虛擬儀器常見問題
虛擬儀器技術(shù)和NI
為什么虛擬儀器技術(shù)十分必要？
虛擬儀器十分必要是因為它給予了儀器快速的適應(yīng)能力，這是當今的觀念、產(chǎn)品、過程設(shè)計、開發(fā)和配送所要求的。只有虛擬儀器可以使得工程師和科學(xué)家能夠創(chuàng)建用戶定義的儀器以與世界的需要同步。
為了滿足更快地革新和傳遞觀念與產(chǎn)品這個不斷增長的需要，科學(xué)家和工程師正轉(zhuǎn)向先進的電子元件、處理器和軟件。以現(xiàn)代的手機為例，大多數(shù)具有上一代的最新特性，包括音頻、電話本和文本消息性能。新的版本包括攝像機、MP3播放器、藍牙網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)瀏覽功能。
由于設(shè)備變得越來越以軟件為中心，所以先進的電子元件提高功能是可能的。工程師和科學(xué)家無需改變硬件就可以給設(shè)備添加新功能，這就造成了無需花費昂貴的硬件成本就可以提高觀念和產(chǎn)品。這延長了產(chǎn)品的生命和使用期限并且減少了產(chǎn)品交付時間。工程師和科學(xué)家可以通過軟件提高功能而不用為了一個特定的工作開發(fā)專門的電子元件。
然而，這種功能的提高卻付出了代價。升級的功能引入了不可見的相互作用或錯誤的可能性。因此，正如設(shè)備級的軟件有助于快速開發(fā)和擴展功能一樣，設(shè)計和測試儀器也必須改變以檢驗改進的性能。
滿足這些需要的唯一方式就是利用測試和控制體系結(jié)構(gòu)（也是軟件為中心的）。由于利用了高效率的軟件、模塊化I/O和商用平臺，所以虛擬儀器專門定位在與最新觀念和產(chǎn)品開發(fā)速率同步。NI的LabVIEW，一個領(lǐng)先的虛擬儀器圖形化開發(fā)環(huán)境，使用符號或圖形表示來加速開發(fā)。軟件使用符號表示功能，通過快速地配置圖形塊來鞏固功能進一步加速了開發(fā)。
另一個虛擬儀器組成部分是模塊化I/O，它設(shè)計成可以迅速地以任何順序或數(shù)量進行組合來確保虛擬儀器能夠監(jiān)視和控制任意一個開發(fā)方面。使用為模塊化I/O精心設(shè)計的軟件驅(qū)動，工程師和科學(xué)家可以在并行操作期間快速地獲得功能。
虛擬儀器第三個組成部分——商用平臺使用（經(jīng)常由于精確同步而得到增強）——確保了虛擬儀器利用了最新的計算機性能和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。這使得虛擬儀器建立在一個長期的技術(shù)基礎(chǔ)之上，這個基礎(chǔ)與在處理器、總線等方面的高額投資成比例關(guān)系。
總而言之，隨著革新要求軟件利用加速新的觀念和產(chǎn)品開發(fā)，它也要求儀器迅速適應(yīng)新功能。由于虛擬儀器使用了軟件、模塊化I/O和商用平臺，它使得儀器格外的符合保持與當今觀念和產(chǎn)品開發(fā)同步的要求。
什么是虛擬儀器技術(shù)?
