虛擬儀器技術已成為測試測量行業(yè)的主流技術

自二十世紀八十年代中期以來，虛擬儀器技術已結合了模塊化硬件、開發(fā)軟件和PC技術，從而使用戶可通過軟件來建立自定義的儀器。軟件定義比廠商定義臺式儀器功能的方式有更大的靈活性，并且由于基于PC技術，所以能以更快的速度實現(xiàn)高級的功能。
如今在測試應用中使用虛擬儀器技術已成為主流。絕大多數(shù)測試行業(yè)已接受虛擬儀器技術的概念，或者傾向于采用虛擬儀器技術。例如，具有代表性的美國軍方雖然不是技術趨勢的領導者，但也在廣泛地使用虛擬儀器技術。作為世界上最大的ATE（自動化測試設備）獨立用戶，美國國防部已在他們所推動的綜合性儀器中采用了基于軟件的儀器概念。在向國會提交的報告中，國防部指出：“在開發(fā)綜合性儀器時，采用新近的商業(yè)化技術能實時地配置儀器以實現(xiàn)各種測試功能……單個綜合性儀器可以代替多個獨立儀器的功能，從而減小了后勤裝備的體積并解決了設備過時的問題?！盵2002年2月，國防部技術改進辦公室向國會提交的報告]。綜合性儀器和虛擬儀器技術具有商業(yè)化硬件和軟件處理特性，把這兩者結合起來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。僅在生產(chǎn)檢測中，象Lexmark, Motorola, Delphi, ABB和Phillips這些行業(yè)領導者已在關鍵性項目、大規(guī)模產(chǎn)品檢測應用中使用虛擬儀器技術的硬件和軟件。而在工業(yè)領域，虛擬儀器技術已被用于自動化石油鉆探和提煉，生產(chǎn)中的機器控制，甚至是核反應堆的控制。

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)儀器在此同時會遭遇“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會改變市場的前景并最終推翻市場領導者的地位。事實上，Christensen認為在市場領導者的地位被新技術推翻后就很難再領導市場了。在測試和測量領域中，傳統(tǒng)儀器通過使用已有的架構來提高測量的性能并沿著這樣方向不斷進行革新。而在虛擬儀器技術出現(xiàn)的早期，由于它的測量性能比較低，因此在這種情況下，這些突破性技術對于傳統(tǒng)儀器廠商并沒有帶來多大威脅，所以他們很大程度上忽視了虛擬儀器技術的存在。然而到了二十世紀八十年代的晚期和九十年代的早期，虛擬儀器技術開始應用于需要靈活性的測量中，而這些應用通過傳統(tǒng)的方式是無法實現(xiàn)的。到了九十年代末和二十一世紀，隨著PC處理器和商業(yè)化半導體的性能和精度的進一步提高，虛擬儀器技術的測量性能已比原來提高了許多?，F(xiàn)在，虛擬儀器技術可以和傳統(tǒng)儀器的測量性能相當，甚至超過它們，而且還具有更高的數(shù)據(jù)傳輸率、靈活性、可擴展性以及更低的系統(tǒng)成本。
為了證明在消費品市場中“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。開始的時候傳統(tǒng)音頻設備制造商并沒有意識到MP3播放器的威脅——畢竟MP3降低了聲音的質量，并且在播放時您還需要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，所以盡管它有缺點，在誕生初期仍然被一些用戶所推崇。隨著時間的推移，MP3的質量已經(jīng)可以接受并且播放MP3的軟件也有了極大的發(fā)展。現(xiàn)在MP3已成為了主流，并且對傳統(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開發(fā)出具有MP3功能的播放器以轉向采用這一突破性技術（近來Sony推出了MP3 Walkman），但是新的市場已被先推出MP3技術的公司所領導。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]。

在測試測量市場，行業(yè)領導者安捷倫已同樣開始采用虛擬儀器技術的概念。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)標準的虛擬儀器技術平臺。近來安捷倫 的John Stratton也表示支持軟件定義的綜合性儀器概念：“和目前標準的采用機架解決方案相比，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代替分離的測試單元?！盵軍事和航空電子，2004年6月]。在最近召開的投資者大會上，安捷倫的首席運營官Bill Sullivan提出，“轉向使用基于軟件配置的模塊化儀器，能讓用戶輕松地進行重復配置和重復使用，這將是測試和測量未來的發(fā)展方向”。

虛擬儀器技術成功的關鍵
虛擬儀器技術為建立測試系統(tǒng)提供了新的方式，從而影響了傳統(tǒng)儀器市場。虛擬儀器技術成功的關鍵在于利用了快速發(fā)展的PC架構，提高了工程師的技術能力，降低了成本，采用了高性能的半導體數(shù)據(jù)轉換器，以及引入了系統(tǒng)設計軟件，而系統(tǒng)設計軟件能使廣泛的用戶建立虛擬儀器技術系統(tǒng)。

