虛擬儀器：在開放架構(gòu)基礎(chǔ)上創(chuàng)建用戶定義的測(cè)試系統(tǒng)

隨著技術(shù)發(fā)展、上市時(shí)間縮短，要求工程師和科學(xué)家對(duì)業(yè)界挑戰(zhàn)作出更快速、高效的回應(yīng)。虛擬儀器概念的開發(fā)是電腦的日益普及和產(chǎn)業(yè)與研究領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)性增強(qiáng)的產(chǎn)物。本文說(shuō)明虛擬儀器的概念，及其在提高產(chǎn)能、精確度和性能方面的優(yōu)勢(shì)。

虛擬儀器主要由裝備了強(qiáng)大應(yīng)用軟件、PC即插即用板之類的高性價(jià)比硬件和驅(qū)動(dòng)軟件的計(jì)算機(jī)組成，這些配備能夠在測(cè)試和自動(dòng)控制方面提供比傳統(tǒng)儀器更強(qiáng)的功能。虛擬儀器代表了以傳統(tǒng)硬件為主的儀器系統(tǒng)向以軟件為主的系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)移，它能充分發(fā)揮現(xiàn)代計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力、產(chǎn)能、顯示能力和連接能力。雖然電腦和集成電路技術(shù)在過(guò)去二十年里有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是是軟件在這些強(qiáng)大的硬件架構(gòu)上建立起了虛擬儀器，并提供了更好的革新方式，極大地降低了成本。工程師和科學(xué)家可以利用虛擬儀器建立能夠完全符合他們要求的(用戶定義)測(cè)試和自動(dòng)控制系統(tǒng)，而不再受傳統(tǒng)固定功能儀器(供應(yīng)商定義)的限制。

與傳統(tǒng)儀器的對(duì)比

像示波器和波形發(fā)生器這樣的單個(gè)獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器有著非常強(qiáng)大的功能，但價(jià)格也比較昂貴，主要設(shè)計(jì)用于執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)供應(yīng)商定義好的特殊任務(wù)。用戶一般不能進(jìn)行擴(kuò)展或定制。儀器上的旋鈕、按鍵、內(nèi)置電路以及用戶可用的功能都非常明確。另外，開發(fā)這些儀器必須使用許多專業(yè)技術(shù)和昂貴的元件，因此這些傳統(tǒng)儀器價(jià)格非常高，普及速度比較慢。

而基于電腦的虛擬儀器具有能夠充分利用現(xiàn)有電腦中集成的最新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。這些技術(shù)和性能上的優(yōu)勢(shì)包括P4這樣功能強(qiáng)大的處理器、微軟的Windows XP、.NET和蘋果Mac OS X等操作系統(tǒng)和技術(shù)等。除了整合有強(qiáng)大的性能外，這些平臺(tái)也非常容易訪問(wèn)因特網(wǎng)等強(qiáng)大的工具。傳統(tǒng)儀器還經(jīng)常缺少便攜性，而運(yùn)行在筆記本上的虛擬儀器則自動(dòng)整合了便攜特性。

圖1. LabVIEW虛擬儀器前面板

對(duì)于那些要求、應(yīng)用和需求改變非?？斓墓こ處熀涂茖W(xué)家來(lái)說(shuō)，需要很大的靈活性來(lái)創(chuàng)建他們自己的解決方案。他們可以采用虛擬儀器來(lái)滿足他們的特殊要求，而且無(wú)需替換整個(gè)設(shè)備，因?yàn)榘惭b在電腦上的各種應(yīng)用軟件和即插即用硬件俯拾皆是。以模塊化方式定義系統(tǒng)的靈活性可以使工程師和科學(xué)家真正遠(yuǎn)離昂貴的供應(yīng)商定義的系統(tǒng)。

利用虛擬儀器解決方案可以降低資本費(fèi)用、系統(tǒng)開發(fā)成本和系統(tǒng)維護(hù)成本，同時(shí)加快產(chǎn)品上市時(shí)間和提高自己產(chǎn)品的質(zhì)量。虛擬儀器能讓用戶為他們的“需求”付費(fèi)，而不再為從供應(yīng)商定義系統(tǒng)被動(dòng)“獲得的東西”而付費(fèi)。

虛擬儀器中的軟件

軟件是虛擬儀器中最重要的組成部分。工程師和科學(xué)家通過(guò)合適的軟件工具設(shè)計(jì)和集成某個(gè)特殊過(guò)程所需的例程就能夠有效地創(chuàng)建他們自己的應(yīng)用程序。他們還可以創(chuàng)建正確的能夠完全滿足應(yīng)用目的和交互使用要求的用戶接口。他們可以定義應(yīng)用軟件如何和何時(shí)從設(shè)備獲取數(shù)據(jù)、如何處理或分析數(shù)據(jù)、管理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。