使用虛擬儀器技術(shù)，基于用戶需求的軟件定義了通用目的的測量和控制硬件功能。虛擬儀器將主流的商用技術(shù)如PC和靈活性的軟件以及廣泛的測量和控制硬件結(jié)合到一起，因此工程師和科學(xué)家能夠創(chuàng)建完全滿足他們需要的用戶定義的系統(tǒng)。利用虛擬儀器，工程師和科學(xué)家縮短了開發(fā)時間，設(shè)計出了更高質(zhì)量的產(chǎn)品并且減少了設(shè)計成本。
圖1.虛擬儀器結(jié)合了高效的軟件、模塊化I/O和可擴展的平臺
NI在15余年前引入了虛擬儀器技術(shù)，從而改變了工程師和科學(xué)家測量身邊的世界和使之自動化的方式。2004年，NI在90個國家銷售了超過6百萬套虛擬儀器。今天，虛擬儀器已經(jīng)得到了主流的接受而且在全世界數(shù)以千計的工業(yè)應(yīng)用中使用，從汽車到消費電子，再到石油和燃氣。
為什么虛擬儀器技術(shù)如此成功？
虛擬儀器技術(shù)通過提供一種建立測量和自動系統(tǒng)的嶄新模型而得到主流的采用。它成功的關(guān)鍵包括迅速的PC發(fā)展，爆炸性的低成本、高性能的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換發(fā)展（半導(dǎo)體）以及系統(tǒng)設(shè)計軟件的出現(xiàn)。這些因素使得虛擬儀器系統(tǒng)能夠接近廣泛的用戶。
尤其是PC性能在過去的20年間增長了10,000多倍。通過使用每個新一代的PC 處理器、顯示和I/O總線分析測量和解決新的應(yīng)用挑戰(zhàn)，虛擬儀器充分利用了PC性能的提高。這些快速的發(fā)展，以及學(xué)校更早地開始專業(yè)技術(shù)和計算機知識的普及這一普遍趨勢，都促成了基于計算機的虛擬儀器的成功應(yīng)用。
圖2,PC 10,000倍的性能提高有助于驅(qū)使虛擬儀器系統(tǒng)性能提高
虛擬儀器另一個驅(qū)動器是高性能、低成本的模擬—數(shù)字（ADC）和數(shù)字—模擬（DAC）轉(zhuǎn)換器的發(fā)展。諸如無線通信和高清晰度視頻的應(yīng)用不斷地影響著這些技術(shù)。當傳統(tǒng)專有轉(zhuǎn)換技術(shù)趨于緩慢發(fā)展時，商用半導(dǎo)體技術(shù)卻趨于遵從摩爾定律——每18個月性能翻一番。虛擬儀器硬件使用廣泛可得的半導(dǎo)體來提供高性能的測量前沿產(chǎn)品。
最后，提供了設(shè)計自定義儀器系統(tǒng)直觀界面的系統(tǒng)設(shè)計軟件進一步促進了虛擬儀器的發(fā)展。LabVIEW正是這類軟件的一個例子。LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境提供了編程語言的性能和靈活性，以及專為測量和自動化應(yīng)用設(shè)計的高層功能和配置功能。
她剛剛完成了一個利用最新的M系列DAQ設(shè)備和積分編碼器測量電機位置的項目。他她的下一個項目是監(jiān)視和記錄這個電機的功率。即使任務(wù)完全不同她也可以重用同樣的M系列DAQ 設(shè)備。她他所需要做的就是使用虛擬儀器軟件開發(fā)出新的應(yīng)用程序。此外，如果需要的話，項目既可以與一個單一的應(yīng)用程序結(jié)合也可以運行在一個單一的M系列DAQ設(shè)備。
圖3.在LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境里開發(fā)的范例代碼
什么使得NI在虛擬儀器領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位？
簡而言之，答案是軟件。軟件使得工程師和科學(xué)家能夠創(chuàng)建用戶自定義的儀器。
任一虛擬儀器的核心就是靈活的軟件，而NI發(fā)明了世界上最好的虛擬儀器軟件平臺之一——LabVIEW。LabVIEW是一個強大的圖形化開發(fā)環(huán)境，用于信號采集、測量分析和數(shù)據(jù)顯示，無需傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性就給予了編程語言的靈活性。自1986年NI引入適用Macintosh操作系統(tǒng)的LabVIEW以來，它就迅速且始終如一地吸引那些尋求一種高效且強大的編程語言來用于測試、控制和設(shè)計應(yīng)用的工程師和科學(xué)家。今天，LabVIEW是數(shù)以千計的工程師和科學(xué)家首選的圖形化開發(fā)環(huán)境。
