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(自動化測試設(shè)備)獨(dú)立用戶，美國國防部已在他們所推動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嵌入式儀器處理器和一個通過內(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)才能已成為個人立足于社會的基本能力。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)展的另一個動力是出現(xiàn)了高性能、低成本的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。移動電話和數(shù)字音頻等應(yīng)用不斷地推動這些技術(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(自動化測試設(shè)備)獨(dú)立用戶，美國國防部已在他們所推動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嵌入式儀器處理器和一個通過內(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)才能已成為個人立足于社會的基本能力。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)展的另一個動力是出現(xiàn)了高性能、低成本的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。移動電話和數(shù)字音頻等應(yīng)用不斷地推動這些技術(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。
