虛擬儀器技術已成為測試測量行業(yè)的主流技術

虛擬儀器技術已成為測試測量行業(yè)的主流技術

自20世紀80年代中期以來，虛擬儀器技術已結合了模塊化硬件、開發(fā)軟件和PC技術，從而使用戶可通過軟件來建立自定義的儀器。軟件定義比廠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，所以能以更快的速度實現(xiàn)高級功能。
    ---虛擬儀器已經(jīng)成為目前測試應用中的主流技術，大多數(shù)測試行業(yè)已接受虛擬儀器技術的概念，或者傾向于采用虛擬儀器技術。綜合性儀器和虛擬儀器技術具有商業(yè)化硬件和軟件處理特性，把這兩者結合起來，便能建立用戶自定義的儀器。 
    傳統(tǒng)儀器和革新者的難題
    ---新的具有突破性的技術會改變市場的前景并最終推翻市場領導者的地位，換言之，傳統(tǒng)技術會遭遇“革新者的難題”。在測試和測量領域中，傳統(tǒng)儀器通過使用已有的架構來提高測量性能并沿著這樣方向不斷進行革新。而在虛擬儀器技術出現(xiàn)的早期，由于其測量性能比較低，并沒有對傳統(tǒng)儀器廠商帶來多大威脅，所以傳統(tǒng)廠商很大程度上忽視了虛擬儀器技術的存在。然而到了20世紀80年代的晚期和90年代的早期，虛擬儀器技術開始應用于需要靈活性的測量中，而這些應用通過傳統(tǒng)的方式是無法實現(xiàn)的。到了90年代末和21世紀，隨著PC處理器和商用半導體芯片的性能和精度的進一步提高，虛擬儀器技術的測量性能已比原來提高了許多�，F(xiàn)在，虛擬儀器技術可以和傳統(tǒng)儀器的測量性能相當，甚至超過它們，而且還具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率、靈活性、可擴展性以及更低的系統(tǒng)成本。
    ---在測試測量市場，行業(yè)領導者安捷倫已同樣開始采用虛擬儀器技術的概念。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)標準的虛擬儀器技術平臺。轉向使用基于軟件配置的模塊化儀器，能讓用戶輕松地進行重復配置和重復使用，這將是測試和測量未來的發(fā)展方向。
    虛擬儀器技術成功的關鍵
    ---虛擬儀器技術為建立測試系統(tǒng)提供了新的方式，從而影響了傳統(tǒng)儀器市場。虛擬儀器技術成功的關鍵在于利用了快速發(fā)展的PC架構，提高了工程師的技術能力，降低了成本，采用了高性能的半導體數(shù)據(jù)轉換器，以及引入了系統(tǒng)設計軟件，而系統(tǒng)設計軟件能使廣大用戶建立虛擬儀器技術系統(tǒng)。
    PC性能不斷革新并降低了成本

    ---在過去20年里，PC的性能已提高了10 000倍，其他任何商業(yè)化技術都不曾有過這樣高的性能增長。由于虛擬儀器技術采用PC處理器來進行測量分析，每次隨著新一代PC處理器的出現(xiàn)，使用虛擬儀器技術就可以實現(xiàn)新的應用。例如，目前的3GHz PC可用來進行復雜的頻域和調(diào)制分析。1990年采用386處理器的PC，進行65 000個點的FFT(快速傅里葉變換，用于頻譜分析的基本測量)需要1100秒。而現(xiàn)在使用3.4GHz的P4計算機實現(xiàn)相同的FFT只需要約0.8s。
    ---與此同時，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3.2GB/s，從而可以利用PC架構來實現(xiàn)超高帶寬的測量。某些廠商聲稱高速內(nèi)部總線將會讓位給以太網(wǎng)和USB這樣的外部總線。盡管這些外部總線適合某些特定的應用需求(如以太網(wǎng)適用于分布系統(tǒng)，而USB易于進行桌面連接)，但是同樣也有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率需求。例如，一個100MSPS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�；�于這樣的原因，用戶不會在市場看到有任何以太網(wǎng)的視頻卡，甚至千兆的網(wǎng)絡也比PCI Express慢30倍。實際上千兆以太網(wǎng)接口和其他外設是通過PCI Express和CPU相連。虛擬儀器技術的基于軟件的方式可以在應用軟件中對總線進行抽象，從而利用所有這些總線，包括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準PC主板。然而，這種方式就損失了PC技術的兩個關鍵優(yōu)勢，一是像Dell這種桌面PC廠商的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢，二是能輕松地升級PC從而對測量性能進行大幅度的提高。大多數(shù)示波器的使用壽命為5～20年，而一臺用了20年的PC早已沒有了使用價值。此外，如圖1所示，這些設備的功能還基本上是由廠商定義的，用戶無法利用設備中的固件來自定義測量的功能。
    使用戶獲得更多的技術才能
    ---技術才能已成為個人立足于社會的基本能力。和傳統(tǒng)的桌面儀器相比，基于計算機的儀器更友好和更易于使用。在過去10年里用戶獲得了更多的技術才能，采用基于計算機的虛擬儀器技術能使他們得到更多的技術知識和編程技巧。
    性能不斷提高的A/D和D/A轉換器
    ---虛擬儀器技術發(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轉換器，移動電話和數(shù)字音頻等應用不斷地推動這些技術的發(fā)展。虛擬儀器技術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)化技術按照摩爾定律發(fā)展，而專用的轉換器技術則發(fā)展得非常慢，它們的性能提高如圖2所示。
    圖形化的系統(tǒng)設計軟件
    ---最后，由于能提供直觀的界面來設計定制的儀器系統(tǒng)，系統(tǒng)設計軟件也推動了虛擬儀器技術的發(fā)展，新的突破性革新可以使開發(fā)設備的過程不再需要“專家”。在傳統(tǒng)的構架中，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，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，能為工程師和科研人員提供非常熟悉的界面，LabVIEW的工作就像用電子數(shù)據(jù)表進行財務分析一樣。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)設計專家。
    用虛擬儀器技術進行系統(tǒng)設計的前景

    ---虛擬儀器技術不斷地擴展其功能及應用范圍。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上設計硬件。這一技術也將最終提供這樣的一個獨立環(huán)境，使用戶可以從設計測試系統(tǒng)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進行系統(tǒng)級的設計。當他們需要定義專門的測量功能時，他們也將可以用同樣的軟件工具來“細化”到合適的級別以定義測量的功能。例如，工程師可以開發(fā)LabVIEW程序來使用模塊化儀器進行某些測量，如DC電壓和上升時間。當工程師需要開發(fā)專門的測量時，他們也可以使用LabVIEW對原始的測量數(shù)據(jù)進行分析，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現(xiàn)測量，如定制的觸發(fā)，那么他們可以用LabVIEW定義一個觸發(fā)和濾波方案，并嵌入到儀器卡上的FPGA中。

    虛擬儀器技術已成為主流

    ---虛擬儀器技術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(tǒng)儀器的主要替代方式。隨著PC、半導體和軟件功能的進一步更新，未來虛擬儀器技術的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設計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強大功能和靈活性。