虛擬儀器：在開放架構基礎上創(chuàng)建用戶定義的測試系統(tǒng)

隨著技術發(fā)展、上市時間縮短，要求工程師和科學家對業(yè)界挑戰(zhàn)作出更快速、高效的回應。虛擬儀器概念的開發(fā)是電腦的日益普及和產業(yè)與研究領域競爭性增強的產物。本文說明虛擬儀器的概念，及其在提高產能、精確度和性能方面的優(yōu)勢。

虛擬儀器主要由裝備了強大應用軟件、PC即插即用板之類的高性價比硬件和驅動軟件的計算機組成，這些配備能夠在測試和自動控制方面提供比傳統(tǒng)儀器更強的功能。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)的根本性轉移，它能充分發(fā)揮現(xiàn)代計算機強大的計算能力、產能、顯示能力和連接能力。雖然電腦和集成電路技術在過去二十年里有了長足的進步，但是是軟件在這些強大的硬件架構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)測試和自動控制系統(tǒng)，而不再受傳統(tǒng)固定功能儀器(供應商定義)的限制。

與傳統(tǒng)儀器的對比

像示波器和波形發(fā)生器這樣的單個獨立的傳統(tǒng)儀器有著非常強大的功能，但價格也比較昂貴，主要設計用于執(zhí)行一個或多個供應商定義好的特殊任務。用戶一般不能進行擴展或定制。儀器上的旋鈕、按鍵、內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)技術和昂貴的元件，因此這些傳統(tǒng)儀器價格非常高，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的優(yōu)勢。這些技術和性能上的優(yōu)勢包括P4這樣功能強大的處理器、微軟的Windows XP、.NET和蘋果Mac OS X等操作系統(tǒng)和技術等。除了整合有強大的性能外，這些平臺也非常容易訪問因特網等強大的工具。傳統(tǒng)儀器還經常缺少便攜性，而運行在筆記本上的虛擬儀器則自動整合了便攜特性。

圖1. LabVIEW虛擬儀器前面板

對于那些要求、應用和需求改變非?？斓墓こ處熀涂茖W家來說，需要很大的靈活性來創(chuàng)建他們自己的解決方案。他們可以采用虛擬儀器來滿足他們的特殊要求，而且無需替換整個設備，因為安裝在電腦上的各種應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家真正遠離昂貴的供應商定義的系統(tǒng)。

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

虛擬儀器中的軟件

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

他們還可以利用功能強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重要優(yōu)勢是模塊化特性。在處理大型項目時，工程師和科學家可以將整個項目分成多個較易解決的功能性單元。這些子任務將更容易管理，更容易測試，從而減少了可能引起預料外行為的可能性。

虛擬儀器并不局限于一臺獨立的電腦。事實上，隨著近來網絡技術和因特網的蓬勃發(fā)展，儀器使用強大的互連功能進行任務的分配將越來越普遍。典型例子包括超級計算機、分布式監(jiān)控和控制設備以及來自不同地理位置的數(shù)據(jù)或結果可視化。

國家儀器公司(NI)作為虛擬儀器的先驅推出了圖形化編程環(huán)境LabVIEW。LabVIEW提供了一個易于使用的專門設計以滿足工程師和科學家需求的應用開發(fā)環(huán)境，是虛擬儀器內集成的一個組成部分。

圖形化編程

圖形化編程環(huán)境是LabVIEW向工程師和科學家提供的強大性能之一。用戶可以利用LabVIEW定制設計虛擬儀器，在計算機屏幕上創(chuàng)建圖形化用戶接口，并通過這個接口操作儀器程序、控制選中的硬件、分析捕獲的數(shù)據(jù)并顯示結果。

用戶還可以用旋鈕、按鍵、撥號器和圖形等元件定制虛擬儀器的面板來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板、創(chuàng)建定制的測試面板或以可視化的方式表達控制和操作過程。標準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)語言相關的學習過程。

