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虚拟仪器的诞生史
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虚拟仪器概述
关于NI公司的创立，最有说服力的资料还是来自NI公司的总裁、CEO、公司的创立者之一James Truchard博士在后来回忆公司创建之初时所写下的一封信(这封信原来刊登在NI的英文官网上)。
图 1－1 iMac 媒体播放软件
能够直观地展现虚拟仪器含义的实例就是计算机上的媒体播放器。对于天天与计算机打交道的人来说，在紧张繁忙的工作一段时间后，通常会选择听一段轻松的音乐 或观看一部大片，目的就是来缓解一下因紧张工作所带来的压力和烦躁。商业化的计算机完全具备了这样的能力，为何不借此享受一番呢！我相信，绝大多数与计算 机打过交道的人，都曾有过类似的经历。
仔细地想一想：我们身边并没有摆放任何媒体播放器，之所以能够获得这样的享受，完全是借助于现代计算机上的光驱、声卡等硬件资源和媒体播放软件。它们的软 硬件组合为我们“虚拟”了一部媒体播放器。通过计算机显示屏上的软件播放器窗口，我们可以随意地调节音量和设置音调、查看播放进程、慢放或快放等等操作。 宛如我们身边确实有一台媒体播放器一样。
实际上，虚拟仪器的构成大致类似，它也是利用计算机及某些外部硬件资源（类似于声卡的数据采集模块）与测量应用软件（类似于播放软件）共同组成了一台“虚拟”的测量仪器。
通过这样简单的对比，相信大家已经对虚拟仪器有一个大致的理解。
仔细地想一想：我们身边并没有摆放任何媒体播放器，之所以能够获得这样的享受，完全是借助于现代计算机上的光驱、声卡等硬件资源和媒体播放软件。它们的软 硬件组合为我们“虚拟”了一部媒体播放器。通过计算机显示屏上的软件播放器窗口，我们可以随意地调节音量和设置音调、查看播放进程、慢放或快放等等操作。 宛如我们身边确实有一台媒体播放器一样。
实际上，虚拟仪器的构成大致类似，它也是利用计算机及某些外部硬件资源（类似于声卡的数据采集模块）与测量应用软件（类似于播放软件）共同组成了一台“虚拟”的测量仪器。
通过这样简单的对比，相信大家已经对虚拟仪器有一个大致的理解。
1.1.1 虚拟仪器理念的诞生
虚拟仪器的理念源自于美国国家仪器公司（National Instruments Corporation，简称美国NI公司，成立于1976年）。
上世纪60年代末，已处于仪器仪表制造业鼎盛时期的美国HP公司(1999年HP-Hewlett-Packard公司的检测仪器部被拆分出成立了现在的 安捷仑公司，原来HP公司改为专门生产制作计算机及打印设备。)设计出一种计算机与电子测量仪器之间可进行并行通讯的接口总线HP- IB（Hewlett-Packard Instrument Bus），也就是后来的GPIB（General Purpose Interface Bus）。
上世纪60年代末，已处于仪器仪表制造业鼎盛时期的美国HP公司(1999年HP-Hewlett-Packard公司的检测仪器部被拆分出成立了现在的 安捷仑公司，原来HP公司改为专门生产制作计算机及打印设备。)设计出一种计算机与电子测量仪器之间可进行并行通讯的接口总线HP- IB（Hewlett-Packard Instrument Bus），也就是后来的GPIB（General Purpose Interface Bus）。
GPIB总线的出现解决了计算机和电子测量仪器之间的连接和通讯问题，同时也为组建自动化测试系统提供了最佳的解决方案。
当时，HP公司是世界上最大的综合性仪器仪表制造公司。市场上许多高精尖测试、测量仪器都是由该公司生产制造。而且该公司生产的许多电子测量仪器都配备有GPIB接口。
