摘 要：論述決定虛擬儀器技術成功的關鍵因素和它的發展前景。
關鍵詞：虛擬儀器；測試；測試系統；軟件
如今在測試應用中使用虛擬儀器技術已成為主流。絕大多數測試行業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。例如，具有代表性的美國軍方雖然不是技術趨勢的領導者，但也在廣泛地使用虛擬儀器技術。作為世界上最大的ATE(自動化測試設備)獨立用戶，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，數千家大型的公司已經開始使用虛擬儀器技術。僅在生產檢測中，象Lexmark,Motorola,Delphi,ABB和Phillips這些行業領導者已在關鍵性項目、大規模產品檢測應用中使用虛擬儀器技術的硬件和軟件。而在工業領域，虛擬儀器技術已被用于自動化、石油鉆探和提煉、生產中的機器控制，甚至是核反應堆的控制。?
1革新者的難題
在測試和測量領域中，傳統儀器通過使用已有的架構來提高測量的性能并沿著這樣方向不斷革新。而在虛擬儀器技術出現的早期，由于它的測量性能比較低，對傳統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，虛擬儀器技術開始應用于需要靈活性的測量中，而這些應用通過傳統的方式是無法實現的。到了九十年代末和二十一世紀，隨著PC處理器和商業化半導體的性能和精度的進一步提高，虛擬儀器技術的測量性能比原來提高了許多。現在，虛擬儀器技術已可以和傳統儀器的測量性能相當，甚至超過它們，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。
測試測量行業領導者安捷倫已開始采用虛擬儀器技術的概念。例如，安捷倫最近推出的產品包括一套基于以太網的“綜合性儀器”以及能兼容PXI的任意波形發生器，而PXI是工業標準的虛擬儀器技術平臺。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：“和目前標準的采用機架解決方案相比，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，安捷倫的首席運營官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展方向”。?
2虛擬儀器技術成功的關鍵
虛擬儀器技術為建立測試系統提供了新的方式，從而影響了傳統儀器市場。虛擬儀器技術成功的關鍵在于利用了快速發展的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據轉換器，以及引入了系統設計軟件，而系統設計軟件能使廣大用戶建立虛擬儀器技術系統。
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，隨著新一代PC處理器的出現，使用虛擬儀器技術就可以實現新的應用。例如，目前的3GHz PC可用來進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個點的FFT(用于頻譜分析的基本測量)需要1100s。而現在使用3.4GHz?的P4計算機實現相同的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3.2GBytes/s，從而可以利用PC架構來實現超高帶寬的測量。某些廠商聲稱高速內部總線將會讓位給如以太網和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用需求(如以太網適用于分布系統，而USB易于進行桌面連接)，但是，同樣也有高速的數據傳輸速率需求。例如，一個100MS/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的視頻卡；甚至是千兆的網絡也比PCI Express慢30倍。實際上，千兆以太網接口和其他外設是通過PCI Express和CPU相連的。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——PCI，PCI Express,USB和以太網。許多傳統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部總線和儀器盒相連的標準PC主板。然而，這種方式損失了PC技術的兩個關鍵優勢——一是像Dell這種桌面PC廠商的規模經濟優勢，二是能輕松地升級PC從而對測量性能進行大幅度的提高。此外，如圖1，這些設備的功能是由廠商定義的，用戶無法利用設備中的固件來自定義測量的功能。
2.2使工程師和科研人員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。一般而言，我們的專業技術和計算機知識最初是在學校里得到的。最近，在Vanderbilt大學的Lason L.Watai進行的一項調查中，學生們都同意這樣的論斷，“和傳統的桌面儀器相比，基于計算機的儀器更友好和更易于使用。” 抽樣人數N=77個學生(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)，學生的平均答案為4.05。總體而言，采用基于計算機的虛擬儀器技術能得到更多的技術知識和編程技巧。
2.3不斷提高的商業化A/D和D/A轉換器
虛擬儀器技術發展的另一個動力是出現了高性能、低成本的A/D和D/A轉換器。移動電話和數字音頻等應用不斷地推動這些技術的發展。虛擬儀器技術硬件可以利用大量生產的芯片作為測量的前端組件。這些商業化技術按照摩爾定律發展——每18個月性能提高兩倍——而專用的轉換器技術而發展得非常慢。商業化半導體技術保證了虛擬儀器技術數字化能力的快速提高。
2.4圖形化的系統
系統設計軟件也推動了虛擬儀器技術的發展。在傳統的構架中，需要專家來開發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采用圖形化的數據流語言，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據表進行財務分析一樣——它能讓每個計算機用戶建立強大的財務模型。LabVIEW提供的環境可以讓所有工程師和科研人員成為測量系統設計專家。
3用虛擬儀器技術進行系統設計的前景
虛擬儀器技術不斷地擴展其功能及應用范圍。現在LabVIEW不僅能在PC上開發測試程序，而且可以在嵌入式處理器和FPGA(現場可編程門陣列)上設計硬件。這一技術也將最終提供這樣的一個獨立環境，使用戶可以從設計測試系統到定義硬件的功能，如圖2所示。測試工程師將能使用合適的功能來進行系統級的設計。當他們需要定義專門的測量功能時，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，可以開發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。當需要開發專門的測量時，他們也可以使用LabVIEW對原始的測量數據進行分析，從而開發出專門的測量，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測量，如定制的觸發，那么可以用LabVIEW定義一個觸發和濾波方案，并嵌入到儀器卡上的FPGA中。
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展將為測試系統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無以倫比的強大功能和靈活性。
關鍵詞：虛擬儀器；測試；測試系統；軟件
如今在測試應用中使用虛擬儀器技術已成為主流。絕大多數測試行業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。例如，具有代表性的美國軍方雖然不是技術趨勢的領導者，但也在廣泛地使用虛擬儀器技術。作為世界上最大的ATE(自動化測試設備)獨立用戶，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，數千家大型的公司已經開始使用虛擬儀器技術。僅在生產檢測中，象Lexmark,Motorola,Delphi,ABB和Phillips這些行業領導者已在關鍵性項目、大規模產品檢測應用中使用虛擬儀器技術的硬件和軟件。而在工業領域，虛擬儀器技術已被用于自動化、石油鉆探和提煉、生產中的機器控制，甚至是核反應堆的控制。?
