虚拟仪器不确定度问题探讨

计算机与数字工程

Computer&DigitalEngineeringVol.38No.9

　73

虚拟仪器不确定度问题探讨

周厚平　石　坚

(武汉数字工程研究所　武汉　430074)

＊

摘　要　针对虚拟仪器迅速发展中不确定度难以评定的问题,分析了其不确定度的主要来源和评定遇到的主要问题,并提出了相应的解决方案。

关键词　虚拟仪器;不确定度中图分类号　TP391.76

StudyontheUncertaintyofVirtualInstruments

ZhouHouping　ShiJian

(WuhanDigitalEngineeringInstitute,Wuhan　430074)

Abstract　Virtualinstrumentsarebeingwidelyusednowadays,howevertheuncertaintyevaluationhasalwaysbeenatoughproblem.Thispaperdiscussedthemainsourcesofuncertainty,analyzestheproblemsexistedinuncertaintyevaluationandpresentscorrespondingsolutions.

KeyWords　virtualinstruments,uncertaintyClassNumber　TP391.76

1　引言

虚拟仪器(VirtualInstrument,VI)概念由美国国家仪器公司(NationalInstrumentsCorpora-tion,NI)于1986年提出,其基本思想是:软件就是仪器,也就是说,在仪器设计中尽可能多的使用软件代替硬件。虚拟仪器是计算机与仪器技术相结合的产物,代表了现代计量测试和仪器技术的发展方向。虚拟仪器在以计算机为核心的硬件平台上,由用户设计定义具有和传统仪器类似的虚拟面板,其测试功能由测试软件来实现。其实质是利用专用模块I/O接口设备完成信号的采集、调理,利用计算机的软件实现信号的数据运算、分析、处理,利用计算机的显示设备模拟传统仪器的控制面板,以多种形式输出测量结果,从而完成各种测试功能的计算机测试系统。用户可以直接使用计算机的人机交互设备如鼠标键盘直接控制虚拟面板,如同使用一台专用的测量仪器。

虚拟仪器以其简化的硬件结构和基于计算机系统的强大处理能力,被成功地应用到测控和计量等领域,将各种不同的测量模块和数字分析模块集成到一台机器上,实现自动数据采集、测试、记录和分析,解决了传统测试设备测试过程复杂,单独设备要求较多,测量系统搭建过程引入误差等问题。本文针对虚拟仪器的特点,分析了虚拟仪器在测量过程中影响不确定度和检定结果的主要因素,提出了相应的解决方案和思路,保证了虚拟仪器在使用过程中的准确度。

2　虚拟仪器特点

2.1　充分利用计算机系统

虚拟仪器除了基本的数据输入输出和采集部分以外都通过计算机系统实现,充分利用了计算机系统强大的数据处理能力,在基本硬件的支持下,由软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等,通过软、硬件的配合来实现

＊

收稿日期:2010年5月19日,修回日期:2010年6月21日

作者简介:周厚平,男,硕士研究生,研究方向:微电子计量与测试。石坚,男,研究员,研究方向:微电子计量与测试。

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传统仪器的各种功能。2.2　系统内软硬件资源共享

虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP技术相结合,在系统内共享软硬件资源。它打破了传统仪器厂商定义仪器功能的模式,用户可以通过开发环境利用拥有的资源实现自定义的各种仪器功能,并能动态的修改参数。在相同的硬件环境下,通过编制并加载不同的程序,虚拟仪器可以变成各种不同的仪器仪表。2.3　可定制的面板和人机接口

相对传统仪器仪表固定的现实面板和控制方式,虚拟仪器利用计算机系统的强大图形显示环境,通过相应的开发语言,可以在计算机图形界面上建立和传统仪器仪表面板媲美的控制和显示面板,并且可以根据用户的要求定制实现仪器动态的实时交互。特别是相对于现实仪器仪表的旋钮、开关、指示及调节控制部件而言,虚拟仪器不但拥有与之相同功能的控件,并且还提供了更加灵活的交互方式。甚至可以通过网络远程交互控制,输入控制参数,并生成数据报表并存档,计算机系统强大的分析能力还可以对测试的数据进行分析和处理,这是传统的仪器仪表所不能比拟的。

函数(RBF)神经网络构建了虚拟仪器测量的数学模型,使用差分方程计算误差传播系数,应用灰色系统理论讨论不适于用统计方法计算各误差源相关系数的计算问题。这些对虚拟仪器不确定度评定提供了一些新的思路,但未能充分考虑软件误差产生的不确定度和不确定度源仿真质量对评定效果的影响。

