虚拟仪器常见问题

虚拟仪器和NI
 
 图1.虚拟仪器结合了高效的软件、模块化I/O和可扩展的平台
 
    NI在15余年前引入了虚拟仪器技术，从而改变了工程师和科学家测量身边的世界和使之自动化的方式。2004年，NI在90个国家销售了超过6百万套虚拟仪器。今天，虚拟仪器已经得到了主流的接受而且在全世界数以千计的工业应用中使用，从汽车到消费电子，再到石油和燃气。

 
 图2,PC 10,000倍的性能提高有助于驱使虚拟仪器系统性能提高

    虚拟仪器另一个驱动器是高性能、低成本的模拟—数字（ADC）和数字—模拟（DAC）转换器的发展。诸如无线通信和高清晰度视频的应用不断地影响着这些技术。当传统专有转换技术趋于缓慢发展时，商用半导体技术却趋于遵从摩尔定律——每18个月性能翻一番。虚拟仪器硬件使用广泛可得的半导体来提供高性能的测量前沿产品。
 
    最后，提供了设计自定义仪器系统直观界面的系统设计软件进一步促进了虚拟仪器的发展。LabVIEW正是这类软件的一个例子。LabVIEW图形化开发环境提供了编程语言的性能和灵活性，以及专为测量和自动化应用设计的高层功能和配置功能。
 
图3.在LabVIEW图形化开发环境里开发的范例代码

  
图4.LabVIEW是用于基于PC数据采集和仪器控制领域的领先应用软件

    虽然软件是每个虚拟仪器的核心，然而几乎所有的虚拟仪器都需要测量硬件精确地取得测量结果。由于独立于所选择的编程环境，所以虚拟仪器软件必须提供出色的与系统测量硬件的结合。NI的软件，包括LabVIEW，提供了与来自上千家第三方硬件厂商数以万计产品的开放式连接，如传感器、摄像机、执行器、传统仪器和插入式设备（USB、PCI等）。 

    2004年，NI测量硬件提供给客户超过6,000,000套虚拟仪器测量设备。从低成本的USB数据采集到图像采集和过程控制视觉系统，再到2.7GHz的RF测量和GPIB总线通信，NI已经在25,000多家公司面前展示了它可以提供完成虚拟仪器所需要的测量硬件和可扩展的硬件平台。

 
图5.传统仪器（左图）和基于软件的虚拟仪器（右图）具有许多相同的结构组件，但是在体系结构原理上完全不同

    每一个虚拟仪器都由两部分组成——软件和硬件。对于当前的测量任务，虚拟仪器的标价与具有相似功能的传统仪器相差无几，甚至比它少许多倍。然而，由于虚拟仪器在测量任务改变时具有更大的灵活性，因而随着时间的流逝，节省的成本不断累计。
 
    通过不使用厂商定义的、预封装好的软件和硬件，工程师和科学家获得了最大的用户定义的灵活性。传统仪器把所有软件和测量电路封装在一起的产品提供给他们，这是以使用仪器前面板而损失一定固定功能作为代价的。而虚拟仪器则是提供完成测量或控制任务所需的所有软件和硬件。此外，利用虚拟仪器，工程师和科学家可以使用高效且强大的软件来自定义采集、分析、存储、共享和显示功能。

这里是实际中显现灵活性的一些例子：

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，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 

 
图8.虚拟仪器硬件与传统仪器的比较

 
图9.LabVIEW使用户定义的仪器和可自定义的硬件成为可能

 
图10.测试在当今电子设备的设计和生产中发挥着重要的作用

    事实上，开发过程有两个完全不同且分离的阶段——设计和测试是两个单独的实体。在设计方面，EDA工具厂商承受着巨大的压力与不断增长的半导体设计和生产集团复杂要求相互作用。工程师和科学家要求随着产品从原理图设计到仿真再到物理层，EDA应具有从一个工具到其他的工具可重复使用设计的能力。相似地，测试系统开发正朝模块化方式发展。这两个世界之间的间隙在传统上一直被忽视，直到在新的产品原型设计阶段才第一次引起注意。传统上，这一阶段是产品设计者使用台式仪器将物理原型与他们的设计对照，进行完整性检查以获得正确性。设计者手工地进行测量，在他们的仪器上探测电路并监测信号以发现问题或性能局限。随着设计反复地经历建立－测量－调整－重建立这个过程，设计者再次需要同样的测量。此外，这些测量可能十分复杂——需要频率、幅值和温度自始至终地随所采集和分析的数据而变动。由于工程师注重于设计工具，所以他们不愿意学习如何将他们的测试自动化。
 
