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虚拟仪器技术已成为测试测量行业的主流技术
作者: NationalInstruments
责任编辑: fliya 发布日期: 2006年12月11日
     自二十世纪八十年代中期以来,虚拟仪器技术已结合了模块化硬件、开发软件和PC技术,从而使用户通过软件来创建自定义的仪器系统。这种软件定义的方式比厂商定义台式仪器功能的方式具有更大的灵活性,并且由于虚拟仪器技术是基于最新PC技术的,所以它能以更快的速度实现更高级的功能。
     如今虚拟仪器技术已成为测试测量行业的主流技术。测试行业的绝大多数领域已接受虚拟仪器技术的概念,或者倾向于采用虚拟仪器技术。就连一贯在技术上较为保守的美国军方现在也已经广泛地使用虚拟仪器技术。作为世界上最大的ATE(自动化测试设备)用户,美国国防部已在他们所推动的综合性仪器(Synthetic Instrument)项目中采纳了基于软件的仪器概念。在向国会提交的报告中,国防部指出:“在开发综合性仪器时,采用新近的商业化技术实时地配置仪器,从而实现各种测试功能……单个综合性仪器可以代替多个独立仪器的功能,从而减小了后勤装备的体积并解决了设备过时的问题。”[2002年2月,美国国防部技术改进办公室向国会提交的报告]。综合性仪器和虚拟仪器技术都具有商业化硬件和软件的特性,将这两种软硬件平台结合起来,就能创建用户自定义的仪器系统。
    目前,数以千计的大公司都已经采用虚拟仪器技术。仅在生产检测领域,像Lexmark、Motorola、Delphi、ABB和Phillips这些行业领导者已在关键性项目、大规模产品检测应用中使用虚拟仪器技术的硬件和软件。另外,在工业领域,虚拟仪器技术也已被应用于自动化石油钻探和提炼、生产过程中的机器控制,甚至是核反应堆的控制。
 
     一、传统仪器和技术革新者面临的困境
    正如Clayton Christensen在《Innovators Dilemma》一书中所描述的,传统仪器在此同时会遭遇“技术革新者的困境”。Christensen是这样描述这一现象的:全新的、具有突破性的技术会改变市场的前景,并最终撼动市场领导者的地位。事实上,Christensen认为在市场领导者的地位被新技术推翻后就很难再回复原先的地位了。在测试和测量领域中,传统仪器通过使用已有的架构来提高测量的性能,并沿着这样的方向不断进行革新。而在虚拟仪器技术出现的早期,由于它的测量性能比较低,因此在这种情况下,这些突破性技术对于传统仪器厂商并没有带来多大威胁,所以他们很大程度上忽视了虚拟仪器技术的存在。然而到了二十世纪八十年代的晚期和九十年代的早期,虚拟仪器技术开始应用于需要高度灵活性和测试吞吐量的测量中,而这些应用通过传统的方式是无法实现的。到了九十年代末和二十一世纪,随着PC处理器和商业化半导体的性能和精度的进一步提高,虚拟仪器技术在测量性能上的发展比传统仪器更快。现在,虚拟仪器技术可以和传统仪器的测量性能相媲美,甚至超越传统仪器,并且还具有更高的数据吞吐量、灵活性、可扩展性以及更低的系统成本。
为了证明在消费品市场中存在“技术革新者面临的困境”这一现象,我们可以比较一下MP3和CD等传统播放媒介。开始的时候传统音频设备制造商并没有意识到MP3播放器的威胁——毕竟MP3降低了声音的质量,并且在播放时您还需要PC和专门的软件。但另一方面,CD播放器则容易使用并有专门的操作接口(按钮和旋钮)。然而由于MP3具有易于共享和便于携带的优势,所以尽管它存在缺点,但在其问世初期仍然被一些用户所推崇。随着时间的推移,MP3的音质已经提高很多,并且播放软件也有了极大的发展。现在MP3已成为了主流,并且对传统的音频记录和播放行业造成了巨大的威胁。尽管许多传统的播放器厂商最终通过开发出具有MP3功能的播放器以转向采用这一突破性技术(近来Sony推出了MP3 Walkman),但是新的市场已被先推出MP3技术的公司所领导。例如,Apple公司已占据了基于硬盘音乐播放器销售量的82%[NPD,2004年8月]。
     在测试测量市场,行业领导者安捷伦公司也已同样开始采用虚拟仪器技术的概念。例如,安捷伦最近推出了一套基于以太网的“综合性仪器”,以及能兼容PXI(工业标准的虚拟仪器技术平台)的任意波形发生器等产品。安捷伦公司的John Stratton最近也发表评论,表示支持软件定义的综合性仪器概念:“和目前标准的采用机架解决方案相比,另一种方案是使用综合性仪器。综合性仪器采用软件算法和硬件模块来代替独立的测试单元。”[军事和航空电子,2004年6月]。在最近召开的投资者会议上,安捷伦公司的首席运营官Bill Sullivan提出,“转向使用基于软件配置的模块化仪器,能让用户轻松地进行重复配置和重复使用,这将是测试和测量未来的发展方向”。
 
