摘 要：論述決定虛擬儀器技術(shù)成功的關(guān)鍵因素和它的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；測試；測試系統(tǒng)；軟件
如今在測試應(yīng)用中使用虛擬儀器技術(shù)已成為主流。絕大多數(shù)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)。例如，具有代表性的美國軍方雖然不是技術(shù)趨勢的領(lǐng)導(dǎo)者，但也在廣泛地使用虛擬儀器技術(shù)。作為世界上最大的ATE(自動(dòng)化測試設(shè)備)獨(dú)立用戶，美國國防部已在他們所推動(dòng)的綜合性儀器中采用了基于軟件的儀器概念。目前，數(shù)千家大型的公司已經(jīng)開始使用虛擬儀器技術(shù)。僅在生產(chǎn)檢測中，象Lexmark,Motorola,Delphi,ABB和Phillips這些行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者已在關(guān)鍵性項(xiàng)目、大規(guī)模產(chǎn)品檢測應(yīng)用中使用虛擬儀器技術(shù)的硬件和軟件。而在工業(yè)領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)已被用于自動(dòng)化、石油鉆探和提煉、生產(chǎn)中的機(jī)器控制，甚至是核反應(yīng)堆的控制。?
1革新者的難題
在測試和測量領(lǐng)域中，傳統(tǒng)儀器通過使用已有的架構(gòu)來提高測量的性能并沿著這樣方向不斷革新。而在虛擬儀器技術(shù)出現(xiàn)的早期，由于它的測量性能比較低，對傳統(tǒng)儀器廠商并沒有帶來多大威脅，所以，他們很大程度上忽視了虛擬儀器技術(shù)的存在。然而到了二十世紀(jì)八十年代的晚期和九十年代的早期，虛擬儀器技術(shù)開始應(yīng)用于需要靈活性的測量中，而這些應(yīng)用通過傳統(tǒng)的方式是無法實(shí)現(xiàn)的。到了九十年代末和二十一世紀(jì)，隨著PC處理器和商業(yè)化半導(dǎo)體的性能和精度的進(jìn)一步提高，虛擬儀器技術(shù)的測量性能比原來提高了許多。現(xiàn)在，虛擬儀器技術(shù)已可以和傳統(tǒng)儀器的測量性能相當(dāng)，甚至超過它們，而且還具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率、靈活性、可擴(kuò)展性以及更低的系統(tǒng)成本。
測試測量行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者安捷倫已開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“綜合性儀器”以及能兼容PXI的任意波形發(fā)生器，而PXI是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器技術(shù)平臺。近來安捷倫的John Stratton也表示支持軟件定義的綜合性儀器概念：“和目前標(biāo)準(zhǔn)的采用機(jī)架解決方案相比，另一種方案是使用綜合性儀器。綜合性儀器采用軟件算法和硬件模塊來代替分離的測試單元。”在最近召開的投資者大會(huì)上，安捷倫的首席運(yùn)營官Bill Sullivan提出，“轉(zhuǎn)向使用基于軟件配置的模塊化儀器，能讓用戶輕松地進(jìn)行重復(fù)配置和重復(fù)使用，這將是測試和測量未來的發(fā)展方向”。?
