虛擬儀器技術(shù)已成為測(cè)試測(cè)量行業(yè)的主流技術(shù)

自二十世紀(jì)八十年代中期以來(lái)，虛擬儀器技術(shù)已結(jié)合了模塊化硬件、開發(fā)軟件和PC技術(shù)，從而使用戶可通過(guò)軟件來(lái)建立自定義的儀器。軟件定義比廠商定義臺(tái)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(xiàn)高級(jí)的功能。
如今在測(cè)試應(yīng)用中使用虛擬儀器技術(shù)已成為主流。絕大多數(shù)測(cè)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(guó)軍方雖然不是技術(shù)趨勢(shì)的領(lǐng)導(dǎo)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(cè)試設(shè)備）獨(dú)立用戶，美國(guó)國(guó)防部已在他們所推動(dòng)的綜合性儀器中采用了基于軟件的儀器概念。在向國(guó)會(huì)提交的報(bào)告中，國(guó)防部指出：“在開發(fā)綜合性儀器時(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(xiàn)各種測(cè)試功能……單個(gè)綜合性儀器可以代替多個(gè)獨(dú)立儀器的功能，從而減小了后勤裝備的體積并解決了設(shè)備過(guò)時(shí)的問(wèn)題?！盵2002年2月，國(guó)防部技術(shù)改進(jìn)辦公室向國(guó)會(huì)提交的報(bào)告]。綜合性儀器和虛擬儀器技術(shù)具有商業(yè)化硬件和軟件處理特性，把這兩者結(jié)合起來(lái)能建立用戶自定義的儀器。
目前，數(shù)千家大型的公司已經(jīng)開始使用虛擬儀器技術(shù)。僅在生產(chǎn)檢測(cè)中，象Lexmark, Motorola, Delphi, ABB和Phillips這些行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者已在關(guān)鍵性項(xiàng)目、大規(guī)模產(chǎn)品檢測(cè)應(yīng)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(jī)器控制，甚至是核反應(yīng)堆的控制。

傳統(tǒng)儀器和革新者的難題
正如Clayton Christensen在同名的書中所描述的，傳統(tǒng)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(xiàn)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(dǎo)者的地位。事實(shí)上，Christensen認(rèn)為在市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者的地位被新技術(shù)推翻后就很難再領(lǐng)導(dǎo)市場(chǎng)了。在測(cè)試和測(cè)量領(lǐng)域中，傳統(tǒng)儀器通過(guò)使用已有的架構(gòu)來(lái)提高測(cè)量的性能并沿著這樣方向不斷進(jìn)行革新。而在虛擬儀器技術(shù)出現(xiàn)的早期，由于它的測(cè)量性能比較低，因此在這種情況下，這些突破性技術(shù)對(duì)于傳統(tǒng)儀器廠商并沒有帶來(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(jì)八十年代的晚期和九十年代的早期，虛擬儀器技術(shù)開始應(yīng)用于需要靈活性的測(cè)量中，而這些應(yīng)用通過(guò)傳統(tǒng)的方式是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。到了九十年代末和二十一世紀(jì)，隨著PC處理器和商業(yè)化半導(dǎo)體的性能和精度的進(jìn)一步提高，虛擬儀器技術(shù)的測(cè)量性能已比原來(lái)提高了許多?，F(xiàn)在，虛擬儀器技術(shù)可以和傳統(tǒng)儀器的測(cè)量性能相當(dāng)，甚至超過(guò)它們，而且還具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率、靈活性、可擴(kuò)展性以及更低的系統(tǒng)成本。
為了證明在消費(fèi)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(tǒng)播放媒介，如CD。開始的時(shí)候傳統(tǒng)音頻設(shè)備制造商并沒有意識(shí)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和專門的軟件。而另一方面，CD播放器則容易使用并有專門的操作接口（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(shì)，所以盡管它有缺點(diǎn)，在誕生初期仍然被一些用戶所推崇。隨著時(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(xiàn)在MP3已成為了主流，并且對(duì)傳統(tǒng)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(tǒng)的播放器廠商最終通過(guò)開發(fā)出具有MP3功能的播放器以轉(zhuǎn)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(dǎo)。例如，Apple已占據(jù)了基于硬盤音樂播放器銷售量的82%[NPD，2004年8月]。

在測(cè)試測(cè)量市場(chǎng)，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者安捷倫已同樣開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“綜合性儀器”以及能兼容PXI的任意波形發(fā)生器，而PXI是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器技術(shù)平臺(tái)。近來(lái)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(biāo)準(zhǔn)的采用機(jī)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(lái)代替分離的測(cè)試單元?！盵軍事和航空電子，2004年6月]。在最近召開的投資者大會(huì)上，安捷倫的首席運(yùn)營(yíng)官Bill Sullivan提出，“轉(zhuǎn)向使用基于軟件配置的模塊化儀器，能讓用戶輕松地進(jìn)行重復(fù)配置和重復(fù)使用，這將是測(cè)試和測(cè)量未來(lái)的發(fā)展方向”。

虛擬儀器技術(shù)成功的關(guān)鍵
虛擬儀器技術(shù)為建立測(cè)試系統(tǒng)提供了新的方式，從而影響了傳統(tǒng)儀器市場(chǎng)。虛擬儀器技術(shù)成功的關(guān)鍵在于利用了快速發(fā)展的PC架構(gòu)，提高了工程師的技術(shù)能力，降低了成本，采用了高性能的半導(dǎo)體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，以及引入了系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件能使廣泛的用戶建立虛擬儀器技術(shù)系統(tǒng)。