     二、虚拟仪器技术成功的关键
     虚拟仪器技术为建立测试系统提供了全新的方式,从而极大地影响了传统仪器市场。虚拟仪器技术成功的关键在于利用了快速发展的PC架构,帮助工程师提高其技术能力,采用了低成本、高性能的半导体数据转换器,并引入了将虚拟仪器技术带到更广泛用户群的系统设计软件。
    1、PC性能的提高、技术革新,以及较低的成本
    在过去二十年里,PC的性能已提高了10,000倍,这是其它任何商业化技术都不曾达到的增长。由于虚拟仪器技术采用PC处理器来进行测量分析,一旦有新一代PC处理器出现,虚拟仪器技术就可以帮助用户实现新的应用。例如,目前的3GHz PC就可用来进行复杂的频域和调制分析以用于通信测试应用。回到1990年的时候,用当时的PC(Intel 386/16)处理65,000个点的FFT(快速傅立叶变换,用于频谱分析的基本测量),需要1100秒时间。而现在使用3.4GHz的P4计算机实现相同的FFT只需要约0.8秒[Ffbench,John Walker]。
     与此同时,硬盘、显示器和总线带宽也相应地获得性能上的提高。新一代的高速PC总线——PCI Express能提供高达3.2GBytes/s的带宽,从而可以基于PC架构来实现超高带宽的测量。尽管某些厂商声称高速内部总线将会让位给如以太网和USB这样的外部和网络总线,而毋庸置疑这些外部总线适合某些特定的应用需求(如以太网适用于分布系统而USB易于进行桌面连接),但是高速的数据传输需求一直是存在的。例如,一个100 MS/s的14位IF数字化仪能生成200MB/s的数据,这大大高于千兆以太网的80MB/s带宽。基于这样的原因,您不会在市场看到有任何以太网的视频卡;甚至是千兆的LAN网络也比PCI Express慢30多倍。实际上千兆以太网接口和其它外设是通过PCI Express和CPU相连。虚拟仪器技术的基于软件的方式可以在应用软件中对总线进行抽象,从而利用到所有这些总线——PCI、PCI Express、USB和以太网。
    许多传统仪器厂商采用在仪器中嵌入PC的方式来解决这一问题。这些仪器通常有一个嵌入式仪器处理器,以及一个通过内部总线和仪器盒相连的标准PC主板。然而,这种方式就会损失PC技术的两个关键优势——一是像Dell这种台式PC厂商的规模经济优势,二是能轻松地升级PC从而对测量性能进行大幅度的提高。大多数示波器的使用寿命为5到20年,而一台用了20年的PC还会有什么价值?此外,如图1所示,传统仪器的功能还基本上是由厂商定义的——用户无法利用设备中的固件来自定义测量的功能。

图1 用户定义的虚拟仪器技术和厂商定义的传统仪器比较
     而虚拟仪器则通过不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件,使工程师和科学家获得了最大的用户定义的灵活性。下面是实际中显现其灵活性的一些例子:
    (1)一个应用程序,不同的设备
    考虑这样一个特殊的例子,一位工程师正在实验室的台式计算机PCI总线上使用LabVIEW和M系列DAQ设备开发一个应用程序,以创建一个直流(DC)电压和温度测量应用。在完成了系统构建之后,他需要在一个生产层PXI系统上配置应用程序以完成新产品的测试。或者,他可能需要应用程序具有便携性,所以他选择了NI USB DAQ产品来完成任务。在这个例子中,无论是何种选择,在这三种情况下,他都可以仅在一个程序中使用虚拟仪器而无需改变代码。

图6.在许多设备使用同样的应用程序之时升级硬件十分轻松
    (2)许多应用程序,一个设备
    考虑另外一个工程师,他刚刚完成了一个利用最新的M系列DAQ设备和积分编码器测量电机位置的项目。他的下一个项目是监视和记录这个电机的功率。即使任务完全不同她也可以重用同样的M系列DAQ 设备。他所需要做的就是使用虚拟仪器软件开发出新的应用程序。此外,如果需要的话,项目既可以与一个单一的应用程序结合也可以运行在一个单一的M系列DAQ设备。

图7.通过为许多应用程序重用硬件减少成本
 
    2、使工程师和科研人员获得更多的技术才能
    技术才能已成为个人立足于社会的基本能力。在过去十年里我们经历了比以往更多的技术革新。一般而言我们的专业技术和计算机知识最初是在学校里得到的,来看一下来自Vanderbilt大学的Lason L. Watai最近进行的一项调查:当理工科学生在实验室里分别使用过传统的台式仪器和基于计算机的仪器后,他们的评价如下——
“和传统的桌面仪器相比,基于计算机的仪器更友好,且更易于使用。”
抽样人数N=77个学生(评分等级:1=极度不同意;2=不同意;3=部分同意;4=同意;5=极度同意。)学生的平均答案为:4.05
因此总体而言,采用基于计算机的虚拟仪器技术后,学生们能得到更多的技术知识和编程技巧。
 