2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(tǒng)提供了新的方式，從而影響了傳統(tǒng)儀器市場。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(gòu)，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(dǎo)體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，以及引入了系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件能使廣大用戶建立虛擬儀器技術(shù)系統(tǒng)。
2.1PC性能不斷革新并降低了成本
在過去二十年里，PC的性能已提高了10，000倍，其他任何商業(yè)化技術(shù)都不曾有過這樣高的性能增長。由于虛擬儀器技術(shù)采用PC處理器來進(jìn)行測量分析，隨著新一代PC處理器的出現(xiàn)，使用虛擬儀器技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。例如，目前的3GHz PC可用來進(jìn)行復(fù)雜的頻域和調(diào)制分析以用于通信測試應(yīng)用。使用1990年的PC(Intel 386/16)，65，000個(gè)點(diǎn)的FFT(用于頻譜分析的基本測量)需要1100s。而現(xiàn)在使用3.4GHz?的P4計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)相同的FFT只需要約0 .8s。與此同時(shí)，硬盤、顯示和總線帶寬也有類似的性能提高。新一代的高速PC總線PCI Express能提供的帶寬高達(dá)3.2GBytes/s，從而可以利用PC架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)超高帶寬的測量。某些廠商聲稱高速內(nèi)部總線將會(huì)讓位給如以太網(wǎng)和USB這樣的外部總線。毋庸置疑，這些外部總線適合某些特定的應(yīng)用需求(如以太網(wǎng)適用于分布系統(tǒng)，而USB易于進(jìn)行桌面連接)，但是，同樣也有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率需求。例如，一個(gè)100MS/s的14位IF數(shù)字化儀能生成200MB/s的數(shù)據(jù)，這將高于千兆以太網(wǎng)的80MB/s帶寬。基于這樣的原因，您不會(huì)在市場上看到有任何以太網(wǎng)的視頻卡；甚至是千兆的網(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(shè)是通過PCI Express和CPU相連的。虛擬儀器技術(shù)的基于軟件的方式可以在應(yīng)用軟件中對總線進(jìn)行抽象，從而利用所有這些總線——PCI，PCI Express,USB和以太網(wǎng)。許多傳統(tǒng)儀器廠商采用在儀器中嵌入PC的方式來解決這一問題。這些儀器通常有一個(gè)嵌入式儀器處理器和一個(gè)通過內(nèi)部總線和儀器盒相連的標(biāo)準(zhǔn)PC主板。然而，這種方式損失了PC技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢——一是像Dell這種桌面PC廠商的規(guī)模經(jīng)濟(jì)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。此外，如圖1，這些設(shè)備的功能是由廠商定義的，用戶無法利用設(shè)備中的固件來自定義測量的功能。
2.2使工程師和科研人員獲得更多的技術(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。一般而言，我們的專業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)知識最初是在學(xué)校里得到的。最近，在Vanderbilt大學(xué)的Lason L.Watai進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查中，學(xué)生們都同意這樣的論斷，“和傳統(tǒng)的桌面儀器相比，基于計(jì)算機(jī)的儀器更友好和更易于使用。” 抽樣人數(shù)N=77個(gè)學(xué)生(評分等級：1=極度不同意；2=不同意；3=部分同意；4=同意；5=極度同意)，學(xué)生的平均答案為4.05。總體而言，采用基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器技術(shù)能得到更多的技術(shù)知識和編程技巧。
2.3不斷提高的商業(yè)化A/D和D/A轉(zhuǎn)換器
虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)動(dòng)力是出現(xiàn)了高性能、低成本的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。移動(dòng)電話和數(shù)字音頻等應(yīng)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——每18個(gè)月性能提高兩倍——而專用的轉(zhuǎn)換器技術(shù)而發(fā)展得非常慢。商業(yè)化半導(dǎo)體技術(shù)保證了虛擬儀器技術(shù)數(shù)字化能力的快速提高。
2.4圖形化的系統(tǒng)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件也推動(dòng)了虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。在傳統(tǒng)的構(gòu)架中，需要專家來開發(fā)封閉的儀器功能和算法；而對于虛擬儀器技術(shù)，算法對于用戶是公開的，用戶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(shù)據(jù)流語言，它能為工程師和科研人員提供非常熟悉的界面——程序框圖。LabVIEW的工作就像用電子數(shù)據(jù)表進(jìn)行財(cái)務(wù)分析一樣——它能讓每個(gè)計(jì)算機(jī)用戶建立強(qiáng)大的財(cái)務(wù)模型。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(tǒng)設(shè)計(jì)專家。
3用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前景
虛擬儀器技術(shù)不斷地?cái)U(kuò)展其功能及應(yīng)用范圍。現(xiàn)在LabVIEW不僅能在PC上開發(fā)測試程序，而且可以在嵌入式處理器和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)上設(shè)計(jì)硬件。這一技術(shù)也將最終提供這樣的一個(gè)獨(dú)立環(huán)境，使用戶可以從設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)到定義硬件的功能，如圖2所示。測試工程師將能使用合適的功能來進(jìn)行系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)。當(dāng)他們需要定義專門的測量功能時(shí)，可以用同樣的軟件工具來“細(xì)化”到合適的級別以定義測量的功能。例如，可以開發(fā)LabVIEW程序來使用模塊化儀器進(jìn)行某些測量，如DC電壓和上升時(shí)間。當(dāng)需要開發(fā)專門的測量時(shí)，他們也可以使用LabVIEW對原始的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而開發(fā)出專門的測量，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實(shí)現(xiàn)測量，如定制的觸發(fā)，那么可以用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)的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。隨著PC、半導(dǎo)體和軟件功能的進(jìn)一步更新，未來虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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無以倫比的強(qiáng)大功能和靈活性。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；測試；測試系統(tǒng)；軟件
如今在測試應(yīng)用中使用虛擬儀器技術(shù)已成為主流。絕大多數(shù)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)。例如，具有代表性的美國軍方雖然不是技術(shù)趨勢的領(lǐng)導(dǎo)者，但也在廣泛地使用虛擬儀器技術(shù)。作為世界上最大的ATE(自動(dòng)化測試設(shè)備)獨(dú)立用戶，美國國防部已在他們所推動(dòng)的綜合性儀器中采用了基于軟件的儀器概念。目前，數(shù)千家大型的公司已經(jīng)開始使用虛擬儀器技術(shù)。僅在生產(chǎn)檢測中，象Lexmark,Motorola,Delphi,ABB和Phillips這些行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者已在關(guān)鍵性項(xiàng)目、大規(guī)模產(chǎn)品檢測應(yīng)用中使用虛擬儀器技術(shù)的硬件和軟件。而在工業(yè)領(lǐng)域，虛擬儀器技術(shù)已被用于自動(dòng)化、石油鉆探和提煉、生產(chǎn)中的機(jī)器控制，甚至是核反應(yīng)堆的控制。?
