虚拟仪器：开放架构基础上创建用户定义

随着技术发展、上市时间缩短，要求工程师和科学家对业界挑战作出更快速、高效的回应。虚拟仪器概念的开发是电脑的日益普及和产业与研究领域竞争性增强的产物。本文说明虚拟仪器的概念，及其在提高产能、精确度和性能方面的优势。

虚拟仪器主要由装备了强大应用软件、PC即插即用板之类的高性价比硬件和驱动软件的计算机组成，这些配备能够在测试和自动控制方面提供比传统仪器更强的功能。虚拟仪器代表了以传统硬件为主的仪器系统向以软件为主的系统的根本性转移，它能充分发挥现代计算机强大的计算能力、产能、显示能力和连接能力。虽然电脑和集成电路技术在过去二十年里有了长足的进步，但是是软件在这些强大的硬件架构上建立起了虚拟仪器，并提供了更好的革新方式，极大地降低了成本。工程师和科学家可以利用虚拟仪器建立能够完全符合他们要求的(用户定义)测试和自动控制系统，而不再受传统固定功能仪器(供应商定义)的限制。

与传统仪器的对比

像示波器和波形发生器这样的单个独立的传统仪器有着非常强大的功能，但价格也比较昂贵，主要设计用于执行一个或多个供应商定义好的特殊任务。用户一般不能进行扩展或定制。仪器上的旋钮、按键、内置电路以及用户可用的功能都非常明确。另外，开发这些仪器必须使用许多专业技术和昂贵的元件，因此这些传统仪器价格非常高，普及速度比较慢。

而基于电脑的虚拟仪器具有能够充分利用现有电脑中集成的最新技术的优势。这些技术和性能上的优势包括P4这样功能强大的处理器、微软的Windows XP、.NET和苹果Mac OS X等操作系统和技术等。除了整合有强大的性能外，这些平台也非常容易访问因特网等强大的工具。传统仪器还经常缺少便携性，而运行在笔记本上的虚拟仪器则自动整合了便携特性。

对于那些要求、应用和需求改变非常快的工程师和科学家来说，需要很大的灵活性来创建他们自己的解决方案。他们可以采用虚拟仪器来满足他们的特殊要求，而且无需替换整个设备，因为安装在电脑上的各种应用软件和即插即用硬件俯拾皆是。以模块化方式定义系统的灵活性可以使工程师和科学家真正远离昂贵的供应商定义的系统。

利用虚拟仪器解决方案可以降低资本费用、系统开发成本和系统维护成本，同时加快产品上市时间和提高自己产品的质量。虚拟仪器能让用户为他们的“需求”付费，而不再为从供应商定义系统被动“获得的东西”而付费。

虚拟仪器中的软件

软件是虚拟仪器中最重要的组成部分。工程师和科学家通过合适的软件工具设计和集成某个特殊过程所需的例程就能够有效地创建他们自己的应用程序。他们还可以创建正确的能够完全满足应用目的和交互使用要求的用户接口。他们可以定义应用软件如何和何时从设备获取数据、如何处理或分析数据、管理和存储数据以及将结果呈现给用户。

他们还可以利用功能强大的软件在仪器中创建智能和决策能力。软件所具有的另外一个重要优势是模块化特性。在处理大型项目时，工程师和科学家可以将整个项目分成多个较易解决的功能性单元。这些子任务将更容易管理，更容易测试，从而减少了可能引起预料外行为的可能性。

虚拟仪器并不局限于一台独立的电脑。事实上，随着近来网络技术和因特网的蓬勃发展，仪器使用强大的互连功能进行任务的分配将越来越普遍。典型例子包括超级计算机、分布式监控和控制设备以及来自不同地理位置的数据或结果可视化。

国家仪器公司(NI)作为虚拟仪器的先驱推出了图形化编程环境LabVIEW。LabVIEW提供了一个易于使用的专门设计以满足工程师和科学家需求的应用开发环境，是虚拟仪器内集成的一个组成部分。

图1. LabVIEW虚拟仪器前面板

图形化编程

图形化编程环境是LabVIEW向工程师和科学家提供的强大性能之一。用户可以利用LabVIEW定制设计虚拟仪器，在计算机屏幕上创建图形化用户接口，并通过这个接口操作仪器程序、控制选中的硬件、分析捕获的数据并显示结果。

用户还可以用旋钮、按键、拨号器和图形等元件定制虚拟仪器的面板来模拟传统仪器的控制面板、创建定制的测试面板或以可视化的方式表达控制和操作过程。标准流程图和图形化程序之间的相似性缩短了与基于文本的传统语言相关的学习过程。 [p]

