虛擬儀器已成為測試測量行業(yè)的主流

　　自二十世紀八十年代中期以來(lái)，虛擬儀器技術(shù)已結合了模塊化硬件、開(kāi)發(fā)軟件和PC技術(shù)，從而使用戶(hù)可通過(guò)軟件來(lái)建立自定義的儀器。軟件定義比廠(chǎng)商定義臺式儀器功能的方式有更大的靈活性，并且由于基于PC技術(shù)，所以能以更快的速度實(shí)現高級的功能。

　　如今在測試應用中使用虛擬儀器技術(shù)已成為主流。絕大多數測試行業(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)化測試設備)獨立用戶(hù)，美國國防部已在他們所推動(dòng)的綜合性?xún)x器中采用了基于軟件的儀器概念。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)能實(shí)時(shí)地配置儀器以實(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。”[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]。綜合性?xún)x器和虛擬儀器技術(shù)具有商業(yè)化硬件和軟件處理特性，把這兩者結合起來(lái)能建立用戶(hù)自定義的儀器。


圖1 用戶(hù)定義的虛擬儀器技術(shù)和廠(chǎng)商定義的傳統儀器比較

　　目前，數千家大型的公司已經(jīng)開(kāi)始使用虛擬儀器技術(shù)。僅在生產(chǎn)檢測中，象Lexmark, Motorola, Delphi, ABB和Philips這些行業(yè)領(lǐng)導者已在關(guān)鍵性項目、大規模產(chǎn)品檢測應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)中的機器控制，甚至是核反應堆的控制。

　　傳統儀器和革新者的難題

　　正如Clayton Christensen在同名的書(shū)中所描述的，傳統儀器在此同時(shí)會(huì )遭遇“革新者的難題”。Christensen是這樣描述這一現象的：新的具有突破性的技術(shù)會(huì )改變市場(chǎng)的前景并最終推翻市場(chǎng)領(lǐng)導者的地位。事實(shí)上，Christensen認為在市場(chǎng)領(lǐng)導者的地位被新技術(shù)推翻后就很難再領(lǐng)導市場(chǎng)了。在測試和測量領(lǐng)域中，傳統儀器通過(guò)使用已有的架構來(lái)提高測量的性能并沿著(zhù)這樣方向不斷進(jìn)行革新。而在虛擬儀器技術(shù)出現的早期，由于它的測量性能比較低，因此在這種情況下，這些突破性技術(shù)對于傳統儀器廠(chǎng)商并沒(méi)有帶來(lái)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。然而到了二十世紀八十年代的晚期和九十年代的早期，虛擬儀器技術(shù)開(kāi)始應用于需要靈活性的測量中，而這些應用通過(guò)傳統的方式是無(wú)法實(shí)現的。到了九十年代末和二十一世紀，隨著(zhù)PC處理器和商業(yè)化半導體的性能和精度的進(jìn)一步提高，虛擬儀器技術(shù)的測量性能已比原來(lái)提高了許多?，F在，虛擬儀器技術(shù)可以和傳統儀器的測量性能相當，甚至超過(guò)它們，而且還具有更高的數據傳輸率、靈活性、可擴展性以及更低的系統成本。

　　為了證明在消費品市場(chǎng)中“革新者難題”這一原則，我們可以比較一下MP3和傳統播放媒介，如CD。開(kāi)始的時(shí)候傳統音頻設備制造商并沒(méi)有意識到MP3播放器的威脅——畢竟MP3降低了聲音的質(zhì)量，并且在播放時(shí)您還需要PC和專(zhuān)門(mén)的軟件。而另一方面，CD播放器則容易使用并有專(zhuān)門(mén)的操作接口(按鈕和旋鈕)。然而由于MP3具有易于共享和便于攜帶的優(yōu)勢，所以盡管它有缺點(diǎn)，在誕生初期仍然被一些用戶(hù)所推崇。隨著(zhù)時(shí)間的推移，MP3的質(zhì)量已經(jīng)可以接受并且播放MP3的軟件也有了極大的發(fā)展?，F在MP3已成為了主流，并且對傳統的音頻記錄和播放行業(yè)造成了巨大的威脅。盡管許多傳統的播放器廠(chǎng)商最終通過(guò)開(kāi)發(fā)出具有MP3功能的播放器以轉向采用這一突破性技術(shù)(近來(lái)Sony推出了MP3 Walkman)，但是新的市場(chǎng)已被先推出MP3技術(shù)的公司所領(lǐng)導。例如，Apple已占據了基于硬盤(pán)音樂(lè )播放器銷(xiāo)售量的82%[NPD，2004年8月]。

　　在測試測量市場(chǎng)，行業(yè)領(lǐng)導者安捷倫已同樣開(kāi)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?xún)x器”以及能兼容PXI的任意波形發(fā)生器，而PXI是工業(yè)標準的虛擬儀器技術(shù)平臺。近來(lái)安捷倫 的John Stratton也表示支持軟件定義的綜合性?xún)x器概念：“和目前標準的采用機架解決方案相比，另一種方案是使用綜合性?xún)x器。綜合性?xún)x器采用軟件算法和硬件模塊來(lái)代替分離的測試單元。”[軍事和航空電子，2004年6月]。在最近召開(kāi)的投資者大會(huì )上，安捷倫的首席運營(yíng)官Bill Sullivan提出，“轉向使用基于軟件配置的模塊化儀器，能讓用戶(hù)輕松地進(jìn)行重復配置和重復使用，這將是測試和測量未來(lái)的發(fā)展方向”。