鉴于GPIB接口总线规定了计算机与可编程仪器间从电气到机械等具体的要求，所以它被国际电工委员会IEEE接纳批准为国际标准。也就是IEEE-488-1975（IEEE-488.1）以及后来修订的IEEE-488-1987（IEEE- 488.2）。
事实上，IEEE-488.1定义了GPIB接口部分的硬件电气标准，而随后出现的IEEE-488.2则定义了GPIB接口部分的软件语法规则。
大约是在IEEE-488.1国际标准发布一年后，正在美国德州的奥斯汀学习和工作的几个年轻人看到了GPIB接口总线技术的发展未来，他们决定开发这方面的产品，并着手创办一个属于自己的公司。
他们就是，NI公司的三个共同创始人：James Truchard，Jeff Kodosky and Bill Nowlin (也有资料称其为William Nowlin)。
当时，HP公司是世界上最大的综合性仪器仪表制造公司。市场上许多高精尖测试、测量仪器都是由该公司生产制造。而且该公司生产的许多电子测量仪器都配备有GPIB接口。
鉴于GPIB接口总线规定了计算机与可编程仪器间从电气到机械等具体的要求，所以它被国际电工委员会IEEE接纳批准为国际标准。也就是IEEE-488-1975（IEEE-488.1）以及后来修订的IEEE-488-1987（IEEE- 488.2）。
事实上，IEEE-488.1定义了GPIB接口部分的硬件电气标准，而随后出现的IEEE-488.2则定义了GPIB接口部分的软件语法规则。
大约是在IEEE-488.1国际标准发布一年后，正在美国德州的奥斯汀学习和工作的几个年轻人看到了GPIB接口总线技术的发展未来，他们决定开发这方面的产品，并着手创办一个属于自己的公司。
他们就是，NI公司的三个共同创始人：James Truchard，Jeff Kodosky and Bill Nowlin (也有资料称其为William Nowlin)。
图 1－2 NI公司的三个创始人（：James Truchard，Jeff Kodosky and Bill Nowlin）
关于NI公司的创立，最有说服力的资料还是来自NI公司的总裁、CEO、公司的创立者之一James Truchard博士在后来回忆公司创建之初时所写下的一封信(这封信原来刊登在NI的英文官网上)。
图 1－3 James Truchard的毕业照
James Truchard博士在信中是这样写到：
创立公司的想法第一次闪现在我的脑海里是在1967年，那时我刚刚在德克萨斯大学的奥斯汀分校完成了我的硕士论文。我设计、开发了一个超低噪音放大器，并 且在测量应用领域得到了很广泛使用。这不仅使我品尝到了成功的滋味，特别是让我隐隐约约感觉到凭借这个成功我已经可以去独闯天下了。可是，最终我还是放弃 了这个想法，决定继续留在德克萨斯大学读完博士学位。
当我完成学业获得了博士学位后，我再次有了创办企业的想法。
早在1976年前，我就遇到了Jeff Kodosky 和Bill Nowlin，他们是我在奥斯汀德克萨斯大学应用研究实验室（ARL）的伙伴，我们在一起相继工作有2年多。
1976年，我们开始共同策划创建一个小公司，并很快决定我们最初的产品应该是一个通用接口总线的具体应用，那样工程师和科学家就可以用它连接测量仪器和电脑，并用电脑来读取测量值，比如温度、电压和压力等。
从1976年4月开始，我、Jeff和Bill就准备开始设计我们自己的产品，同时也为即将成立的新公司选择了很多个可能使用的名称——德克萨斯数码以及我们姓名首字母的一些排列组合等等。可是，当我们第一次递交公司的申请时，这些名称全部都遭到了拒绝。