對于那些偏愛基于文本編程的工程師，NI也提供了針對ANSI C和LabWindows/CVI的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，以及使用Visual Studio .NET和Measurement Studio進行虛擬儀器開發(fā)的工具。
圖4.LabVIEW是用于基于PC數(shù)據(jù)采集和儀器控制領(lǐng)域的領(lǐng)先應(yīng)用軟件
雖然軟件是每個虛擬儀器的核心，然而幾乎所有的虛擬儀器都需要測量硬件精確地取得測量結(jié)果。由于獨立于所選擇的編程環(huán)境，所以虛擬儀器軟件必須提供出色的與系統(tǒng)測量硬件的結(jié)合。NI的軟件，包括LabVIEW，提供了與來自上千家第三方硬件廠商數(shù)以萬計產(chǎn)品的開放式連接，如傳感器、攝像機、執(zhí)行器、傳統(tǒng)儀器和插入式設(shè)備（USB、PCI等）。
2004年，NI測量硬件提供給客戶超過6,000,000套虛擬儀器測量設(shè)備。從低成本的USB數(shù)據(jù)采集到圖像采集和過程控制視覺系統(tǒng)，再到2.7GHz的RF測量和GPIB總線通信，NI已經(jīng)在25,000多家公司面前展示了它可以提供完成虛擬儀器所需要的測量硬件和可擴展的硬件平臺。
什么使得NI區(qū)別于其他虛擬儀器公司？
25年來，NI一直是虛擬儀器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。這種領(lǐng)導(dǎo)力通過持續(xù)且一貫的創(chuàng)新而不斷發(fā)展并延續(xù)。
由于NI發(fā)明并革新了#1虛擬儀器圖形化開發(fā)環(huán)境LabVIEW，它吸引了數(shù)以千計的工程師和科學(xué)家建立虛擬儀器。通過理解客戶項目開發(fā)需求，NI一貫地提供跳躍式的軟件革新，包括Express技術(shù)、LabVIEW實時模塊和LabVIEW PDA模塊，以及NI SignalExpress：
1. Express 技術(shù)
2003年，NI為LabVIEW、LabWindow/CVI和Measurement Studio創(chuàng)建了Express技術(shù)，在保留強大的功能的同時減少代碼復(fù)雜性。今天，超過50%的數(shù)據(jù)采集客戶使用DAQ 助手來簡化數(shù)據(jù)采集任務(wù)。
2. LabVIEW實時模塊和 LabVIEW PDA模塊
NI為使用LabVIEW實時模塊完成確定性執(zhí)行擴展了LabVIEW，并且開發(fā)了與之匹配的硬件平臺使得嵌入式應(yīng)用程序運行成為現(xiàn)實。LabVIEW PDA模塊將虛擬儀器和LabVIEW平臺擴展至手持設(shè)備。
3. NI SignalExpress
設(shè)計和測試工程師要求NI提供虛擬儀器軟件來交互式測量和分析數(shù)據(jù)。作為回應(yīng)，NI創(chuàng)建了SignalExpress——一個拖放且無需編程的完美環(huán)境用來經(jīng)進行試探性測量。
除了強大的軟件優(yōu)勢，NI是眾多虛擬儀器公司中提供了最為廣泛和創(chuàng)新性的I/O選擇。為了幫助工程師和科學(xué)家滿足不斷激增的需求，NI不斷地發(fā)布產(chǎn)品以進一步擴展產(chǎn)品的寬度。一些最近的硬件革新例子包括NI USB DAQ設(shè)備，NI M系列DAQ設(shè)備和NI CompactRIO：
1. USB DAQ 設(shè)備
在最近的調(diào)查中，70%的NI數(shù)據(jù)采集（DAQ）客戶表示他們希望在不久的將來購買多功能的USB DAQ設(shè)備。在那個月，NI發(fā)布了NI USB-6008，價格定為 $145US（這是多功能DAQ設(shè)備最新的低價點）。
2. M 系列DAQ設(shè)備