将图标连接在一起创建出框图就可以决定虚拟仪器的行为，这也是科学家和工程师们较为自然的设计理念。通过图形化编程可以比传统编程更快地开发出系统，同时还能保留创建各种不同应用所需的功能和灵活性。

虚拟仪器在工程过程中的各个阶段(从研究、设计到制造测试)都具有巨大的优势。

在研究和设计阶段，工程师和科学家需要快速的开发和原型建立能力。而利用虚拟仪器可以快速开发程序，并在同一个仪器上测试原型、分析结果，所需时间只是传统仪器测试时间的很少一部分。

研发(RD)应用要求无缝地集成软件和硬件。不管是否需要通过GPIB与一台独立的仪器相连，是否需要通过数据捕获板和信号调节硬件将信号直接送入计算机，LabVIEW都能非常简捷地将软硬件连接起来。利用虚拟仪器可以使测试流程实现自动化，消除可能的手工操作错误，而且由于不会引起未知或预料之外的变化，因此可以确保结果的一致性。

开发测试和可用性

利用虚拟仪器的灵活性和强大功能可以很容易地建立复杂的测试过程。针对自动的设计验证测试，用户可以在LabVIEW中建立测试例程，并与测试管理软件整合在一起，比如与具有强大测试管理功能的TestStand整合在一起。

减少测试时间和简化测试过程的开发是制造测试中最基本的努力目标，而虚拟仪器提供的高性能则可以满足这些要求。这些基于个人计算机的工具具有能够并行运行多重测试序列的高速、多线程引擎，因此可以完全满足严格的吞吐量要求。NI公司的TestStand能够在用LabVIEW编写的例程基础上非常方便地管理测试序列、测试执行和测试报告。

图2. LabVIEW虚拟仪器框图

制造应用要求软件必须是可靠的、高性能的和可互操作的。虚拟仪器具有所有这些优势，它集成了诸如告警、历史数据发展趋势、安全、组网、工业I/O和企业互连等性能。用户可以利用这些功能方便地连接许多类型的工业设备，如PLC、工业网络、分布式I/O以及插入式数据捕获板。

虚拟仪器不止是个人计算机

近来商用PC技术已经开始向嵌入式系统转移，例如用于嵌入式开发的Windows CE、基于Intel x86的处理器、PCI和CompactPCI总线和以太网技术等。为了体现成本和性能的优势，虚拟仪器采用的也是商用技术，这些商用技术同样也在增加嵌入式和实时功能。例如，LabVIEW既可运行于Linux，也可针对特殊嵌入式目标运行于VenturCom提供的嵌入式ETS实时操作系统。如将虚拟仪器用作从台式机扩展到嵌入式设备的可升级框架，那么应该把虚拟仪器看作是嵌入式系统开发者的完整工具箱中的工具之一。

显著影响嵌入式系统开发的技术变化是网络和Web。以太网已经成为全球各个公司使用的标准网络架构。此外，PC领域中Web接口的普及也已经漫延到了蜂窝电话、PDA以及目前的工业数据捕获和控制系统的开发。

由于虚拟仪器软件可以利用交叉平台编译技术将台式和实时系统整合在一个开发环境中，用户现在就可以利用内置Web服务器和台式软件的易用网络功能，并将它移植至实时和嵌入式系统中。例如，可以利用LabVIEW简单地配置内置Web服务器，并向网络上定义好的安全机器输出windows上的应用接口，然后通过该接口下载应用并运行于手持机中的傻瓜式嵌入式系统上。整个过程无需嵌入式系统所要求的额外编程。

嵌入式系统开发是发展最快的工程领域之一，在可预见的未来将继续得到发展，因为消费者需要更聪明的汽车、设施、家用设备等等。这些商用技术的革新将有力地推进虚拟仪器的普及。提供虚拟仪器软件和硬件工具的领先企业需要在专业技术和产品开发上加大投资，以更好地服务这一领域。例如针对NI旗舰产品虚拟仪器软件平台LabVIEW，NI公司描绘的发展前景是这样的：从针对台式操作系统的开发向嵌入式实时系统、向手持式个人数字助理、向基于FPGA的硬件、甚至向智能传感器转移。

集成在一起的软硬件、灵活的模块化工具、商用技术的使用等一系列虚拟仪器概念共同形成了一个基础架构，在该架构上工程师或科学家们可以快速完成他们的系统开发并维持很长一段时间。由于虚拟仪器可以在嵌入式开发中提供许多可选项和功能，因此非常有助于嵌入式开发者理解和阅览这些工具。

本文小结

虚拟仪器采用了越来越先进的计算机技术，可以在开放架构基础上创建用户定义的系统。这一概念不仅可以确保用户远离供应商定义的系统，还可确保今天的系统能够平滑得到升级以满足明天的需求。