他們還可以利用功能強(qiáng)大的軟件在儀器中創(chuàng)建智能和決策能力。軟件所具有的另外一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是模塊化特性。在處理大型項(xiàng)目時(shí)，工程師和科學(xué)家可以將整個(gè)項(xiàng)目分成多個(gè)較易解決的功能性單元。這些子任務(wù)將更容易管理，更容易測(cè)試，從而減少了可能引起預(yù)料外行為的可能性。

虛擬儀器并不局限于一臺(tái)獨(dú)立的電腦。事實(shí)上，隨著近來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和因特網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，儀器使用強(qiáng)大的互連功能進(jìn)行任務(wù)的分配將越來(lái)越普遍。典型例子包括超級(jí)計(jì)算機(jī)、分布式監(jiān)控和控制設(shè)備以及來(lái)自不同地理位置的數(shù)據(jù)或結(jié)果可視化。

國(guó)家儀器公司(NI)作為虛擬儀器的先驅(qū)推出了圖形化編程環(huán)境LabVIEW。LabVIEW提供了一個(gè)易于使用的專門設(shè)計(jì)以滿足工程師和科學(xué)家需求的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，是虛擬儀器內(nèi)集成的一個(gè)組成部分。

圖形化編程

圖形化編程環(huán)境是LabVIEW向工程師和科學(xué)家提供的強(qiáng)大性能之一。用戶可以利用LabVIEW定制設(shè)計(jì)虛擬儀器，在計(jì)算機(jī)屏幕上創(chuàng)建圖形化用戶接口，并通過(guò)這個(gè)接口操作儀器程序、控制選中的硬件、分析捕獲的數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。

用戶還可以用旋鈕、按鍵、撥號(hào)器和圖形等元件定制虛擬儀器的面板來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板、創(chuàng)建定制的測(cè)試面板或以可視化的方式表達(dá)控制和操作過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)流程圖和圖形化程序之間的相似性縮短了與基于文本的傳統(tǒng)語(yǔ)言相關(guān)的學(xué)習(xí)過(guò)程。

將圖標(biāo)連接在一起創(chuàng)建出框圖就可以決定虛擬儀器的行為，這也是科學(xué)家和工程師們較為自然的設(shè)計(jì)理念。通過(guò)圖形化編程可以比傳統(tǒng)編程更快地開發(fā)出系統(tǒng)，同時(shí)還能保留創(chuàng)建各種不同應(yīng)用所需的功能和靈活性。

虛擬儀器在工程過(guò)程中的各個(gè)階段(從研究、設(shè)計(jì)到制造測(cè)試)都具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

在研究和設(shè)計(jì)階段，工程師和科學(xué)家需要快速的開發(fā)和原型建立能力。而利用虛擬儀器可以快速開發(fā)程序，并在同一個(gè)儀器上測(cè)試原型、分析結(jié)果，所需時(shí)間只是傳統(tǒng)儀器測(cè)試時(shí)間的很少一部分。

研發(fā)(RD)應(yīng)用要求無(wú)縫地集成軟件和硬件。不管是否需要通過(guò)GPIB與一臺(tái)獨(dú)立的儀器相連，是否需要通過(guò)數(shù)據(jù)捕獲板和信號(hào)調(diào)節(jié)硬件將信號(hào)直接送入計(jì)算機(jī)，LabVIEW都能非常簡(jiǎn)捷地將軟硬件連接起來(lái)。利用虛擬儀器可以使測(cè)試流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，消除可能的手工操作錯(cuò)誤，而且由于不會(huì)引起未知或預(yù)料之外的變化，因此可以確保結(jié)果的一致性。

開發(fā)測(cè)試和可用性

利用虛擬儀器的靈活性和強(qiáng)大功能可以很容易地建立復(fù)雜的測(cè)試過(guò)程。針對(duì)自動(dòng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試，用戶可以在LabVIEW中建立測(cè)試?yán)蹋⑴c測(cè)試管理軟件整合在一起，比如與具有強(qiáng)大測(cè)試管理功能的TestStand整合在一起。

減少測(cè)試時(shí)間和簡(jiǎn)化測(cè)試過(guò)程的開發(fā)是制造測(cè)試中最基本的努力目標(biāo)，而虛擬儀器提供的高性能則可以滿足這些要求。這些基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的工具具有能夠并行運(yùn)行多重測(cè)試序列的高速、多線程引擎，因此可以完全滿足嚴(yán)格的吞吐量要求。NI公司的TestStand能夠在用LabVIEW編寫的例程基礎(chǔ)上非常方便地管理測(cè)試序列、測(cè)試執(zhí)行和測(cè)試報(bào)告。