NI在2004年后期發(fā)布M系列DAQ設(shè)備產(chǎn)品線之時確立了在插入式數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。第一個18位的PCI設(shè)備，第一個具有最高吞吐量達六個DMA通道的PCI數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及即將得到專利的設(shè)備校準方案等等這些都只是這個設(shè)備系列與眾不同的特性中的一小部分。
3. NI CompactRIO 可配置的控制和I/O
NI I/O產(chǎn)品中最有創(chuàng)新性的新增功能之一就是CompactRIO。通過一個位于I/O平臺核心的FPGA芯片，工程師利用LabVIEW FPGA可以創(chuàng)建自定義的硬件并且可以不斷得重復(fù)自定義。
什么用戶使用NI的虛擬儀器產(chǎn)品？
NI的客戶包括工程師、科學(xué)家和許多工業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人士。從測試DVD錄像機導(dǎo)研究先進的醫(yī)藥，他們都使用NI的軟件和硬件以開發(fā)用戶定義的儀器并且以更快的速度、更低的成本提供各種產(chǎn)品和服務(wù)。
這里是一些客戶如何使用NI虛擬儀器產(chǎn)品的例子：
1. AP Racing——建立Formula 1測徑器和剎車測試測力計
30多年來，AP Racing一直是世界上剎車測徑器和賽車離合器技術(shù)及生產(chǎn)方面的領(lǐng)導(dǎo)者。AP Racing認為使用一個新的特殊的測力計可以帶來顯著的優(yōu)勢，而且使用NI的DAQ設(shè)備和LabVIEW所構(gòu)建的虛擬儀器提供了它所需要的靈活性以在市場中革新。
2. Lexmark——墨盒電氣性能測試
Lexmark International公司的Ed Coleman說：“隨著使用基于PC的模塊化儀器和工業(yè)標準軟件來以最少的開發(fā)時間繼續(xù)改善我們的測試系統(tǒng)從而滿足最新的要求，并且升級至NI 5122、NI 6552和 LabVIEW 7 Express，因而我們提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量同時以最小的開發(fā)費用提高了我們的測試性能。
3. Texas Instruments——RF和無線組件特性測試
德州儀器（TI）擁有將近40億美元的收益，是領(lǐng)先的無線IC提供者之一。為了簡化特性測試過程，TI創(chuàng)建了由NI TestStand和LabVIEW驅(qū)使的測試開發(fā)、管理和自動化軟件。通過使用NI產(chǎn)品，TI擴大了市場同時沒有損失質(zhì)量和資源。
4. Drivven——摩托車引擎控制單元（ECU）原型設(shè)計
在過去的項目中，Drivven至少要花費2人-年（man-year）和$500,000來使用自定義的硬件開發(fā)ECU原型。對于這個項目，設(shè)備成本（包括摩托車和CompactRIO）總計$15,000，而且開發(fā)時間只花費了將近3人-月（man-month）。基于FPGA的可重復(fù)配置的硬件、CompactRIO和LabVIEW實時模塊提供了可靠性和精確的定時資源，而且系統(tǒng)十分穩(wěn)定，足以承受極高的操作環(huán)境溫度和振動。
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虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器的比較
什么是虛擬儀器？它和傳統(tǒng)儀器有什么區(qū)別？
虛擬儀器是由用戶定義，而傳統(tǒng)儀器的功能是固定的且由廠商定義。圖5.傳統(tǒng)儀器（左圖）和基于軟件的虛擬儀器（右圖）具有許多相同的結(jié)構(gòu)組件，但是在體系結(jié)構(gòu)原理上完全不同
每一個虛擬儀器都由兩部分組成——軟件和硬件。對于當前的測量任務(wù)，虛擬儀器的標價與具有相似功能的傳統(tǒng)儀器相差無幾，甚至比它少許多倍。然而，由于虛擬儀器在測量任務(wù)改變時具有更大的靈活性，因而隨著時間的流逝，節(jié)省的成本不斷累計。
