虚拟仪器的现状和发展前景
虚拟仪器的现状和前景
通过一个学期的学习，我对虚拟与智能仪器有了一个基本的了解，对LABVIEW软件也基本上会应用。
虚拟仪器的现状
近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是NI公司的Lab VIEW软件和LABWINDOWS/CVI开发软件。Lab VIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。Lab Windows／CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的、在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。除了上述的优秀开发软件之外，美国HP公司的HP－VEE和HPTIG 平台软件，美国TEKTRONS公司的Ez－Test和TEK－TNS软件，以及美国HEM Data公司的Snap－MARTER平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。
虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。它可以藉不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。
当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GP－IB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的USB通用串行总线和IEEE 1394总线（即FIREWIER，也叫做火线）。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。
RS232总线是PC机早期采用的通用串行总线，至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系统。GP－IB仪器总线已经风行多年，由于它只是8位并行仪器总线，传输速率和传输距
离有限，已经跟不上当今大规模自动测试系统的需求。但是，采用GP－IB总线的仪器或插件，仍然大量存在，一直在应用，因此GP－IB总线仍然是组建中等水平自动测试系统所欢迎的总线。VXI总线是在VME总线的基础上发展起来的仪器总线，成为当今国际上测量仪器总线的主体。它可以满足当代科学技
术发展的测试要求，成为世界各国开发虚拟仪器最重视的开发对象。在这一方面，不仅常有新的软件出现，也常有高水平的系统开发成果的报道。
从事虚拟仪器开发的厂家和公司，也很注意USB通用串行总线和IEEE 1394串行总线虚拟仪器的开发，一是因为虚拟仪器系统主控常采用PC机，而当今PC机已经更多地采用USB总线和IEEE 1394总线，二是因为USB总线已经得到广泛的支持。一微软Windows 98全面支持USB总线，Windows CE和Windows NT5.0也支持USB，Windows 95的修订版也支持USB，Sun公司和Digital公司也已经支持USB。但是，USB总线只限于用在较简单的测试系统中，当今用虚拟仪器组建自动测试系统，更有前途的是采用IEEE1394串行总线，这是因为这一种高速串行总线，能够以100、200或400Mb／s的速率传送数据，显然会成为虚拟仪器发展最有前途的总线。目前国际上虚拟仪器所用IEEE 1394总线的传站速度的最高记录，已经达到100Mb／s。虚拟仪器开发商不仅注意使虚拟仪器能够适应上述各种通用计算机总线系统，使之为虚拟仪器服务，而且也注意建立各种仪器专用的总线系统。美国NI公司在1997年9月1日推出模块化仪器的主流平台PXI，这是与CONPACT PCI完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台PXI／COMPACE，PCI的传输速度已经达到100Mb／s，是目前已经发布的最高传输速度。虚拟仪器的开发厂家，为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了各种软件，建立了数据处理的高级分析库和开发工具库（例如测量结果的谱分析、快速傅立叶变换、各种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检队波形发生、噪声发生、回归分析、数值运算、时域和频域分析等），使虚拟仪器发展成为可以组建极为复杂自动测试系统的仪器系统。