在接下来的一轮名称递交申请中，令人非常吃惊的是他们认可了我们的第一选择——National Instruments。
当我们集体签名从本地银行借出10,000美元后，购买了一台电脑并开始了产品研发。我们最初使用的工作间是我们的车库，后来又围绕在我们的房子周围的地方到处打游击。
我们的首款通用接口总线在1977年4月完成。此后，国家仪器搬进了它的第一个300平方英尺的办公室。
创立公司的想法第一次闪现在我的脑海里是在1967年，那时我刚刚在德克萨斯大学的奥斯汀分校完成了我的硕士论文。我设计、开发了一个超低噪音放大器，并 且在测量应用领域得到了很广泛使用。这不仅使我品尝到了成功的滋味，特别是让我隐隐约约感觉到凭借这个成功我已经可以去独闯天下了。可是，最终我还是放弃 了这个想法，决定继续留在德克萨斯大学读完博士学位。
当我完成学业获得了博士学位后，我再次有了创办企业的想法。
早在1976年前，我就遇到了Jeff Kodosky 和Bill Nowlin，他们是我在奥斯汀德克萨斯大学应用研究实验室（ARL）的伙伴，我们在一起相继工作有2年多。
1976年，我们开始共同策划创建一个小公司，并很快决定我们最初的产品应该是一个通用接口总线的具体应用，那样工程师和科学家就可以用它连接测量仪器和电脑，并用电脑来读取测量值，比如温度、电压和压力等。
从1976年4月开始，我、Jeff和Bill就准备开始设计我们自己的产品，同时也为即将成立的新公司选择了很多个可能使用的名称——德克萨斯数码以及我们姓名首字母的一些排列组合等等。可是，当我们第一次递交公司的申请时，这些名称全部都遭到了拒绝。
在接下来的一轮名称递交申请中，令人非常吃惊的是他们认可了我们的第一选择——National Instruments。
当我们集体签名从本地银行借出10,000美元后，购买了一台电脑并开始了产品研发。我们最初使用的工作间是我们的车库，后来又围绕在我们的房子周围的地方到处打游击。
我们的首款通用接口总线在1977年4月完成。此后，国家仪器搬进了它的第一个300平方英尺的办公室。
在1977年，我们通过陌生的电话将我们的首个产品出售给德克萨斯州圣安东尼奥的凯利空军基地。到年底，我们已经发售出去了总计3套产品，并且雇佣了一个兼职的行政助理。
1978 年7月，公司搬迁到了一个600平方英尺的场地。9月份，公司的发展遇到了一个十分危机关头。虽然大家竭尽全力，但是事情并没有向我们预期的那样发展。然 而，我们没有放弃，而是投入更多的金钱和决心，并且有计划的行动。我们给大约1000多名工程师和科学家寄去了产品宣传单，建议他们使用通过电脑传送和处 理测量数据的新方法。那些邮件使我们获得了成功，那一年公司销售了78,000美元的产品，应该是前途一片光明了。
1979年11月9日我专职加入NI公司，Jeff的加入是在1980年2月1日，而Bill则是在1980年4月1日加入的。从此，我们开始了新的征程。
1978 年7月，公司搬迁到了一个600平方英尺的场地。9月份，公司的发展遇到了一个十分危机关头。虽然大家竭尽全力，但是事情并没有向我们预期的那样发展。然 而，我们没有放弃，而是投入更多的金钱和决心，并且有计划的行动。我们给大约1000多名工程师和科学家寄去了产品宣传单，建议他们使用通过电脑传送和处 理测量数据的新方法。那些邮件使我们获得了成功，那一年公司销售了78,000美元的产品，应该是前途一片光明了。
1979年11月9日我专职加入NI公司，Jeff的加入是在1980年2月1日，而Bill则是在1980年4月1日加入的。从此，我们开始了新的征程。
图 1－4 踌躇满志
今天，我可以十分骄傲的说：美国国家仪器公司在虚拟仪器领域是一个科技先锋者和领导者，虚拟仪器这一创新理念已经改变了各个领域的工程师和科学家们进行测试测量和自动化的方式。
