虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器間的關系
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多年來，虛擬儀器的概念已經被更多的科學家和工程師及院校的師生所熟知。虛擬儀器已經廣泛的應用在數據采集、儀器控制、工業(yè)過程監(jiān)控和實驗室自動化測量領域。
虛擬儀器是實實在在的電子測量儀器，虛擬的含義主要體現(xiàn)在將儀器的部分硬件功能及數據分析處理功能以軟件的形式被虛擬化。這與網絡世界中虛擬的概念是完全不同的，網絡世界中的虛擬表現(xiàn)出的是一種不存在的虛幻。
虛擬儀器是實實在在的電子測量儀器，虛擬的含義主要體現(xiàn)在將儀器的部分硬件功能及數據分析處理功能以軟件的形式被虛擬化。這與網絡世界中虛擬的概念是完全不同的，網絡世界中的虛擬表現(xiàn)出的是一種不存在的虛幻。
1.5.1 虛擬儀器會取代傳統(tǒng)儀器嗎？
如何看待虛擬儀器，它與傳統(tǒng)儀器間會有什么不同之處？它會取代傳統(tǒng)儀器嗎？
正像當年數字式儀表剛剛出現(xiàn)時，也曾有過類似的問題提出：數字式儀表會取代模擬式儀表嗎？當時可謂是眾說紛紜，看法不一?？墒牵钡浇裉鞌底质絻x表也未能 完全取代模擬式儀表。但是，數字化肯定是儀器儀表的發(fā)展趨勢。比如：民用電度表、手機、電視、照相機等都已經實現(xiàn)數字化了！
可以說，在未來相當長的一段時間內，虛擬儀器還不會取代傳統(tǒng)儀器，因為它們有各自的特點和各自的優(yōu)勢。
不管未來會發(fā)生什么樣的變化，現(xiàn)在還是一起來看看虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器間的差別，參見表1－1。
正像當年數字式儀表剛剛出現(xiàn)時，也曾有過類似的問題提出：數字式儀表會取代模擬式儀表嗎？當時可謂是眾說紛紜，看法不一?？墒牵钡浇裉鞌底质絻x表也未能 完全取代模擬式儀表。但是，數字化肯定是儀器儀表的發(fā)展趨勢。比如：民用電度表、手機、電視、照相機等都已經實現(xiàn)數字化了！
可以說，在未來相當長的一段時間內，虛擬儀器還不會取代傳統(tǒng)儀器，因為它們有各自的特點和各自的優(yōu)勢。
不管未來會發(fā)生什么樣的變化，現(xiàn)在還是一起來看看虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器間的差別，參見表1－1。
表 1－1
傳統(tǒng)儀器的發(fā)展已經近百年了，虛擬儀器的出現(xiàn)不過才短短的二十多年。正是由于它們之間存在著各自不同的特點和特性，所以目前還不存在著將來誰取代誰的問題。未來，它們之間的關系仍舊是良好的一種互補關系。
1.5.2 模擬電子技術仍主導著虛擬儀器的未來
在此之前，我們一直強調虛擬儀器是基于計算機的測量儀器，軟件在虛擬儀器中起著重要作用。的確如此，但是也千萬不要忽視這樣一個基本事實：模擬電子技術在虛擬儀器硬件（IC）中也同樣承擔的非常非常重要的作用。
虛擬儀器的測量原理是基于數據采集模塊，而數據采集模塊中最核心部件就是模數轉換器。可以說，模數轉換器的特性決定了數據采集模塊的特性，而數據采集卡的特性決定了整個測量儀器的基本特性。
工業(yè)自動化測量需要的是定量測量，測量結果的準確與否直接與模數轉換器的基本特性有關。模數轉換器的溫度特性決定了數據采集模塊的使用環(huán)境，模數轉換器的 長期穩(wěn)定性決定了數據采集模塊校準周期。當然，模塊的設計者可以通過其它技術手段來保證數據采集模塊的技術性能。比如NI的數據采集模塊從E系列發(fā)展到M 系列，其技術性能的提升完全取決于模擬電子技術的進步所致，其中包括了：高速16－18位模數轉換器、內置基準源的等設計手段。從而使M系列的數據采集模 塊校準周期定為2年。
筆者的一塊NI PXI 6251數據采集模塊，已經使用了4年，最近對它測試表明其準確度還保持在出廠時的校準水平。
