虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較

作為全球虛擬儀器技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，NI僅在2004年就為客戶提供了超過6,000,000套虛擬儀器測(cè)量設(shè)備。25年來，工程師使用虛擬儀器技術(shù)將靈活的軟件以及PC技術(shù)的強(qiáng)大功能引入測(cè)試、控制和設(shè)計(jì)應(yīng)用，從而使得在直流（DC）至2.7GHz的范圍內(nèi)可以進(jìn)行精確的模擬和數(shù)字測(cè)量。本文闡述了虛擬儀器技術(shù)和傳統(tǒng)儀器之間的兼容性和區(qū)別。

什么是虛擬儀器？它與傳統(tǒng)儀器有何不同？

虛擬儀器由用戶定義，而傳統(tǒng)儀器則功能固定且由廠商定義。

圖1、傳統(tǒng)儀器（左圖）和基于軟件的虛擬儀器（右圖）具有許多相同的結(jié)構(gòu)組件，但是在體系結(jié)構(gòu)原理上完全不同

每一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)都由兩部分組成——軟件和硬件。對(duì)于當(dāng)前的測(cè)量任務(wù)，虛擬儀器系統(tǒng)的價(jià)格與具有相似功能的傳統(tǒng)儀器相差無幾，甚至比它少很多倍。而且，由于虛擬儀器在測(cè)量任務(wù)需要改變時(shí)具有更大的靈活性，因而隨著時(shí)間的流逝，節(jié)省的成本也不斷累計(jì)。

不使用廠商定義的、預(yù)封裝好的軟件和硬件，工程師和科學(xué)家獲得了最大的用戶定義的靈活性。傳統(tǒng)儀器把所有軟件和測(cè)量電路封裝在一起利用儀器前面板為用戶提供一組有限的功能。而虛擬儀器系統(tǒng)提供的則是完成測(cè)量或控制任務(wù)所需的所有軟件和硬件設(shè)備，功能完全由用戶自定義。此外，利用虛擬儀器技術(shù)，工程師和科學(xué)家們還可以使用高效且功能強(qiáng)大的軟件來自定義采集、分析、存儲(chǔ)、共享和顯示功能。

這里有一些體現(xiàn)虛擬儀器靈活性的例子：

1.一個(gè)應(yīng)用，不同的設(shè)備

在這個(gè)例子中， 一位工程師正在實(shí)驗(yàn)室的臺(tái)式計(jì)算機(jī)PCI總線上使用NI LabVIEW和M系列DAQ設(shè)備開發(fā)一個(gè)應(yīng)用程序，以創(chuàng)建一個(gè)直流（DC）電壓和溫度測(cè)量應(yīng)用。在完成了系統(tǒng)構(gòu)建之后，他需要在一個(gè)生產(chǎn)層PXI系統(tǒng)上配置應(yīng)用程序以完成新產(chǎn)品的測(cè)試?；蛘?，他可能需要應(yīng)用程序具有便攜性，所以他選擇了NI USB DAQ產(chǎn)品來完成任務(wù)。在這個(gè)例子中，無論是何種選擇，在這三種情況下，他都可以僅在同一個(gè)程序中使用虛擬儀器而無需改變代碼。

圖2、在許多設(shè)備上使用同樣的應(yīng)用程序之時(shí)升級(jí)硬件十分輕松

2.許多應(yīng)用程序，一個(gè)設(shè)備

假設(shè)有另外一個(gè)工程師，剛剛完成了一個(gè)利用最新的M系列DAQ設(shè)備和積分編碼器測(cè)量電機(jī)位置的項(xiàng)目。他的下一個(gè)項(xiàng)目是監(jiān)視和記錄這個(gè)電機(jī)的功率。即使任務(wù)完全不同他也可以重用同樣的M系列DAQ 設(shè)備。他所需要做的就是使用虛擬儀器軟件開發(fā)出新的應(yīng)用程序。此外，如果需要的話，項(xiàng)目既可以與一個(gè)單一的應(yīng)用程序結(jié)合也可以運(yùn)行在一個(gè)單一的M系列DAQ設(shè)備。