1革新者的難題
在測試和測量領域中，傳統儀器通過使用已有的架構來提高測量的性能并沿著這樣方向不斷革新。而在虛擬儀器技術出現的早期，由于它的測量性能比較低，對傳統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，虛擬儀器技術開始應用于需要靈活性的測量中，而這些應用通過傳統的方式是無法實現的。到了九十年代末和二十一世紀，隨著PC處理器和商業化半導體的性能和精度的進一步提高，虛擬儀器技術的測量性能比原來提高了許多。現在，虛擬儀器技術已可以和傳統儀器的測量性能相當，甚至超過它們，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。
測試測量行業領導者安捷倫已開始采用虛擬儀器技術的概念。例如，安捷倫最近推出的產品包括一套基于以太網的“綜合性儀器”以及能兼容PXI的任意波形發生器，而PXI是工業標準的虛擬儀器技術平臺。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：“和目前標準的采用機架解決方案相比，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，安捷倫的首席運營官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展方向”。?
2虛擬儀器技術成功的關鍵
虛擬儀器技術為建立測試系統提供了新的方式，從而影響了傳統儀器市場。虛擬儀器技術成功的關鍵在于利用了快速發展的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據轉換器，以及引入了系統設計軟件，而系統設計軟件能使廣大用戶建立虛擬儀器技術系統。
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，隨著新一代PC處理器的出現，使用虛擬儀器技術就可以實現新的應用。例如，目前的3GHz PC可用來進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個點的FFT(用于頻譜分析的基本測量)需要1100s。而現在使用3.4GHz?的P4計算機實現相同的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3.2GBytes/s，從而可以利用PC架構來實現超高帶寬的測量。某些廠商聲稱高速內部總線將會讓位給如以太網和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用需求(如以太網適用于分布系統，而USB易于進行桌面連接)，但是，同樣也有高速的數據傳輸速率需求。例如，一個100MS/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的視頻卡；甚至是千兆的網絡也比PCI Express慢30倍。實際上，千兆以太網接口和其他外設是通過PCI Express和CPU相連的。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——PCI，PCI Express,USB和以太網。許多傳統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部總線和儀器盒相連的標準PC主板。然而，這種方式損失了PC技術的兩個關鍵優勢——一是像Dell這種桌面PC廠商的規模經濟優勢，二是能輕松地升級PC從而對測量性能進行大幅度的提高。此外，如圖1，這些設備的功能是由廠商定義的，用戶無法利用設備中的固件來自定義測量的功能。
2.2使工程師和科研人員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。一般而言，我們的專業技術和計算機知識最初是在學校里得到的。最近，在Vanderbilt大學的Lason L.Watai進行的一項調查中，學生們都同意這樣的論斷，“和傳統的桌面儀器相比，基于計算機的儀器更友好和更易于使用。” 抽樣人數N=77個學生(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)，學生的平均答案為4.05。總體而言，采用基于計算機的虛擬儀器技術能得到更多的技術知識和編程技巧。
2.3不斷提高的商業化A/D和D/A轉換器
虛擬儀器技術發展的另一個動力是出現了高性能、低成本的A/D和D/A轉換器。移動電話和數字音頻等應用不斷地推動這些技術的發展。虛擬儀器技術硬件可以利用大量生產的芯片作為測量的前端組件。這些商業化技術按照摩爾定律發展——每18個月性能提高兩倍——而專用的轉換器技術而發展得非常慢。商業化半導體技術保證了虛擬儀器技術數字化能力的快速提高。
2.4圖形化的系統
系統設計軟件也推動了虛擬儀器技術的發展。在傳統的構架中，需要專家來開發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采用圖形化的數據流語言，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據表進行財務分析一樣——它能讓每個計算機用戶建立強大的財務模型。LabVIEW提供的環境可以讓所有工程師和科研人員成為測量系統設計專家。
3用虛擬儀器技術進行系統設計的前景
虛擬儀器技術不斷地擴展其功能及應用范圍。現在LabVIEW不僅能在PC上開發測試程序，而且可以在嵌入式處理器和FPGA(現場可編程門陣列)上設計硬件。這一技術也將最終提供這樣的一個獨立環境，使用戶可以從設計測試系統到定義硬件的功能，如圖2所示。測試工程師將能使用合適的功能來進行系統級的設計。當他們需要定義專門的測量功能時，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，可以開發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。當需要開發專門的測量時，他們也可以使用LabVIEW對原始的測量數據進行分析，從而開發出專門的測量，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測量，如定制的觸發，那么可以用LabVIEW定義一個觸發和濾波方案，并嵌入到儀器卡上的FPGA中。
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展將為測試系統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無以倫比的強大功能和靈活性。