ISO9000标准规定:在使用测量设备时,应确保其测量不确定度为已知。解决虚拟仪器不确定度问题可以有效的确保测量的准确性,保证工业生产和科学研究的顺利进行,并将其顺利溯源到最高标准。

4　虚拟仪器不确定度评定问题及解

决思路

4.1　虚拟仪器不确定度评定主要问题4.1.1　误差源多

传统测量仪器的准确度或测量不确定度可以通过周期检定来确定,各部分误差源对被测量不确定度贡献的大小已经包括到结果中。而虚拟仪器主要由模块化接口、I/O驱动、总线接口和开发环境等组成,如图1所示。

图1　虚拟仪器

结构图

3　研究虚拟仪器不确定度的意义

虚拟仪器简化的硬件结构和基于计算机的强大的数字处理能力,共享的软硬件资源及可定制的人机接口成为测量领域的一个重要的应用方向,同时,也正是因为其依靠软件实现的复杂测控功能使得对虚拟仪器的不确定度的评定和实现成为该领域的难题之一。相比传统一体化的测量仪器,虚拟仪器的结构中包括传感器、数据采集卡、计算机、数据处理与控制软件、硬件模块、软件算法和浮点运算都要产生中间测量结果,误差传递及测量不确定度合成方式变得更加复杂。国内外学者基于《测量不确定度表示指南》(GuidetotheExpressionofUncertaintyinMeasurement,GUM)对虚拟仪器不确定度评定进行了广泛的研究,出现了一些不确定度评定的新方法。意大利Palermo大学Salva-toreNuceio根据B类评定方法,应用MonteCarlo法仿真A/D转换器模块误差源,按照不确定度传递法则得到虚拟仪器合成不确定度;意大利Ca-gliari大学EmilioGhiani、NicolaLocci等基于MonteCarlo法研究电力系统质量测量不确定度评估,其效果受仿真质量的影响;王中宇应用径向基

理论上讲,该测量链中的所有组成部分引入的误差源,均会

对虚拟仪器的测量不确定度产生影响;从误差传播的角度看,各误差源按照不确定度的传播法则,对虚拟仪器的测量不确定度均产生贡献。其主要误差引入如表1所示。

表1　各种误差源表

模拟采集与调AD/DA转换与处理制部分线性度误差、迟前/后增益偏置误差、调滞误差、稳定性节时间误差、基准源误误差、灵敏度误差、微/积分非线性误差、差和热噪声等。增益误差、量化误差、增

益温度漂移、热噪声等。

数学模型统计误差、相关误差、曲线拟合误差、软件算法引入误差等。

　　各种测量结果涉及到的功能模块不一,引入误差源亦不尽相同,使得对仪器的最终测量结果各误差源的贡献也并不固定。4.1.2　检定结果受限

虚拟仪器功能上分类,主要分为测量和信号输出及信号交换和标准器件四种类型,测量类如DMM、示波器等;信号源类如函数信号发生器等;信号交换类如矩阵开关;标准器件如标准电阻等。

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其中,后三种是作为固定的功能使用,参数较少,且真实值或期望值为已知,可直接按照传统仪器经过计量得到不确定度,而测量类系统由于真实值为未知的外部信号,需要按照某种确定的可重复的方法计算确定其可信度。

虚拟仪器信号测量过程如图2所示。

卡并不完全遵循统一的规则,就其使用功能而言,可以分为硬件板卡、驱动程序和用户系统程序三部分,硬件板卡负责信号的调理和采集,将采样数据送入相应协议总线供其他硬件和程序调用,这部分将引入虚拟仪器使用中的大部分误差。当结果以数字量进入计算机系统或者相应处理模块以后,主要误差来源于算法对数据的相应处理,和计算机对计算中间结果的舍入,特别是当系统规模庞大时将在每次计算中积累舍入误差到不容忽视的程度。

在对虚拟仪器的计量检定过程中如果系统比较简单,则可以忽略计算机的舍入误差累积,直接

图2虚拟仪器信号测量流程

对硬件板卡进行计量。如果系统复杂或者其结构上密不可分,则可以根据B类评定方法,应用MonteCarlo法仿真输入误差源,按照不确定度传递法则得到虚拟仪器合成不确定度,针对MonteCarlo对于特定的误差源以及统计特性如何选取随机抽样策略获得可以表征特定误差源统计规律的伪随机误差的要求,主要涉及伪随机数的产生及其随机性检验和特定分布随机数的统计检验,亦是影响该方法结果的核心。

