虛擬儀器技術(shù)的飛躍

　測試測量行業(yè)的一個(gè)轉折點(diǎn)

　　儀器系統的發(fā)展經(jīng)歷了一段很長(cháng)的歷史。在其早期發(fā)展階段，儀器系統指的是“純粹”的模擬儀器測量設備，例如EEG記錄系統或示波器。作為一種完全封閉的專(zhuān)用系統，它們包括電源、傳感器、模擬至數字轉換器和顯示器等，并且需要手動(dòng)進(jìn)行設置，將數據顯示到標度盤(pán)、轉換器，或者采取將數據打印在紙張上等各種形式。在那個(gè)時(shí)候，如果要進(jìn)一步使用數據，需要操作人員手動(dòng)地將數據復寫(xiě)到筆記本上。由于所有的事情都必須要人工去操作，所以要對實(shí)際采集到的數據進(jìn)行深入分析、或者集成復雜的/自動(dòng)化的測試步驟是很復雜、甚至是不可能完成的工作。一直到80年代，那些復雜的系統，例如化學(xué)處理控制應用等，才終于不需要占用到多臺獨立臺式儀器一起連接到一個(gè)中央控制面板，這個(gè)控制面板由一系列物理數據顯示設備，例如標度盤(pán)、轉換器等，以及多套開(kāi)關(guān)、旋鈕和按鍵組成，并專(zhuān)用于儀器的控制。

　　“虛擬儀器技術(shù)”這個(gè)概念緣起于20世紀70年代末。在當時(shí)微處理器技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)可以通過(guò)改變設備的軟件來(lái)輕松地實(shí)現設備功能的變化，所以要在測量系統中集成分析算法已經(jīng)成為可能，因此虛擬

儀器技術(shù)的概念將會(huì )去改變整個(gè)的測試測量行業(yè)。在那  
個(gè)時(shí)候，當傳統儀器的供應商們還在將微處理器和廠(chǎng)商定義的算法嵌入到他們提供的封閉式專(zhuān)用系統中，同時(shí)，一個(gè)全新的趨勢——即打開(kāi)測量系統、允許用戶(hù)自己定義分析算法并且配置數據的顯示方式——已經(jīng)開(kāi)始形成。就這樣，虛擬儀器技術(shù)的概念誕生了。

　　虛擬儀器系統在早期面臨著(zhù)許多技術(shù)上的挑戰。那個(gè)時(shí)候通用接口總線(xiàn)(GPIB, IEEE 488)已經(jīng)成為了一種標準方式去連接儀器和計算機、將原始數據傳輸到計算機處理器、執行分析功能并且顯示結果。不過(guò)，市場(chǎng)上的各個(gè)儀器廠(chǎng)商都使用各自的命令集來(lái)控制各自的產(chǎn)品，同時(shí)虛擬儀器技術(shù)的編程對于那些習慣用BASIC等文本語(yǔ)言來(lái)編程的專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴峻的挑戰。很明顯，市場(chǎng)需要一種更高層更強大的工具，但是這個(gè)工具到底是什么，當時(shí)卻并不明朗。

　　轉機出現在1984年，那一年蘋(píng)果公司推出了帶有圖形化功能的Macintosh計算機。較之以往鍵入命令行，人們通過(guò)使用鼠標和圖標大大提高了創(chuàng )造性和工作效率，同時(shí)，Macintosh的這種圖形化操作方式也激發(fā)了NI創(chuàng )始人之一Jeff Kodosky的靈感。

　　1985年6月，Jeff Kodosky領(lǐng)導著(zhù)一組工程師開(kāi)始了圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW的編程工作，他們的研發(fā)成果就是推出了LabVIEW 1.0版本。在20年后的今天看來(lái)，這個(gè)產(chǎn)品的誕生大大超越了當時(shí)業(yè)界的理念，具有深遠的前瞻意義。