    具有内在集成属性的系统容易扩展并且能适应不断增长的产品功能。一旦需要新的测试，工程师只需要简单地给平台添加新的模块以完成测量。虚拟仪器软件的灵活性和虚拟仪器硬件的模块化使得虚拟仪器成为加速开发周期的必需。

 
图11.虚拟仪器软件

 
图12.LabVIEW虚拟仪器包括用户界面和应用程序逻辑

    通过连接图标来创建方块图（对于工程师和科学家来说是自然设计符号）即可决定虚拟仪器的行为。利用图形化编程，工程师和科学家可以比通常的编程语言更快地开发系统，同时保持了创建各种应用程序所需的灵活性。LabVIEW是一个开放式环境，它包含了即时使用的库，从串行总线、以太网和GPIB通信到运动控制，数据采集和图像采集。

  
Figure 13. DAQ Assistant, available with NI-DAQmx, simplifies data acquisition task creation.
图13. NI-DAQmx 里可得的DAQ助手简化了数据采集任务的创建

什么操作系统（OS）与NI虚拟仪器兼容？
    NI为在流行的操作系统（包括Windows (XP/2000/NT)、Mac OS X、Linux、 PocketPC和PalmOS）上开发虚拟仪器提供了虚拟仪器软件支持和DAQ、GPIB及其他硬件支持。

    除了这些常见的操作系统，NI也支持运行在实时操作系统之上的确定性测量和控制系统。实时平台为应用程序提供了框架，从而可以及时的按预期运行并具有增强的可靠性，而且无需交互作用即可单独运行。在桌面环境里开发之后，工程师或科学家编译代码并把它应用到NI实时硬件对象。

 
图14.模块化I/O和可扩展的平台（如USB、PCI和PXI）提供了灵活性和可扩展性

    除了使用标准平台之外，NI作为65个厂商联盟的一部分，极力推动用于虚拟仪器的PXI硬件平台。PXI是一个建立在PC技术之上的模块化I/O标准。它在基于PC的体系结构上增加了集成定时和同步、工业稳定性和增强的通道计数。今天，为PXI平台而创建的1000余种产品正在世界范围内为数以千计的公司使用。

    选择合适的平台来创建虚拟仪器依赖于特定的应用要求。例如，便携性、精确的同步和采集速率都在选择平台时起到作用。
 

表2.NI硬件平台比较

 
图15.PC总线技术的发展

     现已作为所有新的台式和便携式PC上标准的USB 2.0也为虚拟仪器提供了显著的益处。最初时为诸如键盘和鼠标等外设与PC的连接而创建的USB迅速地成为普遍的标准，用来向PC和电子设备（包括数字照相机、MP3播放器甚至数据采集设备）中发送和接收数据。USB即插即用的特性使得可用性和设备的移动性十分简单。PC在一个新设备插入时自动检测，寻找设备识别，并且适当地配置所需的驱动。此外，USB是热插拔的，所以不同于其他数据总线，在添加或去除设备之前无需关机。与USB 1.1相比，USB 2.0的高速度提高了数据吞吐量，将带宽增加至480Mb/s。

    所有的PC都装有USB 2.0端口，而且PCI Express正在成为一种全新的插入式总线标准。正如Intel、Dell、HP和其他厂商继续开发基于这些技术的系统和组件，规模经济将会继续提高性能并减少成本。虚拟仪器和NI产品将继续利用这些总线技术的发展来提供更低价格但更快速的测试和测量产品。

 
图16.基于以太网/LAN的虚拟仪器系统实例