虛擬儀器技術(shù)已成為測試測量行業(yè)的主流技術(shù)

自20世紀80年代中期以來(lái)，虛擬儀器技術(shù)已結合了模塊化硬件、開(kāi)發(fā)軟件和PC技術(shù)，從而使用戶(hù)可通過(guò)軟件來(lái)建立自定義的儀器。軟件定義比廠(chǎng)商定義臺式儀器功能的方式有更大的靈活性，并且由于基于PC技術(shù)，所以能以更快的速度實(shí)現高級功能。
    ---虛擬儀器已經(jīng)成為目前測試應用中的主流技術(shù)，大多數測試行業(yè)已接受虛擬儀器技術(shù)的概念，或者傾向于采用虛擬儀器技術(shù)。綜合性?xún)x器和虛擬儀器技術(shù)具有商業(yè)化硬件和軟件處理特性，把這兩者結合起來(lái)，便能建立用戶(hù)自定義的儀器。 
    傳統儀器和革新者的難題
    ---新的具有突破性的技術(shù)會(huì )改變市場(chǎng)的前景并最終推翻市場(chǎng)領(lǐng)導者的地位，換言之，傳統技術(shù)會(huì )遭遇“革新者的難題”。在測試和測量領(lǐng)域中，傳統儀器通過(guò)使用已有的架構來(lái)提高測量性能并沿著(zhù)這樣方向不斷進(jìn)行革新。而在虛擬儀器技術(shù)出現的早期，由于其測量性能比較低，并沒(méi)有對傳統儀器廠(chǎng)商帶來(lái)多大威脅，所以傳統廠(chǎng)商很大程度上忽視了虛擬儀器技術(shù)的存在。然而到了20世紀80年代的晚期和90年代的早期，虛擬儀器技術(shù)開(kāi)始應用于需要靈活性的測量中，而這些應用通過(guò)傳統的方式是無(wú)法實(shí)現的。到了90年代末和21世紀，隨著(zhù)PC處理器和商用半導體芯片的性能和精度的進(jìn)一步提高，虛擬儀器技術(shù)的測量性能已比原來(lái)提高了許多�，F在，虛擬儀器技術(shù)可以和傳統儀器的測量性能相當，甚至超過(guò)它們，而且還具有更高的數據傳輸率、靈活性、可擴展性以及更低的系統成本。
    ---在測試測量市場(chǎng)，行業(yè)領(lǐng)導者安捷倫已同樣開(kāi)始采用虛擬儀器技術(shù)的概念。例如，安捷倫最近推出的產(chǎn)品包括一套基于以太網(wǎng)的“綜合性?xún)x器”以及能兼容PXI的任意波形發(fā)生器，而PXI是工業(yè)標準的虛擬儀器技術(shù)平臺。轉向使用基于軟件配置的模塊化儀器，能讓用戶(hù)輕松地進(jìn)行重復配置和重復使用，這將是測試和測量未來(lái)的發(fā)展方向。
    虛擬儀器技術(shù)成功的關(guān)鍵
    ---虛擬儀器技術(shù)為建立測試系統提供了新的方式，從而影響了傳統儀器市場(chǎng)。虛擬儀器技術(shù)成功的關(guān)鍵在于利用了快速發(fā)展的PC架構，提高了工程師的技術(shù)能力，降低了成本，采用了高性能的半導體數據轉換器，以及引入了系統設計軟件，而系統設計軟件能使廣大用戶(hù)建立虛擬儀器技術(shù)系統。
    PC性能不斷革新并降低了成本