　　LabVIEW有三個(gè)圖形化面板：其一，前面板，即用戶(hù)界面，用來(lái)讓工程師去創(chuàng )建交互式的測量程序，這些面板可以與實(shí)際儀器的面板非常相似，或者也可以是按照工程師們的思維創(chuàng )新而定義的。其二，程序框圖，即代碼，同樣也是圖形化的界面，其執行順序由數據流來(lái)決定，這一點(diǎn)在軟件開(kāi)發(fā)中是至關(guān)重要的。最后是函數面板，顧名思義，它包括了一系列即選即用的函數庫(根據virtual instruments縮寫(xiě)為VI)，供用戶(hù)在他們的測量項目中使用，能夠極大地提高他們的工作效率。

　　初始版本發(fā)布后，讓創(chuàng )始人Jeff Kodosky頗感驚喜的是，用戶(hù)們使用這一工具開(kāi)發(fā)的應用不單單局限于測試測量，并且擴展到控制、建模和仿真領(lǐng)域。在工程師方面，他們也受到LabVIEW這一創(chuàng )新工具的啟發(fā)和鼓舞，因為L(cháng)abVIEW的發(fā)布為不同領(lǐng)域的工程師開(kāi)拓了創(chuàng )新的空間，為實(shí)現更大規模的應用提供可能，而在此之前，這些應用都是他們從未去嘗試過(guò)的。至此，LabVIEW就確立了在虛擬儀器技術(shù)中的基礎和核心地位。

　　在LabVIEW發(fā)展的同時(shí)，其他一些重要的技術(shù)也在迅猛發(fā)展中。1990年Microsoft發(fā)布了Windows 3.0圖形化操作系統，處理器和半導體行業(yè)也開(kāi)始蓬勃起步。在其后的20年間，我們看到PC行業(yè)呈指數級增長(cháng)。例如，目前的3 GHz PC就可用來(lái)進(jìn)行復雜的頻域和調制分析以用于通信測試應用�；氐�1990年的時(shí)候，用當時(shí)的PC(Intel 386/16)處理65,000個(gè)點(diǎn)的FFT(快速傅立葉變換，用于頻譜分析的基本測量)需要1100秒時(shí)間，而現在使用3.4GHz的P4計算機實(shí)現相同的FFT只需要約0.8秒[Ffbench, John Walker]。相應地，硬盤(pán)、顯示器和總線(xiàn)帶寬也獲得了性能上的提高。新一代的高速PC總線(xiàn)--PCI Express能提供高達3.2 GBytes/s的帶寬，從而可以基于PC架構來(lái)實(shí)現超高帶寬的測量。同樣的，半導體行業(yè)正不斷推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、以及現成即用的商業(yè)ADC和DAC的標準，使得這些技術(shù)可以像在傳統廠(chǎng)商定義的儀器上使用一樣，在模塊化儀器上得到應用，并為開(kāi)放的平臺提供更多的優(yōu)勢，在用戶(hù)需求改變的情況下，讓終端用戶(hù)無(wú)需替換整個(gè)系統，就可以實(shí)現元件的升級，并擁有自定義配置的功能。

技術(shù)發(fā)展到這一步，虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)不再單純是一個(gè)概念性的名詞，而是成為了一個(gè)實(shí)際可行的解決方案，不但能為用戶(hù)帶去廣泛的靈活性和可擴展性，而且可以實(shí)現成本上的節約。

　　虛擬儀器技術(shù)

　　成熟的虛擬儀器技術(shù)由三大部分組成：高效的軟件編程環(huán)境、模塊化儀器和一個(gè)支持模塊化I/O集成的開(kāi)放的硬件構架。

　　在這個(gè)技術(shù)日新月異的時(shí)代，虛擬儀器技術(shù)為用戶(hù)帶來(lái)的靈活性和可擴展性已經(jīng)不再是一種奢求，而是必需。Clayton Christensen在《Innovators Dilemma》一書(shū)中是這樣描述這一現象的：當一個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)導者面臨著(zhù)同行/競爭對手推出更新、更先進(jìn)的技術(shù)之后，他們往往就要喪失原先的領(lǐng)導地位了，因此技術(shù)領(lǐng)導者(即革新者)們也面臨了新的技術(shù)革新所帶來(lái)的困境。一方面，技術(shù)革新為公司贏(yíng)得市場(chǎng)立足點(diǎn)，以及擴大市場(chǎng)份額的機會(huì )。但另一方面，隨著(zhù)市場(chǎng)的成熟，這個(gè)加速公司成長(cháng)的競爭優(yōu)勢卻難以長(cháng)久維