還有，C系列模塊的功能多樣性恰恰是由模數轉換器的多樣性所帶來的。
縱觀NI的數據采集模塊，絕大多數都是使用商品化的模數轉換IC。未來，只有模擬電子技術不斷發(fā)展進步，才會給虛擬儀器的發(fā)展帶來更多的新機會。
正是NI公司在軟、硬件設計上具有個性鮮明的特點和連通性，才會使它成為虛擬儀器技術領域的權威專業(yè)制造商和領跑者。
虛擬儀器的測量原理是基于數據采集模塊，而數據采集模塊中最核心部件就是模數轉換器。可以說，模數轉換器的特性決定了數據采集模塊的特性，而數據采集卡的特性決定了整個測量儀器的基本特性。
工業(yè)自動化測量需要的是定量測量，測量結果的準確與否直接與模數轉換器的基本特性有關。模數轉換器的溫度特性決定了數據采集模塊的使用環(huán)境，模數轉換器的 長期穩(wěn)定性決定了數據采集模塊校準周期。當然，模塊的設計者可以通過其它技術手段來保證數據采集模塊的技術性能。比如NI的數據采集模塊從E系列發(fā)展到M 系列，其技術性能的提升完全取決于模擬電子技術的進步所致，其中包括了：高速16－18位模數轉換器、內置基準源的等設計手段。從而使M系列的數據采集模 塊校準周期定為2年。
筆者的一塊NI PXI 6251數據采集模塊，已經使用了4年，最近對它測試表明其準確度還保持在出廠時的校準水平。
還有，C系列模塊的功能多樣性恰恰是由模數轉換器的多樣性所帶來的。
縱觀NI的數據采集模塊，絕大多數都是使用商品化的模數轉換IC。未來，只有模擬電子技術不斷發(fā)展進步，才會給虛擬儀器的發(fā)展帶來更多的新機會。
正是NI公司在軟、硬件設計上具有個性鮮明的特點和連通性，才會使它成為虛擬儀器技術領域的權威專業(yè)制造商和領跑者。
1.5.3 數字電子技術使得虛擬儀器設計更加靈活
數字電子技術的發(fā)展同樣影響著虛擬儀器的性能，如：E系列6014模塊的計數器和定時器為：2個 24 bits 時鐘頻率20MHz；而M系列6251的則為：2個32 bits 時鐘頻率80 MHz；X系列6320的則為：4個32 bits 時鐘頻率100 MHz。在性能不斷提高的同時，價格和功耗確在不斷的下降，原因就是數字電子技術的不斷進步所致。
特別是NI的板載FPGA技術推出，使得一些系統(tǒng)設計更加自主化、更加機動靈活。我們知道，數據采集模塊的基本性能是確定性的，用戶只有按照確定性的要求 來選擇使用。當系統(tǒng)中一旦需要一些比較特殊的要求時，我們無能為力來改進或解決。NI R系列模塊提供了某些解決辦法，這就是對FPGA進行在線編程實現(xiàn)硬件設計的軟件化。
NI R系列多功能RIO設備具有每通道專用的模數轉換器(ADC)，可以實現(xiàn)獨立的定時和觸發(fā)。它提供超越典型數據采集硬件功能的多種專項功能，如：多速率采樣和單通道觸發(fā)。NI R系列模塊提供的可編程FPGA芯片，更適合板載處理和靈活的I/O操作。
NI R系列數字RIO設備和LabVIEW FPGA，允許我們配置自定義的硬件，滿足各種應用的需要，如：自定義數字數據采集、高速波形生成、傳感器仿真、硬件在環(huán)(HIL)測試、自定義數字通信協(xié)議、誤碼率測試以及其它要求精確定時和控制的應用程序。
我們可借助于NI LabVIEW FPGA模塊，配置各項功能。該程序框圖在硬件中運行, 有助于直接而及時地控制全部I/O信號, 實現(xiàn)各項優(yōu)越性能, 例如:
完全控制所有信號及操作的同步和定時
具有硬件定時的速度和可靠性的自定義板載決策
百余種可個別配置的數字線, 如: 輸入、輸出、計數器/定時器、脈沖寬度調制(PWM)、靈活的編碼器輸入或專門的通信協(xié)議
對于FPGA的編程和設計，我們根本不用重新學習VHDL編程語言，在NI LabVIEW平臺下借助NI LabVIEW FPGA模塊就可以采用圖形編程的方法設計自己所需的硬件電路。這樣不僅大大減輕和緩解了學習和應用方面的壓力，同時還加快驗證和發(fā)布創(chuàng)新應用的速度。