通過不使用廠商定義的、預(yù)封裝好的軟件和硬件，工程師和科學(xué)家獲得了最大的用戶定義的靈活性。傳統(tǒng)儀器把所有軟件和測量電路封裝在一起的產(chǎn)品提供給他們，這是以使用儀器前面板而損失一定固定功能作為代價的。而虛擬儀器則是提供完成測量或控制任務(wù)所需的所有軟件和硬件。此外，利用虛擬儀器，工程師和科學(xué)家可以使用高效且強大的軟件來自定義采集、分析、存儲、共享和顯示功能。
這里是實際中顯現(xiàn)靈活性的一些例子：
1. 一個應(yīng)用程序，不同的設(shè)備
考慮這樣一個特殊的例子，一位工程師正在實驗室的臺式計算機PCI總線上使用LabVIEW和M系列DAQ設(shè)備開發(fā)一個應(yīng)用程序，以創(chuàng)建一個直流（DC）電壓和溫度測量應(yīng)用。在完成了系統(tǒng)構(gòu)建之后，他需要在一個生產(chǎn)層PXI系統(tǒng)上配置應(yīng)用程序以完成新產(chǎn)品的測試。或者，他可能需要應(yīng)用程序具有便攜性，所以他選擇了NI USB DAQ產(chǎn)品來完成任務(wù)。在這個例子中，無論是何種選擇，在這三種情況下，他都可以僅在一個程序中使用虛擬儀器而無需改變代碼。
圖6.在許多設(shè)備使用同樣的應(yīng)用程序之時升級硬件十分輕松
1. 許多應(yīng)用程序，一個設(shè)備
考慮另外一個工程師，圖7.通過為許多應(yīng)用程序重用硬件減少成本
如何比較虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器硬件性能？
虛擬儀器的重要概念就是驅(qū)使實際虛擬儀器軟件和硬件設(shè)備加速的策略。NI致力于適應(yīng)或使用諸如Microsoft、Intel、Analog Devices、Xilinx以及其他公司的高投入技術(shù)。NI使用Microsoft在操作系統(tǒng)（OS）和開發(fā)工具方面的巨大投資。在硬件方面，NI基于Analog Devices在A/D轉(zhuǎn)換器方面的投資。
由于虛擬儀器是基于軟件的，所以基本上如果你可以對它數(shù)字化，就可以對它進行測量。因此，測量硬件可在兩個坐標軸上觀察，即分辨率（位）和頻率。參考下圖可以看出虛擬儀器硬件測量性能與傳統(tǒng)儀器的比較。NI的目標就是將曲線在頻率和分辨率上延伸并且在曲線內(nèi)進行創(chuàng)新。
圖8.虛擬儀器硬件與傳統(tǒng)儀器的比較
虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器兼容嗎？
許多工程師和科學(xué)家都在實驗室里將虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器相結(jié)合。除此之外，一些傳統(tǒng)儀器提供了特定的測量，即工程師和科學(xué)家寧愿廠商定義而不愿自定義的測量。這就引出了一個問題，“虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器兼容嗎？”
虛擬儀器無一例外地與傳統(tǒng)儀器相兼容。虛擬儀器軟件通常提供了與常用普通儀器總線相連接的庫，例如GPIB、串行總線和以太網(wǎng)。
除了提供庫之外，200多家儀器廠商向NI儀器驅(qū)動庫提供了4000余種的儀器驅(qū)動。儀器驅(qū)動提供了一套高層且人工可讀的函數(shù)以與儀器接口。每一個儀器驅(qū)動都專為儀器某一特定的模型而設(shè)計，從而為它獨特的性能提供接口。
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虛擬儀器和綜合性儀器的區(qū)別是什么？
自動測試工業(yè)里一個基本的趨勢就是向基于軟件的測試系統(tǒng)的重大轉(zhuǎn)變。例如，美國國防部（DoD）是世界上最大的自動測試設(shè)備（ATE）客戶之一。為了減少測試系統(tǒng)的成本并提高重用率，DoD通過海軍的NxTest計劃已經(jīng)確定：將來的ATE要使用建立在模塊化硬件和可重復(fù)配置的軟件之上的體系結(jié)構(gòu)，稱為綜合性儀器。采用綜合性儀器代表了將來軍用ATE系統(tǒng)標準和規(guī)范的重大發(fā)展，并且反映出可重復(fù)配置的軟件處于將來系統(tǒng)核心地位這一基本轉(zhuǎn)變。基于軟件測試系統(tǒng)的成功應(yīng)用，例如綜合性儀器，需要對硬件平臺和市場上軟件工具的理解，以及對系統(tǒng)級體系結(jié)構(gòu)和儀器級體系結(jié)構(gòu)之間區(qū)別的理解。