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(zhǎng)。由于虛擬儀器技術(shù)采用PC處理器來(lái)進(jìn)行測(cè)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(shù)就可以實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。例如，目前的3 GHz PC可用來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的頻域和調(diào)制分析以用于通信測(cè)試應(yīng)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(cè)量）需要1100秒。而現(xiàn)在使用3.4GHz的P4計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)相同的FFT只需要約0.8秒[Ffbench, John Walker]。
與此同時(shí)，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(dá)3.2 GBytes/s，從而可以利用PC架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)超高帶寬的測(cè)量。某些廠商聲稱高速內(nèi)部總線將會(huì)讓位給如以太網(wǎng)和USB這樣的外部總線。盡管毋庸置疑這些外部總線適合某些特定的應(yīng)用需求（如以太網(wǎng)適用于分布系統(tǒng)而USB易于進(jìn)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(gè)100 MS/s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。基于這樣的原因，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(shè)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(yīng)用軟件中對(duì)總線進(jìn)行抽象，從而利用所有這些總線——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(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(nèi)部總線和儀器盒相連的標(biāo)準(zhǔn)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(shì)——一是像Dell這種桌面PC廠商的規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，二是能輕松地升級(jí)PC從而對(duì)測(cè)量性能進(jìn)行大幅度的提高。大多數(shù)示波器的使用壽命為5到20年，而一臺(tái)用了20年的PC早已沒有了使用價(jià)值。此外，如圖1所示，這些設(shè)備的功能還基本上是由廠商定義的——用戶無(wú)法利用設(shè)備中的固件來(lái)自定義測(cè)量的功能。
圖1 用戶定義的虛擬儀器技術(shù)和廠商定義的傳統(tǒng)儀器比較

使工程師和科研人員獲得更多的技術(shù)才能
技術(shù)才能已成為個(gè)人立足于社會(huì)的基本能力。在過(guò)去十年里我們獲得了更多的技術(shù)才能。一般而言我們的專業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)知識(shí)最初是在學(xué)校里得到的。在最近Vanderbilt大學(xué)的Lason L. Watai進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查中，工科學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里使用傳統(tǒng)的桌面儀器和基于計(jì)算機(jī)的儀器后，對(duì)他們的觀點(diǎn)做出評(píng)估。學(xué)生們都同意這樣的論斷，
“和傳統(tǒng)的桌面儀器相比，基于計(jì)算機(jī)的儀器更友好和更易于使用。”
抽樣人數(shù)N=77個(gè)學(xué)生（評(píng)分等級(jí)：1 = 極度不同意; 2 = 不同意; 3 = 部分同意; 4 = 同意; 5 = 極度同意.）學(xué)生的平均答案為：4.05
總體而言，采用基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器技術(shù)能得到更多的技術(shù)知識(shí)和編程技巧。

不斷提高的商業(yè)化A/D和D/A轉(zhuǎn)換器
虛擬儀器技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)動(dòng)力是出現(xiàn)了高性能、低成本的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。移動(dòng)電話和數(shù)字音頻等應(yīng)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(cè)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——而專用的轉(zhuǎn)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。
圖2 商業(yè)化半導(dǎo)體技術(shù)保證了虛擬儀器技術(shù)數(shù)字化能力的快速提高圖形化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件

最后，由于能提供直觀的界面來(lái)設(shè)計(jì)定制的儀器系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件也推動(dòng)了虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展。Christensen在他的書中指出，新的突破性革新可以使開發(fā)設(shè)備的過(guò)程不再需要“專家”。在傳統(tǒng)的構(gòu)架中，需要專家來(lái)開發(fā)封閉的儀器功能和算法；而對(duì)于虛擬儀器技術(shù)，算法對(duì)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(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(shù)據(jù)表進(jìn)行財(cái)務(wù)分析一樣——它能讓每個(gè)計(jì)算機(jī)用戶建立強(qiáng)大的財(cái)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)專家。

用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前景
虛擬儀器技術(shù)不斷地?cái)U(kuò)展其功能及應(yīng)用范圍。現(xiàn)在LabVIEW 不僅能在PC上開發(fā)測(cè)試程序，而且可以在嵌入式處理器和FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)上設(shè)計(jì)硬件。這一技術(shù)也將最終提供這樣的一個(gè)獨(dú)立環(huán)境，使用戶可以從設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)到定義硬件的功能，如圖3所示。測(cè)試工程師將能使用合適的功能來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)。當(dāng)他們需要定義專門的測(cè)量功能時(shí)，他們也將可以用同樣的軟件工具來(lái)“細(xì)化”到合適的級(jí)別以定義測(cè)量的功能。例如，工程師可以開發(fā)LabVIEW 程序來(lái)使用模塊化儀器進(jìn)行某些測(cè)量，如DC電壓和上升時(shí)間。當(dāng)工程師需要開發(fā)專門的測(cè)量時(shí)，他們也可以使用LabVIEW 對(duì)原始的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而開發(fā)出專門的測(cè)量，比如峰值檢測(cè)。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(xiàn)測(cè)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(tǒng)設(shè)計(jì)工具將測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)擴(kuò)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(yīng)用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。隨著PC、半導(dǎo)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(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)極佳的模式，并且使工程師們?cè)跍y(cè)量和控制方面得到無(wú)以倫比的強(qiáng)大功能和靈活性。