30 多年的发展历程中，美国国家仪器公司的虚拟仪器解决方案完全依仗于商业化科学技术的飞速发展，其中包括行业标准、计算机及网络。通过采用PC和现成的商业 技术，虚拟仪器通过集成的软件，比如图形化开发环境NI LabVIEW，以及基于PXI、PCI、PCIe、PXIe、USB、1394、WiFi和以太网的模块化测量和控制硬件，降低了用户在测试、控制和设 计领域应用的成本，并大幅提高了生产效率。
这封信中，充满了创业的喜悦和成功后的自豪！ [p]
30 多年的发展历程中，美国国家仪器公司的虚拟仪器解决方案完全依仗于商业化科学技术的飞速发展，其中包括行业标准、计算机及网络。通过采用PC和现成的商业 技术，虚拟仪器通过集成的软件，比如图形化开发环境NI LabVIEW，以及基于PXI、PCI、PCIe、PXIe、USB、1394、WiFi和以太网的模块化测量和控制硬件，降低了用户在测试、控制和设 计领域应用的成本，并大幅提高了生产效率。
这封信中，充满了创业的喜悦和成功后的自豪！ [p]
成立后的NI公司很快就设计开发出基于IEEE-488.1的硬件扩展版。逐渐稳步上升的销售业绩更加激发了他们的创新欲望，他们开始对GPIB接口进行 新的改进。改进后的GPIB将接口总线的传输速率从1Mbytes/s提高到8Mbytes/s。并成为新的国际标准IEEE-488-2003。
上个世纪80年代初期，NI公司凭借着GPIB总线上所获得的巨大成功，业已成为个人计算机GPIB控制器稳定的开发商和供应商。他们在与用户不断接触的 商务活动中敏锐的发现：当时所有的仪器控制程序基本上都是用BASIC语言编写的。要求那些十分精通测试、测量的科学家和工程师使用BASIC语言来编写 仪器控制程序，肯定不是一件十分愉快的事情。 NI公司的精英们开始设想：如果能够创造、发明一种很实用、很方便的仪器控制软件开发工具或软件开 发平台，必将彻底改变那些测试、测量科学家和工程技术人员对仪器控制程序设计的态度。基于这样的理念，他们决定研发一种这样的产品，并从1983年4月开 始迈出实现这个伟大梦想的第一步。
经过了三年多艰苦卓绝的不懈努力，这些天才的发明家终于实现了他们当初的梦想。不仅创建了虚拟仪器的理念，还同时发明了一种图形化的计算机编程语言及图形化程序的设计方法。
1986年，NI LabVIEW 1.0（Mac版）诞生(LabVIEW的版本历史，请参考附录A)。
二十五年来，持续不断地改进，图形化编程的方式已经逐渐演变成为现在的NI LabVIEW图形化系统设计的平台。
无可置疑，NI LabVIEW的诞生的确引发了测试、测量仪器领域的一场革命。
上个世纪80年代初期，NI公司凭借着GPIB总线上所获得的巨大成功，业已成为个人计算机GPIB控制器稳定的开发商和供应商。他们在与用户不断接触的 商务活动中敏锐的发现：当时所有的仪器控制程序基本上都是用BASIC语言编写的。要求那些十分精通测试、测量的科学家和工程师使用BASIC语言来编写 仪器控制程序，肯定不是一件十分愉快的事情。 NI公司的精英们开始设想：如果能够创造、发明一种很实用、很方便的仪器控制软件开发工具或软件开 发平台，必将彻底改变那些测试、测量科学家和工程技术人员对仪器控制程序设计的态度。基于这样的理念，他们决定研发一种这样的产品，并从1983年4月开 始迈出实现这个伟大梦想的第一步。
经过了三年多艰苦卓绝的不懈努力，这些天才的发明家终于实现了他们当初的梦想。不仅创建了虚拟仪器的理念，还同时发明了一种图形化的计算机编程语言及图形化程序的设计方法。
1986年，NI LabVIEW 1.0（Mac版）诞生(LabVIEW的版本历史，请参考附录A)。
