虛擬儀器與傳統儀器間的關(guān)系

多年來(lái)，虛擬儀器的概念已經(jīng)被更多的科學(xué)家和工程師及院校的師生所熟知。虛擬儀器已經(jīng)廣泛的應用在數據采集、儀器控制、工業(yè)過(guò)程監控和實(shí)驗室自動(dòng)化測量領(lǐng)域。

虛擬儀器是實(shí)實(shí)在在的電子測量?jì)x器，虛擬的含義主要體現在將儀器的部分硬件功能及數據分析處理功能以軟件的形式被虛擬化。這與網(wǎng)絡(luò )世界中虛擬的概念是完全不同的，網(wǎng)絡(luò )世界中的虛擬表現出的是一種不存在的虛幻。

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1.5.1 虛擬儀器會(huì )取代傳統儀器嗎？

如何看待虛擬儀器，它與傳統儀器間會(huì )有什么不同之處？它會(huì )取代傳統儀器嗎？

正像當年數字式儀表剛剛出現時(shí)，也曾有過(guò)類(lèi)似的問(wèn)題提出：數字式儀表會(huì )取代模擬式儀表嗎？當時(shí)可謂是眾說(shuō)紛紜，看法不一?？墒?，直到今天數字式儀表也未能 完全取代模擬式儀表。但是，數字化肯定是儀器儀表的發(fā)展趨勢。比如：民用電度表、手機、電視、照相機等都已經(jīng)實(shí)現數字化了！

可以說(shuō)，在未來(lái)相當長(cháng)的一段時(shí)間內，虛擬儀器還不會(huì )取代傳統儀器，因為它們有各自的特點(diǎn)和各自的優(yōu)勢。
不管未來(lái)會(huì )發(fā)生什么樣的變化，現在還是一起來(lái)看看虛擬儀器和傳統儀器間的差別，參見(jiàn)表1－1。

傳統儀器的發(fā)展已經(jīng)近百年了，虛擬儀器的出現不過(guò)才短短的二十多年。正是由于它們之間存在著(zhù)各自不同的特點(diǎn)和特性，所以目前還不存在著(zhù)將來(lái)誰(shuí)取代誰(shuí)的問(wèn)題。未來(lái)，它們之間的關(guān)系仍舊是良好的一種互補關(guān)系。

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1.5.2 模擬電子技術(shù)仍主導著(zhù)虛擬儀器的未來(lái)

在此之前，我們一直強調虛擬儀器是基于計算機的測量?jì)x器，軟件在虛擬儀器中起著(zhù)重要作用。的確如此，但是也千萬(wàn)不要忽視這樣一個(gè)基本事實(shí)：模擬電子技術(shù)在虛擬儀器硬件（IC）中也同樣承擔的非常非常重要的作用。

虛擬儀器的測量原理是基于數據采集模塊，而數據采集模塊中最核心部件就是模數轉換器?？梢哉f(shuō)，模數轉換器的特性決定了數據采集模塊的特性，而數據采集卡的特性決定了整個(gè)測量?jì)x器的基本特性。
工業(yè)自動(dòng)化測量需要的是定量測量，測量結果的準確與否直接與模數轉換器的基本特性有關(guān)。模數轉換器的溫度特性決定了數據采集模塊的使用環(huán)境，模數轉換器的 長(cháng)期穩定性決定了數據采集模塊校準周期。當然，模塊的設計者可以通過(guò)其它技術(shù)手段來(lái)保證數據采集模塊的技術(shù)性能。比如NI的數據采集模塊從E系列發(fā)展到M 系列，其技術(shù)性能的提升完全取決于模擬電子技術(shù)的進(jìn)步所致，其中包括了：高速16－18位模數轉換器、內置基準源的等設計手段。從而使M系列的數據采集模 塊校準周期定為2年。

筆者的一塊NI PXI 6251數據采集模塊，已經(jīng)使用了4年，最近對它測試表明其準確度還保持在出廠(chǎng)時(shí)的校準水平。

還有，C系列模塊的功能多樣性恰恰是由模數轉換器的多樣性所帶來(lái)的。

縱觀(guān)NI的數據采集模塊，絕大多數都是使用商品化的模數轉換IC。未來(lái)，只有模擬電子技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，才會(huì )給虛擬儀器的發(fā)展帶來(lái)更多的新機會(huì )。

正是NI公司在軟、硬件設計上具有個(gè)性鮮明的特點(diǎn)和連通性，才會(huì )使它成為虛擬儀器技術(shù)領(lǐng)域的權威專(zhuān)業(yè)制造商和領(lǐng)跑者。