特別是NI的板載FPGA技術推出，使得一些系統(tǒng)設計更加自主化、更加機動靈活。我們知道，數據采集模塊的基本性能是確定性的，用戶只有按照確定性的要求 來選擇使用。當系統(tǒng)中一旦需要一些比較特殊的要求時，我們無能為力來改進或解決。NI R系列模塊提供了某些解決辦法，這就是對FPGA進行在線編程實現(xiàn)硬件設計的軟件化。
NI R系列多功能RIO設備具有每通道專用的模數轉換器(ADC)，可以實現(xiàn)獨立的定時和觸發(fā)。它提供超越典型數據采集硬件功能的多種專項功能，如：多速率采樣和單通道觸發(fā)。NI R系列模塊提供的可編程FPGA芯片，更適合板載處理和靈活的I/O操作。
NI R系列數字RIO設備和LabVIEW FPGA，允許我們配置自定義的硬件，滿足各種應用的需要，如：自定義數字數據采集、高速波形生成、傳感器仿真、硬件在環(huán)(HIL)測試、自定義數字通信協(xié)議、誤碼率測試以及其它要求精確定時和控制的應用程序。
我們可借助于NI LabVIEW FPGA模塊，配置各項功能。該程序框圖在硬件中運行, 有助于直接而及時地控制全部I/O信號, 實現(xiàn)各項優(yōu)越性能, 例如:
完全控制所有信號及操作的同步和定時
具有硬件定時的速度和可靠性的自定義板載決策
百余種可個別配置的數字線, 如: 輸入、輸出、計數器/定時器、脈沖寬度調制(PWM)、靈活的編碼器輸入或專門的通信協(xié)議
對于FPGA的編程和設計，我們根本不用重新學習VHDL編程語言，在NI LabVIEW平臺下借助NI LabVIEW FPGA模塊就可以采用圖形編程的方法設計自己所需的硬件電路。這樣不僅大大減輕和緩解了學習和應用方面的壓力，同時還加快驗證和發(fā)布創(chuàng)新應用的速度。
1.5.4 高端測量儀器領域傳統(tǒng)儀器仍是主宰者
所謂高端測量儀器是指那些使用在精密實驗室的測量儀器，特別是校準實驗室。對這類測量儀器通常會有比較特殊的要求。比如儀器的本底噪聲要小、滿足電磁兼容 性的要求、使用環(huán)境溫度、濕度要保證在一定的范圍內等。所以精密實驗室的測量儀器領域一直被傳統(tǒng)儀器所占據著。比如8位半的數字電壓表、萬用表，數GHz 的射頻信號發(fā)生器及分析儀等。
筆者認為：造成這樣的原因是多方面的：虛擬儀器是基于計算機的測量儀器，而計算機總線上總是會存在著一些噪聲，這對精密測試影響很大。相對而言，傳統(tǒng)儀器在設計上完全可以做到精雕細刻，力求盡善盡美，而虛擬儀器的設計很難做到這點。
另外，傳統(tǒng)的精密測量儀器用的大多是線性（模擬）供電電源，而虛擬儀器大多由開關電源供電。所以在抑制電源噪聲干擾方面?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的確要比虛擬儀器做得好些。
虛擬儀器在精密實驗室應用方面的優(yōu)勢還是通過儀器的接口總線（GPIB等）構成實驗室的自動化測試系統(tǒng)。
綜上所述，虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器之間不存在著將來誰取代誰的問題。未來，它們之間的關系仍舊是良好的一種互補關系。
筆者認為：造成這樣的原因是多方面的：虛擬儀器是基于計算機的測量儀器，而計算機總線上總是會存在著一些噪聲，這對精密測試影響很大。相對而言，傳統(tǒng)儀器在設計上完全可以做到精雕細刻，力求盡善盡美，而虛擬儀器的設計很難做到這點。
另外，傳統(tǒng)的精密測量儀器用的大多是線性（模擬）供電電源，而虛擬儀器大多由開關電源供電。所以在抑制電源噪聲干擾方面?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的確要比虛擬儀器做得好些。
虛擬儀器在精密實驗室應用方面的優(yōu)勢還是通過儀器的接口總線（GPIB等）構成實驗室的自動化測試系統(tǒng)。
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