二十五年来，持续不断地改进，图形化编程的方式已经逐渐演变成为现在的NI LabVIEW图形化系统设计的平台。
无可置疑，NI LabVIEW的诞生的确引发了测试、测量仪器领域的一场革命。
1.1.2 初期虚拟仪器的理念
虚拟仪器理念的诞生之初，受当时技术发展所限，虚拟仪器的主要应用体现在仪器控制方面。常被用于构建基于数字式仪表的大型自动化测试系统。
在这样的自动化测试系统中，安置在计算机上的GPIB控制器通过GPIB接口控制和管理着多台数字式测量仪器，并将仪器的测量数据不断地传送给计算机。计 算机按LabVIEW图形化程序要求对测量数据进行分析并将分析结果显示在计算机的屏幕上。自动化测试系统的基本模式参见下图。
在这样的自动化测试系统中，安置在计算机上的GPIB控制器通过GPIB接口控制和管理着多台数字式测量仪器，并将仪器的测量数据不断地传送给计算机。计 算机按LabVIEW图形化程序要求对测量数据进行分析并将分析结果显示在计算机的屏幕上。自动化测试系统的基本模式参见下图。
图 1－5 虚拟仪器——自动化测量系统
图 1－6 上个世纪90年代前后NI的Logo
由于测量控制软件在自动化测量系统中不仅起着对GPIB总线地控制和管理作用，同时还可以对多台仪器的测量数据进行较为复杂的分析和处理。所以，当时的虚拟仪器理念中突出强调软件在自动化测量系统中的作用。
当时的宣传口号“软件就是仪器”几乎随处可见，甚至包括在早期NI的Logo中。
当时的宣传口号“软件就是仪器”几乎随处可见，甚至包括在早期NI的Logo中。
二十五年后的今天，虚拟仪器的开发和应用已经得到了长足进步和发展。“软件就是仪器”的提法已经被全新的理念逐渐所取代。
其实，虚拟仪器理念的转变得益于现代计算机技术、微电子技术和数字信号处理技术获得的突破性进展。正因为如此，以这些技术为依托的虚拟仪器也得到了不断地发展，从而导致电子测量仪器进入到一个创新的发展阶段。
其实，虚拟仪器理念的转变得益于现代计算机技术、微电子技术和数字信号处理技术获得的突破性进展。正因为如此，以这些技术为依托的虚拟仪器也得到了不断地发展，从而导致电子测量仪器进入到一个创新的发展阶段。
1.1.3 现代虚拟仪器的理念
上个世纪未，随着计算机技术、微电子技术和数字信号处理等相应技术的飞速发展，虚拟仪器的构成发生了很大的变化，从而导致了虚拟仪器理念也发生了根本性的改变。
现阶段关于虚拟仪器的定义存在着许多相类似的说法：
依据当前虚拟仪器的发展状况，我们认为基本上可以这样来表述：虚拟仪器——基于计算机的测试测量和自动化仪器（系统）。
现阶段关于虚拟仪器的定义存在着许多相类似的说法：
- 在NI的帮助文档中还可以看到这样的说法：“LabVIEW程序又称虚拟仪器，即VI。其外观和操作均模仿现实仪器，如示波器和万用表。每个VI都使用函数从用户界面或其它渠道获取信息输入，然后将信息显示或传输至其它文件或计算机。”
- 在 清华大学出版社2008年出版的《虚拟仪器设计基础教程》［4］一书中第3.1节中也谈到：目前对于虚拟仪器的概念还没有统一定义。书中还提到NI公司认 为：虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测控系统，是一种计算机操纵的模块化仪器系统。
依据当前虚拟仪器的发展状况，我们认为基本上可以这样来表述：虚拟仪器——基于计算机的测试测量和自动化仪器（系统）。
这样的表述是基于下面的观点：
综上所述，虚拟仪器是与传统仪器是基本构成不一样的同一类测量仪器，是一种创新的仪器设计思想的产物。
- 虚拟仪器所表述的内容
- 虚拟仪器的测量特性
- 基于计算机的测试测量本身已包含软件和硬件
综上所述，虚拟仪器是与传统仪器是基本构成不一样的同一类测量仪器，是一种创新的仪器设计思想的产物。