    3 、不断提高的商业化A/D和D/A转换器
    虚拟仪器技术发展的另一个动力来自于高性能、低成本的A/D和D/A转换器,这是由移动电话和数字音频等应用不断地推动而发展的。虚拟仪器技术硬件可以利用大量生产的芯片作为测量的前端组件。这些商业化技术按照摩尔定律发展——每18个月时间性能提高两倍——而专用的转换器技术则发展得非常慢。它们的性能提高如图2所示。

图2 商业化半导体技术保证了虚拟仪器技术数字化能力的快速提高
 
    4、图形化的系统设计软件
    最后,由于能提供直观的界面来设计自定义的仪器系统,系统设计软件也推动了虚拟仪器技术的发展。Christensen在他的著作中指出,全新的突破性革新可以使开发设备的过程不再需要“专家”。在传统的构架中,需要专家来开发封闭的仪器功能和算法;而对于虚拟仪器技术,算法对于用户是公开的,用户可以自己定义他们的仪器。
LabVIEW就是满足这一需求的标准软件。LabVIEW采用图形化的数据流语言,它能为工程师和科研人员提供非常熟悉的界面——程序框图。LabVIEW的工作就像用电子数据表进行财务分析一样——它能让每个计算机用户建立强大的财务模型。因此LabVIEW提供的环境可以让所有工程师和科研人员成为测量系统设计专家。
 
    三、采用虚拟仪器技术进行系统设计的前景展望
虚拟仪器技术正在不断地扩展其功能及应用范围。现在LabVIEW不仅能在PC上开发测试程序,而且可以在嵌入式处理器和FPGA(现场可编程门阵列)上设计硬件。虚拟仪器技术也将最终提供这样的一个独立环境:满足用户从设计测试系统到定义硬件的功能的全过程,如图3所示。测试工程师将能使用合适的功能来进行系统级的设计,当他们需要定义专门的测量功能时,也可以用同样的软件工具来“细化”到合适的级别以定义测量的功能。例如,工程师可以开发LabVIEW 程序,以便在模块化仪器上进行如DC电压和上升时间等测量。当工程师需要开发自定义的测量时,他们也可以使用LabVIEW 对原始的测量数据进行分析,从而开发出如峰值检测等的自定义测量。如果在某些情况下他们需要使用一些新的硬件功能来实现测量,如定制的触发,那么他们可以用LabVIEW定义一个触发和滤波方案,并嵌入到仪器卡上的FPGA中。
图3:通过简单的系统设计工具完成从测试系统的设计到硬件设计的全过程
 
    四、虚拟仪器技术已成为主流
    虚拟仪器技术的功能和性能正在不断地提高,如今在许多应用中它已成为传统仪器的主要替代方式。随着PC、半导体和软件功能的进一步更新,未来虚拟仪器技术的发展将为测试系统的设计提供一个上佳的模式,并且使工程师们在测量和控制方面得到前所未有的强大功能和灵活性。
以虚拟仪器长期应用的测试领域为例。超过25,000家公司(大部分是测试和测量公司)使用NI的虚拟仪器。现在,许多公司都迅速地采用了具有高达200MS/s数字化性能的产品。PXI系统联盟拥有60多个成员,提供了数以百计的产品,而且数以万计的R&D、验证和产品测试工程师和科学家正在使用成千上万的仪器驱动。
    而且,现在对于测试的需要越来越大。随着创新的步伐越来越快,希望新的不同的产品更快地进入市场的压力越来越大。消费者的期望在不断的增加。以电子市场为例,消费者要求不同的功能可以更低的成本在一个更小的空间得到集成。近年来经济的低迷并没有阻止革新的需要,但是却要求使用更少资源。满足这些需要是商业成功的一个因素——能够快速、一贯并且最可靠地满足这些需要的公司一定能在竞争中占有决定性的优势。
    所有这些条件都驱使新的验证、检验和生产测试需要。一个能与创新保持同步的测试平台不是或有或无的,而是必需的。这个平台必须包含具有足够适应能力的快速测试开发工具以在整个产品开发流程中使用。产品快速上市和高效生产产品的需要要求高吞吐量的测试。为了测试消费者所要求的复杂多功能产品,需要精确的同步测量能力,而且随着公司不断地结合创新以提供不同的产品,测试系统必须快速地调整以测试这些新特性。
    虚拟仪器是对这些挑战的一种革新性解决方案。它将快速软件开发和模块化、灵活的硬件结合在一起从而创建用户定义的测试系统。虚拟仪器提供了:
    1、用于快速测试开发的直观软件工具;
    2、基于创新商用技术的快速、精确的模块化I/O;
    3、具有集成同步功能的基于PC的平台,以实现高精确度和高吞吐量。
    由此可见,强大的虚拟仪器技术必将成为主流。
 
 
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