虛擬儀器：開放架構(gòu)基礎(chǔ)上創(chuàng)建用戶定義

隨著技術(shù)發(fā)展、上市時(shí)間縮短，要求工程師和科學(xué)家對(duì)業(yè)界挑戰(zhàn)作出更快速、高效的回應(yīng)。虛擬儀器概念的開發(fā)是電腦的日益普及和產(chǎn)業(yè)與研究領(lǐng)域競爭性增強(qiáng)的產(chǎn)物。本文說明虛擬儀器的概念，及其在提高產(chǎn)能、精確度和性能方面的優(yōu)勢。

虛擬儀器主要由裝備了強(qiáng)大應(yīng)用軟件、PC即插即用板之類的高性價(jià)比硬件和驅(qū)動(dòng)軟件的計(jì)算機(jī)組成，這些配備能夠在測試和自動(dòng)控制方面提供比傳統(tǒng)儀器更強(qiáng)的功能。虛擬儀器代表了以傳統(tǒng)硬件為主的儀器系統(tǒng)向以軟件為主的系統(tǒng)的根本性轉(zhuǎn)移，它能充分發(fā)揮現(xiàn)代計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力、產(chǎn)能、顯示能力和連接能力。雖然電腦和集成電路技術(shù)在過去二十年里有了長足的進(jìn)步，但是是軟件在這些強(qiáng)大的硬件架構(gòu)上建立起了虛擬儀器，并提供了更好的革新方式，極大地降低了成本。工程師和科學(xué)家可以利用虛擬儀器建立能夠完全符合他們要求的(用戶定義)測試和自動(dòng)控制系統(tǒng)，而不再受傳統(tǒng)固定功能儀器(供應(yīng)商定義)的限制。

與傳統(tǒng)儀器的對(duì)比

像示波器和波形發(fā)生器這樣的單個(gè)獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器有著非常強(qiáng)大的功能，但價(jià)格也比較昂貴，主要設(shè)計(jì)用于執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)供應(yīng)商定義好的特殊任務(wù)。用戶一般不能進(jìn)行擴(kuò)展或定制。儀器上的旋鈕、按鍵、內(nèi)置電路以及用戶可用的功能都非常明確。另外，開發(fā)這些儀器必須使用許多專業(yè)技術(shù)和昂貴的元件，因此這些傳統(tǒng)儀器價(jià)格非常高，普及速度比較慢。

而基于電腦的虛擬儀器具有能夠充分利用現(xiàn)有電腦中集成的最新技術(shù)的優(yōu)勢。這些技術(shù)和性能上的優(yōu)勢包括P4這樣功能強(qiáng)大的處理器、微軟的Windows XP、.NET和蘋果Mac OS X等操作系統(tǒng)和技術(shù)等。除了整合有強(qiáng)大的性能外，這些平臺(tái)也非常容易訪問因特網(wǎng)等強(qiáng)大的工具。傳統(tǒng)儀器還經(jīng)常缺少便攜性，而運(yùn)行在筆記本上的虛擬儀器則自動(dòng)整合了便攜特性。

對(duì)于那些要求、應(yīng)用和需求改變非?？斓墓こ處熀涂茖W(xué)家來說，需要很大的靈活性來創(chuàng)建他們自己的解決方案。他們可以采用虛擬儀器來滿足他們的特殊要求，而且無需替換整個(gè)設(shè)備，因?yàn)榘惭b在電腦上的各種應(yīng)用軟件和即插即用硬件俯拾皆是。以模塊化方式定義系統(tǒng)的靈活性可以使工程師和科學(xué)家真正遠(yuǎn)離昂貴的供應(yīng)商定義的系統(tǒng)。

利用虛擬儀器解決方案可以降低資本費(fèi)用、系統(tǒng)開發(fā)成本和系統(tǒng)維護(hù)成本，同時(shí)加快產(chǎn)品上市時(shí)間和提高自己產(chǎn)品的質(zhì)量。虛擬儀器能讓用戶為他們的“需求”付費(fèi)，而不再為從供應(yīng)商定義系統(tǒng)被動(dòng)“獲得的東西”而付費(fèi)。

虛擬儀器中的軟件

軟件是虛擬儀器中最重要的組成部分。工程師和科學(xué)家通過合適的軟件工具設(shè)計(jì)和集成某個(gè)特殊過程所需的例程就能夠有效地創(chuàng)建他們自己的應(yīng)用程序。他們還可以創(chuàng)建正確的能夠完全滿足應(yīng)用目的和交互使用要求的用戶接口。他們可以定義應(yīng)用軟件如何和何時(shí)從設(shè)備獲取數(shù)據(jù)、如何處理或分析數(shù)據(jù)、管理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。

他們還可以利用功能強(qiáng)大的軟件在儀器中創(chuàng)建智能和決策能力。軟件所具有的另外一個(gè)重要優(yōu)勢是模塊化特性。在處理大型項(xiàng)目時(shí)，工程師和科學(xué)家可以將整個(gè)項(xiàng)目分成多個(gè)較易解決的功能性單元。這些子任務(wù)將更容易管理，更容易測試，從而減少了可能引起預(yù)料外行為的可能性。

虛擬儀器并不局限于一臺(tái)獨(dú)立的電腦。事實(shí)上，隨著近來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和因特網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，儀器使用強(qiáng)大的互連功能進(jìn)行任務(wù)的分配將越來越普遍。典型例子包括超級(jí)計(jì)算機(jī)、分布式監(jiān)控和控制設(shè)備以及來自不同地理位置的數(shù)據(jù)或結(jié)果可視化。

國家儀器公司(NI)作為虛擬儀器的先驅(qū)推出了圖形化編程環(huán)境LabVIEW。LabVIEW提供了一個(gè)易于使用的專門設(shè)計(jì)以滿足工程師和科學(xué)家需求的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，是虛擬儀器內(nèi)集成的一個(gè)組成部分。

圖1. LabVIEW虛擬儀器前面板

圖形化編程

圖形化編程環(huán)境是LabVIEW向工程師和科學(xué)家提供的強(qiáng)大性能之一。用戶可以利用LabVIEW定制設(shè)計(jì)虛擬儀器，在計(jì)算機(jī)屏幕上創(chuàng)建圖形化用戶接口，并通過這個(gè)接口操作儀器程序、控制選中的硬件、分析捕獲的數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。

用戶還可以用旋鈕、按鍵、撥號(hào)器和圖形等元件定制虛擬儀器的面板來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板、創(chuàng)建定制的測試面板或以可視化的方式表達(dá)控制和操作過程。標(biāo)準(zhǔn)流程圖和圖形化程序之間的相似性縮短了與基于文本的傳統(tǒng)語言相關(guān)的學(xué)習(xí)過程。