PC性能不斷革新并降低了成本
在過去二十年里，PC的性能已提高了10,000倍，其它任何商業(yè)化技術都不曾有過這樣高的性能增長。由于虛擬儀器技術采用PC處理器來進行測量分析，每次隨著新一代PC處理器的出現(xiàn)，使用虛擬儀器技術就可以實現(xiàn)新的應用。例如，目前的3 GHz PC可用來進行復雜的頻域和調制分析以用于通信測試應用。使用1990年的PC（Intel 386/16），65,000個點的FFT（快速傅立葉變換，用于頻譜分析的基本測量）需要1100秒。而現(xiàn)在使用3.4GHz的P4計算機實現(xiàn)相同的FFT只需要約0.8秒[Ffbench, John Walker]。
與此同時，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3.2 GBytes/s，從而可以利用PC架構來實現(xiàn)超高帶寬的測量。某些廠商聲稱高速內(nèi)部總線將會讓位給如以太網(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用需求（如以太網(wǎng)適用于分布系統(tǒng)而USB易于進行桌面連接），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，您不會在市場看到有任何以太網(wǎng)的視頻卡；甚至是千兆的網(wǎng)絡也比PCI Express慢30倍。實際上千兆以太網(wǎng)接口和其它外設是通過PCI Express和CPU相連。虛擬儀器技術的基于軟件的方式可以在應用軟件中對總線進行抽象，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的方式來解決這一問題。這些儀器通常有一個嵌入式儀器處理器和一個通過內(nèi)部總線和儀器盒相連的標準PC主板。然而，這種方式就損失了PC技術的兩個關鍵優(yōu)勢——一是像Dell這種桌面PC廠商的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢，二是能輕松地升級PC從而對測量性能進行大幅度的提高。大多數(shù)示波器的使用壽命為5到20年，而一臺用了20年的PC早已沒有了使用價值。此外，如圖1所示，這些設備的功能還基本上是由廠商定義的——用戶無法利用設備中的固件來自定義測量的功能。
圖1 用戶定義的虛擬儀器技術和廠商定義的傳統(tǒng)儀器比較

使工程師和科研人員獲得更多的技術才能
技術才能已成為個人立足于社會的基本能力。在過去十年里我們獲得了更多的技術才能。一般而言我們的專業(yè)技術和計算機知識最初是在學校里得到的。在最近Vanderbilt大學的Lason L. Watai進行的一項調查中，工科學生在實驗室里使用傳統(tǒng)的桌面儀器和基于計算機的儀器后，對他們的觀點做出評估。學生們都同意這樣的論斷，
“和傳統(tǒng)的桌面儀器相比，基于計算機的儀器更友好和更易于使用?！?
抽樣人數(shù)N=77個學生（評分等級：1 = 極度不同意; 2 = 不同意; 3 = 部分同意; 4 = 同意; 5 = 極度同意.）學生的平均答案為：4.05
總體而言，采用基于計算機的虛擬儀器技術能得到更多的技術知識和編程技巧。

不斷提高的商業(yè)化A/D和D/A轉換器
虛擬儀器技術發(fā)展的另一個動力是出現(xiàn)了高性能、低成本的A/D和D/A轉換器。移動電話和數(shù)字音頻等應用不斷地推動這些技術的發(fā)展。虛擬儀器技術硬件可以利用大量生產(chǎn)的芯片作為測量的前端組件。這些商業(yè)化技術按照摩爾定律發(fā)展——每18個月性能提高兩倍——而專用的轉換器技術則發(fā)展得非常慢。它們的性能提高如圖2所示。
圖2 商業(yè)化半導體技術保證了虛擬儀器技術數(shù)字化能力的快速提高圖形化的系統(tǒng)設計軟件

最后，由于能提供直觀的界面來設計定制的儀器系統(tǒng)，系統(tǒng)設計軟件也推動了虛擬儀器技術的發(fā)展。Christensen在他的書中指出，新的突破性革新可以使開發(fā)設備的過程不再需要“專家”。在傳統(tǒng)的構架中，需要專家來開發(fā)封閉的儀器功能和算法；而對于虛擬儀器技術，算法對于用戶是公開的，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)表進行財務分析一樣——它能讓每個計算機用戶建立強大的財務模型。LabVIEW 提供的環(huán)境可以讓所有工程師和科研人員成為測量系統(tǒng)設計專家。

用虛擬儀器技術進行系統(tǒng)設計的前景
虛擬儀器技術不斷地擴展其功能及應用范圍?，F(xiàn)在LabVIEW 不僅能在PC上開發(fā)測試程序，而且可以在嵌入式處理器和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)上設計硬件。這一技術也將最終提供這樣的一個獨立環(huán)境，使用戶可以從設計測試系統(tǒng)到定義硬件的功能，如圖3所示。測試工程師將能使用合適的功能來進行系統(tǒng)級的設計。當他們需要定義專門的測量功能時，他們也將可以用同樣的軟件工具來“細化”到合適的級別以定義測量的功能。例如，工程師可以開發(fā)LabVIEW 程序來使用模塊化儀器進行某些測量，如DC電壓和上升時間。當工程師需要開發(fā)專門的測量時，他們也可以使用LabVIEW 對原始的測量數(shù)據(jù)進行分析，從而開發(fā)出專門的測量，比如峰值檢測。如果在某些情況下他們需要使用一些新的硬件功能來實現(xiàn)測量，如定制的觸發(fā)，那么他們可以用LabVIEW定義一個觸發(fā)和濾波方案，并嵌入到儀器卡上的FPGA中。
圖3：通過簡單的系統(tǒng)設計工具將測試系統(tǒng)的設計擴展到硬件

虛擬儀器技術已成為主流
虛擬儀器技術的功能和性能已被不斷地提高，如今在許多應用中它已成為傳統(tǒng)儀器的主要替代方式。隨著PC、半導體和軟件功能的進一步更新，未來虛擬儀器技術的發(fā)展將為測試系統(tǒng)的設計提供一個極佳的模式，并且使工程師們在測量和控制方面得到無以倫比的強大功能和靈活性。