綜合性儀器執(zhí)行團體將綜合性儀器定義為“一個可重復(fù)配置的系統(tǒng)，它通過標準化的接口連接一系列基本硬件和軟件組件，從而產(chǎn)生信號或者使用數(shù)值處理技術(shù)進行測量”。這與虛擬儀器的許多性質(zhì)相同，虛擬儀器是“一個軟件定義的系統(tǒng)，其中基于用戶需要的軟件定義了通用測量硬件的功能”。兩種定義享有共同的性質(zhì)，即運行于商用硬件之上的可自定義軟件的儀器。通過將測量功能轉(zhuǎn)向用戶可接觸并可重復(fù)配置的硬件，那些采用這種體系結(jié)構(gòu)的儀器從具有更大靈活性和可重復(fù)配置功能的系統(tǒng)中受益，而且這些系統(tǒng)反過來又提高了性能同時減少了成本。
虛擬儀器應(yīng)用領(lǐng)域
虛擬儀器技術(shù)在過去的25年里是如何發(fā)展的？
虛擬儀器技術(shù)一直在測試和測量領(lǐng)域廣泛使用。而且，通過不斷的LabVIEW革新和數(shù)以百計的測量硬件設(shè)備，虛擬儀器技術(shù)逐漸擴大了它所觸及的應(yīng)用范圍。今天，NI率先將這一技術(shù)擴展到控制和設(shè)計部分。曾促進了測試發(fā)展的益處正開始加速控制和設(shè)計的發(fā)展。工程師和科學(xué)家不斷提高對虛擬儀器的要求，以希望有效地滿足世界范圍的需要，他們正是這一加速背后的驅(qū)動力。
近來NI 加速測試、控制和設(shè)計創(chuàng)新的一個例子就是使用LabVIEW FPGA進行編程的基于FPGA的硬件。如果工程師需要一個新的硬件性能，如板載DSP，或者新的觸發(fā)模式，您甚至可以在同樣的軟件中定義這種性能并且將它應(yīng)用在板載的FPGA上。工程師和科學(xué)家一直可以通過使用LabVIEW和模塊化I/O來創(chuàng)建高度集成的用戶自定義系統(tǒng)，而現(xiàn)在他們也可以將可自定義配置能力擴展至硬件本身。這種用戶可配置能力和透明度將會改變工程師建立測試系統(tǒng)的方式。圖9.LabVIEW使用戶定義的儀器和可自定義的硬件成為可能
虛擬儀器給自動測試應(yīng)用帶來的益處是什么？
測試一直是虛擬儀器長期應(yīng)用的領(lǐng)域。超過25,000家公司（大部分是測試和測量公司）使用NI的虛擬儀器。現(xiàn)在，許多公司都迅速地采用了具有高達200MS/s數(shù)字化性能的產(chǎn)品。PXI系統(tǒng)聯(lián)盟擁有60多個成員，提供了數(shù)以百計的產(chǎn)品，而且數(shù)以萬計的R&D、驗證和產(chǎn)品測試工程師和科學(xué)家正在使用成千上萬的儀器驅(qū)動。
而且，現(xiàn)在對于測試的需要越來越大。隨著創(chuàng)新的步伐越來越快，希望新的不同的產(chǎn)品更快地進入市場的壓力越來越大。消費者的期望在不斷的增加。以電子市場為例，消費者要求不同的功能可以更低的成本在一個更小的空間得到集成。近年來經(jīng)濟的低迷并沒有阻止革新的需要，但是卻要求使用更少資源。滿足這些需要是商業(yè)成功的一個因素——能夠快速、一貫并且最可靠地滿足這些需要的公司一定能在競爭中占有決定性的優(yōu)勢。
所有這些條件都驅(qū)使新的驗證、檢驗和生產(chǎn)測試需要。一個能與創(chuàng)新保持同步的測試平臺不是或有或無的，而是必需的。這個平臺必須包含具有足夠適應(yīng)能力的快速測試開發(fā)工具以在整個產(chǎn)品開發(fā)流程中使用。產(chǎn)品快速上市和高效生產(chǎn)產(chǎn)品的需要要求高吞吐量的測試。為了測試消費者所要求的復(fù)雜多功能產(chǎn)品需要精確的同步測量能力，而且隨著公司不斷地結(jié)合創(chuàng)新以提供不同的產(chǎn)品，測試系統(tǒng)必須快速地調(diào)整以測試這些新特性。