1革新者的難題
在測試和測量領(lǐng)域中，傳統(tǒng)儀器通過使用已有的架構(gòu)來提高測量的性能并沿著這樣方向不斷革新。而在虛擬儀器技術(shù)出現(xiàn)的早期，由于它的測量性能比較低，對傳統(tǒng)儀器廠商并沒有帶來多大威脅，所以，他們很大程度上忽視了虛擬儀器技術(shù)的存在。然而到了二十世紀(jì)八十年代的晚期和九十年代的早期，虛擬儀器技術(shù)開始應(yīng)用于需要靈活性的測量中，而這些應(yīng)用通過傳統(tǒng)的方式是無法實(shí)現(xiàn)的。到了九十年代末和二十一世紀(jì)，隨著PC處理器和商業(yè)化半導(dǎo)體的性能和精度的進(jìn)一步提高，虛擬儀器技術(shù)的測量性能比原來提高了許多。現(xiàn)在，虛擬儀器技術(shù)已可以和傳統(tǒng)儀器的測量性能相當(dāng)，甚至超過它們，而且還具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率、靈活性、可擴(kuò)展性以及更低的系統(tǒng)成本。
測試測量行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者安捷倫已開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“綜合性儀器”以及能兼容PXI的任意波形發(fā)生器，而PXI是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器技術(shù)平臺。近來安捷倫的John Stratton也表示支持軟件定義的綜合性儀器概念：“和目前標(biāo)準(zhǔn)的采用機(jī)架解決方案相比，另一種方案是使用綜合性儀器。綜合性儀器采用軟件算法和硬件模塊來代替分離的測試單元。”在最近召開的投資者大會(huì)上，安捷倫的首席運(yùn)營官Bill Sullivan提出，“轉(zhuǎn)向使用基于軟件配置的模塊化儀器，能讓用戶輕松地進(jìn)行重復(fù)配置和重復(fù)使用，這將是測試和測量未來的發(fā)展方向”。?
