当今仪器仪表的特点与设计方法 |
1 当今仪器仪表的特点
1.1 硬件功能软件化
随着微电子技术的发展，微处理器的速度越来越快，价格越来越低，已被广泛应用于仪器仪表中，使得一些实
时性要求很高，原本由硬件完成的功能，可以通过软件来实现。甚至许多原来用硬件电路难以解诀或根本无法解决
的问题，也可以采用软件技术很好地加以解决。数字信号处理技术的发展和高速数字信号处理器的广泛采用，极大
地增强了仪器的信号处理能力。数字滤波、FFT、相关、卷积等是信号处理的常用方法，其共同特点是，算法的主
要运算都是由迭代式的乘和加组成，这些运算如果在通用微机上用软件完成，运算时间较长，而数字信号处理器通
过硬件完成上述乘、加运算，大大提高了仪器性能，推动了数字信号处理技术在仪器仪表领域的广泛应用。
1.2集成化、模块化
大规模集成电路LSI技术发展到今天，集成电路的密度越来越高，体积越来越小，内部结构越来越复杂，功能
也越来越强大，从而大大提高了每个模块进而整个仪器系统的集成度。模块化功能硬件是现代仪器仪表的一个强有
力的支持，它使得仪器更加灵活，仪器的硬件组成更加简洁，比如在需要增加某种测试功能时，只需增加少量的模
块化功能硬件，再调用相应的软件来使用此硬件即可。
1.3 参数整定与修改实时化
随着各种现场可编程器件和在线编程技术的发展，仪器仪表的参数甚至结构不必在设计时就确定，而是可以在
仪器使用的现场实时置入和动态修改。
1.4 硬件平台通用化
现代仪器仪表强调软件的作用，选配一个或几个带共性的基本仪器硬件来组成一个通用硬件平台，通过调用不
同的软件来扩展或组成各种功能的仪器或系统。一台仪器大致可分解为三个部分：1)数据的采集；2)数据的分析与
处理；3)存储、显示或输出。传统的仪器是由厂家将上述三类功能部件根据仪器功能按固定的方式组建，一般一种
仪器只有一种或数种功能。而现代仪器则是将具有上述一种或多种功能的通用硬件模块组合起来，通过编制不同的
软件来构成任何一种仪器。
2 仪器仪表设计的新方法
为了造应仪器仪表发展的新特点，各种新型的设计工具和设计方法不断涌现。这里择其具有代表性的二者加以
介绍。
2.1 仪器仪表的虚拟化设计与LabVIEW图形化发工具
电子仪器与计算机技术更深层次的结合产生了一种新的仪器模式：虚拟仪器(Virtual Instrument)。虚拟仪器
是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户操作这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器
一样。虚拟仪器技术强调软件的作用，提出了“软件就是仪器”的概念。它是电子测试与仪器领域中发展方兴未艾
的技术，特别适用于现代越来越复杂的测试系统。
NI公司的LabVIEW是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件。它增强了
用户在标准的计算机上配以高效经济的硬件设备来构建自己的仪器系统的能力。将LabVIEW与一般的数据采集以及
仪器设备加以组合，就可以设计出虚拟仪器，并将其应用于许多领域，而不象传统的仪器那样，受生产商所设计功
能的限制。
LabVIEW提供一种像数据流一样的编程方式，用户只要连接各个逻辑框即可构成程序。它的基本程序单位是
VI。LabVIEW通过图形编程的方法，建立一系列的VI，来完成用户指定的测试任务。对于简单的测试任务，可由一
个VI完成;对于复杂的测试任务，则可按照模块设计的概念，把一项复杂的测试任务变成一系列的子任务。设计
时，先设计各种VI以完成每项子任务，然后把这些VI组合起来以完成更大的任务，最后建成的顶层虚拟仪器就成为
一个包括众多功能子虚拟仪器的集合。
使用传统的程序设计语言开发仪器系统存在许多困难。开发者不仅要关心程序流程方面的问题，还必须考虑用
户界面、数据同步、数据表达等复杂的问题，这些问题在LabVIEW中都迎刃而解了。LabVIEW还带有多种基本的VI
库。其中包括采用GP-IB、VISA、VXI和串行接口的仪器的驱动程序。LabVIEW还拥有功能超强且庞大的分析函数
库，其涵盖了统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成、时域频域分析及数字滤波等众多科学领域。
2.2 ESP在系统可编程技术
ISP(In System Programmability)在系统可编程是指在用户自己设计的目标系统中或线路板上为重构逻辑器件
进行编程或反复编程的能力。这种重构可以在实验开发过程中、制造过程中甚至在交付用户使用后在现场进行或通
过Internet进行。ISP技术的应用，给仪器仪仪器仪表系统的设计带来了革命性的变化。它使得仪器仪表的硬件系
统不再是固定结构，而是具有了软件的灵活性，在调试过程中不断更改“软件”就可达到硬件功能的改进，这种
“软”硬件的全新设计概念，使系统具有了极强的灵活性的适应性。
传统上，在系统可编程技术主要用于数字系统设计中，如美国Xilinx公司的FPGA现场可编程门阵列和CPLD复杂
可编程逻辑器件等均支持ISP技术。
3 结论
现代仪器仪表不再是功能单一的和固定的不可变结构，而是越来越表现出柔性化和智能化，适应性越来越强，
功能越来越丰富。相应地，仪器仪表的设计需要更宽的知识面，因而也更富于挑战性。 |
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