软件定义仪器

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(Virtual Instrument，VI)和组态软件(Con－figuration Software，CS)的思想，提出软件定义仪器(Software Defined Instrumentation，SDI)的概念和系统。

软件无线电的由来

1992年5月，Joe Mitola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，Software De－fined Radio，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。

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”(Software Defined Instrument，SDI)或软件仪器(Software Instrument，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(Application Programming In－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套通用的数据采集系统通过不同的接口接人计算机，在计算机上实现各种测量功能。虚拟仪器与传统仪器相比，具有以下几个特点。

(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，设计者可以根据用户的认知要求和操作要求设计仪器面板，可以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以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。

(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，软件仪器具有上述虚拟仪器的优点，但软件仪器是“实实在在”的仪器，是建立在嵌入式系统，如单片机、ARM、DSP等之上，而不是建立在普通PC机上。软件仪器有比虚拟仪器大得多的适应性、可靠性和灵活性。

软件仪器的主要研究内容

软件仪器有四个主要研究内容。

1　软件仪器的理论体系与系统结构

结合仪器的特点，研究软件仪器的理论体系与系统结构。根据多数种类的仪器及其测量要求，软件仪器有三个关键技术：传感器数字化接口、软件仪器处理引擎和仪器接口(两个虚线框之外的部份)。

2　数字化传感器接口模块

以数字电路和算法取代模拟电路是软件仪器的关键和核心。这部分的研究是要在保证测量精度的条件下尽可能地采用数字电路来实现传感器的模拟输出信号转换成数字信号，或者说尽量使ADC靠近传感器。在该部分内容中，重点研究过采样技术：结合数字信号处理和FPGA技术，采用中、高速中分辨率的ADC实现高分辨率的数据转换，即Z-A型ADC技术。另外，还要研究过采样与调制，解调(锁相检测)相结合的技术。

3　软件仪器处理引擎

根据仪器检测信息的复杂程度、数据量大小等不同要求选择若干硬件平台(ARM、DSP、FPGA、MCU等)和实时操作系统、驻留编译器，研发相应的API。

4　仪器接口

根据不同种类的应用，优选和研发软件仪器的硬件接口。

下面分别就软件仪器中的“传感器数字化接口”和“信号处理核心模块”两个核心问题进行说明。

传感器数字化接口

讨论传感器的接口电路时，可以采用图9所示的方式对传感器进行分类。各类传感器的数字化接口的可能性分析如下。

(1)电阻：可以直接采用24位Z∑－△型ADC(比例法)转换得到数字信号，或具有R/CF型转换集成电路与单片机直接将电阻阻值转换成数字。

(2)电容：现有电容数字转换器的分辨率可达24bit，5aF√Hz的噪声。

(3)电感：给出了一种便于集成化的直接转换方法。

(4)比例、(5)差动和(6)桥式差动：集成化的数字转换器已有很多品种，如美国ADI公司的AD2S930、美信公司的MAXl452、MAXl457等。

(7)和(10)电压：直接采用ADC转换为数字信号，没有采用放大器所带来的动态范围损失在后面讨论。

(8)和(11)电流：很容易转换成电压信号后再直接采用ADC转换为数字信号。

(12)和(13)数字输出：传感器本身是数字信号输出。

综上所述，在较低频率的测量中，对几乎所有传感器接口都可以实现数字化。在传感器接口数字化的一个关键技术是高分辨率、高速度的ADC问题。一般说来，仪器中的ADC速度远比软件无线电中要求低(特殊的高速示波器等仪器除外)，但对精度要求较高。

近年来，微电子技术的发展为解决软件仪器中的ADC问题提供了很好的条件：分辨率高达24位的ADC已经商品化，而且价格很低；高速ADC已经达到2G的采样速度，12－16bit的ADC已经达到几百KSPS－几百MSPS。而利用过采样技术可以将ADC的数据通过率充分发挥出来，即可以在采样速度和分辨率中进行平衡，在不需要ADC所具备的高采样率时，可以用其速度换取精度(分辨率)，从而达到直接数字化的目的。

下面讨论模拟信号处理中若干关键技术在直接数字化后的影响。

模拟放大

直接采用高分辨率的ADC，如24 bit的ADC在输入范围为2.5V时的可分辨0.15lμV。足以满足绝大多数的测量应用。利用过采样技术，如200 KSPS/16bit的ADC下抽样至200SPS时相当于21bit的分辨率。在输入范围为2.5V时的可分辨1.2lμY。

滤波

除非干扰超出ADC的输入范围，在可得到足够分辨率的条件下，数字信号处理可以比模拟信号处理优异得多的多的结果。即使干扰可能超出ADC的输入范围，在过采样(目前比较容易做到)时所需的滤波器也比较容易实现(对滤波器参数及其元件的要求低)。

调制/解调

一般说来，仪器中调制，解调使用的载波频率远较无线电中使用的频率要低，因而实现起来更为容易。

校准/补偿

微处理器的高速度、大容量的非易失性存储器、在线下载等微电子学的进展为仪器的校准/补偿提供了基础。

综上所述，传感器数字化接口的信号处理流程，其中最主要的研究内容是“高数据通过率的ADC”。而这部分内容的实现方式。

信号处理核心模块

借鉴已有的嵌入式系统和根据仪器检测信息的复杂程度、数据量大小等不同要求选择或研发若干硬件平台(ARM、DSP、FPGA、MCU等，或他们的组合)和实时操作系统、驻留编译器，研发相应的API、传感器数字化接口等等。

结语

本文借鉴软件无线电和虚拟仪器的思想，提出软件仪器的构想，认证了软件仪器的理论架构和体系、实现的必要性和可能性。软件仪器概念的确立，将为未来的仪器研发提供理论指导和平台，有助于仪器的研发和生产及其应用进入高效益、高速度的新时代。