2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(tǒng)提供了新的方式，從而影響了傳統(tǒng)儀器市場。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(gòu)，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(dǎo)體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，以及引入了系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件能使廣大用戶建立虛擬儀器技術(shù)系統(tǒng)。
2.1PC性能不斷革新并降低了成本
在過去二十年里，PC的性能已提高了10，000倍，其他任何商業(yè)化技術(shù)都不曾有過這樣高的性能增長。由于虛擬儀器技術(shù)采用PC處理器來進(jìn)行測量分析，隨著新一代PC處理器的出現(xiàn)，使用虛擬儀器技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。例如，目前的3GHz PC可用來進(jìn)行復(fù)雜的頻域和調(diào)制分析以用于通信測試應(yīng)用。使用1990年的PC(Intel 386/16)，65，000個(gè)點(diǎn)的FFT(用于頻譜分析的基本測量)需要1100s。而現(xiàn)在使用3.4GHz?的P4計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)相同的FFT只需要約0 .8s。與此同時(shí)，硬盤、顯示和總線帶寬也有類似的性能提高。新一代的高速PC總線PCI Express能提供的帶寬高達(dá)3.2GBytes/s，從而可以利用PC架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)超高帶寬的測量。某些廠商聲稱高速內(nèi)部總線將會(huì)讓位給如以太網(wǎng)和USB這樣的外部總線。毋庸置疑，這些外部總線適合某些特定的應(yīng)用需求(如以太網(wǎng)適用于分布系統(tǒng)，而USB易于進(jìn)行桌面連接)，但是，同樣也有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率需求。例如，一個(gè)100MS/s的14位IF數(shù)字化儀能生成200MB/s的數(shù)據(jù)，這將高于千兆以太網(wǎng)的80MB/s帶寬。基于這樣的原因，您不會(huì)在市場上看到有任何以太網(wǎng)的視頻卡；甚至是千兆的網(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(shè)是通過PCI Express和CPU相連的。虛擬儀器技術(shù)的基于軟件的方式可以在應(yīng)用軟件中對總線進(jìn)行抽象，從而利用所有這些總線——PCI，PCI Express,USB和以太網(wǎng)。許多傳統(tǒng)儀器廠商采用在儀器中嵌入PC的方式來解決這一問題。這些儀器通常有一個(gè)嵌入式儀器處理器和一個(gè)通過內(nèi)部總線和儀器盒相連的標(biāo)準(zhǔn)PC主板。然而，這種方式損失了PC技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢——一是像Dell這種桌面PC廠商的規(guī)模經(jīng)濟(jì)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。此外，如圖1，這些設(shè)備的功能是由廠商定義的，用戶無法利用設(shè)備中的固件來自定義測量的功能。
2.2使工程師和科研人員獲得更多的技術(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。一般而言，我們的專業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)知識最初是在學(xué)校里得到的。最近，在Vanderbilt大學(xué)的Lason L.Watai進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查中，學(xué)生們都同意這樣的論斷，“和傳統(tǒng)的桌面儀器相比，基于計(jì)算機(jī)的儀器更友好和更易于使用。” 抽樣人數(shù)N=77個(gè)學(xué)生(評分等級：1=極度不同意；2=不同意；3=部分同意；4=同意；5=極度同意)，學(xué)生的平均答案為4.05。總體而言，采用基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器技術(shù)能得到更多的技術(shù)知識和編程技巧。
2.3不斷提高的商業(yè)化A/D和D/A轉(zhuǎn)換器
虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)動(dòng)力是出現(xiàn)了高性能、低成本的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。移動(dòng)電話和數(shù)字音頻等應(yīng)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——每18個(gè)月性能提高兩倍——而專用的轉(zhuǎn)換器技術(shù)而發(fā)展得非常慢。商業(yè)化半導(dǎo)體技術(shù)保證了虛擬儀器技術(shù)數(shù)字化能力的快速提高。
2.4圖形化的系統(tǒng)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件也推動(dòng)了虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。在傳統(tǒng)的構(gòu)架中，需要專家來開發(fā)封閉的儀器功能和算法；而對于虛擬儀器技術(shù)，算法對于用戶是公開的，用戶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(shù)據(jù)流語言，它能為工程師和科研人員提供非常熟悉的界面——程序框圖。LabVIEW的工作就像用電子數(shù)據(jù)表進(jìn)行財(cái)務(wù)分析一樣——它能讓每個(gè)計(jì)算機(jī)用戶建立強(qiáng)大的財(cái)務(wù)模型。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(tǒng)設(shè)計(jì)專家。
3用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前景
虛擬儀器技術(shù)不斷地?cái)U(kuò)展其功能及應(yīng)用范圍。現(xiàn)在LabVIEW不僅能在PC上開發(fā)測試程序，而且可以在嵌入式處理器和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)上設(shè)計(jì)硬件。這一技術(shù)也將最終提供這樣的一個(gè)獨(dú)立環(huán)境，使用戶可以從設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)到定義硬件的功能，如圖2所示。測試工程師將能使用合適的功能來進(jìn)行系統(tǒng)級的設(shè)計(jì)。當(dāng)他們需要定義專門的測量功能時(shí)，可以用同樣的軟件工具來“細(xì)化”到合適的級別以定義測量的功能。例如，可以開發(fā)LabVIEW程序來使用模塊化儀器進(jìn)行某些測量，如DC電壓和上升時(shí)間。當(dāng)需要開發(fā)專門的測量時(shí)，他們也可以使用LabVIEW對原始的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而開發(fā)出專門的測量，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實(shí)現(xiàn)測量，如定制的觸發(fā)，那么可以用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)的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。隨著PC、半導(dǎo)體和軟件功能的進(jìn)一步更新，未來虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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無以倫比的強(qiáng)大功能和靈活性。