圖3、通過為許多應(yīng)用程序重復(fù)使用硬件減少成本

與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器硬件性能如何？

NI致力于使用諸如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx以及其他公司的商業(yè)可用技術(shù)：NI使用Microsoft在操作系統(tǒng)(OS)和開發(fā)工具方面的諸多技術(shù)；在硬件方面，NI則基于Analog Devices在A/D轉(zhuǎn)換器方面的研究成果。

基本上，虛擬儀器系統(tǒng)是基于軟件的，所以如果只要是可以數(shù)字化的東西，就可以對(duì)它進(jìn)行測(cè)量。因此，測(cè)量硬件可在通過兩根坐標(biāo)軸進(jìn)行評(píng)估，即分辨率（位）和頻率。參考下圖可以看出虛擬儀器硬件測(cè)量性能與傳統(tǒng)儀器的比較。NI的目標(biāo)就是將曲線在頻率和分辨率上延伸并且在曲線內(nèi)進(jìn)行不斷推陳出新。

圖4、虛擬儀器硬件與傳統(tǒng)儀器的比較

虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器能夠兼容嗎？

許多工程師和科學(xué)家都在實(shí)驗(yàn)室里將虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器結(jié)合使用。除此之外，一些傳統(tǒng)儀器提供了特定的測(cè)量，工程師和科學(xué)家寧愿廠商定義也不愿自己定義。這就引出了一個(gè)問題，“虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器能夠兼容嗎？”

虛擬儀器可與傳統(tǒng)儀器完全兼容，無一例外。虛擬儀器軟件通常提供了與常用普通儀器總線 (如GPIB、串行總線和以太網(wǎng)) 相連接的函數(shù)庫。

除了提供庫之外，200多家儀器廠商也為NI儀器驅(qū)動(dòng)庫提供了4000余種儀器驅(qū)動(dòng)。儀器驅(qū)動(dòng)提供了一套高層且可讀的函數(shù)以及儀器接口。每一個(gè)儀器驅(qū)動(dòng)都專為儀器某一特定的模型而設(shè)計(jì)，從而為它獨(dú)特的性能提供接口。

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虛擬儀器和綜合性儀器有何不同？

自動(dòng)測(cè)試工業(yè)中一個(gè)基本的趨勢(shì)就是往基于軟件的測(cè)試系統(tǒng)的重大轉(zhuǎn)變。例如，美國(guó)國(guó)防部（DoD）是世界上最大的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）客戶之一。為了減少測(cè)試系統(tǒng)的成本并提高重用率，DoD通過海軍的NxTest計(jì)劃已經(jīng)確定：將來的ATE要使用建立在模塊化硬件和可重復(fù)配置的軟件基礎(chǔ)上的體系結(jié)構(gòu)，稱為綜合性儀器。采用綜合性儀器代表了將來軍用ATE系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的重大發(fā)展，并且反映出可重復(fù)配置的軟件處于將來系統(tǒng)的核心地位這一基本轉(zhuǎn)變?；谲浖y(cè)試系統(tǒng)的成功應(yīng)用，例如綜合性儀器，需要對(duì)硬件平臺(tái)和市場(chǎng)上軟件工具的理解，以及對(duì)系統(tǒng)級(jí)體系結(jié)構(gòu)和儀器級(jí)體系結(jié)構(gòu)之間區(qū)別的理解。

綜合性儀器執(zhí)行團(tuán)體將綜合性儀器定義為“一個(gè)可重復(fù)配置的系統(tǒng)，它通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口連接一系列基本硬件和軟件組件，從而發(fā)生信號(hào)或者使用數(shù)值處理技術(shù)進(jìn)行測(cè)量”。這與虛擬儀器的許多性質(zhì)相同，虛擬儀器是“一個(gè)軟件定義的系統(tǒng)，其中基于用戶需要的軟件定義了通用測(cè)量硬件的功能”。兩種定義享有共同的性質(zhì)，即運(yùn)行于商用硬件之上的可自定義功能的儀器。通過將測(cè)量功能轉(zhuǎn)向用戶可接觸并可重復(fù)配置的硬件，那些采用這種體系結(jié)構(gòu)的儀器從具有更大靈活性和可重復(fù)配置功能的系統(tǒng)中受益，而且這些系統(tǒng)反過來又提高了性能同時(shí)減少了成本。