    ---在過(guò)去20年里，PC的性能已提高了10 000倍，其他任何商業(yè)化技術(shù)都不曾有過(guò)這樣高的性能增長(cháng)。由于虛擬儀器技術(shù)采用PC處理器來(lái)進(jìn)行測量分析，每次隨著(zhù)新一代PC處理器的出現，使用虛擬儀器技術(shù)就可以實(shí)現新的應用。例如，目前的3GHz PC可用來(lái)進(jìn)行復雜的頻域和調制分析。1990年采用386處理器的PC，進(jìn)行65 000個(gè)點(diǎn)的FFT(快速傅里葉變換，用于頻譜分析的基本測量)需要1100秒。而現在使用3.4GHz的P4計算機實(shí)現相同的FFT只需要約0.8s。
    ---與此同時(shí)，硬盤(pán)、顯示和總線(xiàn)帶寬也有類(lèi)似的性能提高。新一代的高速PC總線(xiàn)PCI Express能提供的帶寬高達3.2GB/s，從而可以利用PC架構來(lái)實(shí)現超高帶寬的測量。某些廠(chǎng)商聲稱(chēng)高速內部總線(xiàn)將會(huì )讓位給以太網(wǎng)和USB這樣的外部總線(xiàn)。盡管這些外部總線(xiàn)適合某些特定的應用需求(如以太網(wǎng)適用于分布系統，而USB易于進(jìn)行桌面連接)，但是同樣也有高速的數據傳輸速率需求。例如，一個(gè)100MSPS的14位IF數字化儀能生成200MB/s的數據，這將高于千兆以太網(wǎng)的80MB/s帶寬�；�于這樣的原因，用戶(hù)不會(huì )在市場(chǎng)看到有任何以太網(wǎng)的視頻卡，甚至千兆的網(wǎng)絡(luò )也比PCI Express慢30倍。實(shí)際上千兆以太網(wǎng)接口和其他外設是通過(guò)PCI Express和CPU相連。虛擬儀器技術(shù)的基于軟件的方式可以在應用軟件中對總線(xiàn)進(jìn)行抽象，從而利用所有這些總線(xiàn)，包括PCI、PCI Express、USB和以太網(wǎng)。
    ---許多傳統儀器廠(chǎng)商采用在儀器中嵌入PC的方式來(lái)解決這一問(wèn)題。這些儀器通常有一個(gè)嵌入式儀器處理器和一個(gè)通過(guò)內部總線(xiàn)和儀器盒相連的標準PC主板。然而，這種方式就損失了PC技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢，一是像Dell這種桌面PC廠(chǎng)商的規模經(jīng)濟優(yōu)勢，二是能輕松地升級PC從而對測量性能進(jìn)行大幅度的提高。大多數示波器的使用壽命為5～20年，而一臺用了20年的PC早已沒(méi)有了使用價(jià)值。此外，如圖1所示，這些設備的功能還基本上是由廠(chǎng)商定義的，用戶(hù)無(wú)法利用設備中的固件來(lái)自定義測量的功能。
    使用戶(hù)獲得更多的技術(shù)才能
    ---技術(shù)才能已成為個(gè)人立足于社會(huì )的基本能力。和傳統的桌面儀器相比，基于計算機的儀器更友好和更易于使用。在過(guò)去10年里用戶(hù)獲得了更多的技術(shù)才能，采用基于計算機的虛擬儀器技術(shù)能使他們得到更多的技術(shù)知識和編程技巧。
    性能不斷提高的A/D和D/A轉換器
    ---虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)動(dòng)力是出現了高性能、低成本的A/D和D/A轉換器，移動(dòng)電話(huà)和數字音頻等應用不斷地推動(dòng)這些技術(shù)的發(fā)展。虛擬儀器技術(shù)硬件可以利用大量生產(chǎn)的芯片作為測量的前端組件。這些商業(yè)化技術(shù)按照摩爾定律發(fā)展，而專(zhuān)用的轉換器技術(shù)則發(fā)展得非常慢，它們的性能提高如圖2所示。
    圖形化的系統設計軟件
    ---最后，由于能提供直觀(guān)的界面來(lái)設計定制的儀器系統，系統設計軟件也推動(dòng)了虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，新的突破性革新可以使開(kāi)發(fā)設備的過(guò)程不再需要“專(zhuān)家”。在傳統的構架中，需要專(zhuān)家來(lái)開(kāi)發(fā)封閉的儀器功能和算法；而對于虛擬儀器技術(shù)，算法對于用戶(hù)是公開(kāi)的，用戶(hù)可以自己定義他們的儀器。
    ---LabVIEW就是這樣的軟件。LabVIEW采用圖形化的數據流語(yǔ)言，能為工程師和科研人員提供非常熟悉的界面，LabVIEW的工作就像用電子數據表進(jìn)行財務(wù)分析一樣。LabVIEW提供的環(huán)境可以讓所有工程師和科研人員成為測量系統設計專(zhuān)家。
    用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行系統設計的前景

    ---虛擬儀器技術(shù)不斷地擴展其功能及應用范圍�，F在LabVIEW不僅能在PC上開(kāi)發(fā)測試程序，而且可以在嵌入式處理器和FPGA上設計硬件。這一技術(shù)也將最終提供這樣的一個(gè)獨立環(huán)境，使用戶(hù)可以從設計測試系統到定義硬件的功能，如圖3所示。測試工程師將能使用合適的功能來(lái)進(jìn)行系統級的設計。當他們需要定義專(zhuān)門(mén)的測量功能時(shí)，他們也將可以用同樣的軟件工具來(lái)“細化”到合適的級別以定義測量的功能。例如，工程師可以開(kāi)發(fā)LabVIEW程序來(lái)使用模塊化儀器進(jìn)行某些測量，如DC電壓和上升時(shí)間。當工程師需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的測量時(shí)，他們也可以使用LabVIEW對原始的測量數據進(jìn)行分析，從而開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)的測量，比如峰值檢測。如果在某些情況下他們需要使用一些新的硬件功能來(lái)實(shí)現測量，如定制的觸發(fā)，那么他們可以用LabVIEW定義一個(gè)觸發(fā)和濾波方案，并嵌入到儀器卡上的FPGA中。

    虛擬儀器技術(shù)已成為主流

    ---虛擬儀器技術(shù)的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應用中它已成為傳統儀器的主要替代方式。隨著(zhù)PC、半導體和軟件功能的進(jìn)一步更新，未來(lái)虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將為測試系統的設計提供一個(gè)極佳的模式，并且使工程師們在測量和控制方面得到強大功能和靈活性。