虚拟仪器已成为测试测量行业的主流

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，从而使用户可通过软件来建立自定义的仪器。软件定义比厂商定义台式仪器功能的方式有更大的灵活性，并且由于基于PC技术，所以能以更快的速度实现高级的功能。如今在测试应用中使用虚拟仪器技术已成为主流。绝大多数测试行业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。例如，具有代表性的美国军方虽然不是技术趋势的领导者，但也在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)独立用户，美国国防部已在他们所推动的综合性仪器中采用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能实时地配置仪器以实现各种测试功能......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，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具有商业化硬件和软件处理特性，把这两者结合起来能建立用户自定义的仪器。目前，数千家大型的公司已经开始使用虚拟仪器技术。仅在生产检测中，象Lexmark, Motorola, Delphi, ABB和Philips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。而在工业领域，虚拟仪器技术已被用于自动化石油钻探和提炼，生产中的机器控制，甚至是核反应堆的控制。传统仪器和革新者的难题正如Clayton Christensen在同名的书中所描述的，传统仪器在此同时会遭遇“革新者的难题”。Christensen是这样描述这一现象的：新的具有突破性的技术会改变市场的前景并最终推翻市场领导者的地位。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领导市场了。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灵活性的测量中，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，虚拟仪器技术的测量性能已比原来提高了许多。现在，虚拟仪器技术可以和传统仪器的测量性能相当，甚至超过它们，而且还具有更高的数据传输率、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“革新者难题”这一原则，我们可以比较一下MP3和传统播放媒介，如CD。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。而另一方面，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，所以尽管它有缺点，在诞生初期仍然被一些用户所推崇。随着时间的推移，MP3的质量已经可以接受并且播放MP3的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，安捷伦最近推出的产品包括一套基于以太网的“综合性仪器”以及能兼容PXI的任意波形发生器，而PXI是工业标准的虚拟仪器技术平台。近来安捷伦 的John Stratton也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分离的测试单元。”[军事和航空电子，2004年6月]。在最近召开的投资者大会上，安捷伦的首席运营官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”。PC性能不断革新并降低了成本在过去二十年里，PC的性能已提高了10,000倍，其它任何商业化技术都不曾有过这样高的性能增长。由于虚拟仪器技术采用PC处理器来进行测量分析，每次随着新一代PC处理器的出现，使用虚拟仪器技术就可以实现新的应用。例如，目前的3 GHz PC可用来进行复杂的频域和调制分析以用于通信测试应用。使用1990年的PC(Intel 386/16)，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。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、显示和总线带宽也有类似的性能提高。新一代的高速PC总线PCI Express能提供的带宽高达3.2 GBytes/s，从而可以利用PC架构来实现超高带宽的测量。某些厂商声称高速内部总线将会让位给如以太网和USB这样的外部总线。尽管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)，但是同样也有高速的数据传输速率需求。例如，一个100 MS/s的14位IF数字化仪能生成200MB/s的数据，这将高于千兆以太网的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；甚至是千兆的网络也比PCI Express慢30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和一个通过内部总线和仪器盒相连的标准PC主板。然而，这种方式就损失了PC技术的两个关键优势——一是像Dell这种桌面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早已没有了使用价值。此外，如图1所示，这些设备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。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是出现了高性能、低成本的A/D和D/A转换器。移动电话和数字音频等应用不断地推动这些技术的发展。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。最后，由于能提供直观的界面来设计定制的仪器系统，系统设计软件也推动了虚拟仪器技术的发展。Christensen在他的书中指出，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 就是这样的软件。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。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。用虚拟仪器技术进行系统设计的前景虚拟仪器技术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。这一技术也将最终提供这样的一个独立环境，使用户可以从设计测试系统到定义硬件的功能，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，他们也将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 程序来使用模块化仪器进行某些测量，如DC电压和上升时间。当工程师需要开发专门的测量时，他们也可以使用LabVIEW 对原始的测量数据进行分析，从而开发出专门的测量，比如峰值检测。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。虚拟仪器技术已成为主流虚拟仪器技术的功能和性能已被不断地提高，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极佳的模式，并且使工程师们在测量和控制方面得到无以伦比的强大功能和灵活性。