由于采用MonteCarlo法产生随机数的随机性,当用N个随机点以MonteCarlo法求解具体问题时,虽有一个确定的平均值,但其计算得到近似解的误差值大小不一,显然一定存在这样的N个点,使得误差的绝对值不大于平均值。故可以采用拟MonteCarlo法构造这样的点集如GLP点集、GP点集、Hammersley点集、Halton点集及其变体等,对原有的方法进行较好的改进。用MonteCarlo法求解问题时,影响结果好坏的主要是随机数序列的均匀性,而拟MonteCarlo法中的具有低偏差的一致分布点集较伪随机数序列更为均匀,同时用拟MonteCarlo法求解得到的是真正的误差,避免了MonteCarlo法得到概率误差的缺陷。4.2.2　开发不确定度评定功能扩展

基于软硬件分别检定的虚拟仪器不确定度,可以通过开发相应不确定度功能扩展实现,对功能板卡而言,总线数据是其输出结果,将已知量输入功能板卡并通过相应采集流程将总线数据与标准数据对比得到硬件不确定度;对计算机系统而言,总线数据是系统原始输入,将符合相应信号特性的仿真数据作为输入并对比系统数据将得到软件不确定度。特别是在基于开放和可扩展结构的虚拟仪器系统中,可以开发相应的功能扩展模块针对虚拟仪器的特性进行不确定度评定。

虚拟仪器系统在建立过程中,对于不同的外部信号输入采用对应的采集硬件设备和相应处理算法,使得上述图2中各功能部

图3　虚拟仪器系统模块图

分对应的模块不尽

相同,如果按照传统的计量方法,其结果只是虚拟仪器用户系统不确定的一个子集。

假设接口卡的种类为N,软件算法模块的个数为M,则组成的系统数量级为M＊N,如果对所有的系统进行计量,其工作量对于各功能部件的增加呈指数增长,则如图3所示。

故不能按传统的检定方法对虚拟仪器用户系统进行完整计量。4.1.3　数据可信度降低

虚拟仪器的硬件部分只负责了数据的采集和输入输出功能,其信息的提取和信号的处理均由软件实现,并且在出厂之前会经过相应机构的计量校准,将其标定数据写入设备中,但是由于虚拟仪器开放的开发环境,用户如果由于人为的或者非人为因素如计算机病毒造成标定数据的丢失或者程序的改变,造成结果的失准,将使得之前的计量校准结果失效,之前的不确定度结果亦将受到怀疑,可信度降低。随着越来越多的虚拟仪器得到推广,其数据的安全性和仪器不确定度的可信度对用户使用和计量检定工作都提出严峻的考验。4.2　虚拟仪器不确定度问题解决思路4.2.1　模块检定

虚拟仪器的误差来源主要集中在硬件I/O、信号调理和计算机处理三部分,但是各厂商生产的板

　76周厚平等:虚拟仪器不确定度问题探讨

ardsandInterfaces,2001,1(23):39～46

第38卷

4.2.3　加强数据管理和备份

虚拟仪器特殊的软硬件结构使得对其计量校准的标定数据的安全性受到了严峻的考验,如何确保数据的安全和可恢复是其面临解决的要点。首先,对于计量校准后的标定数据和相应的程序对于普通用户应该限定访问和修改,特别是对于恶意的计算机病毒程序破坏或者数据溢出;对于已经计量和校准的设备如果作为最终产品应该严格用户对数据的访问和可能的操作;对于作为溯源的设备应该对标定数据和程序进行保护,并周期送检上级检定部门。其次,为了防止意外情况的发生,应该对检定后的标定数据进行必要的本地或者异地备份,必要时进行相应的恢复操作,并送上级检定部分计量检定。

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Measurement

Proceedings,

5　结语

本文分析了虚拟仪器不确定度的来源和对结果的影响,针对误差源多、检定结果受限、数据可信度不高等问题提出了对应的解决思路。

虚拟仪器精度、集成度、自动化程度高,测量速度快,功能强大,扩展性、稳定性好,依托于计算机平台强大的分析和处理能力,在测控和计量领域得到了迅速的发展,对虚拟仪器不确定度评定问题的解决将极大的促进其在各领域的应用。

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