持，因為競爭會(huì )使產(chǎn)品逐漸商品化、大眾化，原先該產(chǎn)品上與眾不同的地方會(huì )逐漸變得普通，需要有新的技術(shù)革新帶來(lái)新的產(chǎn)品亮點(diǎn)。于是革新反而就開(kāi)始成為一種責任，迫使公司為了保持在市場(chǎng)上既有的領(lǐng)導地位，持續不斷地進(jìn)行技術(shù)革新，并且要以最短的時(shí)間將革新成果推向市場(chǎng)。

　　隨著(zhù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間不斷縮短，帶給儀器供應商的壓力也越大。廠(chǎng)商定義的解決方案能否滿(mǎn)足用戶(hù)不斷提出的新要求、新標準和新特性？

　　我們看到現在產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，同時(shí)需要集成的特性越來(lái)越多，這就要求有更多的儀器進(jìn)行測量，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量，因此，不同儀器I/O之間的同步變得至關(guān)重要，測量空間的因素也需要考慮在內。面對這樣的情況，越來(lái)越多的工程師開(kāi)始轉向虛擬儀器技術(shù)這一解決方案，不單是快速發(fā)展的消費電子、通訊等市場(chǎng)，甚至是一貫保守的美國國防部也加入了這一行列，他們使用“綜合性?xún)x器(Synthetic Instrument)”這樣相似的概念名詞來(lái)預示著(zhù)大規模的行業(yè)應用。在向國會(huì )提交的報告中，國防部指出：“在開(kāi)發(fā)綜合性?xún)x器時(shí)，采用新近的商業(yè)化技術(shù)實(shí)時(shí)地配置儀器，從而實(shí)現各種測試功能......單個(gè)綜合性?xún)x器可以代替多個(gè)獨立儀器的功能，從而減小了后勤裝備的體積并解決了設備過(guò)時(shí)的問(wèn)題�！盵摘自2002年2月，國防部技術(shù)改進(jìn)辦公室向國會(huì )提交的報告]。

　　虛擬儀器技術(shù)，以及其他實(shí)質(zhì)相似的概念，為增加靈活性、降低投資成本、提高測試系統使用壽命，同時(shí)確�？煽啃缘纫�求，提供了一個(gè)理想的解決方案。

　　超越測試測量范疇

　　工程師眼下面對的挑戰與20年前的截然不同——現在已經(jīng)不再是單純的自動(dòng)化方面的考慮了，而是在于復雜性。系統的復雜性急速增加，越來(lái)越多的特性功能集成到單一的設備中，并且每年不斷有新技術(shù)涌現出來(lái)以確保公司在市場(chǎng)上的競爭力。這種復雜性的增加迫使工程師們要去盡快學(xué)習和采用新的工具應對挑戰。

　　舉兩個(gè)典型的例子：多核處理器和FPGA。

　　多核處理器解決了傳統方式下功耗的限制，并遵循摩爾定律繼續推進(jìn)處理器技術(shù)的發(fā)展。這種方式的光明前景讓Intel在其發(fā)展藍圖上規劃了2010年推出32核處理器的目標。正因為有許多應用能夠從并行執行的方式中受益頗多，所以多核技術(shù)正在為工業(yè)應用帶來(lái)巨大的機會(huì )。