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

虛擬儀器在工程過程中的各個階段(從研究、設計到制造測試)都具有巨大的優(yōu)勢。

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

研發(fā)(RD)應用要求無縫地集成軟件和硬件。不管是否需要通過GPIB與一臺獨立的儀器相連，是否需要通過數(shù)據(jù)捕獲板和信號調節(jié)硬件將信號直接送入計算機，LabVIEW都能非常簡捷地將軟硬件連接起來。利用虛擬儀器可以使測試流程實現(xiàn)自動化，消除可能的手工操作錯誤，而且由于不會引起未知或預料之外的變化，因此可以確保結果的一致性。

開發(fā)測試和可用性

利用虛擬儀器的靈活性和強大功能可以很容易地建立復雜的測試過程。針對自動的設計驗證測試，用戶可以在LabVIEW中建立測試例程，并與測試管理軟件整合在一起，比如與具有強大測試管理功能的TestStand整合在一起。

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

圖2. LabVIEW虛擬儀器框圖

制造應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，它集成了諸如告警、歷史數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢、安全、組網、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)設備，如PLC、工業(yè)網絡、分布式I/O以及插入式數(shù)據(jù)捕獲板。

虛擬儀器不止是個人計算機

近來商用PC技術已經開始向嵌入式系統(tǒng)轉移，例如用于嵌入式開發(fā)的Windows CE、基于Intel x86的處理器、PCI和CompactPCI總線和以太網技術等。為了體現(xiàn)成本和性能的優(yōu)勢，虛擬儀器采用的也是商用技術，這些商用技術同樣也在增加嵌入式和實時功能。例如，LabVIEW既可運行于Linux，也可針對特殊嵌入式目標運行于VenturCom提供的嵌入式ETS實時操作系統(tǒng)。如將虛擬儀器用作從臺式機擴展到嵌入式設備的可升級框架，那么應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)的技術變化是網絡和Web。以太網已經成為全球各個公司使用的標準網絡架構。此外，PC領域中Web接口的普及也已經漫延到了蜂窩電話、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編譯技術將臺式和實時系統(tǒng)整合在一個開發(fā)環(huán)境中，用戶現(xiàn)在就可以利用內置Web服務器和臺式軟件的易用網絡功能，并將它移植至實時和嵌入式系統(tǒng)中。例如，可以利用LabVIEW簡單地配置內置Web服務器，并向網絡上定義好的安全機器輸出windows上的應用接口，然后通過該接口下載應用并運行于手持機中的傻瓜式嵌入式系統(tǒng)上。整個過程無需嵌入式系統(tǒng)所要求的額外編程。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)是發(fā)展最快的工程領域之一，在可預見的未來將繼續(xù)得到發(fā)展，因為消費者需要更聰明的汽車、設施、家用設備等等。這些商用技術的革新將有力地推進虛擬儀器的普及。提供虛擬儀器軟件和硬件工具的領先企業(yè)需要在專業(yè)技術和產品開發(fā)上加大投資，以更好地服務這一領域。例如針對NI旗艦產品虛擬儀器軟件平臺LabVIEW，NI公司描繪的發(fā)展前景是這樣的：從針對臺式操作系統(tǒng)的開發(fā)向嵌入式實時系統(tǒng)、向手持式個人數(shù)字助理、向基于FPGA的硬件、甚至向智能傳感器轉移。

集成在一起的軟硬件、靈活的模塊化工具、商用技術的使用等一系列虛擬儀器概念共同形成了一個基礎架構，在該架構上工程師或科學家們可以快速完成他們的系統(tǒng)開發(fā)并維持很長一段時間。由于虛擬儀器可以在嵌入式開發(fā)中提供許多可選項和功能，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

虛擬儀器采用了越來越先進的計算機技術，可以在開放架構基礎上創(chuàng)建用戶定義的系統(tǒng)。這一概念不僅可以確保用戶遠離供應商定義的系統(tǒng)，還可確保今天的系統(tǒng)能夠平滑得到升級以滿足明天的需求。