National Instruments（美国国家仪器有限公司）在业界率先提出“虚拟仪器”（Virtual Instrumentation）概念至今已有１５年了。在这１５年里，ＮＩ逐步改变了全世界工程师和科学家们对于测量和自动化的方法。今天，全世界的工程师和科学家们正在成千上万个应用系统中使用“虚拟仪器技术”，从而达到缩短开发时间、提高产品品质并降低生产成本的共同目的。同时，虚拟仪器技术也正逐渐趋于成熟和完善的
境界。
虚拟仪器系统的基本构架包括功能强大的软件、模块化的测量硬件及标准商业科技（如个人计算机和网际网络）。虚拟仪器技术包含了专为控制应用设计的软件及针对不同频率与精确度范围的通用测量硬件，因此，工程师可以在测试或控制应用中自行定义测量功能。这些软硬件工程工具能紧密地与开放式的商业计算机平台整合使用，充分利用不断进步的计算机科技以获取高效率、高性能及低成本的利益。同时，其应用范围极其广泛，从汽车到消费电子，从石油到燃料能源，横跨数百个工业领域。
随着莫尔定律的持续发展及个人计算机技术的日新月异，虚拟仪器系统的功能也越来越强大。个人计算机的内存、影像处理、输入输出及中央处理单元的性能每年都在提高，而这些技术都有利于“虚拟”的测量和自动化系统的发展。从２５年前个人计算机的出现至今，其性能已提高了10000倍，而其价格却不断地下降，因此，这些功能强大、性能可靠、成本低廉的计算机系统被广泛应用到实验室的产品研发及生产线上产品的制程中。个人计算机的不断发展进步不仅使得虚拟仪器系统成为一种低成本、高弹性的解决方案，更大大提升了企业生产率，而这是传统独立的仪器设备所无法比拟的优势。
虚拟仪器技术帮助工程师们更容易了解并掌握测量系统。例如，以往工程师们总是使用几台单独的仪器设备分别进行各种物理量的测量，然后以手动方式进行初步的运算和分析；而现在，利用分析软件与简单的测量硬设备，就可以毫不费力地建置一套成本低廉且具有各种仪器功能的系统。功能强大、现成即用的软件使整个过程自动进行。工程师们使用个人计算机轻易就能完成整个资料撷取、分析和显示的工作，同时却不影响到测量系统的性能或功能。例如，NI LABVIEW简易的流程图编辑程序风格使得工程师们可以快速建置符合自己特定要求的应用程序，不管他是否有过编辑程序的经验。NI LABVIEW正是一个革命性的软件工具，它为工程师们提供的帮助就好像电子制表软件简化财务会计们繁重的工作量一样。而且，与硬设备的紧密整合使它更简单地实现测量和控制自动化，同时能充分利用个人计算机的分析、显示和网络连接功能。
随着测量和控制应用领域对系统性能和灵活性要求的不断
提高，软件的设计功能也日渐重要。购置工程应用开发平台并拥有其最佳性能，可以使企业大大缩短开发时间并提高每个工程师的工作效率。配备了这样强有力的工具，企业才能在剧烈的竞争中赢得最终胜利。这一方法使得工程师们可以专注于应用系统的开发而非花大量的时间去迎合操作系统的升级或网络的转移等变化，从而实现工程资源的有效利用，确保您的投资。测量系统历来被称为“自动化的荒岛”，因为您必须为每个单一的应用专门设计一套独立的系统。有了虚拟仪器系统，模块化的硬件组成及开放式的工程应用软件可以帮助您简单地使一套系统同时符合各种测量应用的要求。软件标准如OPC（OLE for Process Control），IVI（Interchangeable Virtual Instruments）保证了软硬件紧密的整合及硬设备的可互换性。工程师们不用再花上几个星期实现资料撷取软件与测量硬设备之间的通信。ＯPC为应用软件与各种硬件之间的通信问题设定了标准，使来自不同供货商的应用软件都符合这一标准。正如ＯPC提高了设备互用性，ＩＶＩ也为互换使用不同生产商提供的硬件定义了一套方法——使用同一软件。在实验室自动化中，当整个系统的寿命比一台仪器长得多时；在生产测试中，当您需要为新的生产线更改测量设备以符合应用要求时，这一特性尤为重要。