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1.5.3 數字電子技術(shù)使得虛擬儀器設計更加靈活

數字電子技術(shù)的發(fā)展同樣影響著(zhù)虛擬儀器的性能，如：E系列6014模塊的計數器和定時(shí)器為：2個(gè) 24 bits 時(shí)鐘頻率20MHz；而M系列6251的則為：2個(gè)32 bits 時(shí)鐘頻率80 MHz；X系列6320的則為：4個(gè)32 bits 時(shí)鐘頻率100 MHz。在性能不斷提高的同時(shí)，價(jià)格和功耗確在不斷的下降，原因就是數字電子技術(shù)的不斷進(jìn)步所致。

特別是NI的板載FPGA技術(shù)推出，使得一些系統設計更加自主化、更加機動(dòng)靈活。我們知道，數據采集模塊的基本性能是確定性的，用戶(hù)只有按照確定性的要求 來(lái)選擇使用。當系統中一旦需要一些比較特殊的要求時(shí)，我們無(wú)能為力來(lái)改進(jìn)或解決。NI R系列模塊提供了某些解決辦法，這就是對FPGA進(jìn)行在線(xiàn)編程實(shí)現硬件設計的軟件化。

NI R系列多功能RIO設備具有每通道專(zhuān)用的模數轉換器(ADC)，可以實(shí)現獨立的定時(shí)和觸發(fā)。它提供超越典型數據采集硬件功能的多種專(zhuān)項功能，如：多速率采樣和單通道觸發(fā)。NI R系列模塊提供的可編程FPGA芯片，更適合板載處理和靈活的I/O操作。
NI R系列數字RIO設備和LabVIEW FPGA，允許我們配置自定義的硬件，滿(mǎn)足各種應用的需要，如：自定義數字數據采集、高速波形生成、傳感器仿真、硬件在環(huán)(HIL)測試、自定義數字通信協(xié)議、誤碼率測試以及其它要求精確定時(shí)和控制的應用程序。

我們可借助于NI LabVIEW FPGA模塊，配置各項功能。該程序框圖在硬件中運行, 有助于直接而及時(shí)地控制全部I/O信號, 實(shí)現各項優(yōu)越性能, 例如:
完全控制所有信號及操作的同步和定時(shí)
具有硬件定時(shí)的速度和可靠性的自定義板載決策
百余種可個(gè)別配置的數字線(xiàn), 如: 輸入、輸出、計數器/定時(shí)器、脈沖寬度調制(PWM)、靈活的編碼器輸入或專(zhuān)門(mén)的通信協(xié)議

對于FPGA的編程和設計，我們根本不用重新學(xué)習VHDL編程語(yǔ)言，在NI LabVIEW平臺下借助NI LabVIEW FPGA模塊就可以采用圖形編程的方法設計自己所需的硬件電路。這樣不僅大大減輕和緩解了學(xué)習和應用方面的壓力，同時(shí)還加快驗證和發(fā)布創(chuàng )新應用的速度。

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1.5.4 高端測量?jì)x器領(lǐng)域傳統儀器仍是主宰者

所謂高端測量?jì)x器是指那些使用在精密實(shí)驗室的測量?jì)x器，特別是校準實(shí)驗室。對這類(lèi)測量?jì)x器通常會(huì )有比較特殊的要求。比如儀器的本底噪聲要小、滿(mǎn)足電磁兼容 性的要求、使用環(huán)境溫度、濕度要保證在一定的范圍內等。所以精密實(shí)驗室的測量?jì)x器領(lǐng)域一直被傳統儀器所占據著(zhù)。比如8位半的數字電壓表、萬(wàn)用表，數GHz 的射頻信號發(fā)生器及分析儀等。

筆者認為：造成這樣的原因是多方面的：虛擬儀器是基于計算機的測量?jì)x器，而計算機總線(xiàn)上總是會(huì )存在著(zhù)一些噪聲，這對精密測試影響很大。相對而言，傳統儀器在設計上完全可以做到精雕細刻，力求盡善盡美，而虛擬儀器的設計很難做到這點(diǎn)。
另外，傳統的精密測量?jì)x器用的大多是線(xiàn)性（模擬）供電電源，而虛擬儀器大多由開(kāi)關(guān)電源供電。所以在抑制電源噪聲干擾方面傳統儀器的確要比虛擬儀器做得好些。

虛擬儀器在精密實(shí)驗室應用方面的優(yōu)勢還是通過(guò)儀器的接口總線(xiàn)（GPIB等）構成實(shí)驗室的自動(dòng)化測試系統。