　　PC性能不斷革新并降低了成本

　　在過(guò)去二十年里，PC的性能已提高了10,000倍，其它任何商業(yè)化技術(shù)都不曾有過(guò)這樣高的性能增長(cháng)。由于虛擬儀器技術(shù)采用PC處理器來(lái)進(jìn)行測量分析，每次隨著(zhù)新一代PC處理器的出現，使用虛擬儀器技術(shù)就可以實(shí)現新的應用。例如，目前的3 GHz PC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。使用1990年的PC(Intel 386/16)，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。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]。

　　與此同時(shí)，硬盤(pán)、顯示和總線(xiàn)帶寬也有類(lèi)似的性能提高。新一代的高速PC總線(xiàn)PCI Express能提供的帶寬高達3.2 GBytes/s，從而可以利用PC架構來(lái)實(shí)現超高帶寬的測量。某些廠(chǎng)商聲稱(chēng)高速內部總線(xiàn)將會(huì )讓位給如以太網(wǎng)和USB這樣的外部總線(xiàn)。盡管毋庸置疑這些外部總線(xiàn)適合某些特定的應用需求(如以太網(wǎng)適用于分布系統而USB易于進(jìn)行桌面連接)，但是同樣也有高速的數據傳輸速率需求。例如，一個(gè)100 MS/s的14位IF數字化儀能生成200MB/s的數據，這將高于千兆以太網(wǎng)的80MB/s帶寬?；谶@樣的原因，您不會(huì )在市場(chǎng)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)接口和其它外設是通過(guò)PCI Express和CPU相連。虛擬儀器技術(shù)的基于軟件的方式可以在應用軟件中對總線(xiàn)進(jìn)行抽象，從而利用所有這些總線(xiàn)——PCI，PCI Express，USB和以太網(wǎng)。


圖2 商業(yè)化半導體技術(shù)保證了虛擬儀器技術(shù)數字化能力的快速提高圖形化的系統設計軟件

　　許多傳統儀器廠(chǎng)商采用在儀器中嵌入PC的方式來(lái)解決這一問(wèn)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(guò)內部總線(xiàn)和儀器盒相連的標準PC主板。然而，這種方式就損失了PC技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢——一是像Dell這種桌面PC廠(chǎng)商的規模經(jīng)濟優(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。大多數示波器的使用壽命為5到20年，而一臺用了20年的PC早已沒(méi)有了使用價(jià)值。此外，如圖1所示，這些設備的功能還基本上是由廠(chǎng)商定義的——用戶(hù)無(wú)法利用設備中的固件來(lái)自定義測量的功能。

　　不斷提高的商業(yè)化A/D和D/A轉換器

　　虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)動(dòng)力是出現了高性能、低成本的A/D和D/A轉換器。移動(dòng)電話(huà)和數字音頻等應用不斷地推動(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(zhuān)用的轉換器技術(shù)則發(fā)展得非常慢。它們的性能提高如圖2所示。

　　最后，由于能提供直觀(guān)的界面來(lái)設計定制的儀器系統，系統設計軟件也推動(dòng)了虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。Christensen在他的書(shū)中指出，新的突破性革新可以使開(kāi)發(fā)設備的過(guò)程不再需要“專(zhuān)家”。在傳統的構架中，需要專(zhuān)家來(lái)開(kāi)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(hù)是公開(kāi)的，用戶(hù)可以自己定義他們的儀器。

　　LabVIEW 就是這樣的軟件。LabVIEW 采用圖形化的數據流語(yǔ)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據表進(jìn)行財務(wù)分析一樣——它能讓每個(gè)計算機用戶(hù)建立強大的財務(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設計專(zhuān)家。

　　用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行系統設計的前景

　　虛擬儀器技術(shù)不斷地擴展其功能及應用范圍?，F在LabVIEW 不僅能在PC上開(kāi)發(fā)測試程序，而且可以在嵌入式處理器和FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)上設計硬件。這一技術(shù)也將最終提供這樣的一個(gè)獨立環(huán)境，使用戶(hù)可以從設計測試系統到定義硬件的功能，如圖3所示。測試工程師將能使用合適的功能來(lái)進(jìn)行系統級的設計。當他們需要定義專(zhuān)門(mén)的測量功能時(shí)，他們也將可以用同樣的軟件工具來(lái)“細化”到合適的級別以定義測量的功能。例如，工程師可以開(kāi)發(fā)LabVIEW 程序來(lái)使用模塊化儀器進(jìn)行某些測量，如DC電壓和上升時(shí)間。當工程師需要開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的測量時(shí)，他們也可以使用LabVIEW 對原始的測量數據進(jìn)行分析，從而開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)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(lái)實(shí)現測量，如定制的觸發(fā)，那么他們可以用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。


圖3：通過(guò)簡(jiǎn)單的系統設計工具將測試系統的設計擴展到硬件

　　虛擬儀器技術(shù)已成為主流

　　虛擬儀器技術(shù)的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應用中它已成為傳統儀器的主要替代方式。隨著(zhù)PC、半導體和軟件功能的進(jìn)一步更新，未來(lái)虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展將為測試系統的設計提供一個(gè)極佳的模式，并且使工程師們在測量和控制方面得到無(wú)以倫比的強大功能和靈活性。