虛擬儀器是對這些挑戰(zhàn)的一種革新性解決方案。它將快速軟件開發(fā)和模塊化、靈活的硬件結(jié)合在一起從而創(chuàng)建用戶定義的測試系統(tǒng)。虛擬儀器提供了：
- 用于快速測試開發(fā)的直觀軟件工具
- 基于創(chuàng)新商用技術(shù)的快速、精確的模塊化I/O
· 具有集成同步功能的基于PC的平臺，以實現(xiàn)高精確度和高吞吐量
虛擬儀器技術(shù)如何應(yīng)用于控制和工業(yè)應(yīng)用？
PC和PLC在控制和工業(yè)應(yīng)用中都發(fā)揮著十分重要的作用。PC帶來了更大的軟件靈活性和更多的性能，而PLC則提供了優(yōu)良的穩(wěn)定性和可靠性。但是隨著控制需求越來越復(fù)雜，加速性能并同時保持穩(wěn)定性和可靠性就成為公認的需要。
獨立的工業(yè)專家已經(jīng)意識到了對工具的需要，這種工具應(yīng)該能夠滿足不斷增長的對更加復(fù)雜、動態(tài)、自適應(yīng)和基于算法控制的需要。PAC正是工業(yè)的需求也是虛擬儀器的回答。
一個獨立的研究公司定義了可編程自動控制器（PAC）來解決這個問題。ARC研究機構(gòu)的Craig Resnick將PAC定義成：
1. 多領(lǐng)域功能（邏輯、運動、驅(qū)動和過程）——這個概念支持多種I/O類型。邏輯、運動和其他功能的集成是不斷增長的負責控制方法的要求。
2. 單一的多學(xué)科開發(fā)平臺——單一的開發(fā)環(huán)境必須能支持各種I/O和控制方案
3. 用于設(shè)計貫穿多個機器或處理單元的應(yīng)用程序的軟件工具——這個軟件工具必須能適應(yīng)分布式操作。
4. 一組de facto網(wǎng)絡(luò)和語言標準——這個技術(shù)必須利用高投入技術(shù)。
5. 開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)——設(shè)計和技術(shù)標準與規(guī)范必須是在實現(xiàn)中開放的、模塊化的和可結(jié)合的。
PAC給PC軟件的靈活性增添了PLC的穩(wěn)定性和可靠性。LabVIEW軟件和穩(wěn)定、實時的控制硬件平臺對于創(chuàng)建PAC是十分完美的。
虛擬儀器技術(shù)給設(shè)計帶來的益處是什么？
使用各種軟件設(shè)計工具的設(shè)計工程師必須使用硬件來測試原型。通常，在設(shè)計階段和測試/驗證階段之間沒有一個良好的接口，這就意味著設(shè)計必須經(jīng)歷一個完成階段而后進入測試/驗證階段。測試階段發(fā)現(xiàn)的問題需要不斷反復(fù)設(shè)計階段。
圖10.測試在當今電子設(shè)備的設(shè)計和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用
事實上，開發(fā)過程有兩個完全不同且分離的階段——設(shè)計和測試是兩個單獨的實體。在設(shè)計方面，EDA工具廠商承受著巨大的壓力與不斷增長的半導(dǎo)體設(shè)計和生產(chǎn)集團復(fù)雜要求相互作用。工程師和科學(xué)家要求隨著產(chǎn)品從原理圖設(shè)計到仿真再到物理層，EDA應(yīng)具有從一個工具到其他的工具可重復(fù)使用設(shè)計的能力。相似地，測試系統(tǒng)開發(fā)正朝模塊化方式發(fā)展。這兩個世界之間的間隙在傳統(tǒng)上一直被忽視，直到在新的產(chǎn)品原型設(shè)計階段才第一次引起注意。傳統(tǒng)上，這一階段是產(chǎn)品設(shè)計者使用臺式儀器將物理原型與他們的設(shè)計對照，進行完整性檢查以獲得正確性。設(shè)計者手工地進行測量，在他們的儀器上探測電路并監(jiān)測信號以發(fā)現(xiàn)問題或性能局限。隨著設(shè)計反復(fù)地經(jīng)歷建立－測量－調(diào)整－重建立這個過程，設(shè)計者再次需要同樣的測量。此外，這些測量可能十分復(fù)雜——需要頻率、幅值和溫度自始至終地隨所采集和分析的數(shù)據(jù)而變動。由于工程師注重于設(shè)計工具，所以他們不愿意學(xué)習如何將他們的測試自動化。
