软件定义仪器.doc

摘要：为了加速新型仪器研发，提出了“软件定义仪器”的方法并讨论了其体系和可行性。关键词：软件定义仪器；微处理器；信号调理；模数转换器；数字信号处理引言仪器，作为人类感官的延伸，在人类的文明和社会发展中起作不可替代的、极其重要的作用。在科学技术成爆炸状发展的当代，仪器所起的作用几乎无所不在，离开了仪器现代人们的生活就一刻也不能继续：医院对患者的抢救、发电厂的运行、交通工具的运行……。实际上，近代科学技术的发展史几乎就是仪器仪表的发展史，即使到科学技术高度发达的今天，仪器仪表也在科学研究中同样起作不可替代的、极其重要的作用。仪器科学与技术本身也在迅速地发展，但这种发展主要体现在专门领域应用的仪器科学技术的研究上，对仪器仪表带共性的问题研究较少。本文借助软件定义无线电(SDR)、虚拟仪器(VirtualInstrument，VI)和组态软件(Con－figurationSoftware，CS)的思想，提出软件定义仪器(SoftwareDefinedInstrumentation，SDI)的概念和系统。软件无线电的由来1992年5月，JoeMitola在美国电信系统会议上首次提出了软件无线电SR(SoftWareRadio)(又称为软件定义无线电，SoftwareDe－finedRadio，SDR)的概念，它的基本思想是将硬件做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：“软件无线电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。”为了更清晰地说明软件无线电与传统无线电的区别，分别给出软件(数字)化程度不同的无线电结构。所谓的软件无线电，从硬件上来看，就是要使ADC和DAC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。ADC和DAC越靠近天线，说明软件(数字)化程度越高。显然，软件无线电将为所有远程通信市场的参与者、制造商、经营商和用户带来巨大的利益。制造商可以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。另一个优点是可以不断地改进软件，以及纠正在工作中发现的软件错误和故障。经营商能够快速拓展适合每个用户并区别于其他经营商的新业务；同样的终端能够提供所有服务，即使这些服务用不同的通信标准支持。另外，还可以实现多标准基站。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。[!--empirenews.page--]另外，软件无线电技术延长了硬件(基站和用户终端的)的使用寿命，降低了过时落伍的风险。系统可重编程能力使硬件可重复使用，直到可以利用新一代硬件平台。但这并不意味着用户终端的寿命可以无限延长，因为在PC机市场，运行功能越来越强大的程序需要功能更强大的PC机。在不久的将来，移动终端也可能出现同样的现象。虽然软件无线电能够为研发、生产、运营和使用等各方带来巨大的利益，但存在和面临天线、前端电路、高速模数转换器、处理器电路、算法等很大的问题和挑战。对比之下，现代仪器仪表的一般结构。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……因此，我们完全可以借鉴“软件无线电”的概念，构成图5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)。这样使得一方面A/DC尽可能地靠近传感器，减少或避免模拟电路，同时采用具有API(ApplicationProgrammingIn－terface，应用编程接口)、仪器接口协议栈的μP或μC平台；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。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