化与面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性与
便捷性。
同时，虚拟仪器面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准件和加工工艺的限
制，而由编程来实现，设计者可根据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板。
(2)通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。
(3)仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的．而不是事先由厂家定义好的。
(4)仪器的改进和功能扩展只需相关软件设计更新，而不需购买新的仪器。
可以说，软件仪器具有与上述虚拟仪器的优点，但软件仪器是“实实在在”的仪器