　　同樣的，FPGA是另一個(gè)很好的范例。雖然FPGA稱(chēng)不上是一個(gè)新興技術(shù)，不過(guò)近幾年來(lái)它在諸多領(lǐng)域得到了快速廣泛的采用(如圖1所示)。究其原因正是因為上文提到的行業(yè)挑戰，隨著(zhù)產(chǎn)品復雜性的增加，通過(guò)編程去快速改變硬件功能的方式讓工程師不再需要重新設計硬件，就可以增加額外的特性。

　　以上舉例的這兩種以及其他一些技術(shù)都可以很好地幫助工程師工作，當然其前提是他們能很快學(xué)習這些技術(shù)并使用起來(lái)。我們看到一個(gè)多年不變的原則是：工程師都需要一個(gè)創(chuàng )新的工具進(jìn)行工作，而這個(gè)原則與20年前相呼應的是，圖形化的編程方式正是這樣一個(gè)理想的解決方案。自L(fǎng)abVIEW 1.0發(fā)布的20年間，有一系列重大升級版本的推出，每一次的升級均包括新的特性(如圖2所示)，但是其核心概念始終保持不變，充分表明這些創(chuàng )始之初即形成的核心概念的根本和強大。

　　與順序的文本編程語(yǔ)言不同，LabVIEW結構化的數據流語(yǔ)言在本質(zhì)上具有并行的特性，并且自1998年LabVIEW 5開(kāi)始即可為多處理器機器提供預先設置的多線(xiàn)程支持功能。這意味著(zhù)，工程師們可以將他們的程序從單核處理器轉換到多核處理器機器，并且實(shí)現更快速的自動(dòng)運行。LabVIEW另一個(gè)具有里程碑意義的發(fā)布是2003年的LabVIEW FPGA，LabVIEW FPGA的問(wèn)世讓不具備VHDL編程經(jīng)驗的人也同樣可以進(jìn)行硬件設計，并且LabVIEW數據流并行性本質(zhì)上非常符合FPGA的并行電路特性。
　　　現在，以L(fǎng)abVIEW為核心的虛擬儀器技術(shù)已經(jīng)成為測試測量行業(yè)的主流，同時(shí)LabVIEW正在向一個(gè)更高的階段躍進(jìn)——即貫穿從設計、原型、測試到生產(chǎn)全過(guò)程的“圖形化系統設計(Graphical System Design)”平臺。

　　上文提及LabVIEW在本質(zhì)上具有并行的特性，工程師們可以使用這些他們最熟悉的方式(例如進(jìn)行建模、仿真的基于文本的數學(xué)方式，和程序框圖等)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。LabVIEW還支持與C代碼、DLL和.NET技術(shù)的連接性。LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)平臺還能實(shí)現測量的快速集成；大大減少系統的設置和配置時(shí)間，讓工程師們可以將更多的精力放在應用本

身。最后，LabVIEW能為發(fā)布到現成即用商業(yè)平臺提供支持。

　　結語(yǔ)

　　電子系統開(kāi)發(fā)的全新時(shí)代已經(jīng)到來(lái)�！皥D形化系統設計”帶來(lái)的這一軟件平臺可集成多種計算模型，盡可能縮短設計過(guò)程中的實(shí)現時(shí)間。通過(guò)發(fā)布到靈活的現成硬件原型目標平臺，例如NI基于FPGA的CompactRIO平臺，極大地縮短了首次原型化的時(shí)間，并且減少了用來(lái)設計自定義硬件所需的時(shí)間和成本。此外，可以通過(guò)現實(shí)的I/O結果，在一個(gè)更高質(zhì)量的設計中進(jìn)行原型化——從而在其后的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)循環(huán)中避免代價(jià)昂貴的設計失誤。最后，在同一個(gè)軟件平臺貫穿從設計到原型到最終發(fā)布目標的全過(guò)程，可以最大化地重復使用代碼，并為最后的發(fā)布降低轉換的復雜度。因此，借助LabVIEW，用戶(hù)可以擁有一個(gè)從設計、原型到發(fā)布至嵌入式系統的完整圖形化平臺。