为了满足您的测试系统不断变化的需要，开放式的平台如PXI(PCI EXTENSIONS for Instrumentation)可以简单地将来自不同生产厂商的测量设备整合到一个共同的系统中，并在新的技术出现或者应用系统需要发生改变时可以方便地将其进行修改或扩展。使用ＰＸＩ系统，您可以将一些常用的测量应用如机器视觉、运动控制和资料撷取快速整合，且不需花费过多宝贵的开发时间即可建置多功能的应用系统。开放式的PXI平台将工业标准科技如Compact／PCI、Windows操作系统与嵌入式的触发结合在一起，提供一个比个人计算机更耐用、更具有确定性的系统。同时，因为它是建立在熟悉的PC软硬件基础上，且可以与各种现成即用的开发软件整合使用，因而简化并加速复杂应用系统的开发过程。超越了PC的功能虚拟仪器技术融合了PC技术及商业科技如网际网络，促进测量和自动化技术的发展。现在，虚拟仪器技术正在利用PC范畴以外的最新的技术革新。例如，实时控制与嵌入式控制器也早已属于特殊程序开发的范围。现在，工业标准科技的发展，利用更可靠的
操作系统、功能更强大的处理器将更高一级的控制和确定性引入到虚拟仪器系统中。这意味着更多的测试和控制工程师们将有新的机会开发更加完善的实时的嵌入式系统。如NI LABVIEW RT（实时控制）的软件即可以进行PC上的开发，又可以实现实时控制的嵌入式应用系统的开发。工程师们无需苦于学习即可将自己的知识面扩展到新的应用领域，因为开发软件本身已包容了新兴的计算机技术。网际网络的潮流将资料共享带入了一个新的阶段，加速了虚拟仪器的网络技术及远程监控技术的发展，而这些技术是传统独立仪器不可能实现的。虚拟仪器技术可利用网际网络的功能，将来自测量或控制设备中的资料直接传送到web网页上，或是用掌上型的数字工具读取资料，甚至还可以将数据传输到手机上。使用虚拟仪器技术，您可以使用网际网络的强大功能远距离控制仪器设备，或是与远在其它办公地点甚至其它国家的同事合作处理一个项目。
虚拟仪器的展望
虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测量需求。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”。虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。
虚拟仪器的发展趋势
随着计算机技术、仪器技术和网络通信技术的不断完善，虚拟仪器将向以下三个方向发展：
(1)外挂式虚拟仪器
PC-DAQ式虚拟仪器是现在比较流行的虚拟仪器系统，但是，由于基于PCI总线的虚拟仪器在插入DAQ时都需要打开机箱等，比较麻烦，而且，主机上的PCI插槽有限，再加上测试信号直接进入计算机，各种现场的被测信号对计算机的安全造成很大的威胁，同时，计算机内部的强电磁干扰对被测信号也会造成很大的影响，故以USB接口方式的外挂式虚拟仪器系统将成为今后廉价型虚拟仪器测试系统的主流。
(2)PXI型高精度集成虚拟仪器测试系统
PXI系统高度的可扩展性和良好的兼容性，以及比VXI系
统更高的性价比，将使它成为未来大型高精度集成测试系统的主流虚拟仪器平台。
(3)网络化虚拟仪器
尽管Internet技术最初并没有考虑如何将嵌入式智能仪器设备连接在一起，不过NI等公司已开发了通过Web浏览器观测这些嵌入式仪器设备的产品，使人们可以通过Internet操作仪器设备。根据虚拟仪器的特性，我们能够方便地将虚拟仪器组成计算机网络。利用网络技术将分散在不同地理位置不同功能的测试设备联系在一起，使昂贵的硬件设备、软件在网络上得以共享，减少了设备重复投资。现在，有关MCN(Measurement and Control Networks)方面的标准正在积极进行，并取得了一定进展。由此可见，网络化虚拟仪器将具有广泛的应用前景。
２１世纪的虚拟仪器技术
未来的这种连通水平将会更高，届时将赋予模块化新的定义。随着网际网络和无线技术的不断发展，工程师们不仅能够重新使用模块化的组成部分，还可以更方便地在全球范围内共享知识经验——巩固开发过程每个阶段工程师们的努力成果。商业科技的发展浪潮将会继续，同时也将虚拟仪器技术推向新的领域。因此，性能的提高将节省宝贵的开发及系统整合时间，同时又比传统仪器测量方案成倍降低成本。没有人能够准确地预测未来的虚拟仪器将会发展到怎样的程度，但可以肯定的是——PC 与其相关的科技将会是虚拟仪器技术的核心。