虛擬儀器：開(kāi)放架構基礎上創(chuàng )建用戶(hù)定義

隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展、上市時(shí)間縮短，要求工程師和科學(xué)家對業(yè)界挑戰作出更快速、高效的回應。虛擬儀器概念的開(kāi)發(fā)是電腦的日益普及和產(chǎn)業(yè)與研究領(lǐng)域競爭性增強的產(chǎn)物。本文說(shuō)明虛擬儀器的概念，及其在提高產(chǎn)能、精確度和性能方面的優(yōu)勢。

虛擬儀器主要由裝備了強大應用軟件、PC即插即用板之類(lèi)的高性?xún)r(jià)比硬件和驅動(dòng)軟件的計算機組成，這些配備能夠在測試和自動(dòng)控制方面提供比傳統儀器更強的功能。虛擬儀器代表了以傳統硬件為主的儀器系統向以軟件為主的系統的根本性轉移，它能充分發(fā)揮現代計算機強大的計算能力、產(chǎn)能、顯示能力和連接能力。雖然電腦和集成電路技術(shù)在過(guò)去二十年里有了長(cháng)足的進(jìn)步，但是是軟件在這些強大的硬件架構上建立起了虛擬儀器，并提供了更好的革新方式，極大地降低了成本。工程師和科學(xué)家可以利用虛擬儀器建立能夠完全符合他們要求的(用戶(hù)定義)測試和自動(dòng)控制系統，而不再受傳統固定功能儀器(供應商定義)的限制。

與傳統儀器的對比

像示波器和波形發(fā)生器這樣的單個(gè)獨立的傳統儀器有著(zhù)非常強大的功能，但價(jià)格也比較昂貴，主要設計用于執行一個(gè)或多個(gè)供應商定義好的特殊任務(wù)。用戶(hù)一般不能進(jìn)行擴展或定制。儀器上的旋鈕、按鍵、內置電路以及用戶(hù)可用的功能都非常明確。另外，開(kāi)發(fā)這些儀器必須使用許多專(zhuān)業(yè)技術(shù)和昂貴的元件，因此這些傳統儀器價(jià)格非常高，普及速度比較慢。

而基于電腦的虛擬儀器具有能夠充分利用現有電腦中集成的最新技術(shù)的優(yōu)勢。這些技術(shù)和性能上的優(yōu)勢包括P4這樣功能強大的處理器、微軟的Windows XP、.NET和蘋(píng)果Mac OS X等操作系統和技術(shù)等。除了整合有強大的性能外，這些平臺也非常容易訪(fǎng)問(wèn)因特網(wǎng)等強大的工具。傳統儀器還經(jīng)常缺少便攜性，而運行在筆記本上的虛擬儀器則自動(dòng)整合了便攜特性。

對于那些要求、應用和需求改變非?？斓墓こ處熀涂茖W(xué)家來(lái)說(shuō)，需要很大的靈活性來(lái)創(chuàng )建他們自己的解決方案。他們可以采用虛擬儀器來(lái)滿(mǎn)足他們的特殊要求，而且無(wú)需替換整個(gè)設備，因為安裝在電腦上的各種應用軟件和即插即用硬件俯拾皆是。以模塊化方式定義系統的靈活性可以使工程師和科學(xué)家真正遠離昂貴的供應商定義的系統。

利用虛擬儀器解決方案可以降低資本費用、系統開(kāi)發(fā)成本和系統維護成本，同時(shí)加快產(chǎn)品上市時(shí)間和提高自己產(chǎn)品的質(zhì)量。虛擬儀器能讓用戶(hù)為他們的“需求”付費，而不再為從供應商定義系統被動(dòng)“獲得的東西”而付費。

虛擬儀器中的軟件

軟件是虛擬儀器中最重要的組成部分。工程師和科學(xué)家通過(guò)合適的軟件工具設計和集成某個(gè)特殊過(guò)程所需的例程就能夠有效地創(chuàng )建他們自己的應用程序。他們還可以創(chuàng )建正確的能夠完全滿(mǎn)足應用目的和交互使用要求的用戶(hù)接口。他們可以定義應用軟件如何和何時(shí)從設備獲取數據、如何處理或分析數據、管理和存儲數據以及將結果呈現給用戶(hù)。

他們還可以利用功能強大的軟件在儀器中創(chuàng )建智能和決策能力。軟件所具有的另外一個(gè)重要優(yōu)勢是模塊化特性。在處理大型項目時(shí)，工程師和科學(xué)家可以將整個(gè)項目分成多個(gè)較易解決的功能性單元。這些子任務(wù)將更容易管理，更容易測試，從而減少了可能引起預料外行為的可能性。

虛擬儀器并不局限于一臺獨立的電腦。事實(shí)上，隨著(zhù)近來(lái)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和因特網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，儀器使用強大的互連功能進(jìn)行任務(wù)的分配將越來(lái)越普遍。典型例子包括超級計算機、分布式監控和控制設備以及來(lái)自不同地理位置的數據或結果可視化。

國家儀器公司(NI)作為虛擬儀器的先驅推出了圖形化編程環(huán)境LabVIEW。LabVIEW提供了一個(gè)易于使用的專(zhuān)門(mén)設計以滿(mǎn)足工程師和科學(xué)家需求的應用開(kāi)發(fā)環(huán)境，是虛擬儀器內集成的一個(gè)組成部分。

圖1. LabVIEW虛擬儀器前面板

圖形化編程

圖形化編程環(huán)境是LabVIEW向工程師和科學(xué)家提供的強大性能之一。用戶(hù)可以利用LabVIEW定制設計虛擬儀器，在計算機屏幕上創(chuàng )建圖形化用戶(hù)接口，并通過(guò)這個(gè)接口操作儀器程序、控制選中的硬件、分析捕獲的數據并顯示結果。

用戶(hù)還可以用旋鈕、按鍵、撥號器和圖形等元件定制虛擬儀器的面板來(lái)模擬傳統儀器的控制面板、創(chuàng )建定制的測試面板或以可視化的方式表達控制和操作過(guò)程。標準流程圖和圖形化程序之間的相似性縮短了與基于文本的傳統語(yǔ)言相關(guān)的學(xué)習過(guò)程。