圖2. LabVIEW虛擬儀器框圖

制造應(yīng)用要求軟件必須是可靠的、高性能的和可互操作的。虛擬儀器具有所有這些優(yōu)勢(shì)，它集成了諸如告警、歷史數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)、安全、組網(wǎng)、工業(yè)I/O和企業(yè)互連等性能。用戶可以利用這些功能方便地連接許多類型的工業(yè)設(shè)備，如PLC、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、分布式I/O以及插入式數(shù)據(jù)捕獲板。

虛擬儀器不止是個(gè)人計(jì)算機(jī)

近來(lái)商用PC技術(shù)已經(jīng)開始向嵌入式系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，例如用于嵌入式開發(fā)的Windows CE、基于Intel x86的處理器、PCI和CompactPCI總線和以太網(wǎng)技術(shù)等。為了體現(xiàn)成本和性能的優(yōu)勢(shì)，虛擬儀器采用的也是商用技術(shù)，這些商用技術(shù)同樣也在增加嵌入式和實(shí)時(shí)功能。例如，LabVIEW既可運(yùn)行于Linux，也可針對(duì)特殊嵌入式目標(biāo)運(yùn)行于VenturCom提供的嵌入式ETS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。如將虛擬儀器用作從臺(tái)式機(jī)擴(kuò)展到嵌入式設(shè)備的可升級(jí)框架，那么應(yīng)該把虛擬儀器看作是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者的完整工具箱中的工具之一。

顯著影響嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)變化是網(wǎng)絡(luò)和Web。以太網(wǎng)已經(jīng)成為全球各個(gè)公司使用的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。此外，PC領(lǐng)域中Web接口的普及也已經(jīng)漫延到了蜂窩電話、PDA以及目前的工業(yè)數(shù)據(jù)捕獲和控制系統(tǒng)的開發(fā)。

由于虛擬儀器軟件可以利用交叉平臺(tái)編譯技術(shù)將臺(tái)式和實(shí)時(shí)系統(tǒng)整合在一個(gè)開發(fā)環(huán)境中，用戶現(xiàn)在就可以利用內(nèi)置Web服務(wù)器和臺(tái)式軟件的易用網(wǎng)絡(luò)功能，并將它移植至實(shí)時(shí)和嵌入式系統(tǒng)中。例如，可以利用LabVIEW簡(jiǎn)單地配置內(nèi)置Web服務(wù)器，并向網(wǎng)絡(luò)上定義好的安全機(jī)器輸出windows上的應(yīng)用接口，然后通過(guò)該接口下載應(yīng)用并運(yùn)行于手持機(jī)中的傻瓜式嵌入式系統(tǒng)上。整個(gè)過(guò)程無(wú)需嵌入式系統(tǒng)所要求的額外編程。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是發(fā)展最快的工程領(lǐng)域之一，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)將繼續(xù)得到發(fā)展，因?yàn)橄M(fèi)者需要更聰明的汽車、設(shè)施、家用設(shè)備等等。這些商用技術(shù)的革新將有力地推進(jìn)虛擬儀器的普及。提供虛擬儀器軟件和硬件工具的領(lǐng)先企業(yè)需要在專業(yè)技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)上加大投資，以更好地服務(wù)這一領(lǐng)域。例如針對(duì)NI旗艦產(chǎn)品虛擬儀器軟件平臺(tái)LabVIEW，NI公司描繪的發(fā)展前景是這樣的：從針對(duì)臺(tái)式操作系統(tǒng)的開發(fā)向嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)、向手持式個(gè)人數(shù)字助理、向基于FPGA的硬件、甚至向智能傳感器轉(zhuǎn)移。

集成在一起的軟硬件、靈活的模塊化工具、商用技術(shù)的使用等一系列虛擬儀器概念共同形成了一個(gè)基礎(chǔ)架構(gòu)，在該架構(gòu)上工程師或科學(xué)家們可以快速完成他們的系統(tǒng)開發(fā)并維持很長(zhǎng)一段時(shí)間。由于虛擬儀器可以在嵌入式開發(fā)中提供許多可選項(xiàng)和功能，因此非常有助于嵌入式開發(fā)者理解和閱覽這些工具。

本文小結(jié)

虛擬儀器采用了越來(lái)越先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以在開放架構(gòu)基礎(chǔ)上創(chuàng)建用戶定義的系統(tǒng)。這一概念不僅可以確保用戶遠(yuǎn)離供應(yīng)商定義的系統(tǒng)，還可確保今天的系統(tǒng)能夠平滑得到升級(jí)以滿足明天的需求。