具有內(nèi)在集成屬性的系統(tǒng)容易擴展并且能適應(yīng)不斷增長的產(chǎn)品功能。一旦需要新的測試，工程師只需要簡單地給平臺添加新的模塊以完成測量。虛擬儀器軟件的靈活性和虛擬儀器硬件的模塊化使得虛擬儀器成為加速開發(fā)周期的必需。
虛擬儀器軟件問題
為什么軟件對于虛擬儀器如此重要？
每一個虛擬儀器都建立在靈活和強大的軟件之上，這是通過具有創(chuàng)新精神的工程師或科學(xué)家應(yīng)用所在領(lǐng)域的專業(yè)知識來自定義測量和控制應(yīng)用來實現(xiàn)。
虛擬儀器軟件可以劃分成幾種不同的類別。大部分人馬上想到就是應(yīng)用軟件層。這是為建立一個應(yīng)用所需的首要開發(fā)環(huán)境。它所包含的軟件諸如LabVIEW、NI LabWindows/CVI（ANSI C）和NI Measurement Studio（Visual Studio 編程語言）。在此之上是測試執(zhí)行層，一個集成了應(yīng)用程序?qū)娱_發(fā)的所有功能并提供系統(tǒng)范圍數(shù)據(jù)管理的環(huán)境。下一層通常被忽略但是對于維持軟件開發(fā)效率卻十分重要。測量和控制服務(wù)層包括與所有硬件通信的驅(qū)動。它必須能存取和保存硬件功能和性能，也必須是可交互操作的——它必須與所有其他的驅(qū)動和可能成為解決方案一部分的眾多模塊化I/O類型協(xié)同工作。
圖11.虛擬儀器軟件
什么使得LabVIEW對于虛擬儀器如此完美？
LabVIEW是虛擬儀器的重要部分因為它提供了一個易于使用的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，專門為工程師和科學(xué)家而設(shè)計。LabVIEW提供了許多強大的特性使得它與廣泛的硬件和其他軟件輕松連接。這一易于使用和其他特性提供了虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境所需的靈活性。結(jié)果就是用戶定義的界面和用戶定義的應(yīng)用程序功能。
LabVIEW提供的眾多強大特性之一就是圖形化編程環(huán)境。利用LabVIEW，工程師和科學(xué)家可以通過在計算機屏幕上創(chuàng)建一個圖形化的用戶界面設(shè)計自定義的虛擬儀器。通過計算機屏幕，他們可以：
· 操作儀器程序
· 控制所選擇的硬件
· 分析所采集的數(shù)據(jù)
· 顯示結(jié)果
他們可以使用旋鈕、按鈕、表盤和圖表自定義LabVIEW用戶界面，或者前面板，從而仿效傳統(tǒng)儀器的控制面板、創(chuàng)建自定義的測試面板或者可視化地表示過程控制和操作。圖12.LabVIEW虛擬儀器包括用戶界面和應(yīng)用程序邏輯
通過連接圖標來創(chuàng)建方塊圖（對于工程師和科學(xué)家來說是自然設(shè)計符號）即可決定虛擬儀器的行為。利用圖形化編程，工程師和科學(xué)家可以比通常的編程語言更快地開發(fā)系統(tǒng)，同時保持了創(chuàng)建各種應(yīng)用程序所需的靈活性。LabVIEW是一個開放式環(huán)境，它包含了即時使用的庫，從串行總線、以太網(wǎng)和GPIB通信到運動控制，數(shù)據(jù)采集和圖像采集。
虛擬儀器是如何利用最新的軟件趨勢？
(still waiting from content from Nicole McGarry)
在如下HW問題之后建模
· Longhorn操作系統(tǒng)
· Visual Studio .NET語言
· 其他
什么是測量服務(wù)軟件？
測量服務(wù)軟件相當于I/O驅(qū)動軟件層。然而，它不僅僅是一個驅(qū)動。雖然經(jīng)常被忽視，但是它是快速開發(fā)應(yīng)用程序所需的最重要元素之一。這一軟件將虛擬儀器軟件與用于測量和控制的硬件向連接。它包括直觀的應(yīng)用程序編程界面、儀器驅(qū)動、配置工具、快速I/O助手和其他包含在NI硬件產(chǎn)品之中的軟件。NI測量服務(wù)軟件提供了與NI硬件和NI應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境的優(yōu)化結(jié)合。
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